孫 田，陳 光，楊沄芃，冀雪峰，叢 林，郝 冬

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300；3.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250102)

1 引言

燃料電池電動(dòng)汽車是由氫氣、氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所釋放的電能驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的化石燃料通過(guò)燃燒釋放能量的方式完成不同，因此燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，具有效率高、噪音低的優(yōu)點(diǎn)。燃料電池電動(dòng)汽車是由氫氣、氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所釋放的電能驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)的化石燃料通過(guò)燃燒釋放能量的方式完成不同，因此燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，具有效率高、噪音低的優(yōu)點(diǎn)。子傳遞，嚴(yán)重阻礙電化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，導(dǎo)致燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。此外，由于液態(tài)水凝固成冰進(jìn)而引起體積膨脹，這對(duì)燃料電池堆內(nèi)部材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不可逆的物理?yè)p傷。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者也對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料電池汽車低溫冷啟動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)研究。張?zhí)鹛鸬萚1]對(duì)一款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，并介紹了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)的技術(shù)及關(guān)鍵參數(shù)。曹蕾等[2]在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)熱平衡模型的基礎(chǔ)上計(jì)算冷啟動(dòng)過(guò)程中所需熱量，為制定控制策略提供了理論依據(jù)。詹志剛等[3]對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫自啟動(dòng)過(guò)程中不同操作條件對(duì)電堆性能衰減的影響展開(kāi)研究?，F(xiàn)階段，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]以及新發(fā)布的工信部裝備中心[2021]367號(hào)《燃料電池汽車測(cè)試規(guī)范》，均明確規(guī)定了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)的測(cè)試方法，專家學(xué)者也對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀[5-6]，但由于目前我國(guó)燃料電池行業(yè)發(fā)展水平參差不齊，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中未對(duì)冷啟動(dòng)時(shí)間和輔助系統(tǒng)能耗提出明確要求。因此，本文建立一套基于環(huán)境溫度、啟動(dòng)時(shí)間、有無(wú)輔熱和輔助系統(tǒng)能耗的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果為例展開(kāi)分析。

2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)方案

為實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后再次正常啟動(dòng)，常用的措施包括吹掃、加熱、保溫等。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)之前，需要使電堆和冷卻液迅速升溫，保證后續(xù)電化學(xué)反應(yīng)能夠正常進(jìn)行，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)輸出功率。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外常用的兩種升溫方式包括依靠電堆自發(fā)熱或外接輔助加熱裝置(目前以PTC加熱器為主)。

2.1 自發(fā)熱啟動(dòng)

依靠燃料電池堆自發(fā)熱啟動(dòng)，一般是在啟動(dòng)開(kāi)始階段提高氫氣供給量，降低空氣供給量，提高濃差過(guò)電勢(shì)，燃料電池輸出電壓降低，即形成“短路”效應(yīng)，此時(shí)電堆內(nèi)部發(fā)熱量增加。自發(fā)熱啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間短、功耗低，但對(duì)控制精度要求較高，否則可能會(huì)對(duì)膜電極組件產(chǎn)生不可逆的損傷。

2.2 輔助加熱裝置啟動(dòng)

在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)之前，通過(guò)輔助加熱裝置對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，冷卻泵使加熱后的冷卻液在電堆內(nèi)流動(dòng)以提高電堆溫度。當(dāng)電堆溫度高于0 ℃的設(shè)定值時(shí)，控制器向燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)發(fā)出指令，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始發(fā)電。外接輔助加熱裝置對(duì)提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性有正向作用，但是一般加熱時(shí)間較長(zhǎng)，且需要額外消耗功率。

3 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法

本文的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法基于工信部裝備中心[2021]367號(hào)《燃料電池汽車測(cè)試規(guī)范》第5條的測(cè)試方法而構(gòu)建，因此將浸機(jī)溫度不高于-30 ℃、啟動(dòng)成功為評(píng)價(jià)的必要條件。

鑒于燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀與整車需求，以浸機(jī)環(huán)境溫度、有無(wú)輔助加熱裝置、啟動(dòng)至額定功率時(shí)間和啟動(dòng)過(guò)程輔助系統(tǒng)能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試綜合評(píng)價(jià)方法，如公式(1)。

(1)

其中：F為評(píng)價(jià)得分，滿分為10分；ai為每項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；bi為每項(xiàng)指標(biāo)分?jǐn)?shù)。ai、bi的計(jì)算方式見(jiàn)表1。

表1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)評(píng)價(jià)方法Table 1 Evaluation method of low temperature cold start of fuel cell engine.

對(duì)于浸機(jī)環(huán)境溫度、有無(wú)輔助加熱裝置、啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)過(guò)程中輔助系統(tǒng)消耗能量四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)置不同的權(quán)重因子，綜合評(píng)價(jià)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)性能。

對(duì)于浸機(jī)環(huán)境溫度，以-30 ℃為基礎(chǔ)點(diǎn)，低于-30 ℃有一定的加分，但當(dāng)溫度低于-35 ℃，該項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果直接為滿分。目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)采用電堆自發(fā)熱方式的效果好但技術(shù)難度較高，采用PTC等輔助裝置加熱的方式能夠有效規(guī)避技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、降低技術(shù)難度，但是會(huì)增加額外功耗、降低系統(tǒng)的效率等。因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)中，無(wú)輔助加熱裝置的方案評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)高于采用輔助加熱裝置的方案。雖然，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及《燃料電池汽車測(cè)試規(guī)范》中沒(méi)有具體要求燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷啟動(dòng)時(shí)間，但基于整車使用需求，該測(cè)試評(píng)價(jià)方法中以1 800 s為界限，低溫冷啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)1 800 s則直接得0分，在0～1 800 s的范圍內(nèi)，采用插值法進(jìn)行評(píng)價(jià)。在啟動(dòng)過(guò)程中，輔助系統(tǒng)消耗能量超過(guò)3.6×104kJ，得0分，在0～3.6×104kJ范圍內(nèi)，采用插值法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 分析

本文基于工信部裝備中心[2021]367號(hào)《燃料電池汽車測(cè)試規(guī)范》第5條的測(cè)試方法對(duì)國(guó)內(nèi)兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行低溫冷啟動(dòng)測(cè)試。為保證電堆內(nèi)部的含水量保持較低水平，防止在低溫環(huán)境下結(jié)冰對(duì)燃料電池堆損傷，浸機(jī)之前對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一次啟動(dòng)并停機(jī)吹掃操作。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)至怠速，運(yùn)行一段時(shí)間后對(duì)其發(fā)出停機(jī)指令，從啟動(dòng)到停機(jī)不得超過(guò)3 min。低溫浸機(jī)在涉氫環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行，如圖1所示。浸機(jī)環(huán)境溫度應(yīng)設(shè)置為-30 ℃或更低溫度，有效浸機(jī)時(shí)間不得低于12 h，在浸機(jī)過(guò)程中不允許有其他人工干預(yù)、保溫加熱等措施。

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)浸機(jī)試驗(yàn)Fig.1 Immersion test of fuel cell engine.

在試驗(yàn)過(guò)程中，采集A，B兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆功率、輔助系統(tǒng)功率等數(shù)據(jù)。兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自發(fā)出開(kāi)機(jī)指令后，燃料電池堆時(shí)間功率曲線如圖2-4所示。

圖2 A款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料電池堆功率Fig.2 Fuel cell engine power and fuel cell stack power of model A.

圖3 A款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔機(jī)功率Fig.3 Auxiliary power of a fuel cell engine A.

圖4 B款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料電池堆功率Fig.4 Fuel cell engine power and fuel cell stack power of model B.

A款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為85 kW，系統(tǒng)不帶PTC輔助加熱裝置，低溫冷啟動(dòng)過(guò)程采用自發(fā)熱啟動(dòng)方式，由圖2-3可知，自發(fā)出開(kāi)機(jī)指令起，燃料電池堆輸出功率不斷增加，但在加載過(guò)程中，由于燃料電池堆內(nèi)部溫度過(guò)低，控制策略限制了拉載功率和拉載速度，出現(xiàn)了一段功率波動(dòng)過(guò)程，當(dāng)燃料電池堆內(nèi)部溫度上升至一定數(shù)值時(shí)，功率輸出便不受限制。自發(fā)出開(kāi)機(jī)指令到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出額定功率，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程為509.6 s，啟動(dòng)過(guò)程中輔助系統(tǒng)耗能3.83×103kJ。

B款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為80 kW，系統(tǒng)帶有額定功率為8 kW的PTC輔助加熱裝置。低溫冷啟動(dòng)過(guò)程中，采用PTC加熱冷卻液溫度的方式升高電堆內(nèi)部溫度，由圖4-5可知，為保護(hù)燃料電池堆，該燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷啟動(dòng)策略較為保守，依據(jù)不同階段的燃料電池堆溫度對(duì)加載功率進(jìn)行了嚴(yán)格限制，因此輸出功率呈階躍狀增長(zhǎng)且整個(gè)加載過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，低溫冷啟動(dòng)時(shí)間為1 508.4 s，但啟動(dòng)過(guò)程主要停留在低功率區(qū)間，啟動(dòng)過(guò)程中輔助系統(tǒng)耗能1.74×103kJ。

根據(jù)建立的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，對(duì)兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

圖5 B款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔機(jī)功率、PTC功率Fig.5 B fuel cell engine auxiliary power,PTC power.

表2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation result of low temperature cold start of fuel cell engine.

由于A款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)采用自發(fā)熱啟動(dòng)方式，且浸機(jī)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的-30 ℃，冷啟動(dòng)時(shí)間較短，根據(jù)測(cè)試評(píng)價(jià)方法計(jì)算得分為8.20分。而B款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用PTC加熱，而且冷啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，超過(guò)1 500 s，根據(jù)測(cè)試評(píng)價(jià)方法計(jì)算得分僅有5.04分。

5 結(jié)論

(1)基于工信部裝備中心[2021]367號(hào)《燃料電池汽車測(cè)試規(guī)范》第5條的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試方法，建立了含浸機(jī)環(huán)境溫度、有無(wú)輔助加熱、低溫冷啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)過(guò)程輔助系統(tǒng)能耗的多因素燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法。

(2)根據(jù)建立的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法，對(duì)兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀表征了兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試結(jié)果和技術(shù)水平。