劉榮昌 廖云霞 何軍軍 郭小發(fā) 王健

（東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，武漢430058）

主題詞：燃料電池汽車(chē) 可靠耐久 整車(chē)安全 熱管理 試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

我國(guó)已全面確立了2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，汽車(chē)行業(yè)各廠商正在大力發(fā)展燃料電池汽車(chē)。其基本特征是將燃料和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能，生成物只有水，具有排氣清潔、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

目前的氫燃料電池汽車(chē)大多基于傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)或者純電汽車(chē)改制，最大程度上采用了原有車(chē)型的零部件。由于不是重新開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，其燃電系統(tǒng)和車(chē)載氫系統(tǒng)等需要重點(diǎn)考核；針對(duì)氫燃料電池汽車(chē)驗(yàn)證體系，國(guó)內(nèi)外做了大量研究，彭祖雄從環(huán)境可靠性和耐久性等6個(gè)維度介紹了乘用車(chē)燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系；郭婷等對(duì)燃料電池堆氣密性、冷啟動(dòng)、壽命測(cè)試方法進(jìn)行了闡述；黃彥維等介紹了幾種燃料電池堆耐久試驗(yàn)臺(tái)架循環(huán)工況。但是零部件試驗(yàn)偏重于對(duì)電堆試驗(yàn)的介紹，整車(chē)試驗(yàn)偏重于法規(guī)試驗(yàn)的論述，缺少覆蓋零部件、系統(tǒng)、整車(chē)級(jí)的驗(yàn)證體系介紹。因此需要通過(guò)分析氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)特點(diǎn)，完善燃料電池汽車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證體系，指導(dǎo)新車(chē)型的開(kāi)發(fā)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證體系

氫燃料電池汽車(chē)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)主要圍繞零部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、整車(chē)級(jí)性能目標(biāo)制定和達(dá)成開(kāi)展工作，從動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、整車(chē)安全、電磁兼容、熱管理、振動(dòng)與噪聲、可靠耐久維度進(jìn)行分析，梳理出燃料電池汽車(chē)試驗(yàn)貨架1 618項(xiàng)（系統(tǒng)及零部件1 330項(xiàng)，整車(chē)288項(xiàng)），如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)零部件級(jí)驗(yàn)證體系

圖2 整車(chē)級(jí)驗(yàn)證體系

2.1 系統(tǒng)零部件試驗(yàn)

2.1.1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)

燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)力性指標(biāo)須滿足整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)要求。GB/T 24554—2009規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)的性能試驗(yàn)方法。某燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)10%額定功率～90%額定功率加載動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為5 s，如圖3所示；90%額定功率～10%額定功率卸載動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為2.5 s，如圖4所示。各企業(yè)可在此標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)開(kāi)發(fā)的燃料電池整車(chē)使用工況，構(gòu)建并完善燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)力性驗(yàn)證項(xiàng)目。

圖3 加載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

圖4 卸載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

對(duì)于燃料電池的冷啟動(dòng)性能，低溫環(huán)境下，在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)有液態(tài)水生成，液態(tài)水在低溫環(huán)境下會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)無(wú)法繼續(xù)開(kāi)展，系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常以燃電系統(tǒng)輸出功率到達(dá)25%額定功率的時(shí)間作為考核指標(biāo)。

對(duì)于燃料電池的電安全，低的電阻值可以保證各電堆部件之間充分接觸，并且降低電堆使用過(guò)程中歐姆極化損失。GB 18384—2020中要求燃料電池電動(dòng)汽車(chē)若交流電路增加有附加防護(hù)，組合電路絕緣電阻至少滿足100 Ω/V。

氫氣泄露會(huì)造成安全隱患，氣密性對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全性尤為重要。GB/T 24554—2009中規(guī)定氣密性測(cè)試方法，某燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)2側(cè)壓力進(jìn)口初始?jí)毫υO(shè)定為50 kPa，保持20 min后，壓力下降至43.2 kPa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

燃料電池系統(tǒng)耐久性測(cè)試，目前沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。耐久性臺(tái)架試驗(yàn)工況應(yīng)與道路工況特征一致，包含動(dòng)態(tài)、低載和怠速，過(guò)載及啟停等易造成衰減的工況。常見(jiàn)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)工況如國(guó)際電工委員會(huì)工況，美國(guó)能源部循環(huán)工況試驗(yàn)、法國(guó)電氣工程試驗(yàn)室車(chē)載循環(huán)工況試驗(yàn)、同濟(jì)大學(xué)循環(huán)工況試驗(yàn)、清華大學(xué)城市公交循環(huán)工況，都是由典型行駛工況轉(zhuǎn)化而來(lái)。應(yīng)根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的目標(biāo)客戶使用習(xí)慣，選擇合適的臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)工況，圖5為某燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)完成940 h耐久循環(huán)后功率衰減情況，衰減率4.2%。

圖5 耐久性試驗(yàn)前后電流電壓曲線

2.1.2 車(chē)載氫系統(tǒng)

車(chē)載氫系統(tǒng)檢測(cè)由動(dòng)態(tài)沖擊和靜推試驗(yàn)構(gòu)成，動(dòng)態(tài)沖擊依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26990—2011；靜推試驗(yàn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29126—2012完成。

2.1.3 整車(chē)控制器

為保證整車(chē)功能使用正常，開(kāi)展整車(chē)控制器電性能試驗(yàn)，包括整車(chē)暗電流測(cè)試、整車(chē)電平衡測(cè)試；單負(fù)載工作特性，工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)電流、電壓特性、接地電流分布和接地失效試驗(yàn)等。

為保證汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不受外部電磁環(huán)境干擾，開(kāi)展零部件電磁兼容測(cè)試。包括整車(chē)控制器信號(hào)線瞬態(tài)抗干擾性能、大電流注入抗干擾等試驗(yàn)。

為保證控制器各項(xiàng)功能在整車(chē)上很好的實(shí)現(xiàn)，需提前在硬件在環(huán)(Hardware-In-the-Loop，HIL)臺(tái)架上，使用測(cè)試用例，對(duì)可能失效的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，改進(jìn)完成后搭載整車(chē)開(kāi)展試驗(yàn)，縮短項(xiàng)目周期，減少風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 整車(chē)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)

動(dòng)力性試驗(yàn)包括GB/T 26991—2011和GB/T 19752—2005中規(guī)定的最高車(chē)速、爬坡車(chē)速等。

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括氫氣消耗量和續(xù)駛里程，燃料電池汽車(chē)純電續(xù)駛里程采用《燃料電池汽車(chē)測(cè)試規(guī)范》，車(chē)輛按照循環(huán)工況法，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)或試驗(yàn)道路上進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)束后行駛里程。

除續(xù)駛里程外，氫氣消耗率也是經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，試驗(yàn)中使用外接氫源供氫，將車(chē)輛安裝在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前記錄外接氫氣質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量，行駛6個(gè)循環(huán)工況后，停止試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)后的氫氣質(zhì)量流量計(jì)顯示質(zhì)量，記錄6個(gè)工況實(shí)際行駛的距離，100 km氫耗量C，如式（1）。

式中：為試驗(yàn)前質(zhì)量流量計(jì)顯示質(zhì)量；為試驗(yàn)后的質(zhì)量流量計(jì)顯示質(zhì)量；為6個(gè)工況實(shí)際行駛的距離。

2.2.2 整車(chē)安全性驗(yàn)證

燃料電池汽車(chē)以氫氣為動(dòng)力源，擁有其它新能源汽車(chē)沒(méi)有的特有系統(tǒng)，有著嚴(yán)格的安全要求。燃料電池汽車(chē)相比傳統(tǒng)汽車(chē)新增氫排放、氫泄露、碰撞安全等安全性驗(yàn)證。

2.2.2.1 氫排放

T/CSAE 123—2019規(guī)定了氫排放限制，某燃料電池汽車(chē)在每小時(shí)換氣量4次、環(huán)境溫度20℃時(shí)的頻繁啟動(dòng)氫氣排放檢測(cè)結(jié)果，5次頻繁啟動(dòng)的峰值氫氣濃度為0.406 6%，滿足法規(guī)氫氣體積濃度應(yīng)不大于1%的要求。

2.2.2.2 氫泄露

《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)密閉空間內(nèi)氫泄漏及排放試驗(yàn)方法和安全要求》規(guī)定了限制氫泄露。某車(chē)型氣瓶壓力為70 MPa，20℃靜置8 h氫泄露檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為零，滿足法規(guī)氫氣體積濃度不大于1%要求。

2.2.2.3 碰撞安全

碰撞安全需要進(jìn)行GB 11551—2014、GB 20071—2006和GB/T 31498—2015規(guī)定的試驗(yàn)，其中正碰可用偏置碰代替，法規(guī)對(duì)后碰暫無(wú)要求。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)相較于傳統(tǒng)車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)，除對(duì)假人傷害指標(biāo)和碰撞后電安全外，還需測(cè)量碰撞后儲(chǔ)氫系統(tǒng)氣體泄漏。目前國(guó)標(biāo)對(duì)碰撞后氣體泄漏測(cè)量暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，一般參照UN R134、GT R13、SAE J2578國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氫燃料電池汽車(chē)碰撞后氫系統(tǒng)完整性。為保證試驗(yàn)安全，試驗(yàn)前將氫氣置換為氦氣，對(duì)燃料電池車(chē)輛碰撞過(guò)程中的乘員安全、電安全、氫安全進(jìn)行驗(yàn)證。圖6為碰撞發(fā)生后儲(chǔ)氫系統(tǒng)的截止閥關(guān)閉時(shí)繼電器電流，結(jié)果表明儲(chǔ)氫系統(tǒng)的截止閥在碰撞后的0.5 s內(nèi)關(guān)閉，經(jīng)測(cè)量碰撞后乘員艙、行李艙、或貨艙內(nèi)的氫氣濃度不超過(guò)1%（體積濃度），滿足法規(guī)要求。

圖6 20℃氫泄露檢測(cè)結(jié)果

2.2.3 熱管理

熱管理主要考慮溫濕度以及海拔這類(lèi)環(huán)境條件對(duì)燃料電池系統(tǒng)的影響。用高溫運(yùn)行和低溫運(yùn)行來(lái)模擬燃料電池系統(tǒng)在高溫和低溫設(shè)計(jì)邊界上的運(yùn)行性能情況；低溫冷啟動(dòng)特性是燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)中的關(guān)鍵特性，設(shè)計(jì)低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)來(lái)模擬低溫邊界條件下的啟動(dòng)性能，目前國(guó)標(biāo)燃料電池整車(chē)和燃料電池系統(tǒng)的低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)方法均在研究當(dāng)中；各企業(yè)可根據(jù)車(chē)型特點(diǎn)編制試驗(yàn)規(guī)范，某企業(yè)燃料電池整車(chē)?yán)鋯?dòng)試驗(yàn)要求如下：環(huán)境倉(cāng)設(shè)置-20℃降溫，待溫度達(dá)到后車(chē)輛關(guān)機(jī)，浸置24 h；冷啟動(dòng)前先上低壓電進(jìn)行預(yù)檢，確認(rèn)各系統(tǒng)無(wú)故障，連接數(shù)采、上位機(jī)；轉(zhuǎn)轂設(shè)置坡度6%，啟動(dòng)車(chē)輛完成高壓上電，車(chē)輛立即以全油門(mén)加速，至燃電系統(tǒng)輸出功率達(dá)到廠家要求后穩(wěn)定行駛10 min，關(guān)機(jī)下電。燃電系統(tǒng)輸出功率達(dá)到規(guī)定值的時(shí)間小于規(guī)定時(shí)間，某燃電系統(tǒng)輸出功率到達(dá)25%額定功率的時(shí)間為140 s。

燃料電池車(chē)環(huán)境風(fēng)洞機(jī)艙溫場(chǎng)試驗(yàn)包括高速爬坡工況、低速爬坡工況和勻速工況。某車(chē)型在環(huán)境條件溫度38℃，濕度50%，記錄溫度達(dá)到熱平衡時(shí)間。

海拔越高，空氣中的氧氣越稀薄，氧氣作為燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)氣體之一，其含量的多少對(duì)于燃料電池系統(tǒng)的功率特性有著很大的影響，設(shè)計(jì)高海拔運(yùn)行來(lái)驗(yàn)證燃料電池系統(tǒng)在高原場(chǎng)地的運(yùn)行性能；另外，溫濕度循環(huán)還會(huì)使燃料電池堆凝露。

除此之外還有裝備耐熱性、空調(diào)性能試驗(yàn)和風(fēng)窗除霜除霧試驗(yàn)，樣車(chē)的除霜除霧系統(tǒng)符合GB/T 24552—2009和工信部（2017）第39號(hào)令附件3第8項(xiàng)中的要求。燃料電池試驗(yàn)溫度為-10℃（GB/T 24552要求電動(dòng)車(chē)為-18℃）。

2.2.4 電子電器

燃料電池汽車(chē)電子電器試驗(yàn)包含電磁兼容、功能安全及HIL 3部分。

功能安全：燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)，應(yīng)該進(jìn)行ISO 26262功能安全的概念設(shè)計(jì)和測(cè)試，以完成驗(yàn)證功能安全的目的。

整車(chē)級(jí)HIL測(cè)試，可有針對(duì)性地復(fù)現(xiàn)臺(tái)架和實(shí)車(chē)問(wèn)題，便于問(wèn)題原因分析，可節(jié)省問(wèn)題整改驗(yàn)證時(shí)間及成本。

燃料電池系統(tǒng)由燃料電池控制器、高低壓線束等構(gòu)成，因此抗電磁干擾能力是重要考核項(xiàng)，主要按GB 34660—2017和GB/T 18387—2017開(kāi)展試驗(yàn)，燃料電池的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器和24 V降壓DC/DC變換器空壓機(jī)是燃料電池汽車(chē)專(zhuān)有零件，需完成零部件級(jí)EMC試驗(yàn)完成后開(kāi)展整車(chē)試驗(yàn)。以上干擾源導(dǎo)致整車(chē)測(cè)試結(jié)果超過(guò)法規(guī)要求。

2.2.5 振動(dòng)與噪聲

燃料電池汽車(chē)振動(dòng)與噪聲的抱怨主要是排氣時(shí)的高速氣流音和水泵振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲，怠速時(shí)尤為突出；怠速可以分為3個(gè)子工況，如圖7所示，其中吹掃工況的高速氣流音最大。吹掃可以有效降低燃料電池內(nèi)部的液態(tài)水，這是氫能源汽車(chē)的特性。業(yè)內(nèi)把此工況做為排氣最?lèi)毫拥墓r，某燃料電池汽車(chē)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。工況1持續(xù)時(shí)間4 s左右；工況3持續(xù)時(shí)間0.5~3 min(溫度越低吹掃時(shí)間越長(zhǎng))，前排耳點(diǎn)噪聲61.21 dB(A)，后排耳點(diǎn)噪聲66.82 dB(A)，排氣進(jìn)場(chǎng)噪聲100.58 dB(A)。

圖7 怠速工況分析

表1 振動(dòng)與噪聲測(cè)試

2.2.6 耐久性驗(yàn)證

燃料電池系統(tǒng)作為1種動(dòng)力源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能再轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能，其核心部件燃料電池堆，同動(dòng)力電池系統(tǒng)一樣，燃料電池堆的化學(xué)特性隨著使用時(shí)間的增加會(huì)不斷衰減直至失效；其關(guān)鍵輔助系統(tǒng)，比如空壓機(jī)和水泵，隨著使用時(shí)間的增加，當(dāng)達(dá)到一定疲勞壽命的時(shí)候，空壓機(jī)和水泵的零部件會(huì)損傷失效。因此，燃料電池系統(tǒng)的驗(yàn)證體系必須策劃整車(chē)臺(tái)架耐久和道路耐久性驗(yàn)證。

臺(tái)架耐久參考燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的耐久工況，整車(chē)道路耐久除如GB/T 39132-—2020中要求的15 000 km外，還應(yīng)開(kāi)展軸耦合、輪耦合、整車(chē)綜合耐久、動(dòng)力總成耐久、全國(guó)地區(qū)適應(yīng)性、用戶使用模擬的可靠耐久試驗(yàn)，覆蓋主要市場(chǎng)的溫度區(qū)間和90%用戶運(yùn)行里程保修需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析燃料電池汽車(chē)的技術(shù)特點(diǎn)，從零部件和整車(chē)出發(fā)，討論試驗(yàn)項(xiàng)目，建立試驗(yàn)驗(yàn)證體系。零部件級(jí)考核燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、車(chē)載氫系統(tǒng)、整車(chē)控制器重點(diǎn)零件，整車(chē)級(jí)從動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、整車(chē)安全、熱管理、電子電器、振動(dòng)與噪聲、可靠耐久維度進(jìn)行分析。梳理出燃料電池汽車(chē)試驗(yàn)貨架1618項(xiàng)，其中燃料電池專(zhuān)項(xiàng)125項(xiàng)，保證驗(yàn)證體系的全面性、合理性和可行性，指導(dǎo)燃料電池項(xiàng)目試驗(yàn)驗(yàn)證。下一步根據(jù)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，基于用戶視角，持續(xù)更新試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容。