GBT 41134.3-2026 电驱动工业车辆用燃料电池发电系统 第3部分：挖掘机用燃料电池电池混合系统性能试验方法标准立项发展报告

电驱动工业车辆用燃料电池发电系统第3部分：挖掘机用燃料电池/电池混合系统性能试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FuelCellPowerGenerationSystemsforElectricIndustrialVehicles—Part3:PerformanceTestMethodsforFuelCell/BatteryHybridSystemsforExcavators摘要随着全球能源结构转型与“双碳”战略的深入推进，工程机械行业正经历从传统内燃机驱动向电驱动的深刻技术变革。挖掘机作为工程建设领域保有量最大、能耗最高的工程机械装备，其电动化转型对于降低碳排放与改善作业环境具有重要意义。然而，受限于当前动力电池能量密度的技术瓶颈，纯电驱动挖掘机在持续大功率作业场景下仍面临续航不足、补能时间过长等突出问题。燃料电池/电池混合动力系统凭借其高能量密度与快速补能的综合优势，被认为是解决大型工程机械电动化瓶颈的关键技术路径之一。本标准（GB/T41134.3-2026）作为《电驱动工业车辆用燃料电池发电系统》系列国家标准的重要组成部分，聚焦挖掘机用燃料电池/电池混合系统性能试验方法，旨在建立统一、科学、可复现的性能评价体系。本标准规定了混合系统在台架试验条件下的功率输出特性、能量管理策略响应、冷启动能力、环境适应性及耐久性等核心性能指标的试验方法与评价准则，填补了我国在工程机械领域燃料电池混合系统测试标准方面的空白。本标准的发布与实施将为行业提供科学统一的性能评价工具，对规范产品研发验证流程、促进技术迭代升级以及支撑政府监管和政策制定具有重要的基础性支撑作用；同时，将为推动我国挖掘机燃料电池混合动力技术的产业化进程及工程机械行业绿色低碳转型提供有力的技术标准保障。关键词：燃料电池；挖掘机；混合动力系统；性能试验方法；国家标准；电驱动工业车辆；能量管理KeywordsFuelCell;Excavator;HybridPowerSystem;PerformanceTestMethod;NationalStandard;ElectricIndustrialVehicle;EnergyManagement1引言1.1研究背景工程机械是国家基础设施建设的重要装备支撑，其中挖掘机因其广泛的适用性而成为工程机械行业的主力机型。据统计，挖掘机的能源消耗与污染物排放在整个工程机械行业中占据相当大的比重。传统柴油驱动的挖掘机在作业过程中不仅产生大量二氧化碳排放，还伴随氮氧化物和颗粒物的排放，对大气环境质量和操作人员职业健康构成持续威胁。随着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的提出和《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》的深入实施，工程机械的绿色化、电动化转型已上升为国家战略需求。近年来，以锂电池为代表的纯电驱动技术已在中小型挖掘机中得到初步应用。然而，受制于动力电池能量密度（目前商用磷酸铁锂单体约180Wh/kg）与功率密度的矛盾，纯电挖掘机在重载连续作业工况下普遍存在续航时间短（通常仅2~4小时）、充电时间长（快充仍需1~2小时）等问题，严重制约了其在矿山、大型基建等高强度作业场景中的规模化推广。在综合考虑能量补给速度、续航能力和全生命周期成本的基础上，燃料电池与动力电池构成的混合动力系统正逐步成为中大型工程机械电动化的主流技术方案之一。该方案将燃料电池作为主动力源持续输出基础功率，动力电池作为功率缓冲单元承担瞬态负载波动，在保证系统峰值功率输出的同时实现燃料的高效转化利用。1.2标准制定必要性我国早在“十五”期间即将燃料电池技术列入国家高技术研究发展计划（“863”计划）重点支持方向。近年来，随着质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的快速成熟，燃料电池系统已在客车、重卡等商用车辆领域实现小规模商业化应用。与此同时，《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》的发布进一步明确了氢能作为国家未来能源体系重要组成部分的战略定位。然而，与车用燃料电池系统已建立相对完备的标准体系不同，工程机械用燃料电池系统在标准建设方面严重滞后。挖掘机作为一种典型的间歇性、变负载作业设备，其功率需求曲线与道路车辆存在显著差异，工作环境也更为苛刻（如高粉尘、大冲击振动、温度变化剧烈）。将面向道路车辆的燃料电池测试标准直接应用于挖掘机场景将导致评价结果失真，无法可靠反映系统在真实挖掘工况下的性能表现。此外，当前市场上不同厂商的燃料电池混合系统产品在技术方案、接口定义、性能指标以及测试方法方面均存在较大差异，用户难以对不同产品进行客观比较与选型，行业亟需统一、规范且针对性强的性能试验方法标准作为技术依据。同时，标准的缺失也制约了相关政策支持与市场监管的有效实施。为此，制定《电驱动工业车辆用燃料电池发电系统第3部分：挖掘机用燃料电池/电池混合系统性能试验方法》国家标准具有重要的现实紧迫性与战略意义。2标准编制概况2.1任务来源本标准依据国家标准化管理委员会下达的国家标准制修订计划立项（项目编号待补充），由全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会（SAC/TC342）归口管理。2.2编制原则本标准的编制遵循以下基本原则：（1）科学性：试验方法设计以混合系统实际工作过程中的电化学特性和功率输出特征为基础，确保测试结果科学反映系统真实性能；（2）实用性：充分考虑当前挖掘机用燃料电池混合系统的技术发展水平和工程应用实际，试验工况设置贴近真实应用场景，确保方法可操作、可落地，兼顾生产企业、检测机构和用户的多方需求；（3）协调性：与GB/T41134.1和GB/T41134.2等系列标准保持协调一致，注重与现有燃料电池及工业车辆标准体系的衔接，同时在术语定义和试验条件规定方面兼顾国际标准的接轨需求；（4）规范性：严格遵循GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的要求，确保标准文本的结构、编写规则和表述方式的规范性。2.3主要编写单位标准主要起草单位包括（排名不分先后）：上海捷氢科技股份有限公司、徐州徐工挖掘机械有限公司、三一重机有限公司、中联重科股份有限公司、同济大学、中国汽车技术研究中心有限公司、上海机动车检测认证技术研究中心有限公司、潍柴动力股份有限公司、国家电投集团氢能科技发展有限公司等。3标准主要技术内容本章对GB/T41134.3-2026《电驱动工业车辆用燃料电池发电系统第3部分：挖掘机用燃料电池/电池混合系统性能试验方法》的主要技术内容进行解析和说明。3.1范围本标准规定了挖掘机用燃料电池/电池混合系统性能试验的试验条件、试验仪器仪表、试验准备、试验项目及试验方法等技术要求，适用于额定功率不大于100kW的挖掘机用质子交换膜燃料电池/电池混合发电系统。其他类型工业车辆用混合系统可参照执行。3.2规范性引用文件标准主体引用如下文件中的条款通过文中的引用而构成为本标准的条款：-GB/T41134.1—2021电驱动工业车辆用燃料电池发电系统第1部分：安全要求-GB/T41134.2—2021电驱动工业车辆用燃料电池发电系统第2部分：性能试验方法（通用）标准进一步引用下列文件中的有关条款作为各试验项目具体操作的规范性依据：-GB/T24554—2009燃料电池发动机性能试验方法-GB/T20042.1—2017质子交换膜燃料电池第1部分：术语-GB/T20042.5—2009质子交换膜燃料电池第5部分：膜电极测试方法-GB/T28816—2012燃料电池术语-GB/T38954—2020燃料电池发动机用氢气循环泵-GB/T4202—2022工业车辆术语和分类-ISO23273:2013燃料电池道路车辆安全要求-SAEJ2574燃料电池发动机冷起动试验推荐规程3.3术语和定义标准界定了以下关键术语，其中部分承袭自GB/T41134.1—2021与GB/T20042.1—2017，部分为本标准首次定义。3.3.1既有术语沿用-电驱动工业车辆用燃料电池发电系统（fuelcellpowergenerationsystemforelectricindustrialvehicles）：将燃料电池堆、氢气供应系统、空气供应系统、热管理系统及控制系统集成的发电装置，用于为工业车辆提供电能。-额定功率（ratedpower）：在标准环境条件（温度25℃±5℃，相对湿度30%~70%，大气压力86kPa~106kPa）下，燃料电池发电系统在额定工况点可持续输出的电功率。-冷起动（coldstart）：燃料电池系统在停机状态与环境温度达到热平衡后，从起动指令发出至达到额定功率输出能力的起动过程。3.3.2本标准定义的关键术语-燃料电池/电池混合系统（fuelcell/batteryhybridsystem）：由燃料电池发电子系统与动力电池子系统通过电耦合（DC/DC变换器直接耦合或被动耦合）构成的联合供电系统，两子系统协同工作以满足挖掘机作业所需的功率需求。-系统净输出功率（netoutputpowerofthesystem）：在混合系统直流母线上测得的对外输出功率，扣除系统辅助设备（空压机、冷却风扇、控制器等）自耗电功率后的有效输出功率。-功率分配策略（powerdistributionstrategy）：在燃料电池和动力电池之间实现负载功率合理分配的控制逻辑，其核心目标是在保障负载功率需求的前提下实现系统效率最优和燃料电池寿命最大化。-挖掘典型工况循环（typicalexcavatingdutycycle）：基于实际挖掘作业中动臂提升、回转、斗杆收回、铲斗卸料等动作序列归纳生成的标准化负载功率时序谱，用于模拟混合系统的典型运行工况。-DC/DC变换效率（DC/DCconverterefficiency）：燃料电池输出端经DC/DC变换器至直流母线的功率传输效率[附录A]。该参数对混合系统整体能效具有重要影响。3.4试验条件3.4.1环境条件标准规定的性能试验环境条件为：环境温度15℃~35℃，相对湿度30%~80%，大气压力86kPa~106kPa。当实际大气条件超出上述范围时，应在试验记录中予以注明并参照相关标准进行数据修正。3.4.2燃料条件试验用氢气纯度应不低于99.97%（摩尔分数），且应符合GB/T3634.1对燃料电池用氢的技术指标要求。氢气供应压力应满足受试系统的额定入口压力要求，并在整个试验过程中保持稳定（压力波动不超过±5%）。3.4.3仪器仪表要求用于试验测量的仪器仪表应在检定或校准有效期内，其测量误差应符合表1的精度要求。转速测量分辨率应不低于±1r/min；电压测量精度为±0.5%FS；电流测量精度为±0.5%FS；功率测量在功率因数为1.0时的系统精度应不低于±1.0%；氢气流量测量的精度要求为±1.5%（体积流量）；温度测量的精度要求为±0.5℃。若在试验中使用需外接水源的增湿系统，增湿用水的水质应不劣于电阻率≥1MΩ·cm的去离子水。3.5试验准备3.5.1受试系统状态检查试验前应对受试混合系统进行外观检查、电气安全检查、氢气泄漏检测及绝缘电阻测试，确认系统状态正常。绝缘电阻应不小于100Ω/V（基于额定工作电压），或满足制造商规定的要求。3.5.2活化与预处理新装配的或长期静置（超过7天）的燃料电池系统应在正式试验前进行活化处理，包括但不限于膜电极湿润、催化剂活化及气体通道吹扫等操作，直至系统性能趋于稳定（即在相同工况下连续三次测试的功率输出差异不超过±2%时认为性能已稳定）。3.5.3动力电池初始状态试验前动力电池应充电至制造商规定的SOC（荷电状态）工作范围的上限值，并记录实际初始SOC值。试验过程中应全程监测SOC变化，确保其始终处于制造商允许的工作窗口内。3.5.4测点布置根据试验目的在如下位置布置测量传感器：燃料电池堆电压和单电池电压监测点、燃料电池输出电流、动力电池端电压和电流（若配置DC/DC变换器则需测量变换器前后电压和电流）、混合系统直流母线电压与总输出电流、氢气质量流量计（入口处）、冷却液进出口温度和压力、环境温度与湿度传感器、系统关键部件表面温度（可选）。所有电流测量需采用闭环霍尔电流传感器以消除接触电阻影响。3.6试验项目及方法3.6.1系统功率特性试验（1）额定输出功率试验混合系统在燃料电池单独供电模式下运行于额定工况点，待系统输出功率稳定后持续运行不少于30min，每1min记录一次输出功率、电压和电流数据，取稳定阶段的算术平均值作为系统实测额定功率。测量值应不低于制造商标称额定功率的95%。（2）峰值功率试验动力电池处于高SOC状态（制造商规定值以上），系统以额定功率的30%状态运行10min进行预热，随后将负载阶跃增加至设计峰值功率点，持续运行不少于3min，记录系统能否在整个峰值输出时段内维持设定的功率目标值，并记录系统直流母线电压的最低跌落值及其恢复时间。该试验用于验证混合系统的短时过载输出能力和燃料电池与动力电池的功率协调能力。（3）功率响应特性试验本试验用于测定系统功率输出对负载指令的跟踪响应速度。试验时燃料电池系统在稳定工况下运行，动力电池SOC维持在目标范围内，将功率指令从20%额定功率阶跃增加至80%额定功率（上升沿和下降沿速率不低于100kW/s），记录系统输出功率达到目标值90%的响应时间。同时记录阶跃过程中直流母线电压的最大超调量与恢复时间，以及燃料电池系统是否出现供气不足或水淹等异常现象。3.6.2典型工况模拟试验（1）挖掘典型工况循环基于实际挖掘作业过程（挖掘—提升—回转—卸料—复位）中电动机功率需求的统计特征，标准制定了典型挖掘工况载荷谱。该工况循环以10min为一个完整周期，包含轻载挖掘工况、重载挖掘工况和怠速工况三个典型阶段，各阶段的功率占比和持续时间如表2所示。表2挖掘典型工况循环功率分配表|工况阶段|持续时间/s|平均功率/%额定功率|峰值功率/%额定功率||----------|-----------|-------------------|-------------------||轻载挖掘|180|35%±10%|60%||重载挖掘|240|65%±15%|100%||怠速/待机|180|5%~10%|15%|在典型工况循环运行过程中，记录系统总能耗（氢气消耗量折算）、动力电池SOC变化曲线、燃料电池输出功率的时间分布及系统直流母线电压波动范围。工况模拟试验完成后，计算混合系统在该工况下的氢气消耗量，用于评估系统在该典型工况下的能量利用经济性（单位土方量或单位作业时间的氢气消耗量，可由制造商根据具体作业场景自行选择评测基准）。（2）连续作业能力试验连续运行不少于6小时的模拟工况试验，以验证系统的持续作业能力和热平衡特性。试验过程中每30min记录一次系统关键温度测点数据（电堆入口冷却液温度、动力电池最高温度、DC/DC变换器壳体温度等），确认各温度参数均处于制造商规定的安全工作范围，并观察燃料电池输出性能是否出现明显衰减（以试验前后在相同测试点测量得到系统效率的平均偏差不超过2%为合格判定线）。3.6.3冷起动试验将混合系统置于温度可控的环境舱内，在目标环境温度（标准规定为-10℃和-20℃两个等级）下静置不少于12h，确保系统各部件达到热平衡