高原環(huán)境的稀薄空氣和低溫等因素會(huì)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的水管理、溫度控制、性能表現(xiàn)等方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，燃料電池汽車在高原環(huán)境下需要進(jìn)行專門(mén)的測(cè)試和調(diào)試，以保證其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和高效地運(yùn)行。  

國(guó)際先進(jìn)車型在高原環(huán)境中的表現(xiàn)

圖 1 不同海拔起動(dòng)對(duì)比

首先對(duì)比起動(dòng)時(shí)平原與高原的不同。相比平原環(huán)境，高原1起動(dòng)時(shí)空氣進(jìn)氣壓力低20%，空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速高51%，高原2起動(dòng)時(shí)空氣進(jìn)氣壓力低26%，空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速高116%。可以看出高原環(huán)境對(duì)空氣進(jìn)氣壓力與空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，國(guó)際先進(jìn)車型針對(duì)高原的氫氣低壓設(shè)定值與氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速?zèng)]有與平原的策略做區(qū)別控制。

圖 2 不同海拔怠速對(duì)比

我們?cè)賮?lái)對(duì)比不同海拔下的怠速表現(xiàn)，可以看到最主要的區(qū)別在于BOP的功耗，平原為0.29kW，高原1時(shí)為4.66kW，高原2時(shí)為7.47kW。造成這種現(xiàn)象的原因我們可以在空氣路的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，陰極壓力下降，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)流量提高。空壓機(jī)的負(fù)荷大幅提升，燃料電池系統(tǒng)的效率下降。

圖 3 不同海拔額定功率對(duì)比

對(duì)照國(guó)際先進(jìn)車型在平原和高原2的額定功率表現(xiàn)，出現(xiàn)了燃料電池的功率被限制的現(xiàn)象。根據(jù)我們之前的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，以下5種情況會(huì)導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)功率被限制。分別是電堆溫度過(guò)高、單電池電壓過(guò)低、氫氣泄漏、氫氣壓力過(guò)低以及空氣壓力過(guò)低。分析相關(guān)信號(hào)后，我們排除了前四個(gè)原因。重點(diǎn)看一下空壓機(jī)的表現(xiàn)，在平原空壓機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速為15540rpm，在高原轉(zhuǎn)速達(dá)到了16170rpm，是額定轉(zhuǎn)速的96.8%。空壓機(jī)接近滿負(fù)荷工作，依舊不能提供電堆需要的進(jìn)氣壓力以及流量。因此，高原地區(qū)的燃料電池堆的輸出功率會(huì)降低。

擴(kuò)散效應(yīng)是物質(zhì)從高濃度區(qū)域自發(fā)向低濃度區(qū)域運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象。在高原地區(qū)，由于空氣稀薄，陰極流場(chǎng)的氧分壓較低，陰極流場(chǎng)到反應(yīng)區(qū)域的濃度差較小，氧氣的擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)降低。特別是在高功率輸出時(shí)，燃料電池堆的性能受到擴(kuò)散效應(yīng)降低的影響較大，輸出功率會(huì)顯著下降。

國(guó)際先進(jìn)車型在高原環(huán)境下的策略

圖 4 空壓機(jī)MAP

為對(duì)比高原與平原空壓機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的路徑差異，在基于空壓機(jī)臺(tái)架測(cè)試得到的MAP數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上繪制高原和平原運(yùn)行工況點(diǎn)路徑，直觀的展現(xiàn)出空壓機(jī)的運(yùn)行特性。海拔越高，空氣進(jìn)氣壓力隨空壓機(jī)轉(zhuǎn)速增大而提高得越慢，并在達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速之后不再提高，因?yàn)榇藭r(shí)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)到達(dá)極限，為了盡可能提高電堆輸出功率，必須提高過(guò)量系數(shù)而不能選擇空氣壓力，因此背壓閥開(kāi)度逐漸增加，空氣壓力也隨即減小，同時(shí)空氣流量逐漸增加，保障電堆的功率需求。

由圖可知空壓機(jī)在高原2運(yùn)行時(shí)處于低流量高壓比區(qū)域，喘振風(fēng)險(xiǎn)增大。對(duì)比平原環(huán)境，其他主要零部件如：氫氣循環(huán)泵、冷卻水泵等在高原環(huán)境的表現(xiàn)變化不大。空壓機(jī)硬件本身的性能（最大轉(zhuǎn)速、喘振區(qū)域）決定了燃料電池系統(tǒng)高原環(huán)境性能表現(xiàn)。所以若想讓燃料電池汽車在高原上獲得更好的性能表現(xiàn)，提高空壓機(jī)本身的性能是今后行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

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