基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法

摘要

本发明涉及一种基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法，该方法包括如下步骤：(1)搭建燃料电池空气供应子系统；(2)搭建电堆阴极模拟器并进行标定用于模拟燃料电池电堆；(3)燃料电池空气供应子系统接入电堆阴极模拟器形成工作回路；(4)在工况下，对电堆阴极模拟器进行虚拟功率加载，运行步骤(3)的工作回路，虚拟功率与对应工况下的燃料电池电堆功率相等；(5)在不同工况下，测定阴极模拟器以及空气供应子系统中的关键参数并判定燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆是否匹配。与现有技术相比，本发明方法简单易行、适应范围广、实用性强、能够对燃料电池空气供应子系统进行独立、解耦的匹配测试。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池发动匹配测试方法，尤其是涉及一种基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法。

背景技术

目前国内，如同济大学、清华大学、武汉理工大学及其他公司开发的多数燃料电池发动机测试设备主要针对燃料电池发动机性能测试，在燃料电池发动机关键零部件开发测试、子系统匹配测试、控制算法验证测试过程中，缺乏相关的测试手段、设备及方法支持。且在开发测试过程中，水热管理、空气供应及氢气供应等子系统需要同时工作，紧紧耦合在一起，无法独立验证。增加了测试过程的复杂度和难度，使得本来因为燃料电池发动机“气-水-电-热-力”耦合系统尚未完全验证的零部件、子系统、控制算法之间相互干扰，导致测试结果无法反映关键设计参数，甚至失去对设计的指导意义。

在昆山弗尔赛能源有限公司公开的专利和科技文献中，发明专利(公开号CN201689163U)“一种质子交换膜燃料电池测试平台”公开了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。但该方法不能对空气供应子系统匹配测试进行评价，且存在方法复杂的不足。目前在所公开的文献中，并无其他针对空气供应子系统匹配测试的方法。

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基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法，该方法包括如下步骤：

(1)搭建燃料电池空气供应子系统；

(2)搭建电堆阴极模拟器并进行标定用于模拟燃料电池电堆；

(3)将燃料电池空气供应子系统接入电堆阴极模拟器形成工作回路；

(4)在燃料电池电堆不同的运行功率工况下，对电堆阴极模拟器进行虚拟功率加载，运行步骤(3)的工作回路，所述的虚拟功率与对应工况下的燃料电池电堆功率相等；

(5)在不同的虚拟功率下，测定阴极模拟器以及空气供应子系统中的关键参数，并根据测得的关键参数判定燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆是否匹配。

所述的电堆阴极模拟器包括模拟电堆空气进气的空气进气口、排放多余空气的空气排放口、对空气流过的体积进行调节的阴极容积调节模块、对空气流过的压力损失进行调节的流阻调节模块以及模拟氧气消耗的空气消耗口，所述的冷空气进气口连接燃料电池空气供应子系统。

步骤(2)对电堆阴极模拟器标定具体包括：

(21)调节阴极容积调节模块，对阴极模拟器中空气流过的体积进行标定，使空气流过的体积等于燃料电池电堆阴极的容积；

(22)调节流阻调节模块，对电堆阴极模拟器中压力损失进行标定，使得在不同运行功率工况下阴极模拟器压降特性与燃料电池电堆在的压降特性吻合。

步骤(22)中具体通过如下方式对电堆阴极模拟器中压力损失进行标定：

选取N个运行功率工况点，不断调节流阻调节模块，并测量工作于第i个运行功率工况点时电堆阴极模拟器的压降ΔP_i^sim，i＝1,2……N，直至使得下式标定误差E_cali取得最小：

其中，ΔP_i^stack为燃料电池电堆在第i个运行功率工况点下的压降。

步骤(4)具体为：

(41)调节电堆阴极模拟器的消耗的氧气流量

其中，I为虚拟功率下对应的燃料电池电堆电流，I＝P_x/U，P_x为虚拟功率，U为燃料电池电堆电压，N_cell为燃料电池电堆单片数目，M_O2为摩尔质量，F为法拉第常数；

(42)调节电堆阴极模拟器排放的多余空气的流量且

步骤(5)判定燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆是否匹配具体为：若在不同的虚拟功率下测得的关键参数均满足设定范围则燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆匹配。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过搭建电堆阴极模拟器，利用该阴极模拟器替代真实电堆，进行燃料电池空气供应子系统匹配测试，由于采用了阴极模拟器，可以将使得燃料电池空气供应子系统独立测试匹配得以进行，且能够将热管理子系统、氢气供应子系统的测试解耦，排除由于热管理和氢气供应带来的干扰，降低了测试复杂性，提高开发效率；

(2)本发明方法简单易行、适应范围广、实用性强。

附图说明

图1为本发明基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法的流程框图；

图2为本实施例燃料电池空气供应子系统与电堆阴极模拟器形成的工作回路的结构示意图。

图2中，1为电堆阴极模拟器,2为驱动器，3为电机，4为中冷器，5为空压机，6为流量计，7为空气滤清器，8为增湿器，9为节气门，10为缓冲罐。

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，一种基于电堆模拟器的燃料电池空气供应子系统匹配测试方法，该方法包括如下步骤：

步骤01：搭建燃料电池空气供应子系统，将空气压缩机、加湿器、背压阀等空气子系统中的关键零部件接入到预先设定的空气子系统回路，这些回路可以是：①常规空气供应及加湿回路；②带空气加热的回路；③带局部加湿回路回路；④带怠速排气减压回路；⑤带废气再循环回路。本实施例中采用①常规空气供应及加湿回路。

步骤02：搭建电堆阴极模拟器并进行标定用于模拟燃料电池电堆。

步骤03：将燃料电池空气供应子系统接入电堆阴极模拟器形成工作回路，具体工作回路如图2所示。燃料电池空气供应子系统包括驱动器2、电机3、中冷器4、空压机5、流量计6、空气滤清器7、增湿器8、节气门9和缓冲罐10，空气滤清器7、流量计6、空压机5和中冷器4依次连接，中冷器4连接增湿器8，增湿器8连接电堆阴极模拟器1，增湿器8还依次连接节气门9和缓冲罐10。本实施例以空压机5为例作匹配测试。

其中预定电堆的额定功率为30W空压机5的基本参数如下：

该空压机5采用高速电机+专用泵头的形式，高速电机额定转速40000r/min，允许最高转速50000r/min，泵头为正向设计，专为燃料电池空压机所需低流量、高压比设计。空压机5采用二级增压，经过二级增压后，空气出口温度最高可达约90℃，压比最高可达1.7左右。

其中增湿器8的基本参数如下：增湿器8采用Perma Pure型号为FC400-2500-10LP的管壳式增湿器，该增湿器8的最大工作压力为0.69bar，其允许的工作流体温度为1℃～80℃。为了满足燃料电池需求，增湿器8的出口相对湿度应＞60％。本实施例空气滤清器7选用曼胡默尔MAH 45 200 92 920过滤器，重量1.7kg，流量范围2～4.5m3/min。

步骤04：对电堆阴极模拟器进行虚拟功率加载，虚拟功率与对应工况下的燃料电池电堆功率相等；

步骤05：运行步骤03的工作回路，测定阴极模拟器以及空气供应子系统中的关键参数；

步骤06：遍历各种加载功率，即实现不同的工况下的测定，循环执行步骤04、步骤05；

步骤07：完成所有虚拟功率下阴极模拟器以及空气供应子系统中的关键参数的测定，并根据测得的关键参数判定燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆是否匹配，结束匹配测试。

所述的电堆阴极模拟器包括模拟电堆空气进气的空气进气口、排放多余空气的空气排放口、对空气流过的体积进行调节的阴极容积调节模块、对空气流过的压力损失进行调节的流阻调节模块以及模拟氧气消耗的空气消耗口，所述的冷空气进气口连接燃料电池空气供应子系统。

步骤02对电堆阴极模拟器标定具体包括：

(21)调节阴极容积调节模块，对阴极模拟器中空气流过的体积进行标定，使空气流过的体积等于燃料电池电堆阴极的容积；

(22)调节流阻调节模块，对电堆阴极模拟器中压力损失进行标定，使得在不同运行功率工况下阴极模拟器压降特性与燃料电池电堆在的压降特性吻合。

步骤(22)中具体通过如下方式对电堆阴极模拟器中压力损失进行标定：

选取N个运行功率工况点，不断调节流阻调节模块，并测量工作于第i个运行功率工况点时电堆阴极模拟器的压降ΔP_i^sim，i＝1,2……N，直至使得下式标定误差E_cali取得最小：

其中，ΔP_i^stack为燃料电池电堆在第i个运行功率工况点下的压降。本实施例设燃料电池电堆最大功率为P，取4个常用运行功率工况点25％P，50％P，75％P，100％P进行电堆阴极模拟器中压力损失进行标定。

步骤04具体为：

(41)调节电堆阴极模拟器的消耗的氧气流量

其中，I为虚拟功率下对应的燃料电池电堆电流，I＝P_x/U，P_x为虚拟功率，U为燃料电池电堆电压，N_cell为燃料电池电堆单片数目，M_O2为摩尔质量，F为法拉第常数；

(42)调节电堆阴极模拟器排放的多余空气的流量且

步骤(41)和步骤(42)中氧气流量和多余空气流量均是对应通过设置在电堆阴极模拟器空气消耗口以及空气排放口的电动阀门来调节，氧气以及多余空气的流动是受到电动阀门开度θ和对内外压比P_atm/P_stack影响，电动阀门的选择必须满足：

即在阀门开度为100％，且压比为0.5283时，必须能达到最大的电流加载。

本实施例中首先在不同的虚拟功率下找到对应的电流值I，计算消耗的氧气流量计算得为714.5L/min，然后利用空气排放口的电动阀门对电堆阴极模拟器多余的空气进行排放，使多余的空气流量等同于消耗的氧气流量。

步骤07中判定燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆是否匹配具体为：若在不同的虚拟功率下测得的关键参数均满足设定范围则燃料电池空气供应子系统与燃料电池电堆匹配。具体的关键参数包括电堆阴极模拟器入口气流的压力、温度、湿度和流量；电堆阴极模拟器出口的压力、温度、湿度和流量；空压机5的相关参数，包括空气流量、出口压力、温度及压缩机电机转速、电压和电流；增湿器8干侧出口流量、压力、温度和湿度；湿侧出口流量、压力、温度和湿度。