燃料電池車的典型效率及能耗

燃料電池車的典型效率及能耗燃料電池的一大優(yōu)勢(shì)是高效率，能夠更高效的利用能源?，F(xiàn)在燃料電池車的研發(fā)已經(jīng)持續(xù)了相當(dāng)長一段時(shí)間（世界上第一輛燃料電池車為1966年通用的Electrovan），燃料電池車也迭代了許多，那么燃料電池車的效率、氫耗水平都怎么樣呢？這里通過Argonne實(shí)驗(yàn)室在2019年底發(fā)表了一篇論文來總結(jié)一下燃料電池車的效率、能耗水平和氫耗。而豐田Mirai（2016款）作為典型產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)可以作為燃料電池車效率和能耗水平的標(biāo)桿來對(duì)比。效率的定義Argonne在燃料電池車的評(píng)價(jià)中定義了三個(gè)效率：燃料電池電堆效率，燃料電池系統(tǒng)效率，車輛效率。電堆效率：如上圖，電堆效率只考慮電堆本身。從計(jì)算區(qū)間的開始到結(jié)束產(chǎn)生的功率和（即電堆總輸出能量）／期間消耗的氫氣的總流量反應(yīng)生成水后釋放的能量（按低熱值計(jì)算）。系統(tǒng)效率：如上圖，系統(tǒng)效率考慮電堆及其相關(guān)輔件帶來的功率消耗。電堆功率減去輔件功率在測(cè)量區(qū)間內(nèi)的功率和（系統(tǒng)總輸出能量）／期間消耗的氫氣的總流量反應(yīng)生成水后釋放的能量（按低熱值計(jì)算）。車輛效率是一個(gè)燃油車經(jīng)常使用的概念，計(jì)算公式為：根據(jù)SAEJ2951定義的正工況能量／期間消耗的氫氣的總流量反應(yīng)生成水后釋放的能量（按低熱值計(jì)算）。按照SAEJ2951定義，由于正能量在燃料電池車上并沒有在標(biāo)準(zhǔn)里定義，這里可以反過來看負(fù)能量。負(fù)能量即由于剎車或用于減少非制動(dòng)減速期間發(fā)動(dòng)機(jī)所需的道路負(fù)荷功導(dǎo)致的能量損失。那對(duì)于燃料電池車，小編理解，正能量應(yīng)該包括燃料電池系統(tǒng)輸出的能量及能量回收回收的能量。對(duì)純電池車來說，由于分子為發(fā)出功率而非消耗功率，這個(gè)計(jì)算公式可能會(huì)算到超過100％，因此小編覺得用此公式來評(píng)估電動(dòng)車并不完全合理。燃料電池車典型工況綜合效率和能耗根據(jù)EPA（U.S.EnvironmentalProtectionAgency）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來燃料電池車的典型工況綜合效率和能耗水平如下圖所示：可以看到近10幾年間，燃料電池車的車輛工況效率有了較大的提升。已本田為例，從早期的HondaFCXClarity到后面的HondaClarityFuelCell，F(xiàn)TP效率從54％提高到了67％，HWFET效率從51％提高到了57％。而本田、豐田、現(xiàn)代這幾家燃料電池車領(lǐng)頭羊，在這一代（2019年左右），車輛的效率都十分近似，大家水平都差不多。但是工況綜合效率畢竟是統(tǒng)計(jì)全工況下的效率得出的，對(duì)燃料電池車開發(fā)和評(píng)估來說，我們還需要一個(gè)典型的在各個(gè)功率下的一個(gè)典型效率（即效率－功率曲線），或者說一個(gè)標(biāo)桿作為我們的參照物來判斷自己燃料電池車做的如何。燃料電池車典型效率－功率曲線（以Mirai為標(biāo)桿）Argonne使用Mirai進(jìn)行了如下的工況測(cè)試，測(cè)試首先包含三個(gè)FTP定義的UUDS（TheUrbanDynamometerDrivingSchedule）工況，這是一種較緩和的城市工況，可以從下圖的車速就可以看出來。然后車輛會(huì)跑兩個(gè)高速工況（HWFET）和兩個(gè)US06工況。HWFET是一種美國高速工況燃油經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況，而US06為一種車速較大的激烈工況。測(cè)試結(jié)果如下圖所示，可以看到，工況越緩和，燃料電池電堆和燃料電池系統(tǒng)的效率越高。工況對(duì)電堆效率的影響較小，而對(duì)系統(tǒng)效率影響較大。激烈的US06工況下，相比UDDS，燃料電池電堆的效率下降僅約3％。而工況的變化使燃料電池系統(tǒng)效率下降了近23％。匯總了測(cè)試結(jié)果后，可以得出Mirai的效率－功率曲線。如下圖所示，可以看到，功率越低，燃料電池系統(tǒng)效率與電堆效率越接近；功率越高，燃料電池系統(tǒng)效率與電堆效率相差越大。全功率區(qū)間內(nèi)，電堆的最大效率為66％，而燃料電池系統(tǒng)最大效率為63.7％。在25％電堆功率時(shí)，系統(tǒng)效率為58％，電堆效率約61％。到峰值功率，電堆114kW時(shí)，電堆效率會(huì)下降到約49％，而系統(tǒng)效率則僅剩約40％。從空壓機(jī)和DCDC效率曲線的變化可以看出，后面系統(tǒng)效率的降低，主要是因?yàn)镈CDC的效率降低以及空壓機(jī)的功耗迅速增加。當(dāng)然水泵，氫泵這些也會(huì)增加一些消耗，但是這些零部件功耗較小故對(duì)系統(tǒng)效率的影響比較小。從圖中可以大致可以讀到幾個(gè)參考點(diǎn)的效率：溫度對(duì)燃料電池車的能耗的影響如上圖，將不同工況及溫度中的功率進(jìn)行分解可以看到溫度對(duì)燃料電池系統(tǒng)功耗的影響。在啟動(dòng)流程的功耗組成中，－7℃的功耗要大于25℃及35℃，增長的功耗主要來源于空調(diào)和空壓機(jī)增長的功耗。而冷啟動(dòng)帶來的功耗增長要遠(yuǎn)大于熱啟動(dòng)，這主要是因?yàn)闊釂?dòng)時(shí)不需要那么多功耗去進(jìn)行加熱與空調(diào)（畢竟溫度已經(jīng)較高了）。在運(yùn)行工況的功耗組成中，可以看到不管是高溫還是低溫都會(huì)一定程度上增加燃料電池車的功耗。高溫會(huì)導(dǎo)致DCDC效率的降低和空壓機(jī)功耗的升高，另外高溫時(shí)車內(nèi)的空調(diào)也會(huì)造成額外的能耗，綜合起來，導(dǎo)致燃料電池車的功耗變高（在UDDS和US06中）。而低溫雖然不會(huì)導(dǎo)致DCDC效率降低，但是從數(shù)據(jù)上看，它會(huì)使車輛運(yùn)行時(shí)車輛驅(qū)動(dòng)所需的功耗增加，加上低溫時(shí)開啟的空調(diào)，導(dǎo)致低溫時(shí)車輛的功耗也會(huì)較高于常溫（25℃）。與混動(dòng)車、燃油車的效率及能耗對(duì)比如上圖，將Mirai作為燃料電池車的代表，與其他類型的車放在一起比較，可以看到不同動(dòng)力系統(tǒng)車輛的效率區(qū)別（見前文，由于車輛效率計(jì)算公式的原因，把能量回收也算進(jìn)來，故純電車會(huì)有超過100％的情況）。與混動(dòng)汽車（25°C下平均45.7％）和傳統(tǒng)車輛（25°C下平均23.5％）相比，燃料電池車具有顯著的車輛效率優(yōu)勢(shì)（25°C下平均62.2％，而混動(dòng)45.7％，油車23.5％）。Mirai是一種小電池－大電堆燃料電池混動(dòng)車，其車輛系統(tǒng)除去燃料電池的話，基本和純電池車一致（畢竟都是電驅(qū)動(dòng)車嘛）。因此，燃料電池車輛效率是基于電動(dòng)汽車效率的（即燃料電池系統(tǒng)看做一個(gè)發(fā)電的電池）。因此，與動(dòng)力電池車輛相比，燃料電池車會(huì)具有較低的車輛效率。另外，值得一提的是，雖然效率低一些，燃料電池車效率對(duì)溫度條件不像動(dòng)力電池車那么敏感（如上圖紅框所示）。如上圖的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果看，Mirai的能耗水平（2.044MJ／英里）遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于燃油車的馬自達(dá)3（3.996MJ／英里），稍強(qiáng)于混動(dòng)的普銳斯（2.102MJ／英里），但相比純電普銳斯落后（0.817MJ／英里）。從這組數(shù)據(jù)中也能看到Mirai作為燃料電池車標(biāo)桿產(chǎn)品，其綜合氫耗水平約為（文中并未解釋如何計(jì)算）：城市道路：1.08kg／100km高速：1.02kg／100km綜合：1.05kg／100km總結(jié)1.以Mirai為標(biāo)桿，燃料電池電堆和系統(tǒng)的典型功耗大約為：（功率－效率曲線見前文）2.計(jì)算工況下的綜合效率時(shí)，工況的變化對(duì)電堆效率的影響不大，但是對(duì)系統(tǒng)的效率影響較大。工況越激烈，車速越高，系統(tǒng)和電堆的綜合效率越低，且兩者的差距越大。3.對(duì)于燃料電池車來說，低溫主要會(huì)帶來額外的冷啟動(dòng)功耗，以及增加空調(diào)和車輛運(yùn)行本身消耗的能量。而高溫主要會(huì)增加空壓機(jī)功耗和DCDC的損耗，從而提高燃料電池車的功耗，降低效率。4.溫度對(duì)燃料電池車的效率影響沒有純