燃料電池發動機測試系統開發

摘要：主要設計了一套燃料電池發動機測試系統，同時對燃料電池發動機動態特性測試方法進行了研究。燃料電池發動機測試系統包括PLC控制系統、輔助電源系統、氫氣供給系統、電子負載系統、被測試發動機系統五個部分。加載方式可采用恒流加載和恒功率加載等多種方式，可以實現燃料電池發動機的起動特性、穩態特性、動態響應特性和循環工況運行等多種性能測試和工況測試。該測試系統可以用于5～100 kW范圍內各種燃料電池發動機的測試。

關鍵詞：燃料電池發動機；測試系統；轎車

中圖分類號：U467.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0063-04

The Development of Text System of Fuel Cell Engine

SHEN Chun-juan1，HOU Yong-ping2

（1.Fuel Cell Vehicle Powertrain Co.，Ltd，Shanghai 201804，China；

2.Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai201804，China)

Abstract: In this paper，a test system of fuel cell engine（FCE）is designed and the test method ofdynamic properties of fuel cell engine is analyzed.The test system of FCE consists of PLC control system， auxiliary power system，hydrogen supply system， electronic load system and tested FCE system.Constant current load and constant power load can be applied to the test system.The test items include steady state property testing，start-up property testing，dynamic property testing and drive cycle testing. The test system can be used with the engines with the 5~100 kW power.

Key words: fuel cell engine；test system；car

當前，國內外正處于燃料電池轎車開發的熱潮之中，而質子交換膜燃料電池發動機則為其研發的核心內容。但總體來說，燃料電池發動機還尚未完全達到實用化水平，仍處于研發階段。

從目前的文獻查閱情況看：所公開發表的文獻多集中于對單片燃料電池和燃料電池電堆的測試研究；而近幾年的研究方向已經開始轉向燃料電池系統，但可能是由于技術保密的原因，所公開發表的文獻其研究內容大多數還是針對燃料電池發動機的某一方面特性的測試。

而車用燃料電池發動機作為一個整體，除了提高燃料電池電堆的性能和可靠性外，其輔助系統的性能和可靠性也是不能忽視的，以便能夠給燃料電池電堆提供盡可能適合的工作條件，并能夠確保燃料電池在高效區運行，同時還要盡量使發動機結構緊湊。與傳統的化學反應條件相比，燃料電池發動機所處的環境比較惡劣，汽車周圍空氣的溫度、壓力和濕度等條件隨著地域、季節的變化范圍很大；而燃料電池電堆對工作條件要求又比較苛刻。上述這些特點使得燃料電池發動機裝車前必須作為一個整體進行測試檢驗就顯得非常重要。

目前關于燃料電池的測試主要有以下幾種類型：

1）單電池測試平臺；

2）燃料電池堆測試平臺；

3）燃料電池發動機系統測試平臺。

燃料電池單電池測試平臺主要用于進行燃料電池的基礎研究方面，如催化劑機理研究、可靠性耐久性研究等。燃料電池堆的測試平臺一方面用于進行燃料電池性能基礎研究，另一方面用于匹配研究，目前商品化的測試平臺主要都是這一方面的產品。目前世界上比較有名的有加拿大的GREENLIGHT、美國的ARBIN等公司，國內有寧波拜特、新源動力等。對于燃料電池發動機系統測試平臺，目前市場上還沒有成熟的產品，一般都是根據需要進行自主開發，這主要是由于使用條件的不同。對于系統測試平臺，要能夠對燃料電池發動機的各種特性進行測試，同時能夠模擬各種車用工況。

隨著燃料電池技術的快速發展，其功率和性能快速提高，燃料電池電堆及燃料電池發動機測試技術的發展也越來越受到大家的關注。

對于車用大功率燃料電池發動機的測試，目前還沒有比較成熟的測試設備，大多數都是用戶根據需要進行非標定制，開發自己所需的發動機測試系統。本論文所介紹是為適應100 kW級車用燃料電池發動機系統測試而開發的第二代燃料電池發動機測試系統，可以進行車用燃料電池發動機的起動特性、穩態工況性能、動態響應特性等多方面的試驗研究，它的開發成功有利于車用燃料電池發動機的前期開發及試驗研究。利用該測試平臺可以對燃料電池發動機的環境適應性、冷起動特性、動態響應特性進行全面的測試分析。

1 燃料電池發動機測試系統的原理

燃料電池發動機包括燃料電池電堆和輔助系統兩大部分，輔助系統又包括空氣供應系統、氫氣供應系統、水熱管理系統、控制系統等。作為一個完整的燃料電池測試平臺，應該具有以下一些功能：

1）氫氣供給能力；

2）提供燃料電池發動機運行所需輔助動力電源的能力；

3）數據采集和儲存的能力；

4）對燃料電池發動機所產生的電能進行處理的能力。

因此，燃料電池發動機測試系統由控制系統、輔助系統、供氫系統、電子負載和被測試對象五個部分組成。整個系統的原理如圖1所示。

輔助動力電源提供燃料電池發動機啟動和運行所需的350 V直流電源。燃料電池發動機在起動過程中由外接輔助動力電源供電，起動完成后在燃料電池電堆和輔助動力電源之間通過一個二極管來實現燃料電池電堆給輔助系統自供電與外接輔助動力電源之間的自動切換；并且當燃料電池電堆的電壓低于350 V時系統自動切換到20 kW輔助動力電源供電。

12 V蓄電池給燃料電池發動機控制系統提供低壓直流電源。DIGATRON電子負載用于給燃料電池發動機進行加載，工控機作為主控計算機通過PLC控制系統對燃料電池發動機及電子負載進行自動控制，并且對氫氣質量流量、發動機冷卻水流量、輔助動力電源的輸出電壓和電流、12 V控制電源的輸出電壓和電流、燃料電池電堆的輸出電壓和電流等參數進行實時采樣檢測，采樣頻率可以根據要求進行設定。

系統的實物如圖2所示。

圖2 燃料電池發動機測試的實物照片

2 FCE 測試系統結構

2.1 控制系統

測試平臺的控制系統包括工控機、PLC及相關氫氣流量計、冷卻水流量計等傳感器。其功能包括三個方面：

1) 承擔車輛控制器的功能，向燃料電池發動機發送工作指令，使燃料電池發動機按照指定的工況工作；

2) 數據采集功能；

3) 系統控制功能，使整個系統按照設定的程序進行工作。

其工作原理是工控機通過PLC向燃料電池發動機發送工作指令，并根據接收到的燃料電池發動機狀態信息向電子負載系統發送加載信號，同時控制系統進行相應的數據采樣，整個系統通訊周期為500 kHz，完全可以滿足系統動態測試和采樣速率的要求。采樣信號包括：燃料電池電堆的電流、電壓；輔助系統的工作電流、電壓；氫氣質量流量和冷卻水流量等。圖3是控制系統控制終端的操作界面，它有2種操作模式——手動和自動，自動模式可以編寫各種工況的程序，系統自動運行。手動模式時在手動加載時可以手動實時設置加載功率的大小，一般調試時用這種模式，采集的數據保存在后臺的EXCEL表格中。

圖3 燃料電池發動機測試平臺的控制終端的操作界面

2.2 氫氣供應系統

氫氣供應系統包括：儲氫裝置、減壓裝置、氫氣質量流量檢測裝置、緊急切斷裝置四部分。儲氫裝置采用130 bar的多個高壓氫瓶并聯儲氫；整個供氫系統采用兩級減壓將氫瓶中的高壓氫氣降至燃料電池發動機所需氫氣工作壓力；氫氣流量檢測采用高精度的質量流量計在線測量測試過程中的氫氣消耗量；緊急切斷裝置采用電磁閥，用于在緊急情況下自動切斷氫氣供應。

2.3 輔助電源系統

輔助電源系統包括輔助動力電源、12 V控制電源。輔助動力電源提供燃料電池發動機輔助系統工作所需電能，12 V電源負責向各控制器、傳感器及冷卻風扇提供所需電源。

2.4 電子負載系統

電子負載系統包括：電子負載及其控制系統。電子負載控制系統主要負責加載工況的設定及向電子負載發出控制命令。電子負載的功能是根據控制系統的指令將燃料電池發動機產生的電能回饋到電網。

3 加載方式和加載方法

測試系統的加載方式有電流加載、電壓加載、功率加載等多種，可以根據實際需要進行選擇。燃料電池發動機一般采用恒電流加載和恒功率加載兩種方式。

測試系統加載方法具有階越加載、斜坡加載、編程加載、脈沖加載、模擬各種工況等多種方式，可以根據需要進行選擇。

4 燃料電池發動機測試系統功能及特點

整個測試系統具有以下功能：

1）進行燃料電池發動機的穩態性能測試：根據測量的數據，可以計算出燃料電池發動機在各種穩態工況下的效率map圖、氫氣利用率、燃料電池電堆的極化曲線等；

2）進行燃料電池發動機起動性能及穩定性測試：可測量在各種冷卻水溫度下（環境溫度及環境溫度以上）的燃料電池發動機怠速起動響應時間及額定功率起動響應時間等各種起動響應特性及系統起動穩定性；

3）進行燃料電池發動機動態響應性能測試：可以測量在規定溫度下的各種階躍加載的響應時間及響應特性；

4）進行燃料電池發動機的動態性能測試；

5）測試燃料電池發動機在各種工況下的散熱量。

測試系統的特點：

1）測試過程自動化：由于電子負載系統具有輔助電壓裝置，利用工控機可以對其進行控制，因此測試工況及加載方法確定后，整個測試過程不受人為因數的干擾，全自動進行；

2）CAN總線通訊：整個測試系統采用CAN2.0B總線通訊方式，與整車工作環境一致；

3）完整的自動保護功能：一旦燃料電池發動機發生故障或超出系統設定的電流和電壓安全范圍，則測試過程立即終止。

5 測試系統驗證

系統經過集成后，實現了預期的測試能力，圖4是循環工況的測試結果，有此圖可以看出，測試平臺可以實現自動加載以及模擬車用循環工況給燃料電池電池發動機加載。加載的跟隨性都比較好，能夠滿足測試要求。

圖4 動態循環工況的測試結果圖

6 結論

所開發的燃料電池發動機測試系統可以對燃料電池發動機的起動性能、穩態工作性能、動態響應性能及循環工況運行進行相關測試和分析，在測試系統中可以完整地模擬車用條件下燃料電池發動機的各種工作性能，具有很好的實際應用價值和推廣意義。

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