吳詩(shī)雨 王國(guó)卓 王志軍 郭婷

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車，能量消耗量，續(xù)駛里程，試驗(yàn)方法

0引言

目前，全球能源和環(huán)境危機(jī)日益加劇，氫能作為一種新型能源技術(shù)受到各國(guó)政府的重視。燃料電池汽車作為氫能的主要應(yīng)用對(duì)象之一，其具有能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高、零污染等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-4]。我國(guó)政府大力支持燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展，先后成立上海、廣東、京津冀、河南、河北五大城市示范群以加快其商業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)而帶動(dòng)其產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)提升。

由于燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，其相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域尚未完成體系化建設(shè)。在傳統(tǒng)汽車性能標(biāo)準(zhǔn)體系中，主要從汽車動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)布局[5]。考慮到燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車的技術(shù)差異主要在于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，因此在其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中差異化考慮即可。2023年11月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB/T43252-2023《燃料電池電動(dòng)汽車能量消耗量及續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》，圍繞燃料電池電動(dòng)汽車在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上開(kāi)展能量消耗量和續(xù)駛里程測(cè)量試驗(yàn)給出明確方法。本文通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)研讀和開(kāi)展車輛驗(yàn)證試驗(yàn)工作，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際測(cè)試應(yīng)用要求做出解讀，供行業(yè)技術(shù)人員參考。

1標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和主要內(nèi)容

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使用壓縮氣態(tài)氫氣的M類和N類燃料電池電動(dòng)汽車在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行能量消耗量及續(xù)駛里程測(cè)試給出試驗(yàn)方法。主要內(nèi)容包括：試驗(yàn)條件、試驗(yàn)車輛分類方法、試驗(yàn)方法、加氫技術(shù)規(guī)范和數(shù)據(jù)處理要求等。

2標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容說(shuō)明和實(shí)際應(yīng)用解析

2.1試驗(yàn)條件

《標(biāo)準(zhǔn)》主要從試驗(yàn)車輛狀態(tài)、測(cè)試環(huán)境溫度、試驗(yàn)駕駛模式、行駛阻力設(shè)定和試驗(yàn)公差要求5部分對(duì)試驗(yàn)樣車的試驗(yàn)條件做出明確規(guī)定。在試驗(yàn)期間，建議對(duì)試驗(yàn)條件方面著重進(jìn)行以下準(zhǔn)備事項(xiàng)：（1）試驗(yàn)前車輛磨合：考慮到大部分燃料電池汽車的動(dòng)力形式為“燃料電池堆+動(dòng)力電池”組合，試驗(yàn)前車輛磨合需要采用燃料電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行駛300km；（2）試驗(yàn)前浸車：浸車時(shí)間要求不少于2小時(shí)，浸車溫度為23±3℃；（3）行駛阻力測(cè)定：試驗(yàn)前需要按照GB/T18352.6-2016或GB/T27840-2021中的相關(guān)規(guī)定完成車輛行駛阻力測(cè)試。汽車檢測(cè)機(jī)構(gòu)在確保車輛行駛阻力曲線可靠的情況下可以按照車輛制造商提供的行駛阻力參數(shù)開(kāi)展測(cè)試；（4）針對(duì)駕駛模式選擇和試驗(yàn)公差要求方面，《標(biāo)準(zhǔn)》無(wú)特殊要求，按照標(biāo)準(zhǔn)5.3和5.5中的規(guī)定開(kāi)展試驗(yàn)即可。

2.2試驗(yàn)車輛分類方法

燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)包括燃料電池堆和動(dòng)力電池兩部分?！稑?biāo)準(zhǔn)》中將燃料電池汽車分為2類：A類車輛和B類車輛。其分類依據(jù)為樣車測(cè)試期間動(dòng)力電池的能量變化量與消耗氫氣所含能量的比值α：若α小于等于1%，則判斷車輛為A類車輛，否則，測(cè)試車輛為B類車輛。α數(shù)值側(cè)面反映了測(cè)試車輛燃料電池性質(zhì)“純粹度”，α數(shù)值越小，燃料電池堆在車輛驅(qū)動(dòng)中占比越大，車輛燃料電池性質(zhì)“純粹度”越高。其計(jì)算公示如下：

2.3A類車輛試驗(yàn)方法

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》2.2中車輛分類方法可知，對(duì)于A類車輛來(lái)說(shuō)，燃料電池堆是其主要?jiǎng)恿?lái)源，動(dòng)力電池對(duì)其續(xù)駛里程的貢獻(xiàn)僅在1%以內(nèi)。因此，對(duì)于A類車輛的能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)，可以按照短縮法進(jìn)行測(cè)試，即先開(kāi)展固定循環(huán)工況次數(shù)測(cè)試，之后依據(jù)測(cè)試結(jié)果等比例計(jì)算續(xù)駛里程。

2.3.1試驗(yàn)測(cè)試程序

圖1展示了A類車輛能量消耗量和續(xù)駛里程的測(cè)試程序。試驗(yàn)整體可以分為3個(gè)階段：試驗(yàn)準(zhǔn)備階段、循環(huán)工況測(cè)試階段和車輛截止壓力測(cè)試階段。其中，試驗(yàn)準(zhǔn)備和循環(huán)工況測(cè)試期間采用外部供氫方式為車輛提供燃料，在截止壓力測(cè)試期間采用車載供氫方式為車輛提供燃料。

試驗(yàn)準(zhǔn)備期間，《標(biāo)準(zhǔn)》要求車輛制造商對(duì)車輛動(dòng)力電池SOC進(jìn)行調(diào)整，定義車輛初始試驗(yàn)狀態(tài)；之后基于車輛道路行駛阻力曲線，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行阻力滑行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)測(cè)功機(jī)對(duì)試驗(yàn)車輛在道路狀態(tài)下的行駛阻力模擬。阻力模擬完成后需要對(duì)試驗(yàn)車輛開(kāi)展1個(gè)循環(huán)工況的預(yù)熱準(zhǔn)備，預(yù)熱完成后車輛靜置15分鐘。

在循環(huán)工況測(cè)試階段，《標(biāo)準(zhǔn)》要求根據(jù)表1對(duì)不同的車輛類型開(kāi)展6個(gè)循環(huán)工況的測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)中在A類車輛測(cè)試工況中沒(méi)有給出M1類、N1類和最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過(guò)3500kg的M2類以及最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于3500kg的城市客車類3種車輛的測(cè)試工況，建議實(shí)際開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)參照表2中B類車輛測(cè)試工況開(kāi)展，測(cè)試工況循環(huán)數(shù)與表1中其他類別車輛保持一致。試驗(yàn)需要測(cè)量的物理量包括：動(dòng)力電池的電壓、電流，車輛行駛的距離和試驗(yàn)消耗的氫氣質(zhì)量。其中，氫氣消耗量可按照GB/T35178中規(guī)定方法測(cè)試。

由圖1可知，在車輛循環(huán)工況測(cè)試完成后，需要測(cè)量車輛的截止壓力，用于后續(xù)計(jì)算車輛可用氫氣量。在車輛截止壓力測(cè)試時(shí)，要求車輛自身攜帶的氫氣量能夠保證其至少行駛1個(gè)循環(huán)工況。當(dāng)車輛儀表給出停車指示或車輛無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)5.5中規(guī)定的公差要求時(shí)，停止循環(huán)工況測(cè)試，為車輛加注不多于0.05kg的氫氣，記錄此時(shí)的平衡壓力即為車輛截止壓力。

A類車輛續(xù)駛里程和能量消耗量短縮法測(cè)試試驗(yàn)主要包含上述試驗(yàn)步驟，需要注意的是：試驗(yàn)時(shí)樣車自身攜帶的氫氣至少要保證車輛行駛1個(gè)循環(huán)工況，建議車輛制造商和檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)車輛氫瓶合理加注氫氣，避免截止壓力測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)浪費(fèi)人力物力，以提高試驗(yàn)效率。

2.3.2數(shù)據(jù)處理方法

A類車輛的試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)主要有車輛百公里氫氣消耗量和汽車?yán)m(xù)駛里程。其中，車輛百公里氫氣消耗量依據(jù)試驗(yàn)期間6個(gè)循環(huán)工況的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算，公式如下：

其中，車輛可用氫氣量根據(jù)GB/T35178-2017中附錄A規(guī)定的方法計(jì)算，計(jì)算時(shí)儲(chǔ)氫瓶的初始?jí)毫楣Q壓力，截止壓力按照2.3.1中測(cè)試值計(jì)算。

2.4B類車輛試驗(yàn)方法

根據(jù)2.2中車輛分類方法，B類車動(dòng)力電池的能量占比相對(duì)較大，即在B類車行駛期間動(dòng)力電池和燃料電池堆共同給車輛提供動(dòng)力輸出。由于動(dòng)力電池和燃料電池堆共同作為車輛動(dòng)力源，在開(kāi)展車輛能量消耗量測(cè)試期間需要分別表征兩種動(dòng)力源對(duì)車輛行駛的貢獻(xiàn)。因此，需要利用“跑完法”消耗車輛全部能量后對(duì)動(dòng)力電池和燃料電池堆的能量貢獻(xiàn)分別計(jì)算，以完成B類車輛續(xù)駛里程和能量消耗量的表征測(cè)試。

2.4.1試驗(yàn)測(cè)試程序

圖2展示了B類車輛能量消耗量和續(xù)駛里程的整體測(cè)試程序。在B類車輛試驗(yàn)期間，車輛的供氫方式統(tǒng)一采用車內(nèi)供氫。

由圖2可知，試驗(yàn)執(zhí)行期間首先要對(duì)車輛完成底盤(pán)測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定，之后對(duì)車輛進(jìn)行兩次加氫：“粗加氫+精確加氫”。在粗加氫時(shí)，將氫氣加注至車輛SOC的90%以上即可，再根據(jù)圖2要求完成精確加氫。其中，精確加氫的關(guān)鍵是根據(jù)環(huán)境溫度計(jì)算目標(biāo)壓力加氫完成2h后對(duì)氣瓶壓力與目標(biāo)壓力進(jìn)行差值計(jì)算，如果不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求需要重復(fù)加氫以保證車輛滿氫狀態(tài)。加氫完成后調(diào)整車輛REESS的SOC狀態(tài)即完成全部準(zhǔn)備工作。

在車輛試驗(yàn)階段，按照表2中規(guī)定的工況對(duì)不同車輛類型開(kāi)展測(cè)試。試驗(yàn)期間需要測(cè)量燃料電池堆電壓、燃料電池堆電流、REESS電壓、REESS電流和車輛行駛的距離。當(dāng)車輛儀表給出停車指示或車輛不能滿足標(biāo)準(zhǔn)5.5中規(guī)定的公差要求時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。之后，按照車輛類別分別進(jìn)行充電和試驗(yàn)后加氫的操作并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.4.2數(shù)據(jù)處理方法

《標(biāo)準(zhǔn)》中將B類車輛細(xì)分為可外接充電式燃料電池汽車和不可外接充電式燃料電池汽車兩類。對(duì)于可外接充電式燃料電池汽車，試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)主要有REESS貢獻(xiàn)的續(xù)駛里程、燃料電池堆貢獻(xiàn)的續(xù)駛里程、百公里氫氣消耗量和百公里電能消耗量。其中，REESS和燃料電池堆貢獻(xiàn)的續(xù)駛里程依據(jù)各自輸出能量占比進(jìn)行計(jì)算，各個(gè)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

對(duì)于不可外接充電式燃料電池汽車，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要按照公式（8）對(duì)REESS在試驗(yàn)期間的能量貢獻(xiàn)量進(jìn)行計(jì)算，以判斷其是否對(duì)車輛續(xù)駛里程有貢獻(xiàn)。如果REESS的凈能量變化量大于0，則需要按照公式（4-6）計(jì)算REESS貢獻(xiàn)的續(xù)駛里程、燃料電池堆貢獻(xiàn)的續(xù)駛里程和車輛百公里氫氣消耗量。如果REESS的凈能量變化量小于等于0，表示車輛續(xù)駛里程全部由燃料電池堆貢獻(xiàn)，按照公式（6）計(jì)算車輛百公里氫氣消耗量。

3結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T43252-2023《燃料電池電動(dòng)汽車能量消耗量及續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》從標(biāo)準(zhǔn)使用范圍、試驗(yàn)條件準(zhǔn)備、試驗(yàn)樣品分類、不同類別車輛試驗(yàn)程序及數(shù)據(jù)處理方法等方面展開(kāi)解讀，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的全面梳理，為行業(yè)技術(shù)人員在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中提供參考，有助于燃料電池汽車能量測(cè)評(píng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。