氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)方法

馬明輝 ,王佳,蘭昊,張妍懿,郝冬

1.中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司, 天津 300300;2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津 300300

0 引言

氫燃料電池將氫氣和氧氣的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能[1-2],具有比功率大、效率高、噪音低等優(yōu)點(diǎn),是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向,也是解決全球能源問(wèn)題和氣候變化的理想方案[3-4]。近幾年,氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,2022年我國(guó)氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量均超3 000輛。隨燃料電池汽車示范應(yīng)用政策的實(shí)施,燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇[5-6]。

從燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能方面,王克勇等[7]基于車用燃料電池失效模式,研究車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性;王誠(chéng)等[8]分析車用燃料電池關(guān)鍵材料及部件的性能衰減機(jī)制,闡述應(yīng)對(duì)性能衰減的新材料、新技術(shù)與控制策略的最新研究進(jìn)展;霍海波等[9]分析燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的研究現(xiàn)狀;黃彥維等[10]研究常見(jiàn)車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)工況;梁滿志等[11]研究燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的集成技術(shù),探討氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)及可靠性、耐久性的影響因素;彭湃等[12]針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模及仿真;侯中軍等[13]研究客車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性,車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的環(huán)境溫濕度和空氣質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性有顯著影響;張堅(jiān)[14]提出車用燃料電池空壓機(jī)的性能測(cè)試規(guī)范,為后續(xù)建立氫氣循環(huán)泵、加濕器、控制器等部件的測(cè)試規(guī)范提供參考;曹蕾等[15]預(yù)測(cè)分析燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)所需熱量,對(duì)比模型計(jì)算熱量與低溫測(cè)試實(shí)際熱量,為低溫啟動(dòng)過(guò)程的精確控制提供預(yù)測(cè)依據(jù);侯永平等[16]、郭溫文等[17]測(cè)試燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)特性、耐久工況等多種特性,結(jié)合實(shí)車需求制定基于整車實(shí)際應(yīng)用且易于操作的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況。國(guó)外學(xué)者通過(guò)模型計(jì)算、試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行分析等方法研究燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減機(jī)理,認(rèn)為車輛循環(huán)變工況運(yùn)行是導(dǎo)致燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)壽命降低的主要原因[18-20];還有一些學(xué)者用微觀表征等技術(shù)研究材料層級(jí)對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性的影響[21-24]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),如控制策略、水熱管理和耐久性等,對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)的研究較少。

本文從起動(dòng)性能、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能、安全性能4個(gè)維度選取氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),建立氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能量化評(píng)價(jià)方法,便于企業(yè)進(jìn)行選型匹配和產(chǎn)品性能評(píng)估,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低開(kāi)發(fā)成本,促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí),滿足復(fù)雜、苛刻的用車環(huán)境要求,助力燃料電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響因素復(fù)雜、多樣且相互關(guān)聯(lián),不能用單一的指標(biāo)評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣,需建立科學(xué)、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,客觀定量評(píng)價(jià)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能與技術(shù)發(fā)展水平。

所構(gòu)建的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)體系包括評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)函數(shù)及指標(biāo)權(quán)重3部分。選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)需充分考慮氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的的技術(shù)發(fā)展水平和行業(yè)需求,試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[25]的要求,充分保證各指標(biāo)的試驗(yàn)條件、流程、方法的統(tǒng)一性,使各指標(biāo)在同一基準(zhǔn)面上分析;評(píng)價(jià)函數(shù)基于指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)綜合確定;采用層次分析法,結(jié)合行業(yè)專家意見(jiàn)綜合確定指標(biāo)權(quán)重,保證評(píng)價(jià)體系的客觀性與科學(xué)性。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖1 氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

選取重要的、典型的、行業(yè)關(guān)注的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo),且指標(biāo)可測(cè)試,基于該原則,從起動(dòng)性能、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能、安全性能4個(gè)維度建立氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。

1.2 評(píng)價(jià)函數(shù)

1.2.1 起動(dòng)性能

起動(dòng)性能是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從停機(jī)狀態(tài)起動(dòng)至怠速狀態(tài)并具備對(duì)外輸出電能的時(shí)間,包括冷機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和熱機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。

冷機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后,電池堆內(nèi)部溫度為環(huán)境溫度條件下,由停機(jī)狀態(tài)起動(dòng)至怠速狀態(tài)所用時(shí)間。目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷機(jī)起動(dòng)時(shí)間為10～25 s,根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀及氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)響應(yīng)需求,設(shè)定冷機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的上限為10 s,下限為30 s,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x11}為以s為單位的冷機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間x11的數(shù)值,Q11為x11的評(píng)分。

熱機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)短暫停機(jī)時(shí),電池內(nèi)部溫度為正常工作溫度條件下,由停機(jī)狀態(tài)起動(dòng)至怠速狀態(tài)所用時(shí)間。根據(jù)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)起動(dòng)較快的工作特性及電池輔助部件的響應(yīng)能力,設(shè)定熱機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的上限為5 s,下限為20 s,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x12}為以s為單位的熱機(jī)起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間x12的數(shù)值,Q12為x12的評(píng)分。

1.2.2 穩(wěn)態(tài)性能

穩(wěn)態(tài)性能包括額定功率、額定效率、質(zhì)量功率密度、峰值功率等評(píng)價(jià)指標(biāo),反映氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出特性及燃料經(jīng)濟(jì)性。

額定功率衡量氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下持續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間的能力。目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率普遍大于30 kW,構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí),設(shè)定額定功率的下限為30 kW,上限為110 kW;文獻(xiàn)[26]中規(guī)定享受補(bǔ)貼政策的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率不小于50 kW,因此設(shè)定額定功率為50 kW時(shí)評(píng)分為60分。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x21}為以kW為單位的額定功率x21的數(shù)值,Q21為x21的評(píng)分。

額定效率是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所消耗燃料的能量與輸出功率的比,反映氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不同時(shí)效率也不同,通常企業(yè)選取的額定功率對(duì)應(yīng)的的單片電壓為0.6～0.7 V,結(jié)合氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平發(fā)展現(xiàn)狀,將額定效率的下限、上限分別設(shè)定為35%、50%,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定效率的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:Q22為額定效率的評(píng)分,x22為額定效率。

質(zhì)量功率密度是衡量氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成度和零部件選型優(yōu)劣的的綜合性指標(biāo)。目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量功率密度多大于250 W/kg,因此,設(shè)定質(zhì)量功率密度的下限為250 W/kg;文獻(xiàn)[26]中規(guī)定燃料電池商用車和乘用車的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量功率密度分別不小于300、400 W/kg,因此設(shè)定額定質(zhì)量功率密度為300 W/kg時(shí)評(píng)分為60分,為鼓勵(lì)技術(shù)先進(jìn)性設(shè)定額定質(zhì)量功率密度為400 W/kg時(shí)評(píng)分為80分、450 W/kg時(shí)評(píng)分為100分,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定質(zhì)量功率密度的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x23}為以W/kg為單位的質(zhì)量功率密度x23的數(shù)值,Q23為x23的評(píng)分。

峰值功率反映氫燃料電池能否滿足加速、爬坡等過(guò)載工況對(duì)大功率的需求。由于氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)、應(yīng)用場(chǎng)景及使用策略不同,采用峰值功率與額定功率之比評(píng)價(jià)該性能,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:Q24為峰值功率的評(píng)分,x24為峰值功率與額定功率之比。

1.2.3 動(dòng)態(tài)性能

動(dòng)態(tài)性能反映氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)能否及時(shí)響應(yīng)汽車工況的變化,包括動(dòng)態(tài)升載響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)降載響應(yīng)時(shí)間。氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)不同,無(wú)法簡(jiǎn)單用響應(yīng)時(shí)間評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)性能,可用單位時(shí)間內(nèi)的功率變化速率作為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

基于目前技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)升載功率速率響應(yīng)需求,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)升載功率速率的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x31}為以kW/s為單位的升載功率速率x31的數(shù)值,Q31為x31的評(píng)分。

考慮降載過(guò)程對(duì)氫燃料電池堆風(fēng)險(xiǎn)影響程度較低,且降載相對(duì)于升載的技術(shù)難度低,構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)降載功率速率的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x32}為以kW/s為單位的降載功率速率x32的數(shù)值,Q32為x32的評(píng)分。

1.2.4 安全性能

安全性能是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并對(duì)外輸出功率的前提條件,包括單腔保壓、雙腔保壓和絕緣電阻3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前尚無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確的強(qiáng)制要求氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性試驗(yàn)后的壓力下降范圍,基于目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性技術(shù)水平,構(gòu)建單腔保壓和雙腔保壓的評(píng)價(jià)函數(shù)。

單腔保壓是衡量氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣腔向空氣腔、冷卻液腔和外界環(huán)境泄漏程度的指標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)有一定量的氫氣滲透到氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣腔,通過(guò)氣密性試驗(yàn)檢測(cè)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性狀態(tài)。單腔保壓評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x41}為以kPa為單位的單腔保壓后下降壓力x41的數(shù)值,Q41為x41的評(píng)分。

雙腔保壓是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)外漏特性的重要指標(biāo)。運(yùn)行一段時(shí)間后,隨工況變化和密封件性能衰減,氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性能下降,運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)增大。結(jié)合行業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),構(gòu)建氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)雙腔保壓的評(píng)價(jià)函數(shù)為:

式中:{x42}為以kPa為單位的雙腔保壓后下降壓力x42的數(shù)值,Q42為x42的評(píng)分。

絕緣電阻是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的核心技術(shù)指標(biāo),直接關(guān)系到氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常應(yīng)用。文獻(xiàn)[27]中要求燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的絕緣電阻應(yīng)大于500 Ω/V,構(gòu)建絕緣電阻的評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí),絕緣電阻x43不小于500 Ω/V的評(píng)分為100分,小于500 Ω/V的評(píng)分為0分。

1.3 指標(biāo)權(quán)重

德?tīng)柗品ㄓ址Q專家規(guī)定程序調(diào)查法,由調(diào)查者擬定調(diào)查表,按既定程序,以函件的方式分別向?qū)＜医M成員進(jìn)行征詢,專家組成員再以函件方式反饋意見(jiàn),經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)征詢和反饋,專家組成員的意見(jiàn)趨于集中,最后獲得具有較高可信度的集體判斷結(jié)果[28]。

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)綜合性能影響程度不同,采用德?tīng)柗品ù_定氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)指標(biāo)及二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。起動(dòng)性能的權(quán)重為10%,對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)x11、x12的權(quán)重分別為50%、50%;穩(wěn)態(tài)性能的權(quán)重為40%,對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)x21～x24的權(quán)重分別為40%、20%、20%、20%;動(dòng)態(tài)性能的權(quán)重為25%,對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)x31、x32的權(quán)重分別為50%、50%;安全性能的權(quán)重為25%,對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)x41～x43的權(quán)重分別為40%、30%、30%。

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)評(píng)分

式中:ni為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)包含的二級(jí)指標(biāo)數(shù),Qij為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)中第j個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)分,bij為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)中第j個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能綜合性能評(píng)分

式中ai為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

2 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的可行性,選取7款不同的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合性能量化評(píng)價(jià),其性能參數(shù)如表1所示,其中A～F為2019—2021年行業(yè)內(nèi)的主流氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī),G為具有國(guó)際先進(jìn)水平的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)及權(quán)重,計(jì)算7款氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的二級(jí)指標(biāo)評(píng)分,根據(jù)二級(jí)指標(biāo)評(píng)分計(jì)算一級(jí)指標(biāo)及綜合性能的評(píng)分,結(jié)果如表2所示。

表2 氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各級(jí)指標(biāo)及綜合性能的評(píng)分

由表2可知:不同氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能得分差別較大,說(shuō)明各制造商的技術(shù)發(fā)展水平不均衡;氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能得分相對(duì)較均衡,但國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在一定差距;在動(dòng)態(tài)性能方面,各制造商的得分均較低,主要是目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中未強(qiáng)制要求起動(dòng)時(shí)間,各制造商在制定起動(dòng)策略時(shí),為兼顧加載的穩(wěn)定性限制了加載功率速率;安全性能方面,部分氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)得分小于60分,差距主要體現(xiàn)在單腔保壓和雙腔保壓下降的壓力,應(yīng)加強(qiáng)燃料電池堆及系統(tǒng)集成方面的設(shè)計(jì),提高氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性。在綜合性能得分方面,7款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的得分主要分布在35～65分。在起動(dòng)性能、動(dòng)態(tài)性能、安全性能方面,國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平已達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平,但在穩(wěn)態(tài)性能方面,國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平和國(guó)際先進(jìn)水平仍存在一定差距。由于穩(wěn)態(tài)性能的權(quán)重較大,國(guó)際先進(jìn)水平的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)得分高于國(guó)內(nèi)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)論

為分析氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能,選取氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建性能指標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)及權(quán)重,基于7款不同的氫燃料電池發(fā)動(dòng)性能參數(shù),驗(yàn)證該評(píng)價(jià)方法的可行性。

1)建立的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)方法可用數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,可對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合性能量化評(píng)價(jià)與對(duì)比。

2)對(duì)比國(guó)內(nèi)主流氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能與國(guó)際先進(jìn)水平的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可知,需進(jìn)一步提高氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能。

3)國(guó)內(nèi)部分氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和起動(dòng)性能已達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平,但綜合性能與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距。