氢燃料电池系统功率对整车能耗影响分析

本文首发《汽车测试报告》，由作者授权发布
 

作者：洪晏忠  崔垚鹏（中国汽车工程研究院股份有限公司）

摘要：燃料电池汽车凭借其高效率、零排放、加氢快等优势，成为实现我国能源结构变革、节能减排以及汽车产业升级的重要工具。但燃料电池汽车较高的购置成本和使用成本是制约我国燃料电池汽车产业发展和推广应用的重要因素之一。该文以满载的49 t燃料电池重卡为研究对象，通过研究燃料电池系统功率不同的两款车的续驶里程、百公里能耗、氢气消耗量的变化情况，分析燃料电池系统功率对整车能耗的影响，并依据分析的结果提出整车动力系统的能量优化策略。

关键词：氢燃料电池汽车；燃料电池系统功率；整车能耗
注：本文系国家重点专项“新能源汽车”专项(2018YFB1502705)研究成果。

当前，全球能源、环境问题日益严重，世界各国都在积极寻求应对方案，在汽车领域大力推进新能源汽车的目的也正是如此。新能源汽车有不同的类型，其中，燃料电池汽车不仅能够在燃料上实现对燃油的完全替代，而且具有零排放、能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一 [1]。

我国早在2001年就开始氢燃料电池汽车的研发工作，并制定了相关的国家标准来保障氢燃料电池汽车产业的健康发展。尤其2016年以来，国家和地方政府密集出台了一系列政策大力支持氢燃料电池汽车的发展，国内各大主流车厂也在加速氢燃料电池汽车的战略布局[2]。目前，虽然多地已经出台了利好政策，但是氢燃料电池汽车产业的发展仍处于较为初期的阶段，一些核心零部件仍然依赖进口，诸多技术瓶颈未能突破，这使氢燃料电池汽车产业商业化的进程难以提速。其中，氢燃料电池系统作为整车的动力源和核心系统，产品质量和安全性能仍有待改善，产品的成本居高不下，是限制商业化应用的诸多挑战之一[3-7]。

我国氢燃料电池汽车发展的重点是商用车，商用车对电机功率的需求通常都在200 kW及以上，为了满足氢燃料电池汽车正常运行，对氢燃料电池系统的功率提出了更高的要求。然而氢燃料电池系统的功率并不一定越大越好，功率过大会增加整车成本，且在工况下的使用功率偏低，导致系统处在低效率区，进而增加整车的使用成本。为了进一步明确氢燃料电池系统功率的选择，以49 t氢燃料电池重卡为研究对象，研究不同氢燃料电池系统功率对整车能耗的影响，进而支持企业进行氢燃料电池系统的合理配置。

1 测试方法

车辆测试方法依据国家标准GB/T 35178-2017《燃料电池电动汽车 氢气消耗量 测量方法》、GB/T 38146.2-2019《中国汽车行驶工况 第2部分：重型商用车辆》等制定，具体项目及试验方法如表1所示，所使用的设备如表2所示。

2测试过程

2.1 样车信息
选取两款某在售的49 t重卡车型为样车来进行试验，样车具体参数如表3所示。

表3 样车参数

2.2 测试试验
百公里氢气消耗量试验过程如下：将车辆驱动轮置于底盘测功机的转鼓上，非驱动轮固定在地板上；底盘测功机根据车辆整备质量设定阻力；将功率分析仪的电压和电流采集通道分别与燃料电池系统输出电流和电压线、动力电池的输出电流电压线进行连接，采集电流电压数据；将外置供氢的氢气利用率测试仪上的加氢枪插入整车的加氢口进行供氢，并记录供气量；待氢气利用率测试仪和功率分析仪开启后，驾驶员按照提示驾驶车辆，使用C-WTVC工况运转一定的里程；分别按照GB∕T 38146.2-2019工况中的规定记录续驶里程。

3 测试结果及分析

按照表1的测试方法，分别对样车1和样车2进行C-WTVC工况下的行驶里程、氢气消耗量、燃料电池发电量、动力电池电量变化等测试，测试结果如表4所示。

表4 测试结果统计

根据表4的测试数据，对两款样车分别进行了C-WTVC工况下百公里氢耗和百公里电耗的计算，在扣除了燃料电池系统对动力电池充的电量后，计算得到了不同样车在C-WTVC工况下的百公里氢耗、百公里电耗和燃料电池系统平均效率，计算结果如表5所示。

表5 百公里能耗和燃料电池平均效率计算结果

通过表5的结果分析可知，同样使用C-WTVC工况，在相同的行驶里程且样车1和样车2都满载的条件下，将行驶过程中的能量供应按照氢气发电量进行换算，然后依据换算的结果进一步计算得到百公里氢耗。样车1和样车2的百公里氢耗高达18.54 kg和16.87 kg。通过对比发现，样车1的百公里氢耗比样车2高9.9%。同时，对比了一下两个车型的百公里电耗，样车1的百公里电耗为252.61 kW·h，样车2的百公里电耗为249.26 kW·h。样车1的百公里电耗仅比样车2高了1.3%。同时还对比了样车1和样车2的燃料电池系统平均效率。从表5可以看出，样车1的燃料电池系统平均效率为41.29%，样车2的燃料电池系统平均效率为44.76%，样车2的燃料电池系统平均效率比样车1高8.4%。

从以上数据对比可以看出，同样的载重量和车型，同样行驶工况下的电能消耗基本相近，燃料电池系统功率越大，对氢气的消耗量就越大。通过对燃料电池系统的效率分析和动力电池发电量来看，有两个原因。第一个原因是燃料电池系统效率过低，导致氢气发电量降低，从而使氢气消耗量增加；第二个原因是在整车行驶过程中，燃料电池系统对动力电池有充电的过程，燃料电池系统充给动力电池，再供给驱动电机，导致整车的动力系统能量转换效率进一步降低，从而导致氢气消耗量的提升。

4 结束语

根据上述测试结果和相应的数据分析，得到相同工况下，氢燃料电池系统功率对整车能耗影响规律：燃料电池系统功率越大，整车的百公里氢耗和百公里电耗都将降低；燃料电池系统功率越大，整车动力系统总成的能量转化效率将进一步降低；燃料电池系统功率越大，在整个工况行驶过程中，燃料电池给动力电池的充电量就越多。

针对当前测试结果，氢燃料电池汽车应该尽可能让燃料电池系统直接给电机系统供电，降低整车能耗。燃料电池系统的功率并不是越大越好，需保持在合理范围内。

参考文献：
[1]田方,陈琳,耿志勇.燃料电池商用车技术路线研究[J].汽车实用技术,2018(18):26-27.
[2]洪晏忠,邓波.我国氢燃料电池汽车发展现状及前景分析[J].科技风,2021(4):5-6.
[3]芬兰开发出能降低燃料电池制造成本的新方法[J].农业装备与车辆工程,2012(4):26.
[4]王祖纲,吕建中,郝宏娜.燃料电池汽车发展前景及油气行业对策研究[J].世界石油工业,2019(2):29-35.
[5]聂瑶,丁炜,魏子栋.质子交换膜燃料电池非铂电催化剂研究进展[J].化工学报,2015(9):3 305-3 318.
[6]沈浩明.中国氢燃料电池汽车产业发展研究[J].上海汽车,2018(4):35-39.
[7]张臣,赵阳,李颖林,等.使用工况对纯电动汽车续驶里程影响研究[J].北京汽车,2020(5):12-15.

作者简介：洪晏忠，博士，中国汽车工程研究院股份有限公司工程师，研究方向为纯电动汽车、燃料电池汽车、燃料电池系统等测评；崔垚鹏，中国汽车工程研究院股份有限公司助理工程师，研究方向为车辆工程。

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