本發(fā)明涉及一種燃料電池發(fā)動(dòng)匹配測(cè)試方法，尤其是涉及一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

目前國(guó)內(nèi)，如同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)及其他公司開(kāi)發(fā)的多數(shù)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備主要針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試，在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件開(kāi)發(fā)測(cè)試、子系統(tǒng)匹配測(cè)試、控制算法驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中，缺乏相關(guān)的測(cè)試手段、設(shè)備及方法支持。且在開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程中，水熱管理、空氣供應(yīng)及氫氣供應(yīng)等子系統(tǒng)需要同時(shí)工作，緊緊耦合在一起，無(wú)法獨(dú)立驗(yàn)證。增加了測(cè)試過(guò)程的復(fù)雜度和難度，使得本來(lái)因?yàn)槿剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)“氣-水-電-熱-力”耦合系統(tǒng)尚未完全驗(yàn)證的零部件、子系統(tǒng)、控制算法之間相互干擾，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無(wú)法反映關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，甚至失去對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義。

在昆山弗爾賽能源有限公司公開(kāi)的專(zhuān)利和科技文獻(xiàn)中，發(fā)明專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)CN201689163U)“一種質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試平臺(tái)”公開(kāi)了一種用于燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)，包括：用于提供實(shí)際工況的環(huán)境模擬模塊和NVH測(cè)試匹配模塊；用于測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試匹配模塊、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試匹配模塊和汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試匹配模塊；用于在軟件環(huán)境下模擬實(shí)際工況下的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的仿真模擬模塊；用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試匹配模塊的動(dòng)力參數(shù)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試匹配模塊的負(fù)載參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與控制的動(dòng)力負(fù)載參數(shù)測(cè)控模塊；與其他各模塊連接，用于實(shí)時(shí)控制和保存測(cè)試數(shù)據(jù)的主控管理模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明集成度高、通用性好，可對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行模擬，并可綜合考慮熱環(huán)境和振動(dòng)噪聲環(huán)境對(duì)燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的影響。但該方法不能對(duì)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試進(jìn)行評(píng)價(jià)，且存在方法復(fù)雜的不足。目前在所公開(kāi)的文獻(xiàn)中，并無(wú)其他針對(duì)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試方法，該方法包括如下步驟：

(1)搭建燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)；

(2)搭建電堆陰極模擬器并進(jìn)行標(biāo)定用于模擬燃料電池電堆；

(3)將燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)接入電堆陰極模擬器形成工作回路；

(4)在燃料電池電堆不同的運(yùn)行功率工況下，對(duì)電堆陰極模擬器進(jìn)行虛擬功率加載，運(yùn)行步驟(3)的工作回路，所述的虛擬功率與對(duì)應(yīng)工況下的燃料電池電堆功率相等；

(5)在不同的虛擬功率下，測(cè)定陰極模擬器以及空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，并根據(jù)測(cè)得的關(guān)鍵參數(shù)判定燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與燃料電池電堆是否匹配。

所述的電堆陰極模擬器包括模擬電堆空氣進(jìn)氣的空氣進(jìn)氣口、排放多余空氣的空氣排放口、對(duì)空氣流過(guò)的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)的陰極容積調(diào)節(jié)模塊、對(duì)空氣流過(guò)的壓力損失進(jìn)行調(diào)節(jié)的流阻調(diào)節(jié)模塊以及模擬氧氣消耗的空氣消耗口，所述的冷空氣進(jìn)氣口連接燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)。

步驟(2)對(duì)電堆陰極模擬器標(biāo)定具體包括：

(21)調(diào)節(jié)陰極容積調(diào)節(jié)模塊，對(duì)陰極模擬器中空氣流過(guò)的體積進(jìn)行標(biāo)定，使空氣流過(guò)的體積等于燃料電池電堆陰極的容積；

(22)調(diào)節(jié)流阻調(diào)節(jié)模塊，對(duì)電堆陰極模擬器中壓力損失進(jìn)行標(biāo)定，使得在不同運(yùn)行功率工況下陰極模擬器壓降特性與燃料電池電堆在的壓降特性吻合。

步驟(22)中具體通過(guò)如下方式對(duì)電堆陰極模擬器中壓力損失進(jìn)行標(biāo)定：

選取N個(gè)運(yùn)行功率工況點(diǎn)，不斷調(diào)節(jié)流阻調(diào)節(jié)模塊，并測(cè)量工作于第i個(gè)運(yùn)行功率工況點(diǎn)時(shí)電堆陰極模擬器的壓降ΔP_i^sim，i＝1,2……N，直至使得下式標(biāo)定誤差E_cali取得最小：

其中，ΔP_i^stack為燃料電池電堆在第i個(gè)運(yùn)行功率工況點(diǎn)下的壓降。

步驟(4)具體為：

(41)調(diào)節(jié)電堆陰極模擬器的消耗的氧氣流量

其中，I為虛擬功率下對(duì)應(yīng)的燃料電池電堆電流，I＝P_x/U，P_x為虛擬功率，U為燃料電池電堆電壓，N_cell為燃料電池電堆單片數(shù)目，M_O2為摩爾質(zhì)量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)；

(42)調(diào)節(jié)電堆陰極模擬器排放的多余空氣的流量且

步驟(5)判定燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與燃料電池電堆是否匹配具體為：若在不同的虛擬功率下測(cè)得的關(guān)鍵參數(shù)均滿足設(shè)定范圍則燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與燃料電池電堆匹配。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過(guò)搭建電堆陰極模擬器，利用該陰極模擬器替代真實(shí)電堆，進(jìn)行燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試，由于采用了陰極模擬器，可以將使得燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)獨(dú)立測(cè)試匹配得以進(jìn)行，且能夠?qū)峁芾碜酉到y(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的測(cè)試解耦，排除由于熱管理和氫氣供應(yīng)帶來(lái)的干擾，降低了測(cè)試復(fù)雜性，提高開(kāi)發(fā)效率；

(2)本發(fā)明方法簡(jiǎn)單易行、適應(yīng)范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試方法的流程框圖；

圖2為本實(shí)施例燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與電堆陰極模擬器形成的工作回路的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2中，1為電堆陰極模擬器,2為驅(qū)動(dòng)器，3為電機(jī)，4為中冷器，5為空壓機(jī)，6為流量計(jì)，7為空氣濾清器，8為增濕器，9為節(jié)氣門(mén)，10為緩沖罐。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

如圖1所示，一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)匹配測(cè)試方法，該方法包括如下步驟：

步驟01：搭建燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)，將空氣壓縮機(jī)、加濕器、背壓閥等空氣子系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件接入到預(yù)先設(shè)定的空氣子系統(tǒng)回路，這些回路可以是：①常規(guī)空氣供應(yīng)及加濕回路；②帶空氣加熱的回路；③帶局部加濕回路回路；④帶怠速排氣減壓回路；⑤帶廢氣再循環(huán)回路。本實(shí)施例中采用①常規(guī)空氣供應(yīng)及加濕回路。

步驟02：搭建電堆陰極模擬器并進(jìn)行標(biāo)定用于模擬燃料電池電堆。

步驟03：將燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)接入電堆陰極模擬器形成工作回路，具體工作回路如圖2所示。燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器2、電機(jī)3、中冷器4、空壓機(jī)5、流量計(jì)6、空氣濾清器7、增濕器8、節(jié)氣門(mén)9和緩沖罐10，空氣濾清器7、流量計(jì)6、空壓機(jī)5和中冷器4依次連接，中冷器4連接增濕器8，增濕器8連接電堆陰極模擬器1，增濕器8還依次連接節(jié)氣門(mén)9和緩沖罐10。本實(shí)施例以空壓機(jī)5為例作匹配測(cè)試。

其中預(yù)定電堆的額定功率為30W空壓機(jī)5的基本參數(shù)如下：

該空壓機(jī)5采用高速電機(jī)+專(zhuān)用泵頭的形式，高速電機(jī)額定轉(zhuǎn)速40000r/min，允許最高轉(zhuǎn)速50000r/min，泵頭為正向設(shè)計(jì)，專(zhuān)為燃料電池空壓機(jī)所需低流量、高壓比設(shè)計(jì)?？諌簷C(jī)5采用二級(jí)增壓，經(jīng)過(guò)二級(jí)增壓后，空氣出口溫度最高可達(dá)約90℃，壓比最高可達(dá)1.7左右。

其中增濕器8的基本參數(shù)如下：增濕器8采用Perma Pure型號(hào)為FC400-2500-10LP的管殼式增濕器，該增濕器8的最大工作壓力為0.69bar，其允許的工作流體溫度為1℃～80℃。為了滿足燃料電池需求，增濕器8的出口相對(duì)濕度應(yīng)＞60％。本實(shí)施例空氣濾清器7選用曼胡默爾MAH 45 200 92 920過(guò)濾器，重量1.7kg，流量范圍2～4.5m3/min。

步驟04：對(duì)電堆陰極模擬器進(jìn)行虛擬功率加載，虛擬功率與對(duì)應(yīng)工況下的燃料電池電堆功率相等；

步驟05：運(yùn)行步驟03的工作回路，測(cè)定陰極模擬器以及空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)；

步驟06：遍歷各種加載功率，即實(shí)現(xiàn)不同的工況下的測(cè)定，循環(huán)執(zhí)行步驟04、步驟05；

步驟07：完成所有虛擬功率下陰極模擬器以及空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)定，并根據(jù)測(cè)得的關(guān)鍵參數(shù)判定燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與燃料電池電堆是否匹配，結(jié)束匹配測(cè)試。

所述的電堆陰極模擬器包括模擬電堆空氣進(jìn)氣的空氣進(jìn)氣口、排放多余空氣的空氣排放口、對(duì)空氣流過(guò)的體積進(jìn)行調(diào)節(jié)的陰極容積調(diào)節(jié)模塊、對(duì)空氣流過(guò)的壓力損失進(jìn)行調(diào)節(jié)的流阻調(diào)節(jié)模塊以及模擬氧氣消耗的空氣消耗口，所述的冷空氣進(jìn)氣口連接燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)。

步驟02對(duì)電堆陰極模擬器標(biāo)定具體包括：

(21)調(diào)節(jié)陰極容積調(diào)節(jié)模塊，對(duì)陰極模擬器中空氣流過(guò)的體積進(jìn)行標(biāo)定，使空氣流過(guò)的體積等于燃料電池電堆陰極的容積；

(22)調(diào)節(jié)流阻調(diào)節(jié)模塊，對(duì)電堆陰極模擬器中壓力損失進(jìn)行標(biāo)定，使得在不同運(yùn)行功率工況下陰極模擬器壓降特性與燃料電池電堆在的壓降特性吻合。

步驟(22)中具體通過(guò)如下方式對(duì)電堆陰極模擬器中壓力損失進(jìn)行標(biāo)定：

選取N個(gè)運(yùn)行功率工況點(diǎn)，不斷調(diào)節(jié)流阻調(diào)節(jié)模塊，并測(cè)量工作于第i個(gè)運(yùn)行功率工況點(diǎn)時(shí)電堆陰極模擬器的壓降ΔP_i^sim，i＝1,2……N，直至使得下式標(biāo)定誤差E_cali取得最小：

其中，ΔP_i^stack為燃料電池電堆在第i個(gè)運(yùn)行功率工況點(diǎn)下的壓降。本實(shí)施例設(shè)燃料電池電堆最大功率為P，取4個(gè)常用運(yùn)行功率工況點(diǎn)25％P，50％P，75％P，100％P進(jìn)行電堆陰極模擬器中壓力損失進(jìn)行標(biāo)定。

步驟04具體為：

(41)調(diào)節(jié)電堆陰極模擬器的消耗的氧氣流量

其中，I為虛擬功率下對(duì)應(yīng)的燃料電池電堆電流，I＝P_x/U，P_x為虛擬功率，U為燃料電池電堆電壓，N_cell為燃料電池電堆單片數(shù)目，M_O2為摩爾質(zhì)量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)；

(42)調(diào)節(jié)電堆陰極模擬器排放的多余空氣的流量且

步驟(41)和步驟(42)中氧氣流量和多余空氣流量均是對(duì)應(yīng)通過(guò)設(shè)置在電堆陰極模擬器空氣消耗口以及空氣排放口的電動(dòng)閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)，氧氣以及多余空氣的流動(dòng)是受到電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度θ和對(duì)內(nèi)外壓比P_atm/P_stack影響，電動(dòng)閥門(mén)的選擇必須滿足：

即在閥門(mén)開(kāi)度為100％，且壓比為0.5283時(shí)，必須能達(dá)到最大的電流加載。

本實(shí)施例中首先在不同的虛擬功率下找到對(duì)應(yīng)的電流值I，計(jì)算消耗的氧氣流量計(jì)算得為714.5L/min，然后利用空氣排放口的電動(dòng)閥門(mén)對(duì)電堆陰極模擬器多余的空氣進(jìn)行排放，使多余的空氣流量等同于消耗的氧氣流量。

步驟07中判定燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與燃料電池電堆是否匹配具體為：若在不同的虛擬功率下測(cè)得的關(guān)鍵參數(shù)均滿足設(shè)定范圍則燃料電池空氣供應(yīng)子系統(tǒng)與燃料電池電堆匹配。具體的關(guān)鍵參數(shù)包括電堆陰極模擬器入口氣流的壓力、溫度、濕度和流量；電堆陰極模擬器出口的壓力、溫度、濕度和流量；空壓機(jī)5的相關(guān)參數(shù)，包括空氣流量、出口壓力、溫度及壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓和電流；增濕器8干側(cè)出口流量、壓力、溫度和濕度；濕側(cè)出口流量、壓力、溫度和濕度。