燃料電池的一大優勢是高效率，能夠更高效的利用能源。現在燃料電池車的研發已經持續了相當長一段時間(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實驗室在2019年底發表了一篇論文來總結一下燃料電池車的效率、能耗水平和氫耗。而豐田Mirai(2016款)作為典型產品，其數據可以作為燃料電池車效率和能耗水平的標桿來對比。

1、效率的定義

Argonne在燃料電池車的評價中定義了三個效率：燃料電池電堆效率，燃料電池系統效率，車輛效率。

電堆效率：如上圖，電堆效率只考慮電堆本身。從計算區間的開始到結束產生的功率和(即電堆總輸出能量)/期間消耗的氫氣的總流量反應生成水后釋放的能量(按低熱值計算)。

系統效率：如上圖，系統效率考慮電堆及其相關輔件帶來的功率消耗。電堆功率減去輔件功率在測量區間內的功率和(系統總輸出能量)/期間消耗的氫氣的總流量反應生成水后釋放的能量(按低熱值計算)。

車輛效率是一個燃油車經常使用的概念，計算公式為：根據SAE J2951定義的正工況能量/期間消耗的氫氣的總流量反應生成水后釋放的能量(按低熱值計算)。

按照SAE J2951定義，由于正能量在燃料電池車上并沒有在標準里定義，這里可以反過來看負能量。負能量即由于剎車或用于減少非制動減速期間發動機所需的道路負荷功導致的能量損失。那對于燃料電池車，小編理解，正能量應該包括燃料電池系統輸出的能量及能量回收回收的能量。對純電池車來說，由于分子為發出功率而非消耗功率，這個計算公式可能會算到超過100%，因此小編覺得用此公式來評估電動車并不完全合理。(不知道對不對，如有錯誤請指出~)

2、燃料電池車典型工況綜合效率和能耗

根據EPA(U.S. Environmental Protection Agency)的統計數據，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。以本田為例，從早期的Honda FCX Clarity到后面的Honda Clarity Fuel Cell，FTP效率從54%提高到了67%，HWFET效率從51%提高到了57%。而本田、豐田、現代這幾家燃料電池車領頭羊，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計全工況下的效率得出的，對燃料電池車開發和評估來說，我們還需要一個典型的在各個功率下的一個典型效率(即效率-功率曲線)，或者說一個標桿作為我們的參照物來判斷自己燃料電池車做的如何。

3、燃料電池車典型效率-功率曲線(以Mirai為標桿)

Argonne使用Mirai進行了如下的工況測試，測試首先包含三個FTP定義的UUDS(The Urban Dynamometer Driving Schedule)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。然后車輛會跑兩個高速工況(HWFET)和兩個US06工況。HWFET是一種美國高速工況燃油經濟性的標準測試工況，而US06為一種車速較大的激烈工況。

測試結果如下圖所示，可以看到，工況越緩和，燃料電池電堆和燃料電池系統的效率越高。工況對電堆效率的影響較小，而對系統效率影響較大。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效率下降了近23%。

匯總了測試結果后，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，燃料電池系統效率與電堆效率越接近；功率越高，燃料電池系統效率與電堆效率相差越大。全功率區間內，電堆的最大效率為66%，而燃料電池系統最大效率為63.7%。在25%電堆功率時，系統效率為58%，電堆效率約61%。到峰值功率，電堆114kW時，電堆效率會下降到約49%，而系統效率則僅剩約40%。從空壓機和DCDC效率曲線的變化可以看出，后面系統效率的降低，主要是因為DCDC的效率降低以及空壓機的功耗迅速增加。當然水泵，氫泵這些也會增加一些消耗，但是這些零部件功耗較小故對系統效率的影響比較小。

從圖中可以大致可以讀到幾個參考點的效率：

4、溫度對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行分解可以看到溫度對燃料電池系統功耗的影響。在啟動流程的功耗組成中，-7℃的功耗要大于25℃及35℃，增長的功耗主要來源于空調和空壓機增長的功耗。而冷啟動帶來的功耗增長要遠大于熱啟動，這主要是因為熱啟動時不需要那么多功耗去進行加熱與空調(畢竟溫度已經較高了)。在運行工況的功耗組成中，可以看到不管是高溫還是低溫都會一定程度上增加燃料電池車的功耗。高溫會導致DCDC效率的降低和空壓機功耗的升高，另外高溫時車內的空調也會造成額外的能耗，綜合起來，導致燃料電池車的功耗變高(在UDDS和US06中)。而低溫雖然不會導致DCDC效率降低，但是從數據上看，它會使車輛運行時車輛驅動所需的功耗增加，加上低溫時開啟的空調，導致低溫時車輛的功耗也會較高于常溫(25℃)。

5、與混動車、燃油車的效率及能耗對比

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，可以看到不同動力系統車輛的效率區別(見前文，由于車輛效率計算公式的原因，把能量回收也算進來，故純電車會有超過100%的情況)。與混動汽車(25°C下平均45.7％)和傳統車輛(25°C下平均23.5％)相比，燃料電池車具有顯著的車輛效率優勢(25°C下平均62.2％，而混動45.7%，油車23.5%)。Mirai是一種小電池-大電堆燃料電池混動車，其車輛系統除去燃料電池的話，基本和純電池車一致(畢竟都是電驅動車嘛)。因此，燃料電池車輛效率是基于電動汽車效率的(即燃料電池系統看做一個發電的電池)。因此，與動力電池車輛相比，燃料電池車會具有較低的車輛效率。另外，值得一提的是，雖然效率低一些，燃料電池車效率對溫度條件不像動力電池車那么敏感(如上圖紅框所示)。

如上圖的燃油經濟性測試，從測試結果看，Mirai的能耗水平(2.044 MJ/英里)遠遠強于燃油車的馬自達3(3.996 MJ/英里)，稍強于混動的普銳斯(2.102 MJ/英里)，但相比純電普銳斯落后(0.817 MJ/英里)。

從這組數據中也能看到Mirai作為燃料電池車標桿產品，其綜合氫耗水平約為(文中并未解釋如何計算)：

城市道路：1.08kg/100km

高速：1.02kg/100km

綜合：1.05kg/100km

總結

1.以Mirai為標桿，燃料電池電堆和系統的典型功耗大約為：

(功率-效率曲線見前文)

2.計算工況下的綜合效率時，工況的變化對電堆效率的影響不大，但是對系統的效率影響較大。工況越激烈，車速越高，系統和電堆的綜合效率越低，且兩者的差距越大。

3.對于燃料電池車來說，低溫主要會帶來額外的冷啟動功耗，以及增加空調和車輛運行本身消耗的能量。而高溫主要會增加空壓機功耗和DCDC的損耗，從而提高燃料電池車的功耗，降低效率。

4.溫度對燃料電池車的效率影響沒有純電車那么嚴重。

5. 燃料電池車的能耗和車輛效率表現均遠優于混動車和燃油車，但是劣于純電車。(但是由于車輛效率計算公式的局限性，小編認為此方法對電動車有局限性)

6.Mirai作為標桿產品，其綜合氫耗水平約為：

城市道路：1.08kg/100km

高速：1.02kg/100km

綜合：1.05kg/100km

(文中并未解釋如何計算，也未解釋是否區分了溫度，數據僅供參考)

參考文獻：

[1]HenningLohseBusch,KevinStutenberg,XinyuLiu,AmgadElgowainy,Michael Wang,Thomas Wallner,Brad Richard,Martha Christenson. Automotive fuel cell stack and system efficiency and fuel consumption based on vehicle testing on a chassis dynamometer at minus 18℃to positive 35℃temperatures[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2020,45(1),861-872.

歡迎掃碼加入氫能源與燃料電池交流群

往期回顧

1	【國內行業動態】氫能新聞一周回顧(第18期)
2	【國外行業動態】氫能新聞一周回顧(第18期)
3	【政策與公告】氫能新聞一周回顧(第18期)

來源|燃料電池百科

編輯|闞雪婷

審核|薛靜

資料來源于網絡，不代表本公眾號立場

我知道你在看喲

總結

以上是生活随笔為你收集整理的dcdc芯片效率不高的原因_研学丨燃料电池车的典型效率及能耗的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。