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作者：洪晏忠  崔垚鵬（中國汽車工程研究院股份有限公司）

摘要：燃料電池汽車憑借其高效率、零排放、加氫快等優(yōu)勢，成為實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)變革、節(jié)能減排以及汽車產(chǎn)業(yè)升級的重要工具。但燃料電池汽車較高的購置成本和使用成本是制約我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應用的重要因素之一。該文以滿載的49 t燃料電池重卡為研究對象，通過研究燃料電池系統(tǒng)功率不同的兩款車的續(xù)駛里程、百公里能耗、氫氣消耗量的變化情況，分析燃料電池系統(tǒng)功率對整車能耗的影響，并依據(jù)分析的結(jié)果提出整車動力系統(tǒng)的能量優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車；燃料電池系統(tǒng)功率；整車能耗
注：本文系國家重點專項“新能源汽車”專項(2018YFB1502705)研究成果。

當前，全球能源、環(huán)境問題日益嚴重，世界各國都在積極尋求應對方案，在汽車領(lǐng)域大力推進新能源汽車的目的也正是如此。新能源汽車有不同的類型，其中，燃料電池汽車不僅能夠在燃料上實現(xiàn)對燃油的完全替代，而且具有零排放、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料來源多樣并可靈活取自于可再生能源等優(yōu)勢，因而被認為是實現(xiàn)未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一 [1]。

我國早在2001年就開始氫燃料電池汽車的研發(fā)工作，并制定了相關(guān)的國家標準來保障氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。尤其2016年以來，國家和地方政府密集出臺了一系列政策大力支持氫燃料電池汽車的發(fā)展，國內(nèi)各大主流車廠也在加速氫燃料電池汽車的戰(zhàn)略布局[2]。目前，雖然多地已經(jīng)出臺了利好政策，但是氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍處于較為初期的階段，一些核心零部件仍然依賴進口，諸多技術(shù)瓶頸未能突破，這使氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的進程難以提速。其中，氫燃料電池系統(tǒng)作為整車的動力源和核心系統(tǒng)，產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能仍有待改善，產(chǎn)品的成本居高不下，是限制商業(yè)化應用的諸多挑戰(zhàn)之一[3-7]。

我國氫燃料電池汽車發(fā)展的重點是商用車，商用車對電機功率的需求通常都在200 kW及以上，為了滿足氫燃料電池汽車正常運行，對氫燃料電池系統(tǒng)的功率提出了更高的要求。然而氫燃料電池系統(tǒng)的功率并不一定越大越好，功率過大會增加整車成本，且在工況下的使用功率偏低，導致系統(tǒng)處在低效率區(qū)，進而增加整車的使用成本。為了進一步明確氫燃料電池系統(tǒng)功率的選擇，以49 t氫燃料電池重卡為研究對象，研究不同氫燃料電池系統(tǒng)功率對整車能耗的影響，進而支持企業(yè)進行氫燃料電池系統(tǒng)的合理配置。

1 測試方法

車輛測試方法依據(jù)國家標準GB/T 35178-2017《燃料電池電動汽車 氫氣消耗量 測量方法》、GB/T 38146.2-2019《中國汽車行駛工況 第2部分：重型商用車輛》等制定，具體項目及試驗方法如表1所示，所使用的設(shè)備如表2所示。

2測試過程

2.1 樣車信息
選取兩款某在售的49 t重卡車型為樣車來進行試驗，樣車具體參數(shù)如表3所示。

表3 樣車參數(shù)

2.2 測試試驗
百公里氫氣消耗量試驗過程如下：將車輛驅(qū)動輪置于底盤測功機的轉(zhuǎn)鼓上，非驅(qū)動輪固定在地板上；底盤測功機根據(jù)車輛整備質(zhì)量設(shè)定阻力；將功率分析儀的電壓和電流采集通道分別與燃料電池系統(tǒng)輸出電流和電壓線、動力電池的輸出電流電壓線進行連接，采集電流電壓數(shù)據(jù)；將外置供氫的氫氣利用率測試儀上的加氫槍插入整車的加氫口進行供氫，并記錄供氣量；待氫氣利用率測試儀和功率分析儀開啟后，駕駛員按照提示駕駛車輛，使用C-WTVC工況運轉(zhuǎn)一定的里程；分別按照GB∕T 38146.2-2019工況中的規(guī)定記錄續(xù)駛里程。

3 測試結(jié)果及分析

按照表1的測試方法，分別對樣車1和樣車2進行C-WTVC工況下的行駛里程、氫氣消耗量、燃料電池發(fā)電量、動力電池電量變化等測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 測試結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)表4的測試數(shù)據(jù)，對兩款樣車分別進行了C-WTVC工況下百公里氫耗和百公里電耗的計算，在扣除了燃料電池系統(tǒng)對動力電池充的電量后，計算得到了不同樣車在C-WTVC工況下的百公里氫耗、百公里電耗和燃料電池系統(tǒng)平均效率，計算結(jié)果如表5所示。

表5 百公里能耗和燃料電池平均效率計算結(jié)果

通過表5的結(jié)果分析可知，同樣使用C-WTVC工況，在相同的行駛里程且樣車1和樣車2都滿載的條件下，將行駛過程中的能量供應按照氫氣發(fā)電量進行換算，然后依據(jù)換算的結(jié)果進一步計算得到百公里氫耗。樣車1和樣車2的百公里氫耗高達18.54 kg和16.87 kg。通過對比發(fā)現(xiàn)，樣車1的百公里氫耗比樣車2高9.9%。同時，對比了一下兩個車型的百公里電耗，樣車1的百公里電耗為252.61 kW·h，樣車2的百公里電耗為249.26 kW·h。樣車1的百公里電耗僅比樣車2高了1.3%。同時還對比了樣車1和樣車2的燃料電池系統(tǒng)平均效率。從表5可以看出，樣車1的燃料電池系統(tǒng)平均效率為41.29%，樣車2的燃料電池系統(tǒng)平均效率為44.76%，樣車2的燃料電池系統(tǒng)平均效率比樣車1高8.4%。

從以上數(shù)據(jù)對比可以看出，同樣的載重量和車型，同樣行駛工況下的電能消耗基本相近，燃料電池系統(tǒng)功率越大，對氫氣的消耗量就越大。通過對燃料電池系統(tǒng)的效率分析和動力電池發(fā)電量來看，有兩個原因。第一個原因是燃料電池系統(tǒng)效率過低，導致氫氣發(fā)電量降低，從而使氫氣消耗量增加；第二個原因是在整車行駛過程中，燃料電池系統(tǒng)對動力電池有充電的過程，燃料電池系統(tǒng)充給動力電池，再供給驅(qū)動電機，導致整車的動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率進一步降低，從而導致氫氣消耗量的提升。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述測試結(jié)果和相應的數(shù)據(jù)分析，得到相同工況下，氫燃料電池系統(tǒng)功率對整車能耗影響規(guī)律：燃料電池系統(tǒng)功率越大，整車的百公里氫耗和百公里電耗都將降低；燃料電池系統(tǒng)功率越大，整車動力系統(tǒng)總成的能量轉(zhuǎn)化效率將進一步降低；燃料電池系統(tǒng)功率越大，在整個工況行駛過程中，燃料電池給動力電池的充電量就越多。

針對當前測試結(jié)果，氫燃料電池汽車應該盡可能讓燃料電池系統(tǒng)直接給電機系統(tǒng)供電，降低整車能耗。燃料電池系統(tǒng)的功率并不是越大越好，需保持在合理范圍內(nèi)。

參考文獻：
[1]田方,陳琳,耿志勇.燃料電池商用車技術(shù)路線研究[J].汽車實用技術(shù),2018(18):26-27.
[2]洪晏忠,鄧波.我國氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].科技風,2021(4):5-6.
[3]芬蘭開發(fā)出能降低燃料電池制造成本的新方法[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012(4):26.
[4]王祖綱,呂建中,郝宏娜.燃料電池汽車發(fā)展前景及油氣行業(yè)對策研究[J].世界石油工業(yè),2019(2):29-35.
[5]聶瑤,丁煒,魏子棟.質(zhì)子交換膜燃料電池非鉑電催化劑研究進展[J].化工學報,2015(9):3 305-3 318.
[6]沈浩明.中國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].上海汽車,2018(4):35-39.
[7]張臣,趙陽,李穎林,等.使用工況對純電動汽車續(xù)駛里程影響研究[J].北京汽車,2020(5):12-15.

作者簡介：洪晏忠，博士，中國汽車工程研究院股份有限公司工程師，研究方向為純電動汽車、燃料電池汽車、燃料電池系統(tǒng)等測評；崔垚鵬，中國汽車工程研究院股份有限公司助理工程師，研究方向為車輛工程。

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