燃料電池發動機測試系統開發及應用

劉枝紅，顏娟娟，崔旭升，荊 琪，崔曉華

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著“雙碳”目標的提出，氫燃料電池發動機以綠色環保的特性被越來越廣泛地應用。因此，氫燃料電池發動機的開發在世界范圍內掀起了一個高潮，燃料電池整車銷量越來越多，隨之而來的燃料電池發動機系統測試需求也越來越多，與之相關的測試技術也不斷發展。本文闡述了一種基于LabVIEW編程環境的氫燃料電池發動機測試系統開發案例，可以進行100kW及以下燃料電池發動機試驗，包括起動特性、穩態工況特性、動態響應特性等多方面的測評。利用該測試平臺可以進行燃料電池發動機性能及可靠性試驗研究。

1 燃料電池發動機測試系統原理

燃料電池發動機包括空氣供應模塊、氫氣供應模塊、電堆及冷卻模塊、輔件冷卻模塊、供電模塊、控制模塊等。一個完整的燃料電池測試系統應該包含輔助電源模塊、氫氣供給模塊、電堆冷卻模塊、輔件冷卻模塊、電子負載、通信控制模塊、數據采集與記錄模塊、報警模塊等。燃料電池發動機測試系統原理圖如圖1所示。

圖1 燃料電池發動機測試系統原理圖

輔助電源模塊包括控制器所需的低壓電源和輔件所需要的高壓電源。電子負載具備電壓模式、電流模式及功率模式，電壓模式可為DCDC進行預充，電流模式可用于燃料電池發動機直接拉載。當被測發動機帶DCDC時則不需要測試系統的高壓電源供電，可由電子負載提供高壓電。電源、電子負載、氫氣流量計、傳感器等通過下位機通信或采集數據，電堆冷卻及部件冷卻分別由單獨的PLC控制水溫并與下位機通信，下位機中的控制程序實時運行并與上位機軟件進行數據交互，實時監測并記錄供電電壓、拉載電流、冷卻溫度等參數。燃料電池發動機測試系統實物圖如圖2所示。

圖2 燃料電池發動機測試系統實物圖

2 燃料電池發動機測試系統介紹

2.1 供氫模塊

供氫模塊包含氫氣供應手閥、調壓閥、流量計、安全閥、氣動閥等。①氫氣供氣采用罐車及減壓撬減壓至廠房供氣管路，臺架進行二次減壓至發動機需求壓力供發動機工作；②流量計選用高精度質量流量計實時監測氣體消耗量；③為了保證用氣安全，開關閥采用氮氣驅動的氣動閥，上位機軟件可控制供氫開關并測量氫氣進氣溫度、壓力及氣體消耗量。

2.2 輔助電源模塊及電子負載

本測試臺具備30V以內低壓電源為發動機控制器及各類傳感器供電，還具備1000V以內高壓電源為發動機輔件供電。電子負載可將被測發動機的電能回饋至電網，它具備恒功率模式、恒流模式及恒壓模式。當被測發動機帶DCDC試驗時，采用恒壓模式為DCDC提供高壓電；當被測發動機不帶DCDC試驗時，采用恒流模式為燃料電池發動機進行拉載。

2.3 冷卻模塊

冷卻模塊包括電堆冷卻模塊及輔件冷卻模塊兩部分。電堆冷卻模塊具備發動機加水、排氣功能及電堆水溫控制功能，可保證電堆入口水溫控制在恒定溫度。輔件冷卻模塊可控制空壓機及DCDC冷卻液的流量及溫度。兩個冷卻系統分別由單獨的PLC控制，PLC與下位機通信，在上位機軟件中設定冷卻液溫度或流量，數據下發至PLC，PLC控制相關參數保證溫度及流量達到目標值。同時，PLC采集兩個冷卻模塊管路中的溫度、壓力、水位、電導率、水流量、閥門開度等參數并反饋至上位機軟件中顯示。

2.4 通信控制模塊

測試臺通信控制模塊包括下位機控制器、上位機軟件、PLC、數據采集及通信板卡、流量計、傳感器、開關閥等。可采集流量計、傳感器、開關閥數據；與發動機控制器通信并收發數據；可編寫自動程序使發動機試驗自動運行。

下位機軟件向燃料電池發動機發送秘鑰及工作命令，根據發動機反饋的信息進行加載，同時采樣板卡采集相關數據，下位機將數據傳輸至上位機，上位機進行顯示及記錄。操作界面如圖3所示，軟件界面分為發動機命令定義區、發動機發送指令區、管路開關區、高低壓電源控制區、電子負載控制區、手自動控制區、數據顯示區、報警設置區、曲線顯示區等。

圖3 燃料電池發動機測試系統軟件圖

2.5 自動循環控制

該測試軟件可進行手動控制及自動循環控制。通過軟件界面按鈕控制高壓電源、低壓電源、電子負載的啟停及參數，發動機啟動按鈕為發動機下發秘鑰及啟動指令，給發動機下發電流進行拉載。自動控制模式可通過下發試驗表格自動進行試驗循環，循環控制邏輯如圖4所示。

圖4 軟件循環控制邏輯圖

3 測試臺功能及安全邏輯

3.1 測試臺功能

1）控制氫氣供氣開關，高、低壓電源供電，電堆及輔件冷卻溫度控制，負載電壓或電流控制。

2）與發動機通信，控制發動機啟停及拉載電流。

3）進行起動特性、穩態特性、額定功率、峰值功率、動態響應特性試驗。

4）自動循環程控，可按照設定工況及循環次數進行耐久性測試，測試過程無人為干擾，自動運行。

5）安全保護：發動機故障保護、氣體壓力及水溫超限保護、絕緣阻值超限保護、拉載電流/電壓安全保護等。

6）臺架/試驗累計氣體消耗量實時計算、試驗運行時間計算、累計發電量計算。

3.2 測試臺安全邏輯

該測試臺安全邏輯分為3級：信息提示、降載停機、緊急停機。信息提示僅僅提示相關報警信息，不進行任何動作；降載停機邏輯按照設定速率將電流降至怠速電流后再發送關機指令；緊急停機邏輯直接將電流設定為0A并發動緊急停機指令，同時切斷氫氣閥門及電子負載。

測試臺內監控的所有溫度、壓力等信號均可設置限值并執行相應的安全邏輯。發動機FCU反饋的1級、2級、3級報警信號，測試臺分別執行信息提示、降載停機、緊急停機的安全邏輯。

4 測試臺驗證

測試臺架搭建及軟件編寫完成后進行了測試系統比對試驗，證明該測試系統實現了目標功能，可實現發動機手動拉載及自動循環試驗。拉載電流控制精度高，電堆冷卻溫度控制穩定，測試結果如圖5所示。經試驗驗證，臺架功能可滿足測試需求，操作簡單易上手。

圖5 測試結果分析

圖5 耐久工況電池壽命仿真、BMS計算和臺架測試電池容量衰減值

5 結論

經過試驗驗證，該測試系統能夠進行燃料電池發動機起動特性、額定功率、峰值功率、穩態特性、動態響應特性等多種性能測試試驗，滿足燃料電池發動機開發需求，可模擬整車上燃料電池發動機工況，具備良好的應用價值，為產品開發提供有力支持。