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燃料电池轿车性能包括动力性､经济性､环境适应性､耐久性､可靠性等几个方面｡燃料电池轿车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的､所能达到的平均行驶速度,是汽车的基本性能之一汽车行驶遇到的阻力有滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力,必须有足够的驱动力来克服这些阻力,才能以较高的平均速度行驶｡与传统内燃机汽车动力性衡量指标类似,燃料电池轿动力性指标包括:最高车速､加速时间､爬坡能力｡燃料电池轿车的动力性受到其本身设计结构及使用条件影响,其中汽车设计本身的影响因素包括:电驱动系统､燃料电池发动机､车身､轮胎､整车等｡1)驱动电机功率及传动系参数｡与内燃机车辆不同,燃料电池轿车由电机驱动,电机功率和转矩输出特性直接影响最高车速和加速特性｡传动系对汽车动力性的影响取决于减速器传动比｡2)燃料电池发动机的额定功率｡燃料电池发动机功率越大,汽车的动力性越好｡设计中,燃料电池发动机额定功率的选择必须保证汽车的最高车速需求｡燃料电池发动机额定功率越大,能持续提供给电机的电功率也越大,汽车的最高车速也越高｡3)车身流线型及空气阻力｡与内燃机汽车类似,流线型影响汽车的空气阻力系数,对汽车的动力性也有影响｡因为空气阻力和车速的二次方成正比,克服空气阻力消耗的功率和车速的三次方成正比,所以燃料电池轿车的流线型对汽车的最高车速影响很大｡4)轮胎尺寸与形式｡与内燃机汽车类似,燃料电池轿车的驱动力与驱动轮的半径成反比,行驶速度与驱动轮的半径成正比｡在良好路面行驶的汽车,由于附着力较大,允许用较小直径的轮胎,可得到较大的驱动力｡车速的提高可以通过减小减速器传动比来解决｡轮胎尺寸与减速器传动比的减小,使汽车质心高度降低,提高了汽车行驶的稳定性,有利于汽车的高速行驶｡有些路面上行驶的汽车,车速不高,要求轮胎半径大些,主要是为了增加附着力｡轮胎形式､花纹对汽车的动力性也有影响｡为提高汽车的动力性,应尽量采用滚动阻力较小的轮胎,如子午线轮胎;同时合理选用花纹,以增加道路与轮胎间的附着力｡5)汽车整备质量｡与内燃机汽车类似,燃料电池轿车整备质量对汽车动力性影响很大｡除空气阻力外,其他行驶阻力都与汽车的质量成正比;动力因素与汽车整备质量成反比｡因此,随着汽车整备质量的增加,其动力性变差,汽车行驶的平均速度下降｡如果能减轻整备质量,则可减小汽车行驶的阻力,使汽车性能得到改善｡燃料电池轿车使用过程中的影响因素包括:燃料电池发动机､底盘､行驶条件等｡1)燃料电池发动机状况｡由于电堆材料､零部件老化等因素,燃料电池发动机在使用过程中,电化学转换效率会逐渐下降,其最大输出电功率､功率输出响应时间等将发生变化,导致汽车的动力性下降｡2)汽车底盘技术状况｡与内燃机汽车类似,汽车传动系统各传动元件的松紧与调滑:前轮定位的调整轮胎气压､制动性能的好坏､传动系统润滑油的质量等都直接影响汽车的动力性｡3)汽车行驶条件｡行驶条件包括气候､环境､路面等｡例如,当燃料电池轿车长时间在高温条件下工作时,由于散热功率无法满足要求,导致燃料电池发动机降低功率运行,致使汽车的动力性下降:当汽车行驶在高原地区时,进气压力降低导致燃料电池发动机最大输出功率降低,使汽车动力性下降;当汽车行驶在土路上,不仅滚动阻力会增加,更主要的是由于附着系数减小,致使汽车的动力性大大降低｡燃料电池轿车的经济性是指以最小的氢气消耗量(或等效氢气消耗量)完成单位运输工作的能力。汽车在无坡度的平坦好路上以等速行驶时的氢耗为等速氢耗｡所谓等速还要计入以不同车速等速行驶的情况,不同车速的等速行驶,百公里氢耗是不同的｡选择一段无坡度的平坦水泥路面或沥青路面,汽车以不同车速(可每隔10km/h的车速取一个点)等速行驶完这段路程,往返一次取平均值(消除风和坡度影响),记下氢耗量,即可计算出不同车速下汽车的百公里氢耗｡由于等速氢耗与实际行驶情况有很大差别,实际上不能全面地评定汽车的氢经济性｡一般都采用循环氢耗来评定汽车的氢经济性｡循环氢耗是指在段指定的典型路段内,汽车以设定的不同工况行驶时的氢耗,一般至少包括等速､加速和减速3种工况,复杂的还要计入起步和怠速停驶等多种工况,然后折算成百公里氢耗｡燃料电池系统的效率越高,则氢气能量利用率越高,也就越省氢气｡而燃料电池发动机的动态工作效率随工作点变化而变化,一般而言燃料电池系统最高效率工作点出现在20%~40%额定功率点,具体要视实际情况而定｡电机效率是指电机输出的机械动能与消耗的电能之比,电机效率对燃料电池轿车的经济性有重要影响｡传动系统的传动比主要是指减速器的减速比｡在良好的道路上行驶,选用小速比的减速器可提高汽车的经济性｡但是减速比过小会造成动力性过低,反而会使汽车的经济性变坏,因此一般设计减速器传动比都有一个范围｡燃料电池轿车动力系统由于采用了动力蓄电池或超级电容作为瞬时功率缓冲器,在充放电过程中存在定的电能损失｡为使燃料电池输出电压与驱动电机输入电压匹配,中间通常采用了DC/DC变换器,也会导致部分电能损失｡汽车的造型对燃料经济性有重要影响,车速越快,影响越大,这就是人们常说的“风阻”｡减小空气阻力主要是通过减少汽车的迎风面积和空气阻力系数来实现,一般而言迎风面积取决于汽车的体积,空气阻力系数取决于车身造型｡为此,汽车车身紧凑化和流线型是提高经济性的途径｡许多轿车的空气阻力系数仅为0.28~0.3,对减少氢气消耗起到很大作用｡环境适应性定义为装备(产品)在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下,能实现其所有预定功能和性能和(或)不被破坏的能力,是装备(产品)的重要质量特性之一｡环境适应性是燃料电池轿车诸多特性中影响其普及范围的重要特性｡目前燃料电池轿车的环境适应性主要取决于车载燃料电池系统的环境适应性能力,与车辆选用的材料､总成及零部件的环境适应性,以及所采取的应对环境变化的措施等也有密切关系｡一旦汽车完成生产定型,其环境适应性也就基本固定｡由于不同环境对汽车影响的机理与作用不同,准确表述汽车的环境适应性比较困难｡环境适应性一般要求在汽车研制需求､产品定位中予以明确,通常只能对某一类环境提出定量与定性要求,要求汽车在一定的环境因素强度下不受损坏或能正常工作,其各项性能参数符合设计要求｡汽车在各种自然环境因素的交互作用下,功能､性能和寿命均会受到影响｡长期研究表明,影响汽车环境适应性能的主要气候因素是气温､湿度､气压､太阳光(辐射)和沙尘等｡气候环境因素对燃料电池轿车性能的影响见表6-2｡低温启动是指燃料电池堆在环境温度为0°C以下所进行的启动程序,也称作冷启动｡低温启动能力是衡量燃料电池堆低温性能的重要标准｡美国能源部的冷启动目标见表6-3,低温(特别是零下低温)､低气压､污染气体对于燃料电池轿车来说是较为普遍并十分严重的影响｡燃料电池的生成物只有水,是零排放的清洁动力源｡但水在0°C以下会结冰,堵塞气体传输通道,造成启动失败,甚至破坏膜电极结构｡0°C以下启动是燃料电池轿车冬季运行面临的最大挑战,也是燃料电池轿车在温､寒带地区推广的主要障碍｡目前解决燃料电池汽车低温启动问题的主要方法有加热､通入热空气､冷却水循环加热､氢氧反应加热､氢泵加热和气体吹扫等｡其中加热､通入热空气和冷却水循环加热等方法附带的辅助系统质量体积较大,不适合车用;而氢氧反应加热､氢泵加热､气体吹扫等方法,由于其原理是在启动时临时改变内部反应环境,外带设备较少,是国内研究应用的热点｡1)氢氧反应加热法:不增加辅助设备,利用H2和O2在电极阳极或阴极一侧直接接触反应,迅速提高电池温度｡2)氢泵加热法:原理与氢氧反应加热相同,通过外部电流作用使供氧侧电极产生氢气,从而直接反应产生热量｡燃料电池轿车的电磁兼容性是指汽车及零部件或独立技术单元在电磁环境中能可靠工作,不对该环境中任何事物造成不应有的电磁干扰的能力｡随着现代电子技术在汽车上的广泛应用,汽车性能得到提升的同时,其电磁敏感性也愈发明显｡汽车电磁兼容性关系到安全性､节能的有效性､智能控制的可靠性等｡燃料电池轿车电磁环境适应性试验是通过对静电参数､电磁兼容性的测试,来衡量汽车及元器件的抗电磁干扰能力｡汽车电磁环境适应性试验一般分为以下几个等级进行:整车电磁辐射干扰试验､整车辐射抗扰性试验(抗外界电磁干扰､抗车内电磁干扰)､整车及零部件静电放电试验､电气部件的干扰试验､电子部件或电子控制系统的电磁抗扰试验｡与内燃机汽车类似,燃料电池轿车的耐久性,是指整车和总成在达到极限性能衰退数值或不堪使用之前的工作期限｡简单地说,就是汽车的使用寿命｡耐久性对汽车的技术完好系数､折旧费､大修费都有直接的影响｡目前燃料电池轿车的耐久性主要取决于燃料电池发动机的耐久性水平,而燃料电池发动机的耐久性则与不同使用工况下燃料电池堆的性能衰减机理密切相关｡对于全功率燃料电池乘用车用电堆及燃料电池系统(净输出功率80kW),美国能源部提出的2020年寿命目标是5000h｡日本新能源产业技术综合开发机构于2017年10月更新燃料电池里程表,将乘用车电堆2020年前后的寿命目标从5000h改为15年｡寿命指标从里程改为年数,是基于前期燃料电池市场运营中发现,除了早期人们认识到的电堆老化加速工况,处理不当的长期静置也有可能加速电堆老化｡1)启停工况｡启停工况对耐久性的影响本质是阳极氢氧界面引起阴极高电位,从而诱发碳腐蚀｡2)冷启动工况｡冷启动工况对电堆老化有显著影响,因为冷启动过程伴随有水的生成,其在催化剂层的体积分数有可能接近于100%｡启动时水伴随结冰､融化等相变,导致体积变化,可能破坏催化剂层的结构,引发阴极催化剂层的致密化甚至与高分子膜的局部脱离,带来较大的扩散过电压损失｡3)变载工况｡变载工况老化的主要机理为催化剂层中的Pt溶解氧化为离子,迁移到质子交换膜,并在H2还原作用下,还原为Pt原子,并发生沉积,形成铂金带｡4)大电流工况｡在阴极中水的大量生成与移动有可能导致传质微通道坍塌､疏水性的变化,局部大电流密度可能导致局部热点的产生,引起膜的熔化甚至穿孔｡与传统内燃机汽车的可靠性定义类似,燃料电池轿车的可靠性是指在规定的使用条件下和规定的行程内完成规定功能的能力｡汽车的使用可靠性取决于汽车本身的固有可靠性以及汽车的使用维修水平,并与汽车的使用条件有关｡汽车使用时间增长,其出现故障的可能性随之增大,使用可靠性下降｡随着燃料电池堆耐久性的提高,燃料电池示范运营中发现,燃料电池系统部件､功率电子器件､动力系统集成等故障造成的内运行停止概率远高于燃料电池堆自身｡因此,燃料电池轿车的可靠性技术开发应该建立在整本系统层级上｡燃料电池轿车可靠性的主要评价指标包括:平均首次故障里程､平均故障间隔里程､当量故障率｡1)平均首次故障里程｡平均首次故障里程是指一批同样型号､同样技术状态的汽车按规定条件行驶,各车首次出现故障的行驶里程平均值｡2)平均故障间隔里程｡平均故障间隔里程是指一批同型号､同技术状态的汽车按规定条件行驶,在可掌性检验行驶限额里程内,所有汽车出现故障的总次数中,平均每两次故障之间的行驶里程｡3)当量故障率｡将某类故障的故障率按故障的危害程度及排除故障的难易程度所换算成的一种典型故障的故障率｡1)试验场道路耐久试验｡汽车试验场道路耐久试验着眼于模拟汽车在实际使用中所碰到的最恶劣的工况,适当设计试验场耐久性试验可以尽快暴露故障,缩短试验周期｡试验场道路耐久性试验可以研究燃料电池轿车在实际强化道路和变工况情况下的故障发生特征和振动条件下的工作状况,是研究燃料电池轿车整车可靠性的重要方法｡2)转鼓可靠性试验｡燃料电池轿车的动力系统与传统汽车有本质不同,其运行的稳定性和可靠性是最受关注的｡转鼓试验通常用于传统汽车的各类发动机试验,如发动机的冷却散热能力试验(在环境试验室中进行)､排放性能试验(在排放试验室中进行)｡此外,转鼓试验可以进行汽车的动力性能试验､经济性试验､空调性能试验､制动性能试验和电磁兼容性试验等｡3)整车台架振动试验｡燃料电池自身特点导致了汽车受力变化,需要对燃料电池轿车进行振动台架试验以研究汽车的振动性能和结构耐久性;此外,振动台架试验可以研究燃料电池关键部件的抗振性能和在振动下的工作状态｡燃料电池轿车核心部件的布置,不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利,还要求相关方案必须考虑传统汽车不具备的安全性问题｡目前经过国内外几轮样车试制开发,燃料电池系统及电驱系统同时布置在前舱是一种技术趋势,动力蓄电池组沿车身X轴纵向布置优于电池组零星布置,氢气瓶的布置更多地考虑碰撞安全性,如图6-1所示｡ 
图6-1 燃料电池轿车结构布置(图片来源:中国一汽)燃料电池轿车动力系统部件多,其整车布置是燃料电池轿车开发的关键,燃料电池发动机､驱动电机､动力蓄电池以及车载储氢装置的布置都有相应的要求｡而由于整车布置空间有限,其部件的布置在有些情况下会相互受限,合理安排各部件的位置及整车空间能够使燃料电池轿车布置更加合理,结构更加紧凑｡燃料电池发动机的布置形式可以分为前置与中置｡前置燃料电池发动机类似于传统汽车发动机布置,本田Clarity动力系统布置(图6-2)､奔驰GLC F-Cell动力系统布置(图6-3)以及现代NEXO都采用了燃料电池发动机前置的方案｡
图6-2 本田Clarity驱动系统布置(图片来源:本田公司)
图6-3 奔驰GLC F-Cell动力系统布置(图片来源:奔驰公司)中置燃料电池发动机位于车辆的前后轴之间,可以使车辆的重量分布接近理想平衡状态,提升车辆转弯能力｡丰田Mirai(图6-4)采用这种布置方式｡
图6-4 丰田Mirai动力系统布置(图片来源:丰田公司)根据驱动系统结构布置的不同,燃料电池轿车可分为两种:单电机集中驱动式燃料电池轿车和多电机分布驱动式燃料电池轿车｡集中驱动式电动汽车与传统内燃机汽车的驱动结构布置方式相似,用电机及相关部件替换内燃机,通过减速器等机械传动装置,将电机输出转矩传递到左右车轮驱动汽车行驶｡集中驱动式电动汽车操作实现技术成熟､安全可靠,但存在体积较大､效率相对不高等不足｡集中式驱动和分布式驱动的结构如图6-5所示｡轮边电机驱动形式是将驱动电机安放于副车架上,驱动轮从其对应侧输出轴获取驱动力｡轮毂电机驱动形式是将电机和减速机构直接放在轮辋中,取消了半轴､万向节､差速器､变速器等传动部件｡轮边电机驱动形式和轮毂电机驱动形式均具有结构紧凑､车身内部空间利用率高､整车重心低､行驶稳定性好等优点｡目前,丰田推出了分布式轮毂电机驱动的燃料电池概念车Fine-Comfort Ride如图6-6所示｡
图6-6 丰田Fine-Comfort Ride概念车(图片来源:丰田公司)车载储氢瓶的布置方式主要有横置与纵置两种方案｡丰田､本田和现代都采用储氢瓶横置的方案,宝马采用储氢瓶纵置方案,奔驰新推出的GLC F-Cell采用两个储氢瓶分别横置与纵置的方案｡燃料电池轿车动力系统布置方式的选择,需要考虑整车的多项性能需求,主要包括:车辆通过性､舒适性､行李舱体积､散热性和安全性等｡为了满足轿车高速行驶操纵稳定性的要求,轿车的离地间隙很小,一般在120mm左右｡若燃料电池轿车将燃料电池堆布置在中央地板下方,需将中央地板上移或通过更改前后悬架支撑弹簧的强度,使整车抬高,这将影响整车的最小离地间隙,使整车的通过性受到很大的影响｡整车开展燃料电池堆､动力蓄电池､储氢瓶布置时,需要考虑乘员舒适性要求,根据人机工程的经验,乘员坐姿角度参考值见表6-10｡对于储氢系统,目前常用储氢瓶储存的方式｡各大公司的燃料电池轿车普遍采用储氢瓶布置于行李舱的方式,考虑到储氢瓶安全问题,储氢装置必须与乘员舱隔离｡福特福克斯FCV燃料电池轿车平台车的行李舱空间为432L,但布置储氢瓶后只能放置3个标准手提箱,有效空间缩小为165.5L｡而消费者一般对行李舱空间还是有一定要求的,因此储氢系统的布置也是将来需要解决的问题｡燃料电池轿车的散热问题也直接影响着燃料电池堆输出性能｡因此其对前端散热模块的风扇性能及散热器的尺寸和空间有着较高的要求｡针对其紧凑的前舱空间布置,必须考虑散热性能的要求｡布置中一般可通过两种方式来提高散热性能:一是增加进风面积,即扩大前保险杠进风口的面积;二是合理布置前舱中的其他部件,保证散热器后方留有足够的空间及气流通道以增强散热能力｡整车安全分为主动安全与被动安全｡其中碰撞安全是衡量被动安全的一项重要指标｡对燃料电池轿车而言,由于储氢装置布置在后舱,在所有的碰撞试验项目中,后部碰撞必须检查后舱变形及储氢系统是否完好｡
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