Neue chinesische Norm definiert Testverfahren für Brennstoffzellenfahrzeuge
Die Automobilindustrie steht vor einem tiefgreifenden Wandel. Angesichts globaler Klimaziele und der Notwendigkeit, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, gewinnen alternative Antriebstechnologien zunehmend an Bedeutung. Während batterieelektrische Fahrzeuge in den letzten Jahren massiv an Fahrt aufgenommen haben, rückt eine weitere Technologie verstärkt in den Fokus: die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Als emissionsfreie Antriebsform mit hoher Reichweite und kurzen Betankungszeiten gilt sie als Schlüsseltechnologie für bestimmte Mobilitätssegmente, insbesondere im Schwerlastverkehr und im öffentlichen Nahverkehr. In diesem Kontext hat China mit der Veröffentlichung der nationalen Norm GB/T 43252-2023 einen entscheidenden Schritt zur systematischen Bewertung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEVs) unternommen. Die Norm, betitelt Testverfahren für den Energieverbrauch und die Reichweite von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, legt erstmals in China ein umfassendes und differenziertes Rahmenwerk für die Prüfung dieser Fahrzeuge auf dem Rollenprüfstand fest.
Die Einführung dieser Norm ist kein isoliertes Ereignis, sondern Teil einer umfassenden Strategie Chinas, die führende Rolle in der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft zu übernehmen. Bereits in mehreren Regionen des Landes, darunter Shanghai, Guangdong und die Region Beijing-Tianjin-Hebei, wurden Demonstrationszonen für Brennstoffzellenfahrzeuge eingerichtet. Diese Initiativen zielen darauf ab, die Technologie in der Praxis zu erproben, die Infrastruktur auszubauen und die industrielle Wertschöpfungskette voranzutreiben. Doch ohne verlässliche und standardisierte Messmethoden bleibt der Vergleich von Fahrzeugen, die Bewertung ihrer Effizienz und letztlich auch die Entscheidung von Flottenbetreibern oder Verbrauchern ein Akt des Vertrauens. Genau hier setzt GB/T 43252-2023 an. Sie schafft Transparenz und Klarheit, indem sie definiert, wie der Wasserstoffverbrauch und die Reichweite unter kontrollierten Laborbedingungen zu ermitteln sind.
Ein zentraler Aspekt der Norm ist ihre Anerkennung der technischen Komplexität moderner Brennstoffzellenfahrzeuge. Im Gegensatz zu reinen Verbrennungsmotoren oder batterieelektrischen Fahrzeugen kombinieren die meisten FCEVs einen Brennstoffzellenstapel mit einem zusätzlichen elektrischen Energiespeicher, typischerweise einer Lithium-Ionen-Batterie. Dieses hybride System ermöglicht eine flexible Energieverteilung: Der Brennstoffzellenstapel liefert kontinuierlich elektrische Energie durch die Umwandlung von Wasserstoff, während die Batterie Spitzenleistungen abdeckt, Rekuperationsenergie speichert und als Puffer dient. Diese Interaktion zwischen den beiden Energiequellen macht die Messung des „wahren“ Verbrauchs komplex. Verbraucht das Fahrzeug tatsächlich nur Wasserstoff, oder wird ein Teil der Energie aus der Batterie bezogen, die zuvor über den Brennstoffzellenstapel geladen wurde? Genau diese Frage beantwortet die Norm durch ein intelligentes Klassifizierungssystem.
Die Norm unterscheidet zwischen zwei Fahrzeugtypen: Typ A und Typ B. Diese Klassifizierung basiert auf einem entscheidenden Parameter, dem Verhältnis α. Dieser Wert ergibt sich aus dem Verhältnis der Nettoenergieänderung des elektrischen Energiespeichers (REESS) während eines Testzyklus zur gesamten aus dem verbrauchten Wasserstoff gewonnenen Energie. Wenn α kleiner oder gleich 1 % ist, wird das Fahrzeug als Typ A klassifiziert. Dies bedeutet, dass der Brennstoffzellenstapel die überwiegende Mehrheit der Antriebsenergie liefert und die Batterie nur eine untergeordnete Rolle spielt, beispielsweise zur Unterstützung bei Beschleunigungen oder zur Speicherung von Bremsenergie. Fahrzeuge dieses Typs verhalten sich in ihrer Energiebilanz weitgehend wie „reine“ Brennstoffzellenfahrzeuge.
Im Gegensatz dazu werden Fahrzeuge, bei denen α größer als 1 % ist, als Typ B eingestuft. Bei diesen Modellen leistet die Batterie einen signifikanten Beitrag zur Gesamtenergiebilanz. Sie kann nicht nur Rekuperationsenergie speichern, sondern auch über längere Strecken mit Energie aus dem Brennstoffzellenstapel geladen werden, um dann als eigenständige Energiequelle zu fungieren. Diese Architektur ist oft bei Plug-in-Fahrzeugen oder solchen mit einem größeren Batteriepaket zu finden, die auch in der Lage sind, eine gewisse Strecke rein elektrisch zurückzulegen. Diese klare Trennung ist fundamental, denn sie bestimmt das gesamte Testverfahren.
Für Fahrzeuge des Typs A ermöglicht die Norm eine verkürzte Prüfmethode, die als „Shortened Method“ bezeichnet wird. Da der Energiebeitrag der Batterie vernachlässigbar klein ist, ist es nicht erforderlich, den gesamten Wasserstoffvorrat des Fahrzeugs bis zum vollständigen Leeren zu verbrauchen – ein Prozess, der bei großen Lkw oder Bussen mit mehreren hundert Kilogramm Wasserstoff sehr zeitaufwendig und kostenintensiv wäre. Stattdessen wird das Fahrzeug sechs vollständige Fahrzyklen auf dem Rollenprüfstand durchlaufen. Während dieser Zyklen werden der verbrauchte Wasserstoff, die zurückgelegte Strecke sowie die Spannung und der Strom des Energiespeichers kontinuierlich gemessen. Aus diesen Daten wird dann der durchschnittliche Wasserstoffverbrauch pro 100 Kilometer berechnet. Die Gesamtreichweite wird durch eine einfache Proportionalrechnung ermittelt: Die im Test ermittelte Strecke wird mit dem Verhältnis der gesamten nutzbaren Wasserstoffmenge zur während des Tests verbrauchten Menge multipliziert. Diese Methode erhöht die Effizienz erheblich, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen, da die Energiebilanz über die sechs Zyklen hinweg stabil bleibt.
Der Testablauf für Typ-A-Fahrzeuge ist sorgfältig strukturiert. Er beginnt mit einer Vorbereitungsphase, in der das Fahrzeug auf den Prüfstand gestellt und die Fahrwiderstände (Rollwiderstand und Luftwiderstand) nach den Vorgaben der Normen GB/T 18352.6-2016 oder GB/T 27840-2021 kalibriert werden. Dies geschieht entweder durch ein Coasting-Down-Testverfahren oder durch Verwendung der vom Hersteller bereitgestellten Widerstandsparameter, sofern deren Zuverlässigkeit gewährleistet ist. Anschließend wird der Batteriezustand (SOC) auf einen definierten Anfangswert eingestellt. Nach einer Ruhephase von mindestens zwei Stunden bei einer Temperatur von 23±3 °C folgt ein Aufwärmzyklus, um das Fahrzeug in einen stabilen Betriebszustand zu bringen. Erst danach beginnen die sechs Messzyklen. Ein kritischer Schritt nach Abschluss dieser Zyklen ist die Bestimmung des sogenannten „Cut-off-Drucks“. Hierbei wird das Fahrzeug mit seinem eigenen Wasserstoffvorrat so lange betrieben, bis es entweder eine Stoppanzeige gibt oder die Geschwindigkeitsvorgaben des Testzyklus nicht mehr einhalten kann. An diesem Punkt wird eine kleine Menge Wasserstoff (nicht mehr als 0,05 kg) nachgetankt, und der sich einstellende Gleichgewichtsdruck im Tank wird als Cut-off-Druck dokumentiert. Dieser Wert ist entscheidend für die spätere Berechnung der nutzbaren Wasserstoffmenge, die als Differenz zwischen dem Fülldruck (Nenndruck) und dem Cut-off-Druck ermittelt wird.
Für Fahrzeuge des Typs B, bei denen die Batterie eine wesentliche Rolle spielt, ist eine solche verkürzte Methode nicht möglich. Hier kommt die sogenannte „Run-out Method“ oder „Verbrauchsmethode“ zum Einsatz. Das Ziel ist es, alle verfügbaren Energiequellen des Fahrzeugs vollständig auszuschöpfen, um einen genauen Gesamtenergieverbrauch zu ermitteln. Der Test beginnt ebenfalls mit der Kalibrierung des Prüfstands und der Einstellung des Fahrzeugzustands. Besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Befüllvorgang des Wasserstoffspeichers. Um sicherzustellen, dass der Tank wirklich voll ist, wird ein zweistufiges Verfahren empfohlen: Zuerst erfolgt eine „grobe Befüllung“ bis zu einem SOC von über 90 %. Danach wird eine „präzise Befüllung“ durchgeführt, bei der der Tank auf den Nenndruck gebracht wird. Anschließend wird das Fahrzeug zwei Stunden lang ruhen gelassen, um eine Temperatur- und Druckausgleich zu ermöglichen. Der endgültige Tankdruck wird dann mit einem berechneten Zielwert verglichen. Liegt eine Abweichung vor, wird der Vorgang wiederholt, bis die Bedingungen der Norm erfüllt sind. Parallel dazu wird der SOC der Batterie auf einen definierten Anfangswert gebracht.
Nach der Vorbereitung startet der eigentliche Test. Das Fahrzeug wird auf dem Rollenprüfstand einem spezifischen Fahrzyklus ausgesetzt, der je nach Fahrzeugkategorie variiert. Für Personenkraftwagen (M1-Klasse) wird der chinesische Testzyklus für Personenkraftwagen (CLTC-P) verwendet, für leichte Nutzfahrzeuge der CLTC-C und für Stadtbusse der CHTC-B. Das Fahrzeug wird so lange gefahren, bis es nicht mehr in der Lage ist, den Testzyklus zu erfüllen – entweder weil die Antriebsleistung nicht mehr ausreicht oder weil ein Systemwarnhinweis erscheint. Zu diesem Zeitpunkt ist die Testdistanz die gemessene Reichweite.
Die Datenanalyse für Typ-B-Fahrzeuge ist komplexer, da die Energiebeiträge beider Quellen separat ermittelt werden müssen. Der aus dem Wasserstoff gewonnene Energiebeitrag wird direkt aus der während des Tests verbrauchten Wasserstoffmasse und dem Heizwert des Wasserstoffs berechnet. Der Beitrag der Batterie wird indirekt ermittelt: Nach dem Test wird die Batterie vollständig aus dem Stromnetz aufgeladen. Die dafür benötigte elektrische Energie aus dem Netz entspricht der Nettoenergie, die die Batterie während des Tests an den Antriebsstrang abgegeben hat (abzüglich kleiner Verluste). Diese beiden Energiebeträge – die aus dem Wasserstoff gewonnene und die aus dem Netz nachgeladene – ergeben zusammen die Gesamtenergie, die für die zurückgelegte Strecke verbraucht wurde. Basierend auf diesen Werten können dann die spezifischen Verbrauchskennzahlen berechnet werden: der Wasserstoffverbrauch pro 100 Kilometer, der Stromverbrauch pro 100 Kilometer (für die Batterie) sowie die Reichweite, die auf den Brennstoffzellenstapel und die Batterie entfällt.
Die Norm geht noch einen Schritt weiter und unterscheidet bei Typ-B-Fahrzeugen zwischen Modellen mit und ohne Möglichkeit zur externen Aufladung (Plug-in vs. Non-Plug-in). Für Fahrzeuge ohne externe Aufladung ist die Analyse der Batterieenergie entscheidend. Wenn die Berechnung ergibt, dass die Batterie während des Tests netto Energie abgegeben hat (ihre Nettoenergieänderung ist positiv), wird ihre Reichweite wie beschrieben berechnet. War die Batterie jedoch am Ende des Tests voller als zu Beginn (Nettoenergieänderung negativ), was darauf hindeutet, dass sie während der Fahrt vom Brennstoffzellenstapel geladen wurde, dann wird angenommen, dass die gesamte Reichweite vom Brennstoffzellenstapel stammt, und nur der Wasserstoffverbrauch wird angegeben.
Die Einführung von GB/T 43252-2023 hat weitreichende Implikationen. Für die Industrie schafft sie eine einheitliche Spielregel, die fairen Wettbewerb ermöglicht und die Entwicklung neuer Modelle erleichtert. Hersteller wissen nun genau, wie ihre Fahrzeuge bewertet werden und können ihre Systeme gezielt optimieren. Für Prüflabore bietet die Norm einen klaren und detaillierten Arbeitsablauf, der die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet. Für politische Entscheidungsträger liefert sie verlässliche Daten, um Förderprogramme zu gestalten und die Entwicklung der Wasserstoffinfrastruktur zu planen. Und schließlich für Endverbraucher und Flottenbetreiber bedeutet die Norm mehr Transparenz und Vertrauen in die angegebenen Reichweiten und Verbrauchswerte.
Wu Shiyu, Wang Guozhuo, Wang Zhijun und Guo Ting vom China Automotive Technology Research Center Co., Ltd. und China Automotive Inspection Center (Tianjin) Co., Ltd. analysierten die Anwendung der Norm im Fachjournal Standard Science 2024, Ausgabe 3, DOI: 10.3969/j.issn.1674-5698.2024.03.017. Ihre Arbeit unterstreicht die Bedeutung dieser Norm für die Weiterentwicklung der Test- und Bewertungstechnologien für Brennstoffzellenfahrzeuge und bietet wertvolle praktische Hinweise für deren korrekte Anwendung.