李 龍

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)進(jìn)展

李 龍

（國(guó)鴻氫能科技（嘉興）股份有限公司，浙江 嘉興 314200）

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)具備清潔、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，日益受到社會(huì)青睞。與此同時(shí)，對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求?！叭摺保ǜ吆?、高溫、高原）試驗(yàn)是驗(yàn)證氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)極端環(huán)境的重要手段。文章從實(shí)驗(yàn)室角度出發(fā)，主要介紹了氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)、測(cè)試設(shè)備及平臺(tái)搭建、試驗(yàn)項(xiàng)目及影響因素，以期通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境模擬，為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的運(yùn)用提供參考價(jià)值。

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)；“三高”試驗(yàn)；環(huán)境模擬

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由電堆、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵及其他輔助零部件組成。在“碳達(dá)峰”“碳中和”的背景下，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源在道路車輛、軌道交通、游艇船舶、固定發(fā)電站等領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛。更多的應(yīng)用意味著更大的挑戰(zhàn)，高寒環(huán)境、高溫環(huán)境、高原環(huán)境（俗稱“三高”環(huán)境）是對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。如何發(fā)現(xiàn)和解決氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在“三高”環(huán)境下存在的技術(shù)缺陷，是當(dāng)前面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)室“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)走向?qū)嶋H應(yīng)用前的重要一步。通過(guò)模擬“三高”環(huán)境，一方面能夠有效發(fā)現(xiàn)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問(wèn)題，及時(shí)針對(duì)問(wèn)題提出解決方案；另一方面也能從成本上，大大縮減“三高”試驗(yàn)的資源投入，提高研發(fā)和使用效率。當(dāng)前，并沒(méi)有一套完善的測(cè)試體系指導(dǎo)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”試驗(yàn)的開展及試驗(yàn)后的結(jié)果評(píng)定，這也是當(dāng)前業(yè)內(nèi)人員應(yīng)該思考的一個(gè)問(wèn)題。本文以期通過(guò)對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)的概述，為氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展提供一些思路和參考價(jià)值。

1 “三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 高寒環(huán)境模擬試驗(yàn)

高寒環(huán)境模擬試驗(yàn)是指通過(guò)低溫試驗(yàn)箱模擬低溫環(huán)境，檢驗(yàn)產(chǎn)品在低溫下的持續(xù)工作或者存儲(chǔ)的能力。

對(duì)于氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，高寒試驗(yàn)一方面從零部件層級(jí)上檢驗(yàn)了各零部件的低溫特性，例如：發(fā)動(dòng)機(jī)中電堆的低溫密封性、氫氣比例閥或者噴射器的低溫穩(wěn)定性、電磁閥低溫加熱性能等等；另一方面從控制策略上檢驗(yàn)了氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的優(yōu)劣[2]。低溫冷啟動(dòng)能耗的大小、低溫環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定性、低溫關(guān)機(jī)吹掃合理性、發(fā)動(dòng)機(jī)效率高低等，均是高寒環(huán)境模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)的目標(biāo)。

1.2 高溫環(huán)境模擬試驗(yàn)

高溫環(huán)境模擬試驗(yàn)是指通過(guò)高溫試驗(yàn)箱模擬高溫環(huán)境，檢驗(yàn)產(chǎn)品在高溫下地持續(xù)工作或者存儲(chǔ)的能力。

氫燃料電池從工作原理上來(lái)說(shuō)在發(fā)電的同時(shí)，存在較大的熱量輻射。高溫環(huán)境對(duì)于氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的水熱管理和零部件的高溫適應(yīng)性是一個(gè)極大的考驗(yàn)[3]。首先對(duì)零部件的高溫特性提出了較高要求，要求各零部件在高溫環(huán)境下能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，避免出現(xiàn)例如熱膨脹、過(guò)溫的問(wèn)題，進(jìn)而保障發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。其次，要求氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略能夠較好適應(yīng)高溫環(huán)境，特別是在熱管理上，可以通過(guò)合理的控制策略，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的水熱平衡。

1.3 高原環(huán)境模擬試驗(yàn)

高原環(huán)境模擬試驗(yàn)是指通過(guò)低氣壓試驗(yàn)箱模擬高原環(huán)境，檢驗(yàn)產(chǎn)品在低氣壓下的工作適應(yīng)性。

高原環(huán)境對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的直接影響因素是低氣壓。低氣壓直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)空氣路相關(guān)參數(shù)，例如：空氣流量、入堆空氣壓力、氫空壓差等，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能、輔助能耗等[4]。通過(guò)高原環(huán)境模擬試驗(yàn)，可以在一定程度上檢驗(yàn)低氣壓下發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的“高原反應(yīng)”問(wèn)題，并以此提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。

2 “三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及平臺(tái)搭建

2.1 “三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

高寒環(huán)境、高溫環(huán)境的模擬，主要由高低溫試驗(yàn)箱及相關(guān)輔助設(shè)備完成，高原環(huán)境的模擬，主要由低氣壓試驗(yàn)箱及相關(guān)輔助設(shè)備完成。試驗(yàn)過(guò)程執(zhí)行及結(jié)果評(píng)定則需用到“三高”試驗(yàn)相關(guān)的儀器設(shè)備。

高低溫試驗(yàn)箱根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行不同的分類，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)因其尺寸較大且對(duì)使用環(huán)境有較高的要求，一般用到的是步入式高低溫試驗(yàn)箱。根據(jù)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目需求，箱體內(nèi)部材質(zhì)需具備耐熱耐寒、耐腐蝕、不易氧化且具備一定機(jī)械強(qiáng)度的材料，一般選用不銹鋼材質(zhì)。試驗(yàn)箱的低溫溫度等級(jí)不能低于-40 ℃，高溫溫度等級(jí)超過(guò)70 ℃，溫度偏差為±2 ℃，溫度波動(dòng)度≤1 ℃，升降溫速率一般要求≤1 ℃/min，風(fēng)速與體積則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率等級(jí)及散熱方式?jīng)Q定。一般來(lái)說(shuō)，高功率及風(fēng)冷式氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，需要體積較大、風(fēng)速較快的試驗(yàn)箱，以達(dá)到快速散熱保持恒溫的目的。高低溫試驗(yàn)箱具體技術(shù)條件可參考《高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件》（GB/T 11158－2008）[5]。高低溫試驗(yàn)箱輔助設(shè)備一般包含冷水塔、壓縮機(jī)、電力控制平臺(tái)等，用來(lái)輔助高低溫試驗(yàn)箱溫度的設(shè)定和保持。對(duì)于高寒環(huán)境模擬試驗(yàn)，需要額外配置的輔助設(shè)備還有氣體預(yù)冷設(shè)備，用以對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料進(jìn)行預(yù)冷，達(dá)到模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的目的。氣體預(yù)冷包含氫氣預(yù)冷設(shè)備和空氣預(yù)冷設(shè)備，其相應(yīng)的預(yù)冷能力需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匹配。低氣壓試驗(yàn)箱主要包括試驗(yàn)箱主體、真空泵、穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐、低氣壓試驗(yàn)管道等。若氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)采取風(fēng)冷散熱，低氣壓試驗(yàn)箱則需具備較強(qiáng)的通風(fēng)能力和散熱能力，維持艙內(nèi)溫度穩(wěn)定。若氫燃料電池采用水冷散熱，箱體內(nèi)部通風(fēng)和散熱能力則無(wú)太高要求，只需輔助水冷散熱系統(tǒng)具備足夠的散熱能力。低氣壓試驗(yàn)箱的氣壓等級(jí)一般需到55 kPa，滿足 5 000 m海拔環(huán)境的模擬條件，因此需根據(jù)氣壓等級(jí)匹配相應(yīng)的真空泵。氣壓偏差選擇±2 kPa即可，氣壓變化率≤10 kPa/min。具體技術(shù)條件可參考《低氣壓試驗(yàn)箱技術(shù)條件》（GB/T 11159－2010）[6]。穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐的體積一般需達(dá)到20 m3以上，體積越大，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓力和流量越穩(wěn)定。低氣壓試驗(yàn)管道通常采用316不銹鋼等材質(zhì)，一方面滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，另一方面避免管路因內(nèi)外壓差造成管路壓扁的現(xiàn)象。

“三高”試驗(yàn)用到的檢測(cè)設(shè)備包含氫氣流量計(jì)、功率分析儀、冰點(diǎn)分析儀、電壓表、電流表、絕緣表等。對(duì)于用在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部的儀器設(shè)備，必須具備耐低溫特性，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的環(huán)境模式，否則可能造成試驗(yàn)結(jié)果偏差。以功率分析儀電流鉗為例，將其長(zhǎng)期置于-30 ℃以下低溫環(huán)境，在線采集電流時(shí)，可能存在數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)偏移等問(wèn)題。因此必須采用耐低溫電流鉗或?qū)ζ溥M(jìn)行保溫措施，讓其保持在正常工作溫度范圍內(nèi)。對(duì)于在高寒環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)中用到的其他儀器設(shè)備種類和精度，可參考國(guó)標(biāo)《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測(cè)試方法》（GB/T 33979－2017）[7]中要求進(jìn)行選擇。高溫試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的耐高熱性同樣提出了要求，檢測(cè)設(shè)備在高溫條件下工作，不能出現(xiàn)熱塑化、破裂、散發(fā)異味等現(xiàn)象，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果不能出現(xiàn)偏移。高原試驗(yàn)主要是低氣壓的采集問(wèn)題，氣體壓力傳感器的壓力等級(jí)必須滿足所設(shè)定低氣壓的需求。

2.2 “三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)搭建

搭建一套完善、正確的“三高”試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，是保證試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效的前提。根據(jù)氫燃料電池系統(tǒng)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)項(xiàng)目要求，測(cè)試平臺(tái)的搭建主要有以下三個(gè)要點(diǎn)：

1）設(shè)備放置的位置。在高寒試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)中，除氫氣源外，與氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)相連的氣路接口、冷卻液及冷卻液接口、電氣接口均需置于高低溫試驗(yàn)箱艙內(nèi)部，以保證進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料與冷卻液與設(shè)定溫度相同。在高原試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣路進(jìn)出接口必須與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)管道連接，確保在非工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣路進(jìn)出口的壓力與設(shè)定氣壓值一致?！叭摺痹囼?yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)及輔助設(shè)備的放置方向可根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整，但在滿足上述“三高”環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，搭建的平臺(tái)也要求能夠滿足常規(guī)測(cè)試要求，不能因?yàn)闈M足“三高”環(huán)境的要求，忽略了其他測(cè)試因素。

2）測(cè)量設(shè)備的布置。測(cè)量設(shè)備屬發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試輔助儀器，在測(cè)試過(guò)程中既要保證自身的精度和測(cè)試環(huán)境適當(dāng)，又不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行造成干擾。比如不能放置在發(fā)動(dòng)機(jī)易發(fā)熱部件周圍。如果自身電磁兼容性能較差，也應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)，避免帶來(lái)電磁干擾。

3）其他特征性需求。高寒試驗(yàn)高溫試驗(yàn)對(duì)于溫度的穩(wěn)定性要求較高，在布置完測(cè)試平臺(tái)后，應(yīng)重點(diǎn)檢查一些試驗(yàn)箱內(nèi)外通孔是否密封嚴(yán)實(shí)，盡量做到內(nèi)外無(wú)熱交換。高原試驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)空氣入口前的管道材質(zhì)硬度問(wèn)題，盡量不用硅膠管類材質(zhì)較軟的氣體管路，以免內(nèi)外壓差壓扁管路，造成空氣流量供應(yīng)不足。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)本體上材質(zhì)較軟的氣體管路，可更換為材質(zhì)更硬的管路或采取表面加固措施。

3 “三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)需針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等均是關(guān)注的重點(diǎn)。因此“三高”試驗(yàn)的項(xiàng)目，也需有針對(duì)性地開展。本章以氫燃料電池汽車應(yīng)用場(chǎng)景為例，從實(shí)際應(yīng)用角度，展開氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”試驗(yàn)項(xiàng)目的描述[8-9]。

3.1 高寒環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

氫燃料電池汽車在高寒條件下，容易出現(xiàn)密封性差[10]、絕緣阻值降低、啟動(dòng)困難、運(yùn)行不穩(wěn)定、性能下降等問(wèn)題[11]，針對(duì)這些問(wèn)題，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)需開展以下試驗(yàn)項(xiàng)目：

1）低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)。低溫下整車啟動(dòng)慢、成功率低是普遍存在的問(wèn)題。這些問(wèn)題的根源，在一定程度上取決于氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷啟動(dòng)狀況。低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)?zāi)軌蛴行?yàn)證氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段的性能表現(xiàn)，包含啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)輸出功率大小、輔耗大小及燃料消耗量。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)性能參數(shù)和整車需求，標(biāo)定出一套合理的運(yùn)行參數(shù)，針對(duì)整車低溫啟動(dòng)難的問(wèn)題，提出合適的控制策略和方法，解決整車動(dòng)力性問(wèn)題。

2）穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)。整車在低溫運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)結(jié)合路況進(jìn)行變功率運(yùn)行，動(dòng)力電池的電量會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)變動(dòng)，及時(shí)給電池充電或停止充電，以滿足整車動(dòng)力電池的需求。穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)記錄了發(fā)動(dòng)機(jī)在全功率段內(nèi)不同工況點(diǎn)對(duì)外輸出電壓、電流、自身輔耗、氫耗量等參數(shù)。可以結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)各工況點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，為整車選定合適的工況匹配參數(shù)，解決整車動(dòng)力性問(wèn)題。

3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)反映了氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)變化的快慢，一定程度上影響了整車應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況時(shí)的響應(yīng)時(shí)間。因此有必要掌握氫燃料電池在高寒條件下的響應(yīng)速度，提前為整車可能遇到的突發(fā)狀況做好保障措施，保障的整車動(dòng)力性和制動(dòng)性。

4）額定功率試驗(yàn)。整車長(zhǎng)時(shí)間高速度運(yùn)行，需要發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)提供高功率。低溫下氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)以額定功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，一方面可以檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，另一方面也可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度有效計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的氫耗量，從而直接反映出整車的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

5）動(dòng)態(tài)平均效率特性試驗(yàn)。整車在低溫環(huán)境實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)功率是一種動(dòng)態(tài)加穩(wěn)態(tài)的輸送方式。該試驗(yàn)結(jié)合動(dòng)態(tài)變載和穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)，計(jì)算出高寒環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率，可以在一定程度上反映整車的經(jīng)濟(jì)性。

6）氣密性試驗(yàn)。低溫環(huán)境材料會(huì)發(fā)生體積收縮，這種情況對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性是不利的。氣密性試驗(yàn)可以檢驗(yàn)出低溫下氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的密封效果，從而體現(xiàn)出整車的安全性。

7）絕緣電阻測(cè)試。低溫環(huán)境對(duì)燃料電池的絕緣性能有一定影響，通過(guò)絕緣電阻測(cè)試，可以反饋出整車的安全性。

3.2 高溫環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

氫燃料電池汽車在高溫條件下，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱脹，影響氣密性[10]。高的環(huán)境溫度讓散熱系統(tǒng)在散熱時(shí)的能量交換中變得更困難，增加了整個(gè)系統(tǒng)的能耗。以空壓機(jī)為代表的零部件，在高溫下呈現(xiàn)能耗增大、流量降低等問(wèn)題?；诖?，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)需開展以下試驗(yàn)項(xiàng)目：

1）高溫運(yùn)行試驗(yàn)。高溫下氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔耗的增加會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)整體對(duì)外輸出功率，這對(duì)在整車上的運(yùn)行是十分不利的。有必要通過(guò)高溫運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)輸出功率、輔耗、氫耗等性能。在實(shí)際應(yīng)用中，直接與整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)聯(lián)。

2）冷卻能力試驗(yàn)。高溫對(duì)于整車的散熱是一個(gè)嚴(yán)酷的考驗(yàn)，對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著直接影響。發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)運(yùn)行邏輯的合理配合，是解決高溫散熱問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)冷卻能力試驗(yàn)，驗(yàn)證出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)出口溫度及相應(yīng)的散熱系統(tǒng)能耗，進(jìn)而為高溫下整車的運(yùn)行提供一套合理的控制策略，解決整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。

3）穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)。整車在高溫環(huán)境中同樣存在變功率運(yùn)行的情況。發(fā)動(dòng)機(jī)也需要根據(jù)動(dòng)力電池的電量需求在不同的工況下運(yùn)行，及時(shí)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電或停止充電。穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)記錄了發(fā)動(dòng)機(jī)在全功率段內(nèi)不同工況點(diǎn)對(duì)外輸出電壓、電流、自身輔耗、氫耗量等參數(shù)。可以結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)各工況點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，為整車選定合適的工況匹配參數(shù)，解決整車動(dòng)力性問(wèn)題。

4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)反映了氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)變化的快慢，一定程度上影響了整車在應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況時(shí)的響應(yīng)時(shí)間。因此有必要掌握氫燃料電池在高溫條件下的響應(yīng)速度，提前為整車可能遇到的突發(fā)狀況做好保障措施，保障的整車動(dòng)力性和制動(dòng)性。

5）額定功率/峰值功率試驗(yàn)。在額定功率和峰值功率下，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果散熱系統(tǒng)能滿足額定功率和峰值功率下熱平衡管理，對(duì)整車來(lái)說(shuō)也是非常有利的，體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的可靠性。

6）氣密性試驗(yàn)。高溫環(huán)境材料會(huì)發(fā)生體積膨脹，這種情況對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性也是不利的。氣密性試驗(yàn)可以檢驗(yàn)出高溫下氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的密封效果，從而體現(xiàn)出整車的安全性。

7）絕緣電阻測(cè)試。高溫環(huán)境引發(fā)的密封問(wèn)題，可能使氫燃料電池電堆發(fā)生液體泄漏，通過(guò)絕緣電阻測(cè)試，可以反饋出整車的安全性。

3.3 高原環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

在高原地區(qū)，海拔高、空氣稀薄、氧含量低，這些因素直接決定了同等條件下進(jìn)入氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氧氣更少，導(dǎo)致電陰極“欠氣”，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率[12]，進(jìn)而影響整車的整體性能。針對(duì)此問(wèn)題，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)需開展以下試驗(yàn)項(xiàng)目：

1）穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)。通過(guò)穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)，找出發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)工況點(diǎn)的性能表現(xiàn)。然后結(jié)合整車的實(shí)際需求，找出相互匹配的工況，一般通過(guò)參數(shù)升級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)，即用高功率工況點(diǎn)參數(shù)匹配低功率工況點(diǎn)?；蛘咄ㄟ^(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，提升空氣路各零部件參數(shù)，達(dá)到同樣的供氣效果。穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)重在解決整車動(dòng)力性問(wèn)題。

2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)。高原環(huán)境下整車的工況變化對(duì)于氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提出了很高的要求，尤其是空氣供給系統(tǒng)，能否在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到需求的參數(shù)保障整車的運(yùn)行。動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)以整車工況變化為背景，驗(yàn)證了氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的變載能力。以此可以標(biāo)定出一組合適的參數(shù)應(yīng)對(duì)高原環(huán)境，影響整車的動(dòng)力性和制動(dòng)性。

3）額定功率/峰值功率試驗(yàn)。高原環(huán)境中氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間保持高功率運(yùn)行，對(duì)于空氣供給系統(tǒng)尤其是空壓機(jī)來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?？諌簷C(jī)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間在額定轉(zhuǎn)速甚至峰值轉(zhuǎn)速下工作，對(duì)自身的穩(wěn)定性和壽命都有不利影響。通過(guò)額定功率試驗(yàn)，從空氣供給系統(tǒng)的角度檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整體的穩(wěn)定性，同時(shí)在試驗(yàn)中可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度有效計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的氫耗量，從而直接反映出整車的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

4）氣密性試驗(yàn)。高原環(huán)境對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密無(wú)直接影響，考慮整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的安全性，應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

5）絕緣電阻測(cè)試。高原環(huán)境對(duì)絕緣電阻并無(wú)直接影響，從安全性的角度，任何環(huán)境下的試驗(yàn)，均應(yīng)對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的絕緣阻值進(jìn)行檢測(cè)。

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目及相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 “三高”試驗(yàn)項(xiàng)目及引用標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)項(xiàng)目高寒高溫高原參考標(biāo)準(zhǔn) 低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)開展 《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測(cè)試方法》（GB/T 33979－2017） 穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)開展開展開展《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)開展開展開展《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 動(dòng)態(tài)平均效率特性試驗(yàn)開展 《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 額定功率試驗(yàn)開展開展開展《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 峰值功率試驗(yàn) 開展開展《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 高溫運(yùn)行試驗(yàn) 開展 《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 冷卻能力試驗(yàn) 開展 氣密性試驗(yàn)開展開展開展《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022） 絕緣電阻測(cè)試開展開展開展《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》（GB/T 24554－2022）

注：表1中“三高”試驗(yàn)項(xiàng)目為建議項(xiàng)目，可根據(jù)實(shí)際情況增減。

4 “三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)影響因素

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)成功與否，是由多方面因素共同決定的。下面就各影響因素對(duì)試驗(yàn)的影響，分別進(jìn)行敘述。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身環(huán)境適應(yīng)性的強(qiáng)弱，是決定“三高”試驗(yàn)成功與否的根本因素。發(fā)動(dòng)機(jī)中大量零部件對(duì)環(huán)境溫度、環(huán)境氣壓有很強(qiáng)的敏感性，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的初始階段，應(yīng)考慮選用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的零部件，同時(shí)針對(duì)適應(yīng)性弱、暫無(wú)替代品的零部件，可以通過(guò)外加保護(hù)措施，應(yīng)對(duì)苛刻環(huán)境的挑戰(zhàn)。

4.2 控制策略

控制策略是保證氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。合理地控制策略能在一定程度上解決發(fā)動(dòng)機(jī)存在的短板問(wèn)題，通過(guò)自身動(dòng)作減緩環(huán)境因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的不利影響。

4.3 儀器設(shè)備

儀器設(shè)備是試驗(yàn)的“眼睛”，通過(guò)采集試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)，及時(shí)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。在氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，參數(shù)的變化需要通過(guò)專用的儀器設(shè)備才能采集到。因此選擇合適的儀器設(shè)備是試驗(yàn)成功的保障。儀器設(shè)備是“三高”試驗(yàn)成功與否的重要因素。

4.4 人員操作

目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)各種試驗(yàn)的開展，很大程度上要依托于人員操作。雖然有部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的開展流程有較詳細(xì)的要求，但是在一些細(xì)節(jié)方面仍有不盡詳細(xì)之處。人員操作的主觀性、規(guī)范性，在一定程度上影響了試驗(yàn)結(jié)果。因此人員操作是“三高”試驗(yàn)中不可忽略的因素。

5 結(jié)語(yǔ)

氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中重要的驗(yàn)證試驗(yàn)，是走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步。針對(duì)其在整車或其他實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，有針對(duì)性地開展“三高”試驗(yàn)項(xiàng)目，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出合適的解決方法，在氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開展“三高”環(huán)境模擬試驗(yàn)中具有重要意義。

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Progress of"High-old High-hot and High-altitude" Environmental Simulation Test of Hydrogen Fuel Cell Engine

LI Long

( Sino-Synergy Hydrogen Energy Technology (Jiaxing) Company Limited, Jiaxing 314200, China )

Hydrogen fuel cell engine has the advantages of cleanliness, environmental protection and high efficiency, and is increasingly favored by the society. At the same time, higher requirements in environmental adaptability of hydrogen fuel cell engine are also put forward. The test of "High-cold high-hot and high-altitude" is an important means to verify the adaptability of hydrogen fuel cell engine to extreme environment. This paper mainly introduces the "High-cold high-hot and high-altitude environmental simulation test, test equipment and platform construction, test items and influencing factors of hydrogen fuel cell engine from the perspective of laboratory, looking forward to providing reference value for the application of hydrogen fuel cell engine in practical application scenarios through laboratory environment simulation.

Hydrogen fuel cell engine; "High-cold high-hot and high-altitude" test; Environmental simulation

U464

A

1671-7988(2023)18-198-06

李龍（1990－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闅淙剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)測(cè)試，E-mail:lilong900906@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.039