丰田Mirai燃料电池电堆及系统效率测试

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尽管自1990年以来已有多家公司着手研究和开发氢燃料电池汽车，且当前北美市场上投放的FCV车型多达6种，但尚缺乏有关当前量产FCV的独立实验室数据。美国能源部(DOE)燃料电池技术办公室也将“缺乏燃料电池电动汽车的性能和耐久性数据”作为其“多年研究、开发和示范计划”(Multi-year research, development and demonstration plan)项目的一个技术障碍。

美国国家可再生能源实验室(NREL)对几种不同燃料电池汽车进行了道路评估，发现燃料电池堆的平均峰值效率为67％、燃料电池系统平均峰值效率为58％。虽然相关研究对燃料电池汽车效率进行研究和报道，但依然没有提供在实验室中测试的量产版燃料电池汽车电堆和系统的效率曲线。此外，大部分研究依赖于仿真模型，而这些模型使用总体的氢燃料经济性数据或专用的燃料电池系统数据进行验证。

美国环境保护署(EPA)根据标准行驶工况和测试条件给几种燃料电池汽车进行测试并给出其氢燃料经济性测试结果，测试结果如上表所示。该表第一部分给出了底盘测功机测试时的车辆特性，如等效重量、道路载荷力系数。此外，也给出了25°C环境温度下测试的城市循环工况(FTP：联邦测试程序)和高速公路驾驶循环工况(HWFET：高速公路燃油经济性测试)的氢燃料消耗结果。

丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO三款燃料电池汽车的车辆效率水平非常接近。美国阿汞国家实验室与加拿大交通部合作，对量产的丰田Mirai车型进行了实验室全面技术评估，测得了Mirai燃料电池堆及其系统性能、效率曲线。相关效率曲线和数据旨在帮助完善和验证建模和仿真工作，为研究目标的设定提供信息。作为当前燃料电池汽车的典范，本次测试选择的FCV车型是2016款丰田Mirai。

测试材料和方法

加拿大交通部为此次测试研究提供了2016款丰田Mirai燃料电池汽车，下表为Mirai基本信息。美国阿汞国家实验室的车辆测试设施专为动力总成研究和技术基准测试而建造，底盘测功机位于恒温室内，可满足一系列实际条件测试。测试条件基于EPA 5 cycle工况的燃油经济性测试流程，包括-18℃、-7℃、25℃和35 ℃环境温度，850 W/m2光照条件。

阿汞实验室该套测试仪器的重点是测量主要动力总成组件之间的功率流，如下图所示。采用Hioki高精度功率分析仪(PW3390-10)测量功率流，测量精度为±0.1％；采用集成到测试单元中的两个Micro MotionCoriolis质量流量计(低流量工作范围CMF010M和高流量工作范围CMF025M)测量氢气质量流量，测量精度为±0.25％。最终记录了在超过100项测试中10 Hz频率下的400多条有效信号。

功率流

上表列出了丰田Mirai测试中EPA公布的Mirai等效测试重量和道路载荷系数参数。基于SAE J1263标准在底盘测功机上测得车辆能量损失。为最大程度减少下一项测试重新安装车辆导致的测试差异，测试过程中一直将丰田Mirai放在底盘测功机上，氢燃料经济性差异小于2％。测试期间，散热风扇会动态连续运行以便产生匹配实际车速的空气流速。基于119.96 MJ/kg低热值(LHV)计算氢气能量值。

效率计算

燃料电池堆和系统的效率表示为电能/氢能。下图展示了燃料电池堆和燃料电池系统的定义。

燃料电池堆和燃料电池系统界定

燃料电池堆及系统效率计算公式如下。其中，V为电压，I为电流。

车辆效率定义为正工况能量(Positive cycle energy)除以燃料能量，正工况能量在SAE J2951标准中进行了定义，该标准从传统车辆角度出发制定，明确规定了计算正工况能量的数据处理和计算方法。注意，测试中在整个行驶工况内计算车辆效率。

结果和讨论

燃料电池系统

丰田Mirai动力总成是以燃料电池为主要动力的混合动力总成。像轻度混合动力汽车中汽油发动机相似，丰田Mirai燃料电池堆提供大部分动力，Mirai静止时通常电堆停止运行，并亦可在汽车行驶时停止运行或怠速(仅依靠镍氢电池工作)。当燃料电池系统怠速时，开路电压(OCV)缓慢降低。下图为NEDC工况下丰田Mirai动力总成的不同运行模式。车轮输出功率(dyno power)指在行驶工况下驱使车辆前进所需功率，是燃料电池堆功率、高压镍氢电池功率和附件损失功率总和。(注：本文结果分析和讨论为美国Argonne实验室工程师观点)

NEDC工况下燃料电池动力系统表现

燃料电池堆和系统效率

为获取燃料电池堆和系统效率Map图，对Mirai车辆在不同速度和负荷点进行了稳态测试。下图展示了10 Hz频率测试下电堆、系统和升压转换器的效率。测试发现燃料电池堆峰值效率为66.0％，燃料电池系统峰值效率为63.7％。在25％峰值功率输出时，燃料电池系统效率为58％。在低电堆功率( /阅读下一篇/ 返回网易首页 下载网易新闻客户端