燃料電池發動機半實物仿真測試方法探究

李偉明, 李志斌, 王 立

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.上海華依科技集團有限公司, 上海 201202)

以蓄電池為主要動力的電動汽車是各國近二十年研究的熱點,但由于蓄電池性能限制及其可能產生的二次污染,所以使得燃料電池及以燃料電池為主要動力的電動汽車成為世界各大汽車公司競相開發的產品。燃料電池發動機系統由燃料電池和輔助系統組成[1]。其中,燃料電池系統起儲能供電的作用,是整個燃料電池發動機系統最核心的部分。輔助系統包括氫氣供給系統、空氣供給系統、冷卻水循環系統、電功率測量系統、報警系統、通訊系統等[2]。

1 傳統測試方法

一個完整的燃料電池汽車整車結構如圖1所示。

圖1 燃料電池汽車整車結構

圖1中,燃料電池系統、DC/DC變換器和蓄電池是本文的被測對象。DC/DC變換器通過改變燃料電池電壓,將其與蓄電池進行匹配后輸送到電動機控制器。蓄電池作為輔助能源,在汽車啟動、爬坡、加速時提供動力。整車控制器的目的在于接收和發布燃料電池、DC/DC變換器、電動機控制器和蓄電池控制信號[3]。

為了充分檢測燃料電池汽車在各種復雜工況下的參數變化,每輛車需要通過大量重復性的試驗來確保產品質量可靠。在這種情況下,如何使產品檢測成本盡可能降低,是每個汽車測試部門需要考慮的問題。降低測試成本的方法有許多,兩種常見的傳統測試方法為恒功率試驗法和測功機臺架試驗法。

1.1 恒功率試驗法

恒功率燃料電池試驗法是將燃料電池直接和電子負載連接,調節電子負載的滑動變阻器大小從而控制燃料電池的載荷。當燃料電池的輸出電壓為恒定時,例如輸出電壓為150 V時,電子負載加載的電流不斷均勻增大,燃料電池汽車的輸出功率也呈現線性上升。具體步驟如下:當燃料電池處于穩定運行狀態時,開啟電子負載,負載電流由零開始,電流變化速率為每秒增加1 A,每隔10 s記錄一次數據,直至電流達到最大為110 A。共測量110個數據點,統計這110個數據點的輸出功率,繪制出電壓隨電流的變化曲線圖,結果如圖2所示。該方法的優勢為可操作性強,便于直接測量燃料電池的功率情況。缺點為無法真實模擬燃料電池汽車的復雜工況。

圖2 恒功率試驗法功率-電流特性曲線

1.2 測功機臺架試驗法

為了真實模擬汽車道路工況,工程技術人員借助實驗室臺架進行燃料電池汽車的性能試驗。根據GB/T 24554—2009《燃料電池發動機性能試驗方法》,可以測試燃料電池發動機的可靠性、氣密性和效率等[4]。本文著重介紹的測功機臺架試驗工作原理如圖3所示。

圖3 測功機臺架試驗工作原理

該試驗方法是利用測功機和電機作為加載裝置模擬真實工況,按照測試標準向燃料電池發動機提供負載。發動機工作過程中,隨著輸出功率的增加,輸出電壓降低,DC/DC變換器將母線電壓保持在一定范圍內,此時驅動器控制交流電機運行,交流電機輸出軸將機械功率傳遞到測功機上,利用功率分析儀測量出輸出電流電壓,計算出輸出功率。

作為目前比較典型的測試方法,其優勢為貼近燃料電池汽車真實的工作狀況,可以由測功機加載不同負載,檢測燃料電池發動機的電流電壓變化情況。同時,可以測試汽車峰值功率,汽車急停時功率變化情況。該方法的缺陷在于需要的設備較多且機械和電氣連接過于復雜,易產生故障,測試過程中誤差較大,同時不便于頻繁更換被測對象。

2 半實物仿真測試法

結合上述兩種常見的測試方法,本文將基于半實物仿真平臺理念搭建出兼備兩者優勢的新的試驗方法。新方法的特點在于減少實驗室臺架搭建的工程量,減小臺架占地面積,降低設備之間的不兼容性,降低電機本體故障率,滿足燃料電池汽車復雜工況的行駛要求,解決傳統硬件在環系統無法實現功率級測試的問題,而實現真正意義上的發動機驅動系統測試。

半實物仿真系統是一種方便模擬實際工況的輔助工具。通過將上位機上控制對象的數學模型與實際已有設備連接,可以檢測現有設備的穩態、動態、線性及非線性狀況。該系統的優勢在于產品量產前易于調試。當控制器各項性能達不到預定要求時,可以修改控制器參數。

本文所采用的燃料電池測試平臺額定功率不高于40 kW,額定電壓為400 V。常溫常壓下,氫氣流量范圍為0～3 500 L/min,氧氣流量范圍為0～10 000 L/min,氣體溫度不超過90 ℃,冷卻液溫度范圍為0～85 ℃[5-6]。整個系統由實時控制系統、燃料電池系統、電子負載和燃料電池輔助系統4個部分組成。其中,實時控制系統由燃料電池控制和數據采集模塊、電驅動橋及車輛仿真模型兩部分組成。燃料電池控制和數據采集模塊用于控制燃料電池測試輔助設備,使其按照設定的工況運轉,同時采集各種數據。電驅動橋及車輛仿真模型用實時電流輸出控制電子負載電流,從而達到模擬實際工況的效果。具體如圖4所示。

圖4 半實物仿真測試系統

測試系統進一步細化的總體結構如圖5所示。本文將測功機、交流電機、驅動器和DC/DC變換器組合成電機模擬器。燃料電池信號采集模塊用于監測氫氣和氧氣的濃度,將采集到的氫氧流量信息反饋到實時控制系統中,通過CAN總線,實時控制系統給定電機模擬器負載加載命令,利用功率分析儀監測記錄燃料電池電壓電流數據。

圖5 臺架仿真總體結構

3 仿真與分析

通過建立仿真模型得出燃料電池電壓-電流特性。比對新的測試方法與舊的測試方法仿真出來的電壓電流特性。如果新舊方法特性相似,即說明新的測試方法是可行的。根據經驗模型,可以得出PEMFC燃料電池的外部運行曲線,其電壓電流關系[7-8]為

U=Er+blogJ0-blogJ-RJ-menJ

(1)

式中:U——單電池電壓;

Er——電位;

b——塔菲爾斜率;

J0——起始電流密度;

J——電流密度;

R——電池內阻與外電路阻抗之和;

m,n——受電流密度影響的經驗參數。

將式(1)簡化可得到

U=Eoc-ir-Aln(i)-menJ

(2)

其中,Eoc=E+Aln(i0)(A為經驗參數)。

采用如下技術參數:Eo為1.031 V;r為2.45×10-4kΩ·cm2;A為0.03 V;m為2.11×10-5V;n為8×10-3cm2/mA。根據公式和參數,可以建立如圖6所示的Simulink仿真模型,并得到如圖7所示的電流-電壓特性仿真圖。

圖6 基于半實物仿真的燃料電池發動機仿真模型

圖7 電壓-電流特性仿真曲線

由圖7可以看出,隨著輸入電流的逐漸增加,輸出電壓經歷緩慢降低之后,出現急速下降,此時功率保持在一定范圍之內。由此可以得出,新測試方法可以通過“驅動器+交流電機+測功機”作為電子負載仿真出實驗室臺架測試方法相同的效果[9]。

4 結 語

基于半實物仿真系統建立起來的“驅動器+交流電機+測功機”作為燃料電池的電子負載,結合了恒功率試驗方法和測功機臺架測試方法的優勢,得出的測試結果與車輛真實道路工況比較接近,同時減少了試驗臺使用面積,節約了試驗時間和成本。采用模塊化的試驗方法,使得控制系統更加穩定可靠,重復使用率得到提高,軟件開發效率也得到提升,完全可以滿足燃料電池發動機的啟動性能試驗和耐久性試驗,可以為燃料電池發動機系統的研究開發提供可靠的試驗能力。