燃料电池汽车在高原环境下的表现

图 1 不同海拔起动对比

首先对比起动时平原与高原的不同。相比平原环境，高原1起动时空气进气压力低20%，空压机电机转速高51%，高原2起动时空气进气压力低26%，空压机电机转速高116%。可以看出高原环境对空气进气压力与空压机电机转速影响较大，国际先进车型针对高原的氢气低压设定值与氢循环泵转速没有与平原的策略做区别控制。

图 2 不同海拔怠速对比

我们再来对比不同海拔下的怠速表现，可以看到最主要的区别在于BOP的功耗，平原为0.29kW，高原1时为4.66kW，高原2时为7.47kW。造成这种现象的原因我们可以在空气路的表现发现，阴极压力下降，空压机的转速和目标流量提高。空压机的负荷大幅提升，燃料电池系统的效率下降。

图 3 不同海拔额定功率对比

对照国际先进车型在平原和高原2的额定功率表现，出现了燃料电池的功率被限制的现象。根据我们之前的测试经验，以下5种情况会导致燃料电池系统功率被限制。分别是电堆温度过高、单电池电压过低、氢气泄漏、氢气压力过低以及空气压力过低。分析相关信号后，我们排除了前四个原因。重点看一下空压机的表现，在平原空压机的峰值转速为15540rpm，在高原转速达到了16170rpm，是额定转速的96.8%。空压机接近满负荷工作，依旧不能提供电堆需要的进气压力以及流量。因此，高原地区的燃料电池堆的输出功率会降低。

扩散效应是物质从高浓度区域自发向低浓度区域运输的现象。在高原地区，由于空气稀薄，阴极流场的氧分压较低，阴极流场到反应区域的浓度差较小，氧气的扩散效应会降低。特别是在高功率输出时，燃料电池堆的性能受到扩散效应降低的影响较大，输出功率会显著下降。

图 4 空压机MAP

为对比高原与平原空压机运行工况点的路径差异，在基于空压机台架测试得到的MAP数据基础上绘制高原和平原运行工况点路径，直观的展现出空压机的运行特性。海拔越高，空气进气压力随空压机转速增大而提高得越慢，并在达到一定的转速之后不再提高，因为此时空压机转速已经到达极限，为了尽可能提高电堆输出功率，必须提高过量系数而不能选择空气压力，因此背压阀开度逐渐增加，空气压力也随即减小，同时空气流量逐渐增加，保障电堆的功率需求。

由图可知空压机在高原2运行时处于低流量高压比区域，喘振风险增大。对比平原环境，其他主要零部件如：氢气循环泵、冷却水泵等在高原环境的表现变化不大。空压机硬件本身的性能（最大转速、喘振区域）决定了燃料电池系统高原环境性能表现。所以若想让燃料电池汽车在高原上获得更好的性能表现，提高空压机本身的性能是今后行业发展的一个重要方向。