用于燃料电池汽车动力系统的动态性能测试系统

摘要

本发明涉及一种用于燃料电池汽车动力系统的动态性能测试系统，包括：用于提供实际工况的环境模拟模块和NVH测试匹配模块；用于测试的发动机硬件在环测试匹配模块、电驱动系统硬件在环测试匹配模块和汽车动力系统硬件在环测试匹配模块；用于在软件环境下模拟实际工况下的运行环境参数的仿真模拟模块；用于对发动机硬件在环测试匹配模块的动力参数和电驱动系统硬件在环测试匹配模块的负载参数进行测试与控制的动力负载参数测控模块；与其他各模块连接，用于实时控制和保存测试数据的主控管理模块。与现有技术相比，本发明集成度高、通用性好，可对实际工况进行模拟，并可综合考虑热环境和振动噪声环境对燃料电池汽车动力系统的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车性能测试系统，尤其是涉及一种用于燃料电池汽车动力 系统的动态性能测试系统。

背景技术

目前，国内外还没有集成度高的有关燃料电池汽车动力系统集成、调试及测试 专项设备，不能满足燃料电池汽车动力系统的集成、匹配及可靠性、耐久性、环境 适应性和安全性等测试的需要，具体分析如下：

A、FC电堆关键仪器设备国内外技术现状分析：

目前国内还没有针对车用条件开发的燃料电堆模拟车载变工况测试平台，仅是 对燃料电池实际运行参数进行记录。国际上多家公司推出了自己的燃料电池测试平 台，美国的Hydrogenics公司和美国国家仪器公司(National Instruments)推出了一 些软硬件测试产品，能够兼容多种燃料电池。加拿大Greenlight公司，美国Fuel Cell Technologies(FCT)，德国FuelCon公司都推出了自己的燃料电池测试设备。国内公 司也推出了针对不同规格电堆的燃料电池测试系统，但普遍精度不高。如专利号为 200810036146.6的发明专利和专利号为ZL200820114566.7的实用新型专利都提到 了一种能测试燃料电池电堆性能的测试平台，该测试台能够监测各运行参数与燃料 电池堆性能之间的关系。可见，目前国内还没有成熟的模拟车载条件变工况测试平 台。

B、FCE系统关键仪器设备国内外技术现状分析：

在国外，加拿大Hydrogenics公司和FuelConSystems公司、美国的NI(Naional Instruments)公司、美国国际燃料电池仪器公司等一些实力雄厚的研发机构已经开 发出较实用的测试系统，可测试不同的燃料电池的多项性能指标。国内在测试燃料 电池性能时不得不依赖国外的产品与技术。目前国内的测试系统多针对小功率燃料 电池作为测试分析对象，少有涉及车用50kW以上燃料电池系统的专用开发及测试 设备。

C、FCV动力系统关键仪器设备国内外技术现状分析：

授权公告号为CN 1601792B的发明专利“燃料电池混合动力系统试验研究系 统”，提出了一种燃料电池混合动力系统试验研究系统，但测试对象主要针对单电 机驱动燃料电池客车。还可见授权公告号为CN 101660972B、CN 101261189B的 发明专利。

可见，以交流电力测功机系统为基础，通过二次开发控制系统使其实现驾驶员 模拟、车辆和路况模拟、驾驶循环模拟等功能，对测试动力系统进行动态加载，从 而构建完整的燃料电池汽车动力传动系统硬件在环仿真试验台，在国内尚无先例。

D、FCV动力系统及关键部件仿真设计仪器设备国内外技术现状分析：

目前PEMFC系统的建模研究大多集中于系统仿真和实验分析。机理模型的研 究主要集中在单池和单池内各单元上。针对PEM，较有代表性的有Verbrugge(1990) 提出的基于质子溶解原理的扩散模型；针对催化层，Bultel(1998)发表了基于质量 传递原理的质子传递模型；针对扩散层，有Yi(1999)的质量强制对流传递模型；还 有Bevers(1997)的基于传热传质原理的电极模型。但如何将机理内模型和经验外模 型结合起来，研究合适的数学手段将空间参数分布模型合理地简化成集中参数模型， 既能反映HT-PEMFC堆内部的运行机理又适用于控制设计，这样的建模研究工作从 迄今公开发表的文献中尚未发现。

E、FCE、FCV动力系统实验NVH环境国内外技术现状分析：

目前全世界目前燃料电池轿车样车的振动噪声表现两个特征：噪声大、燃料电 池汽车的声品质差。

由于燃料电池轿车总布置各不相同，大部分燃料电池轿车沿用原内燃机车身。 燃料电池轿车虽然省去了内燃机这个噪声源，但却增加了电机、燃料电池系统、冷 却系统等噪声源，而且传统汽车被内燃机噪声掩盖下的空调系统噪声，在燃料电池 轿车上会有所体现。与传统内燃机汽车相比，燃料电池汽车总的噪声源增加了许多 个，且呈现颁布式噪声源的特点。多种噪声源共同作下使得车内外噪声品质恶化， 汽车驾驶员及乘员感觉很差。

近年来国内外相继研究开发了不少各具特色的采用燃料电池动力系统驱动的 电动汽车概念样车，但国内除同济大学研究小组的研究工作外，对于燃料电池轿车 振动噪声源——燃料电池动力系统的振动噪声及其控制的研究几乎还是空白。

F、FC、FCE、FCV动力系统实验温度、湿度和压力环境国内外技术现状分析：

目前世界上尚未有成熟的设备供应商可以提供燃料电池汽车动力系统及其关 键部件适用的试验环境，各大汽车制造商如通用、奔驰、丰田等，燃料电池及系统 的集成商如加拿大的Ballard公司、美国的UTC公司和德国的NEWCELL等以及 一些研究机构如美国国防部的FCTec纷纷和一些设备供应商合作开发了燃料电池 汽车动力系统及关键部件的试验环境，并根据各自在燃料电池汽车动力系统领域的 开发经验建立相应的测试方法和标准。而美国国防部(DoD)和CTC公司及美国 陆军工程研发中心(The U.S.Army Engineer Research and Development Center)等机 构合作成立的FCTec(Fuel Cell Test and Evaluation Center)建立了全套的包括试验 环境在内的燃料电池相关的测试设备，并为包括军方和民用提供燃料电池相关的测 试研究和评估。

因此，综上所述，目前用于燃料电池汽车动力系统主要存在以下缺点：

1)国内外尚无将燃料电池及辅助系统硬件在环测试匹配、电驱动系统硬件在 环测试匹配、燃料电池汽车动力系统硬件在环境测试匹配三个系统于一体的集成仪 器设备，设备集成度不高；

2)国内外尚无综合考虑温度、湿度及压力环境与NVH测试匹配环境下变工 况运行的燃料电池汽车动力系统动态性能的综合测试系统；

3)国内的燃料电池测试系统通用性不好，不能同时考虑燃料电池轿车和燃料 电池大巴的测试匹配；

4)由于集成度不高，目前国内外与燃料电池测试匹配系统的功能单一，参考 的影响因素很少。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于燃料电 池汽车动力系统的动态性能测试系统，该测试系统集成度高、通用性好，可对实际 工况进行模拟，并可综合考虑热环境和振动噪声环境对燃料电池汽车动力系统的影 响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于燃料电池汽车动力系统的动态性能测试系统，包括：

环境模拟模块：用于提供燃料电池汽车发动机实际工况下的温度、湿度以及压 力环境；

NVH测试匹配模块：用于提供燃料电池汽车电驱动系统实际工况下的NVH 环境；

发动机硬件在环测试匹配模块：用电子负载取代电驱动系统，在环境模拟模块 内对发动机硬件进行在环匹配测试；

电驱动系统硬件在环测试匹配模块：基于模拟电源配置，在NVH测试匹配模 块内对电驱动系统硬件进行在环匹配测试；

汽车动力系统硬件在环测试匹配模块：调用发动机硬件在环测试匹配模块和电 驱动系统硬件在环测试匹配模块，对汽车动力系统硬件进行在环匹配测试；

仿真模拟模块：在软件环境下为汽车动力系统硬件在环测试匹配模块提供模拟 实际工况下的运行环境参数；

动力负载参数测控模块：用于对发动机硬件在环测试匹配模块的动力参数和电 驱动系统硬件在环测试匹配模块的负载参数进行测试与控制；

主控管理模块：连接环境模拟模块、NVH测试匹配模块、发动机硬件在环测 试匹配模块、电驱动系统硬件在环测试匹配模块、汽车动力系统硬件在环测试匹配 模块、仿真模拟模块和动力负载参数测控模块，进行实时控制，并存储测试数据。

所述的发动机硬件在环测试匹配模块包括：

空气供应单元：用于为燃料电池汽车发动机提供空气；

氢气供应单元：用于为燃料电池汽车发动机提供氢气；

水冷管理单元：用于为燃料电池汽车发动机提供冷却水；

燃料电池在线分区测试诊断匹配单元：用于对燃料电池的各个分区和各个单元 进行在线测试，针对测试参数进行分区诊断和参数匹配；

高压DC/DC转换器：用于对燃料电池汽车发动机输出的电压进行直流升压。

所述的燃料电池在线分区测试诊断匹配单元包括：

燃料电池内部参数测试子单元：对燃料电池工作时的内部参数进行实时测试；

燃料电池在线分区诊断测试子单元：根据燃料电池内部参数测试子单元测得的 测试数据，对燃料电池的各个分区和各个单元进行故障诊断；

燃料电池模块均衡匹配测试子单元：根据燃料电池在线分区诊断测试子单元的 故障诊断结果，对燃料电池的各个分区和各个单元进行均衡匹配。

所述的电驱动系统硬件在环测试匹配模块包括电驱动单元、差速单元、第一机 械负载模拟单元和第二机械负载模拟单元，所述的电驱动单元与差速单元连接，所 述的第一机械负载模拟单元和第二机械负载模拟单元均与差速单元连接，电驱动单 元用于将燃料电池汽车发动机输出的电能转换为机械能，并经由差速单元传递至第 一机械负载模拟单元和第二机械负载模拟单元进行负载模拟。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将燃料电池发动机硬件在环测试匹配、电驱动系统硬件在环测试匹配、燃 料电池汽车动力系统硬件在环测试匹配三个系统集中于一体，可独立实现测试匹 配，也可以集成联动测试匹配，设备集成度高。

2、可实时模拟热环境及车用变载荷工况运行的燃料电池汽车动力系统测试环 境，并能进行仿真控制模拟。

3、通用性好，不仅适用于燃料电池轿车，还适用于燃料电池大巴的动力系统 测试与匹配。

4、能考虑的温度、湿度、压力、NVH、负载、空气量、氢气量、冷却水、控 制等因素，功能强大。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种用于燃料电池汽车动力系统的动态性能测试系统，包括以下 几个模块：

环境模拟模块1：用于提供燃料电池汽车发动机实际工况下的温度、湿度以及 压力环境；

NVH测试匹配模块2：用于提供燃料电池汽车电驱动系统实际工况下的NVH 环境；

发动机硬件在环测试匹配模块3：用电子负载取代电驱动系统，在环境模拟模 块内对发动机硬件进行在环匹配测试；

电驱动系统硬件在环测试匹配模块4：基于模拟电源配置，在NVH测试匹配 模块内对电驱动系统硬件进行在环匹配测试；

汽车动力系统硬件在环测试匹配模块5：调用发动机硬件在环测试匹配模块和 电驱动系统硬件在环测试匹配模块，对汽车动力系统硬件进行在环匹配测试；

仿真模拟模块6：在软件环境下为汽车动力系统硬件在环测试匹配模块提供模 拟实际工况下的运行环境参数；

动力负载参数测控模块7：用于对发动机硬件在环测试匹配模块的动力参数和 电驱动系统硬件在环测试匹配模块的负载参数进行测试与控制；

主控管理模块8：连接环境模拟模块1、NVH测试匹配模块2、发动机硬件在 环测试匹配模块3、电驱动系统硬件在环测试匹配模块4、汽车动力系统硬件在环 测试匹配模块5、仿真模拟模块6和动力负载参数测控模块7，进行实时控制，并 存储测试数据。

发动机硬件在环测试匹配模块3由空气供应单元31、氢气供应单元32、水冷 管理单元33、燃料电池在线分区测试诊断匹配单元34以及高压DC/DC转换器。 其中，空气供应单元31用于为燃料电池汽车发动机提供空气，氢气供应单元32 用于为燃料电池汽车发动机提供氢气，水冷管理单元33用于为燃料电池汽车发动 机提供冷却水，高压DC/DC转换器35用于对燃料电池汽车发动机输出的电压进 行直流升压。燃料电池在线分区测试诊断匹配单元34中包含了三子单元，分别是 燃料电池内部参数测试子单元341，燃料电池在线分区诊断测试子单元342和燃料 电池模块均衡匹配测试子单元343。燃料电池内部参数测试子单元341对燃料电池 工作时的内部参数进行实时测试，燃料电池在线分区诊断测试子单元342根据燃料 电池内部参数测试子单元341测得的测试数据，对燃料电池的各个分区和各个单元 进行故障诊断，燃料电池模块均衡匹配测试子单元343根据燃料电池在线分区诊断 测试子单元342的故障诊断结果，对燃料电池的各个分区和各个单元进行均衡匹 配。

电驱动系统硬件在环测试匹配模块4包括电驱动单元41、差速单元42、第一 机械负载模拟单元43和第二机械负载模拟单元44，电驱动单元41与差速单元42 连接，第一机械负载模拟单元43和第二机械负载模拟单元44均与差速单元42连 接，电驱动单元41用于将燃料电池汽车发动机输出的电能转换为机械能，并经由 差速单元42传递至第一机械负载模拟单元43和第二机械负载模拟单元44进行负 载模拟。

本发明中的发动机硬件在环测试匹配模块3对应发动机硬件在环测试匹配系 统，电驱动系统硬件在环测试匹配模块4对应电驱动系统硬件在环测试匹配系统， 汽车动力系统硬件在环测试匹配模块5配合仿真模拟模块6则对应汽车动力系统硬 件在环测试匹配系统，集三个系统于一体，可独立实现测试匹配，也可以集成联动 测试匹配，使得设备的集成度高。而且不仅适用于燃料电池轿车，还适用于燃料电 池大巴的动力系统测试与匹配，通用性好，并可综合考虑热环境和振动噪声环境对 燃料电池汽车动力系统的影响。