燃料电池耐久试验循环工况对比

黄彦维，侯永平，张建文，郝 冬

( 1.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804； 2.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805； 3.中国汽车技术研究中心，天津 300300 )

耐久性问题阻碍了燃料电池的商业化，急需解决[1]。近年来，许多机构进行了相关的耐久性试验，但大多数都是在恒流条件下进行的，不能真实地反映车载条件下燃料电池堆的耐久性问题。为尽量使车用燃料电池堆耐久性台架试验考核情况与实际道路运行情况一致，不少学者采用在台架上模拟实际道路工况运行的方法进行耐久性试验研究[2-6]。在之前的耐久性台架试验研究中，采用的循环工况各不相同，对各类循环工况的对比也一直处于空白。在车用燃料电池堆耐久性台架试验中，循环工况的合理性是影响结果有效性的关键因素。

有鉴于此，本文作者先分别对目前常见的各循环工况进行分析，通过功率分布规律等找出它们各自特点；再对各循环工况进行综合对比分析，以期为试验循环工况的选取提供参考。

1 车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

1.1 试验循环工况评价方法

循环工况的选取是决定耐久性台架试验结果有效性的关键因素。为使台架试验与实车运行情况更接近，耐久性台架试验的循环工况应尽量与车辆实际道路运行工况一致，具有实际道路运行时的特点，包含怠速、加速(加载)、减速(卸载)和匀速行驶等过程。车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况，还应考虑车用燃料电池堆自身的衰减特点，包含以下几个作为车用燃料电池堆衰减主要原因的典型工况。

动态循环工况：指车辆实际运行过程中，随着路况变化，燃料电池堆输出功率随着载荷变化的过程[1]，该工况会引起缺气和电压频繁变化，造成燃料电池堆的衰减。开路、低载和怠速工况：该工况会引起阴极高电势，造成燃料电池堆的衰减。过载工况：会引起缺气和水淹，造成燃料电池堆的衰减。启停工况：该工况中，环境空气的侵入会引起阴极高电势，造成燃料电池堆衰减。

1.2 常见车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

此前，欧盟、美国、中国和日本等都根据实际道路交通情况，开发了汽车行驶工况，表现为在特定行驶环境下车辆行驶的速度-时间工况。根据燃料电池车的运行特征，可将汽车行驶的车速-时间工况转化，得到适用于耐久性台架试验的功率-时间或电流-时间工况。目前，很多常见车用燃料电池耐久性台架试验工况都是由此而来的。如国际电工委员会(IEC)标准[2]、美国能源部(DOE)[3]、法国电气试验室[4]、同济大学和清华大学的车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况[5]等。

1.2.1 IEC标准车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

IEC标准车用燃料电池堆耐久性试验循环工况，是参考欧盟的新欧洲行驶工况(NEDC)[6]，并将车速-时间工况转变为功率-时间工况得到的[2]。NEDC如图1所示。

图1 新欧洲行驶工况[6]

NEDC是针对车辆在市区和郊区行驶制定的。整个循环工况包括市区运转循环和市郊运转循环两部分，其中，市区运转循环又是由4个小的市区运转循环单元组成，每个循环单元测试时间为195 s，包括怠速、启动、加速、匀速行驶及减速停车等几个阶段，最高车速50 km/h，平均车速18.35 km/h，最大加速度1.042 m/s2，平均加速度0.599 m/s2；市郊运转循环测试时间为400 s，最高车速120 km/h，平均车速62 km/h，最大加速度0.833 m/s2，平均加速度0.354 m/s2。

转化后得到的IEC标准车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况如图2所示。

图2 IEC标准车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况[2]

Fig.2 International Electrotechnical Commission(IEC) durability test cycle of vehicular fuel cell stack[2]

该循环工况来源于NEDC，具有欧洲车辆日常行驶特点，一次循环耗时1 180 s。与其他工况不同的是：该工况由市区循环和市郊循环两个部分组成。对比图2和图1可知，该循环工况特征与NEDC特征具有很强的一致性，不仅包含怠速、加速(加载)、减速(卸载)和匀速行驶等日常行驶中的常见工况，也包含了额定工况等特征功率点，并且每1 180 s，燃料电池堆会经历一次启停工况。对该循环工况进行功率分布统计可知：开路、低载和怠速工况占比41.4%，额定工况占比3.7%。该循环工况功率分布范围广，其中在动态循环工况部分功率跨度从5%燃料电池堆额定功率(PE)到100%PE，各功率占比时间合理，但缺少过载这一典型工况。

1.2.2 DOE车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

DOE车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况(DCT)在DOE制定的质子交换膜燃料电池堆耐久性测试标准中提出，目前，已被DOE和美国燃料电池联盟运用[3]。该循环工况来源于美国SC03行驶工况(见图3)[7]。

图3 SC03行驶工况[7]

美国SC03行驶工况代表美国主干线和高速公路行驶工况，具有高速度和高加速度的特点，最高车速为129.2 km/h，平均车速为77.9 km/h。将SC03行驶工况中车速-时间工况转化为用于车用燃料电池堆耐久性台架试验的电流-时间工况，得到DOE燃料电池耐久性试验循环工况，如图4所示。

图4中的工况，一次循环耗时360 s。由图4和图3对比发现，该循环工况和SC03相比有一定差别，但整体变化趋势一致，具有高速度和高加速度工况特点。该循环工况包含怠速工况、加减速工况、匀速行驶工况和额定工况等日常行驶中的常见工况。对该循环工况进行功率分布统计，得到该循环工况中，开路、低载和怠速工况占比30.0%，额定工况占比9.7%，过载工况占比5.6%；可以发现：该循环工况包括了所有作为车用燃料电池堆衰减主要原因的4个典型工况，功率跨度大且各功率点时间占比合理，但常用功率点过少。

图4 DOE车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况[3]

Fig.4 U.S.department of energy durability test cycle of vehicular fuel cell stack[3]

1.2.3 HYZEM车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

法国国立贝尔福-蒙比利亚工程技术大学电气工程与系统试验室参考混合动力技术零排放(HYZEM)行驶工况，利用法国交通和安全研究院开发的VEHLIB软件，制定了HYZEM行驶工况[4]。HYZEM行驶工况包含了市内循环、市郊循环和高速循环3个部分，每个部分都包含怠速、启动、加速及减速停车等阶段。该工况平均速度40.4 km/h、平均加速度0.71 m/s2、最大加速度1.3 m/s2[8]。

以测试额定电流为70 A的车用燃料电池堆为例，得到HYZEM车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况[6]，一次循环耗时540 s。该工况特点鲜明，由市区循环、市郊循环和高速循环3个部分组成，比标准的欧盟NEDC代表了更多的驾驶工况，且稳定速度部分要少很多。该循环工况包含了怠速、加速(加载)和减速(卸载)等日常行驶中的常见工况，但缺少匀速行驶工况。对该循环工况进行电流分布统计，得到平均电流为12.5 A，最大电流变化率为20 A/s；在动态循环工况中加载电流连续，从0到额定电流70 A，每个电流点都包含在内且分布均匀合理，但该循环工况不包含稳定电流点下运行的情况，即没有匀速行驶工况。

1.2.4 同济大学车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

同济大学根据NEDC的特点和实际车辆行驶情况，将NEDC转化为适用于车用燃料电池堆耐久性台架试验的循环工况。转化得到后的同济大学循环工况如图5所示。

对比图5和图1可知，该循环工况的特征与NEDC[2]特征具有很强的一致性，不仅包含怠速、加速(加载)、减速(卸载)和匀速行驶等日常行驶中的常见工况，也包含了额定工况等特征功率点，并且燃料电池堆每1 200 s就会经历一次启停工况。对该循环工况进行功率分布统计，得到该循环工况中，开路、低载和怠速工况占比37.9%，过载工况占比2.4%，额定工况占比9.2%，各工况占比时间合理。该循环工况包括了所有作为车用燃料电池堆衰减主要原因的4个典型工况，其中，在动态循环工况部分功率跨度从8%PE到120%PE。与IEC标准循环工况相比，两者整体特征类似，但同济大学循环工况包含了过载工况，且功率分布范围更大。

图5 同济大学车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况

Fig.5 Tongji University’s durability test cycle of vehicular fuel cell stack

1.2.5 清华大学燃料电池耐久性台架试验循环工况

清华大学基于中国城市公交循环工况(CCBC)，通过建立仿真模型，转化得到适用于城市公交用燃料电池堆台架耐久性试验的循环工况[5]。CCBC如图6所示。

图6 中国城市公交循环工况(CCBC)

CCBC是在北京、上海和广州等3个城市公交运行工况数据基础上开发的。整个循环工况由怠速、低速、匀速、中速和高速等14个工况构成，该循环一次耗时1 314 s。CCBC的最高车速60 km/h，平均车速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s2。清华大学车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况[5]分为阶段Ⅰ和阶段Ⅱ，一次循环耗时60 min。该工况具有国内公交车日常行驶的特点，包含公交车道路运行过程中的怠速、低载运行、动态循环过程、常用工况及持续大载等状态。对工况的电流分布统计可知：开路、低载和怠速工况占比28.3%，额定工况占比51.7%，过载工况占比3.3%。该循环工况包含了导致车用燃料电池堆衰减的4个典型工况；动态循环工况中电流跨度从3.7%IE(额定功率点对应的额定电流)到120%IE，各功率点时间占比均匀，符合公交车实际运行时的功率分布，但额定功率部分时间占比较大。

2 耐久性台架试验循环工况对比

各循环工况(启停工况均为1次/循环)的对比情况见表1。

表1 车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况 Table 1 Durability test cycle of vehicular fuel cell stack

从表1可知，这5种工况中，除IEC标准和HYZEM循环工况中不包含过载工况外，其余均涵盖了造成车用燃料电池堆衰减的4个典型工况(动态循环工况，开路、低载或怠速工况，过载工况和启停工况)。耐久性台架试验可根据具体要求，如试验要求道路条件、工况类型等选取相应的工况。

3 结论

车用燃料电池堆耐久性台架试验循环工况应尽量与车辆实际道路运行工况特征一致，具有车辆实际道路运行工况特点，包含怠速、加速(加载)、减速(卸载)和匀速行驶等过程，并考虑车用燃料电池堆自身的衰减特点，包含动态循环，开路、低载和怠速，过载及启停等易造成衰减的典型工况。

对常见5种耐久性台架试验循环工况的对比可知，IEC标准、DOE、HYZEM、同济大学和清华大学制定的循环工况均由典型行驶工况转化而来，具有车辆实际道路运行工况特点。这5种工况适用于不同条件下的车用燃料电池堆耐久性台架试验，应根据试验具体要求并结合各自工况特点选择合适的耐久性台架试验循环工况。

[1] 任丽彬，朱永生.电动车用PEM燃料电池[J].电池，2001，31(5): 251-253.

[2] IEC 62282-2-2012，fuel cell technologies -part 2: fuel cell mo-

dules [S].

[3] Joint Hydrogen Quality Task Force，“Protocol on Fuel Cell Component Testing:Suggested Dynamic Testing Protocol (DTP)，” Document USFCC 04-068 Rev A(May 1，2006) [DB/OL].http://www.fchea.org/core/import/PDFs/Technical% 20Resources/Trans-H2Quality-DynamicTestingProfile-04-068A.pdf.

[4] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.

[5] 邵静玥.燃料电池堆性能评价试验方法[D].清华大学，2005.

[6] Wikipedia，New European Driving Cycle (12-April-2013)[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/New_European_Driving_Cycle.

[7] EPA，EPA SC03 Supplemental Federal Test Procedure (SFTP) with Air Conditioning[DB/OL]. https://www.epa.gov/ emission-standards-reference-guide/epa-sc03-supplemental-federal-test-procedure-sftp-air.

[8] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.