一種PEMFC發動機模擬器開發

雷梟，丁小松，張興旺，潘鈴

（1.廣州擎天實業有限公司，廣州 510860； 2.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

伴隨著全球政治經濟環境快速變化，單邊主義、保護主義的野蠻生長，導致傳統國際經濟環境循環逐步弱化，逆全球化趨勢增長。2019年以來，國內外新冠疫情冰火兩重天，全球政治經濟環境持續惡化[1]。中國作為全球唯一擁有聯合國產業分類目錄中所有工業門類的國家，正穩步構建國內國際雙循環相互促進的新發展格局，立足于國內發展，辦好自己的事，提高發展質量，轉換創新驅動方式，以提升產業鏈、供應鏈的完整性，推動形成宏大順暢的國內經濟循環，更好的吸引全球資源要素，既滿足國內需求，又提升我國產業技術發展水平，形成參與國際經濟合作和競爭的新優勢，提高國際競爭力[2, 3]。

1 設計背景

《中國制造2025》等規劃中均明確將大力發展燃料電池汽車，氫能還被寫入多省市十四五規劃，敲定未來5~10年發展藍圖[4]，我們堅定不移的貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念。綠色、環保、高效的氫能，近年來突飛猛進的發展，燃料電池測試系統作為燃料電池領域的重要高技術水平裝備，是PEMFC產品設計開發、性能檢測與評價以及應用生態鏈中必不可少的重要裝置。當前PEMFC測試系統驗證，如圖1 所示，依賴于配備不同功率等級的PEMFC產品實物。PEMFC發動機專業技術強集成復雜，費用高，如一臺60 kW發動機實物，預計花費40萬人民幣。而且不同PEMFC發動機接口及其控制方式，亦不盡相同，發動機測試系統還需根據實際情況進行相應修正。因此，采用發動機實物驗證PEMFC測試系統，不經濟，時間成本也高，無法高效推動PEMFC裝備制造及其產業鏈的快速發展。

PEMFC燃料電池對模擬器方面的研究甚少，大部分均為各廠商及研究機構對自有研發產品進行性能測試驗證的研究報道，關鍵材料性能對比、流程結構設計的關注較多[5,6]。隨著近年來國內外企業的合作，各種類型的PEMFC電池堆、發動機系統大量涌現，但各產品的控制驅動邏輯與測試系統的唯一匹配性，導致PEMFC測試產業設備鏈高度閉環，為國外各專業廠家壟斷。在國內雙循環新發展格局下，如何減低對外依存，立足科技產品自研，進而發展創新，提高發展質量，基于PEMFC電堆運行原理物料供給特性，及發動機控制要求，設計了一種PEMFC發動機模擬器，可為燃料電池發動機測試系統提供有效信號及狀態回路，能模擬各功率等級的發動機。維持燃料電池測試系統的運行，可驗證測試系統控制策略。圖1為PEMFC發動機測試系統配置圖。

圖1 PEMFC發動機測試系統配置圖

2 實現方法

電堆是發生電化學反應的場所，氫氣在陽極分解為帶正電的氫離子，發生氧化反應，并釋放出帶負電的電子，隨著氫離子穿過PEM膜到達陰極，電子經集流板匯集，在外電路與串入負載及陰極，形成電流回路，實現電能輸出。陰極氧發生還原反應，與透過的氫離子及來自外電路的電子反應生產液態水[7-10]。運行時，電堆相當于一個直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。燃料電池電堆可簡單理解為一個動態發電裝置。

陽極2H2→2H++4-

陰極O2+4H++4e-→2H2O

2H2+O2→2H2O+P（功率）+Q（熱）

不同于PEMFC電堆，PEMFC發動機系統作為一種集成了加濕、流量控測、壓力控制、氫氣循環等眾多功能單元的復雜終端應用器件，如圖2所示。對PEMFC發動機進行測試時，除了配置水、電、氣單元外，根據GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能測試方法》[11]，GB/T 28183-2011《客車用燃料電池發電系統測試方法》[12]，GB/T 23645-2009《乘用車用燃料電池發電系統測試方法》[13]，被測燃料電池發電系統給測試平臺提供和接收以下信息：①電池堆工作溫度；②電池堆和燃料電池發電系統的電壓和電流；③能接受起停信號；④能接受功率給定信號；⑤能夠給出故障碼。

PEMFC發動機運行，不僅需要反應物料的供給，且需跟隨控制信號，動態調整輸出電功率，并實時反饋狀態信號，如圖3所示。基于電堆運行原理物料供給特性，及發動機控制要求，梳理信號及狀態需求，開發發動機模擬器。可模擬各功率等級的發動機。為燃料電池發動機測試系統提供有效信號及狀態回路，如圖4所示。

圖3 PEMFC發動機系統驅動需求

圖4 PEMFC發動機模擬器功能

針對各種通訊互聯及模擬量（如溫/濕度、電壓巡檢、電池堆和燃料電池發電系統的電壓和電流、功率給定信號等），數字量的輸入/輸出驅動需求（如起/停信號、故障碼等），為燃料電池發動機測試系統提供有效信號及狀態回路。如圖5所示，形成動態電參量、控制信號、狀態動態反饋等信息閉環。確保燃料電池發動機測試系統的運行，驗證各種類型發動機的控制策略，各種故障的處置措施，進一步優化控制算法，充實控制軟件樣本庫。

圖5 PEMFC發動機模擬器控制邏輯

測試過程中，經AI，DI/采集，接收控制信號，不僅在觸控屏上動態顯示，PLC控制器根據算法，實時調整電能觸發角度，生成電能跟隨PEMFC發動機測試系統輸入指令的可控直流電能，通訊鏈中預制的數據電壓巡檢階段，隨著直流電能的波動，進行動態調整。觸控屏上AI輸出超溫、流量偏大、超壓、巡檢電壓異常等狀態，模擬各種故障，以觀測PEMFC發動機測試系統連鎖保護邏輯，綜合評價測試系統及發動機操作及保護匹配程度。

2.1 物料回路

反應物料氣體回路，如圖6所示，分別加裝壓力傳感器、溫度傳感器、和流量控制器，管路成閉環狀，為測試系統提供物料通道的同時，在觸控屏上調整參量大小，進一步模擬流量異常，壓力異常等故障。水路則監控壓力、溫度形成閉環流道。進出管路與發動機測試系統輸出氣、水管路與模擬器直聯，為物料供給循環提供循環通路。

圖6 PEMFC發動機模擬器管路邏輯

2.2 信息回路

廣義的通訊互聯網絡，采用工業級通訊網關、通訊裝換卡，以實現RS485、RS232、RJ45、CAN、MODBUS等各種通訊協議接口的無障礙聯通及有效響應。在通訊數據鏈中內置可擴展巡檢信號區段，根據發動機功率等級大小，自設定巡檢信號長度。

模擬量輸入/輸出采用工業PLC模塊，接收DC 0~5 V、DC 4~20 mA控制輸入信號，對外提供有效反饋輸出DC 0~5 V、DC 4~20 mA，模擬各種傳感器信號輸出。數字量輸入/輸出采用工業PLC模塊，接收DI控制輸入信號，并提供DO反饋已模擬各種開關量故障輸出狀態。

各接收信息，及反饋狀態在數字觸控屏幕顯示及操作，可手動給定及實時調整；使往來信息顯示及查詢便捷，調試參數修正快速，如圖7所示。滿足各種類型發動機測試運行功能。所有功能單元集成為一套含4路CAN總線、4路485、4路232、4路以太網、32路AI/O、32路DI/O的接口組件。經可拔插對接接頭面板，整合成可應用于PEMFC發動機測試系統的模擬器的快速匹配接口。

圖7 PEMFC發動機模擬器信息回路

2.3 電能回路

電能變換單元根據PEMFC發動機測試系統輸入指令，采用整流變壓器帶三相橋式整流LC濾波方式產生DC 0~1 000 V/0~600 A直流動態電壓/電流參量。如圖8所示，變壓器原邊雙繞組設置，通過調整一次側接點，使二次側形成AC380 V/AC760 V交流電壓，觸發脈沖形成單元快速響應給定功率大小，自動觸發驅動AC/DC轉換電路生成可控直流電能。直檢式霍爾電流傳感器，10 μs響應速率，0.2 %級測量精度。磁平衡式電壓傳感器，50 μs響應速率，在可控硅觸發調節3.3 ms周期內，提供準確信號反饋。并提供對外反饋信號接口（DC 0~5 V、DC 4~20 mA）。

圖8 PEMFC發動機模擬器電量生成

利用電感器平滑負載電流，電容器平滑直流電壓，遵循電力電子設備設計和整流實用技術準則[14,15]，對電能回路各部分參數進行選擇和計算。其中Uc2紋波基波電壓；0ω基波頻率，6脈波為300 Hz；Udi整流后空載直流電壓；Kn整流電路相關的紋波電壓系數，6脈波整流電路為4.04 %，12脈波整流電路為0.99 %。變壓器采用D/d型繞組，減低直流磁勢影響，選用可控硅模塊，背板置于低級熱阻式鋁制散熱器上，使散熱翅片與風道垂直，再配置小型風機以增強散熱效果。

3 總結

基于PEMFC電堆運行原理，及發動機控制要求，梳理信號及狀態需求，為燃料電池發動機測試系統提供有效信號及狀態回路，開發了一種PEMFC發動機模擬器，以模擬各功率等級的發動機，維持燃料電池測試系統的運行，驗證各種控制策略，各種故障的處置措施。