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豐田Mirai燃料電池電堆及系統(tǒng)效率測(cè)試

2020-03-17 05:50:13·  來源：燃料電池干貨  
　
原創(chuàng)燃料電池博士 昨天盡管自1990年以來已有多家公司著手研究和開發(fā)氫燃料電池汽車，且當(dāng)前北美市場(chǎng)上投放的FCV車型多達(dá)6種，但尚缺乏有關(guān)當(dāng)前量產(chǎn)FCV的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)
盡管自1990年以來已有多家公司著手研究和開發(fā)氫燃料電池汽車，且當(dāng)前北美市場(chǎng)上投放的FCV車型多達(dá)6種 ，但尚缺乏有關(guān)當(dāng)前量產(chǎn)FCV的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。 美國(guó)能源部(DOE)燃料電池技術(shù)辦公室也將“缺乏燃料電池電動(dòng)汽車的性能和耐久性數(shù)據(jù)”作為其“ 多年研究、 開發(fā)和示范計(jì)劃 ” (Multi-year research, development and demonstration plan)項(xiàng)目的一個(gè)技術(shù)障礙 。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)對(duì)幾種不同燃料電池汽車進(jìn)行了道路評(píng)估，發(fā)現(xiàn)燃料電池堆的平均峰值效率為 67 ％、燃料電池系統(tǒng)平均峰值效率為 58 ％。雖然相關(guān)研究對(duì)燃料電池汽車效率進(jìn)行研究和報(bào)道，但依然沒有提供在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的量產(chǎn)版燃料電池汽車電堆和系統(tǒng)的效率曲線。此外，大部分研究依賴于仿真模型，而這些模型使用總體的氫燃料經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ玫娜剂想姵叵到y(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

 
美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)行駛工況和測(cè)試條件給幾種燃料電池汽車進(jìn)行測(cè)試并給出其氫燃料經(jīng)濟(jì)性測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如上表所示。該表第一部分給出了底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試時(shí)的車輛特性，如等效重量、道路載荷力系數(shù)。此外，也給出了25°C環(huán)境溫度下測(cè)試的城市循環(huán)工況(FTP：聯(lián)邦測(cè)試程序)和高速公路駕駛循環(huán)工況(HWFET：高速公路燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試)的氫燃料消耗結(jié)果。
 
豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO三款燃料電池汽車的 車輛效率 水平非常接近。 美國(guó)阿汞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與加拿大交通部合作，對(duì)量產(chǎn)的豐田Mirai車型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室全面技術(shù)評(píng)估，測(cè)得了Mirai燃料電池堆及其系統(tǒng)性能、效率曲線 。相關(guān)效率曲線和數(shù)據(jù)旨在幫助完善和驗(yàn)證建模和仿真工作，為研究目標(biāo)的設(shè)定提供信息。作為當(dāng)前燃料電池汽車的典范，本次測(cè)試選擇的FCV車型是2016款豐田Mirai。
 
測(cè)試材料和方法

加拿大交通部為此次測(cè)試研究提供了2016款豐田Mirai燃料電池汽車，下表為Mirai基本信息。美國(guó)阿汞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的車輛測(cè)試設(shè)施專為動(dòng)力總成研究和技術(shù)基準(zhǔn)測(cè)試而建造，底盤測(cè)功機(jī)位于恒溫室內(nèi)，可滿足一系列實(shí)際條件測(cè)試。測(cè)試條件基于EPA 5 cycle工況的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試流程，包括-18℃、-7℃、25℃和35 ℃環(huán)境溫度，850 W/m2光照條件。

 
阿汞實(shí)驗(yàn)室該套測(cè)試儀器的重點(diǎn)是測(cè)量主要?jiǎng)恿偝山M件之間的 功率流 ，如下圖所示。采用Hioki™高精度功率分析儀(PW3390-10)測(cè)量功率流，測(cè)量精度為±0.1％；采用集成到測(cè)試單元中的兩個(gè) Micro Motion ™Coriolis 質(zhì)量流量計(jì)(低流量工作范圍CMF010M和高流量工作范圍CMF025M)測(cè)量氫氣質(zhì)量流量，測(cè)量精度為±0.25％。最終記錄了在超過100項(xiàng)測(cè)試中10 Hz頻率下的400多條有效信號(hào)。

功率流

上表列出了豐田Mirai測(cè)試中EPA公布的Mirai等效測(cè)試重量和道路載荷系數(shù)參數(shù)。 基于SAE J1263™標(biāo)準(zhǔn)在 底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)得 車輛能量 損失 。 為最大程度減少下一項(xiàng)測(cè)試重新安裝車輛導(dǎo)致的測(cè)試差異，測(cè)試過程中一直將豐田Mirai放在底盤測(cè)功機(jī)上，氫燃料 經(jīng)濟(jì)性差異小于2％。測(cè)試期間，散熱 風(fēng)扇會(huì)動(dòng)態(tài)連續(xù)運(yùn)行以便產(chǎn)生匹配實(shí)際車速的空氣流速。 基于119.96 MJ/kg低熱值(LHV)計(jì)算氫氣能量值。

效率計(jì)算

燃料電池堆和系統(tǒng)的效率表示為電能/氫能。下圖展示了燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)的定義。

燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)界定

燃料電池堆及系統(tǒng)效率計(jì)算公式如下。其中，V為電壓，I為電流。

 
 
車輛效率定義為正工況能量(Positive cycle energy)除以燃料能量，正工況能量在SAE J2951™標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義，該標(biāo)準(zhǔn) 從傳統(tǒng)車輛角度出發(fā)制定， 明確規(guī)定了計(jì)算正工況能量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方法 。 注意，測(cè)試中在整個(gè)行駛工況內(nèi)計(jì)算車輛效率。

 
結(jié)果和討論

燃料電池系統(tǒng)

豐田Mirai動(dòng)力總成是以燃料電池為主要?jiǎng)恿Φ幕旌蟿?dòng)力總成。像輕度混合動(dòng)力汽車中汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相似，豐田Mirai燃料電池堆提供大部分動(dòng)力，Mirai靜止時(shí)通常電堆停止運(yùn)行，并亦可在汽車行駛時(shí)停止運(yùn)行或怠速(僅依靠鎳氫電池工作)。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)怠速時(shí)，開路電壓(OCV)緩慢降低。下圖為NEDC工況下豐田Mirai動(dòng)力總成的不同運(yùn)行模式。車輪輸出功率 (dyno power)指在行駛工況下驅(qū)使車輛前進(jìn)所需功率，是燃料電池堆功率、高壓鎳氫電池功率和附件損失功率總和。 (注： 本文結(jié)果分析和討論為美國(guó)Argonne實(shí)驗(yàn)室工程師觀點(diǎn) )

NEDC工況下燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)表現(xiàn)

燃料電池堆和系統(tǒng)效率

為獲取燃料電池堆和系統(tǒng)效率Map圖，對(duì)Mirai車輛在不同速度和負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)測(cè)試。下圖展示了 10 Hz頻率測(cè)試下 電堆、系統(tǒng)和升壓轉(zhuǎn)換器的效率。測(cè)試發(fā)現(xiàn)燃料電池堆峰值效率為 66.0 ％，燃料電池系統(tǒng)峰值效率為 63.7 ％。在25％峰值功率輸出時(shí)，燃料電池系統(tǒng)效率為58％。 在低電堆功率(<30 kW)下，空壓機(jī)功耗在100 W至400 W區(qū)間 ，因此燃料電池系統(tǒng)效率較高。大部分行駛工況下功率需求都較低，燃料電池系統(tǒng)效率通常較高。在豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)中，空氣管理系統(tǒng)和陽極流道經(jīng)過了特殊設(shè)計(jì)，以最大程度地減少空氣壓縮機(jī)的輔助功率損失。燃料電池堆的峰值輸出功率約為110—114 kW，在高功率輸出期間，空氣壓縮機(jī)的能耗高達(dá)15 kW，燃料電池系統(tǒng)效率降低。

電堆及系統(tǒng)效率隨電堆輸出的變化關(guān)系

燃料電池系統(tǒng)效率曲線形狀

下圖展示了豐田Mirai完成各個(gè)行駛工況的功率譜。注意，在UDDS和HWFET行駛工況的90%時(shí)間內(nèi)，完成這兩種工況所需功率分別小于12 kW和20 kW。燃料電池系統(tǒng)的低功率需求使UDDS和HWFET工況的燃料電池平均系統(tǒng)效率保持在 61 ％以上。相反，US06工況需要燃料電池系統(tǒng)提供更高的功率水平，此時(shí)空壓機(jī)負(fù)荷大小至關(guān)重要。因此， US06工況下燃料電池系統(tǒng)平均效率低于50％，但燃料電池堆效率仍高于61％ 。由于典型工況下平均功率負(fù)載較低，因此低負(fù)荷下的高燃料電池系統(tǒng)效率會(huì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工況時(shí)的低氫耗。與之相反，內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率隨著負(fù)荷增加而升高。

對(duì)應(yīng)行駛工況的功率譜

燃料電池系統(tǒng)怠速工況氫氣流速

如下圖所示，當(dāng)不需要燃料電池提供動(dòng)力時(shí)，燃料電池系統(tǒng)將關(guān)閉；燃料電池怠速時(shí)，不產(chǎn)生功率輸出。為了對(duì)燃料電池怠速工況一探究竟，對(duì)Mirai進(jìn)行了一小時(shí)特殊測(cè)試。在行駛505 s后，Mirai在停車場(chǎng)停下并未熄火。燃料電池系統(tǒng)在1400 s內(nèi)未產(chǎn)生功率輸出。 采集數(shù)據(jù)顯示，燃料電池堆缺少氫氣導(dǎo)致開路電壓維持在47 V左右(典型開路電壓為315 V) 。控制系統(tǒng)定期(約間隔40 s)向電堆通入少量氫氣，并將空氣也通入電堆內(nèi)部，以便在電堆中維持足量的反應(yīng)氣體。 在怠速1400 s內(nèi)，消耗了1.71 g的氫氣，則怠速狀態(tài)下氫氣流量就為4.39 g/h 。 怠速狀態(tài)下低氫氣流量可使燃料電池系統(tǒng)在流道中具備足夠的反應(yīng)氣體，以便系統(tǒng)下一次喚醒時(shí)能立即提供動(dòng)力 。閑置1400 s之后，高壓鎳氫電池組的SOC已降到足夠低的程度，燃料電池系統(tǒng)發(fā)電并對(duì)電池組進(jìn)行充電。

NEDC工況下燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式

燃料電池堆峰值功率

在25%爬坡度、25℃溫度下，燃料電池堆在30 s內(nèi)功率保持在112 kW，電堆連續(xù)輸出功率穩(wěn)定在73 kW(風(fēng)扇提供空氣流速為43 km/h)。在25％爬坡度、35℃溫度 (乘員艙溫度設(shè)定25℃)時(shí)，燃料電池堆功率穩(wěn)定在50 kW，風(fēng)扇速度為24 km/h。在6％爬坡度、35℃溫度 (乘員艙溫度設(shè)定25℃)時(shí)，在測(cè)試的30分鐘內(nèi)Mirai保持時(shí)速100 km/h。當(dāng) 冷卻風(fēng)扇提供的空氣流速為100 km/h時(shí)， 燃料電池堆功率輸出穩(wěn)定在63 kW。 連續(xù)峰值功率取決于冷熱條件(散熱) 。

最后，在25°C環(huán)境溫度下測(cè)試了車速?gòu)?到129 km/h內(nèi)四個(gè)背靠背(連續(xù))最大加速度。與大多數(shù)輕度混動(dòng)車一樣，高壓動(dòng)力電池組在最后一次加速時(shí)沒有提供任何幫助(最初的幾次加速中電池已耗盡)。燃料電池堆峰值功率從第一次加速時(shí)的100 kW增加到最后一次加速運(yùn)行時(shí)的114.6 kW。 連續(xù)峰值功率在很大程度上取決于冷卻條件，例如環(huán)境溫度和相對(duì)風(fēng)速 。注意，所有測(cè)試均使用與車速匹配的變速風(fēng)扇進(jìn)行。

車輛效率對(duì)比

下表從 車輛效率 角度比較了燃料電池、純電動(dòng)、混合動(dòng)力和傳統(tǒng)動(dòng)力四種動(dòng)力總成。 為與將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量的傳統(tǒng)車輛相比較，車輛效率的計(jì)算僅使用完成行駛工況所需的正功率 (positive power)來進(jìn)行。 對(duì)于電動(dòng)車， 由于汽 車在 制動(dòng)期間通 過對(duì)高壓 動(dòng) 力電 池組 充電 來 回收動(dòng) 能 和勢(shì)能，因此車 輛效率計(jì)算較為復(fù)雜。而 僅使用正工況能量(正工況能量定義見效率計(jì)算部分)時(shí)，電動(dòng)汽車動(dòng)力總成中的雙向功率流可導(dǎo)致計(jì)算的車輛效率超過 100％。

 
上表數(shù)據(jù)是在Argonne實(shí)驗(yàn)室的同一個(gè)測(cè)試平臺(tái)中測(cè)量的數(shù)據(jù)。下表為完整的氫燃料消耗情況以及車輛詳細(xì)信息。處于電量消耗模式下的豐田普銳斯Prime可在全電動(dòng)(full electric mode)模式下完成所有三個(gè)行駛工況，可視為電動(dòng)汽車；一旦電池電量耗盡，豐田普銳斯Prime便以 電量維持模式 運(yùn)行，可視為混動(dòng)汽車。馬自達(dá)3作為與豐田Mirai同類型的中小型轎車，也在相同的實(shí)驗(yàn)室和條件下進(jìn)行了測(cè)試。

標(biāo)準(zhǔn)行駛工況下各動(dòng)力總成車輛能耗比較
 
各動(dòng)力總成美國(guó)環(huán)境保護(hù)署5個(gè)行駛工況下燃料效率和能耗比較
 
與混合動(dòng)力汽車(25℃下平均效率45.7％)和傳統(tǒng)車輛(25℃下平均效率23.5％)相比，由于燃料電池的高能量轉(zhuǎn)換效率，豐田Mirai具有顯著的車輛效率優(yōu)勢(shì)(25℃下平均效率62.2％)。燃料電池汽車既 是串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，也是一種由小容量電池組和提供大部分動(dòng)力來源的燃料電池系統(tǒng)組成的電動(dòng)汽車， 燃料電池汽車車輛效率是電動(dòng)汽車車輛效率與燃料電池系統(tǒng)效率組合后的結(jié)果。 與電動(dòng)汽車相比，燃料電池汽車具有較低的車輛效率； 與電動(dòng)汽車相比，燃料電池汽車車輛效率值受溫度條件影響不大。

 此外，對(duì)油井到車輪(WTW)能效和排放比較后發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)汽油車， 使用基于化石燃料生產(chǎn)氫氣(天然氣重整)作為燃料的氫燃料電池車，WTW化石燃料使用量減少4-31％，WTW溫室氣體排放量降低了14-44％。

不同溫度下能量分析

下圖為氫能消耗及其分解情況。針對(duì)UDDS和HWFET兩個(gè)行駛工況，在25℃環(huán)境溫度下氫能消耗量相近。在低負(fù)載行駛工況中，來自燃料電池空氣壓縮機(jī)和升壓轉(zhuǎn)換器的能量消耗基本可以忽略不計(jì)。在較高功率負(fù)荷的US06工況中，升壓轉(zhuǎn)換器和空氣壓縮機(jī)的損耗變得較大，降低了燃料電池系統(tǒng)效率。下圖還顯示了不同環(huán)境條件下的測(cè)試結(jié)果， 由于燃料電池系統(tǒng)和乘員艙在冷啟動(dòng)過程中需要加熱且需要使用額外的氫氣來調(diào)節(jié)質(zhì)子交換膜濕潤(rùn)度， UDDS工況下在-7℃環(huán)境溫度啟動(dòng)的能耗比25℃環(huán)境溫度下啟動(dòng)高50％以上 。注意， 在-7℃環(huán)境溫度中， 燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量足以使在第三個(gè)UDDS工況中乘員艙溫度保持在25℃。850 W/m2光照、環(huán)境溫度35℃環(huán)境溫度下能耗增加，主要是因制冷劑壓縮機(jī)的功率需求導(dǎo)致。

不同行駛工況下氫能消耗及其分解情況

25℃、-7℃燃料電池系統(tǒng)啟停

對(duì)于燃料電池系統(tǒng)，精確控制電堆內(nèi)質(zhì)子交換膜濕潤(rùn)度對(duì)于可靠且有效的功率輸出尤其重要。系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)必須將電堆內(nèi)部殘余水排空，以避免結(jié)冰以及電池?fù)p傷。下圖詳細(xì)介紹了低溫啟動(dòng)期間以及在測(cè)試結(jié)束系統(tǒng)停機(jī)關(guān)閉時(shí)的情況。在25°C環(huán)境溫度啟動(dòng)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)前不產(chǎn)生任何功率輸出，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電堆電壓躍升至穩(wěn)定的工作電壓。 當(dāng)駕駛員在測(cè)試結(jié)束時(shí)關(guān)閉車輛，氫氣和空氣分別供氣吹掃持續(xù)20 s 。 -7℃環(huán)境下停機(jī)時(shí)，停機(jī)吹掃時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，氫氣和空氣吹掃電堆90 s，以使質(zhì)子交換膜干燥 。-7℃環(huán)境溫度啟動(dòng)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)提供過量氫氣并立即產(chǎn)生低水平功率輸出，以通過電化學(xué)反應(yīng)生成水為質(zhì)子交換膜創(chuàng)造最佳的濕潤(rùn)度。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)環(huán)境溫度從25℃轉(zhuǎn)變?yōu)?7℃且車輛關(guān)閉時(shí)，燃料電池系統(tǒng)將被喚醒以吹掃電堆并觸發(fā)排水閥 (drain valve)。

25℃環(huán)境溫度燃料電池系統(tǒng)啟停行為

-7℃環(huán)境溫度燃料電池系統(tǒng)啟停行為

-18℃冷啟動(dòng)

該項(xiàng)測(cè)試中，豐田Mirai整車完全浸入在-18℃環(huán)境溫度達(dá)一周時(shí)間。測(cè)試開始時(shí)，電加熱器加熱燃料電池系統(tǒng)，并使用多余氫氣來濕潤(rùn)干燥的質(zhì)子交換膜。UDDS工況下冷啟動(dòng)時(shí)，車輛開機(jī)20 s后便可行駛，運(yùn)行150 s后即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)OCV狀態(tài)。在行駛工況的前150 s內(nèi) 燃料電池堆功率輸出 受到限制，但鎳氫電池組為車輛提供了額外動(dòng)力以滿足加速需求 。

-18℃至35℃環(huán)境溫度和不同行駛工況下的氫耗(850 W/m2光照)
 
結(jié)論

豐田Mirai燃料電池汽車技術(shù)評(píng)估結(jié)果表明，燃料電池堆具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，燃料電池堆和系統(tǒng)的峰值效率分別為66.0％和63.7％，測(cè)得的峰值電堆功率約為110—114.6 kW。UDDS行駛工況下(溫和城市工況)燃料電池系統(tǒng)平均效率為61.8％，而US06行駛工況下(激烈高速工況)為48.1％。高負(fù)荷下燃料電池系統(tǒng)效率受空氣壓縮機(jī)負(fù)載限制，空壓機(jī)負(fù)載可高達(dá)15 kW。 UDDS工況-7℃環(huán)境溫度冷啟動(dòng)時(shí)， 由于燃料電池系統(tǒng)和乘員艙需電加熱，同時(shí)消耗額外氫氣改善質(zhì)子膜濕潤(rùn)情況，能耗比25℃環(huán)境溫度啟動(dòng)時(shí)高57％左右。-18℃環(huán)境溫度啟動(dòng)時(shí)，在最初的150 s內(nèi)燃料電池堆輸出功率受限，但鎳氫電池組會(huì)提供額外功率以滿足加速需求。燃料電池系統(tǒng)的怠速燃料(氫氣)流量為4.39 g/h，電堆不輸出功率，較低的怠速燃料流量使燃料電池系統(tǒng)在流道中具有足夠的反應(yīng)物，以便在下一次啟動(dòng)時(shí)立即提供動(dòng)力。
 
 
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