本發(fā)明涉及一種燃料電池能量流測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，具體涉及一種燃料電池整車能量流測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

1、燃料電池汽車(fcevs，fuel?cell?electric?vehicles)是一種利用氫氣和氧氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的汽車。這項(xiàng)技術(shù)基于燃料電池的基本原理，結(jié)合了先進(jìn)的汽車工程和材料科學(xué)，以及能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)，燃料電池通過(guò)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，同時(shí)產(chǎn)生水作為唯一的副產(chǎn)品。這一過(guò)程比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的熱效率要高得多，且無(wú)污染排放。燃料電池汽車代表了一種清潔能源的未來(lái)，它有望在減少溫室氣體排放和改善空氣質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的逐漸成熟，預(yù)計(jì)燃料電池汽車將在未來(lái)的交通體系中占據(jù)一席之地。

2、燃料電池整車能量流測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法是一種確保車輛能效和續(xù)航能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確定燃料電池系統(tǒng)、電池組、電動(dòng)機(jī)和其它車載系統(tǒng)在不同工況下的能量消耗，評(píng)估能量管理策略的有效性，比如在輕載模式下，燃料電池是否能有效地為電池充電，以備后續(xù)大扭矩需求，測(cè)試燃料電池與電池組之間的能量分配，確保兩者在不同駕駛條件下能夠無(wú)縫配合。驗(yàn)證車輛在制動(dòng)模式下，電動(dòng)機(jī)能否有效轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，回收能量回充電池，即所謂的“再生制動(dòng)”，確認(rèn)燃料電池系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下的性能，包括低溫啟動(dòng)能力和高溫下的穩(wěn)定性，測(cè)試車輛在不同駕駛循環(huán)下的表現(xiàn)，確保在城市、高速和山區(qū)等路況下都能保持良好的能效，通過(guò)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，可以優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少材料使用，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提高效率，通過(guò)這些測(cè)試，制造商可以確保燃料電池汽車的整體性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也能為消費(fèi)者提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的駕駛體驗(yàn)。此外，這些測(cè)試數(shù)據(jù)還能用于持續(xù)改進(jìn)車輛設(shè)計(jì)，推動(dòng)燃料電池技術(shù)的發(fā)展。

3、現(xiàn)有的整車能量流測(cè)試方法都針對(duì)燃油車和純電動(dòng)整車，且測(cè)試大多局限了各子系統(tǒng)的局部測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試往往是在理想條件下進(jìn)行，無(wú)法完全模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜情況，如不同的駕駛風(fēng)格、路況、氣溫、海拔等，重復(fù)性的測(cè)試可能無(wú)法充分反映車輛在極端條件下的性能；動(dòng)態(tài)工況的復(fù)雜性，車輛在實(shí)際使用中會(huì)遇到各種不同的工況，而測(cè)試可能僅限于預(yù)定義的循環(huán)或工況，這可能無(wú)法全面反映車輛的實(shí)際性能，能量流測(cè)試需要考慮車輛各個(gè)子系統(tǒng)間的相互作用，例如電池、電機(jī)、熱管理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在實(shí)際使用中可能會(huì)表現(xiàn)出非線性或動(dòng)態(tài)的行為，而測(cè)試可能無(wú)法完全捕捉這些細(xì)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是提出一種測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法，在整車實(shí)車上進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和分析，本發(fā)明對(duì)在燃料電池汽車上進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的采集，包括燃料電池、動(dòng)力電池、電機(jī)和整車附件實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)做整車能量流的流動(dòng)分布及數(shù)據(jù)分析，分析了解在不同環(huán)境、不同工況下的整車能量流情況，為燃料電池系統(tǒng)和整車各零部件提供優(yōu)化方向以及降低整車能量氫耗提供數(shù)據(jù)支持，根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)優(yōu)化燃料電池整車的集成架構(gòu)和燃料電池和動(dòng)力電池相互配合的整車能量管理策略。

2、本發(fā)明技術(shù)方案如下。

3、一種燃料電池整車能量流測(cè)試系統(tǒng)。主要由上位機(jī)、燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池電堆、dcf(升壓dc)、空壓機(jī)、氫泵、水泵、ptc加熱器、dcl(降壓dc)、電池水冷機(jī)組、空調(diào)壓縮機(jī)、制動(dòng)打氣泵、轉(zhuǎn)向油泵、整車低壓附件、dcdc、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、多合一控制器、動(dòng)力電池和整車能量流測(cè)試系統(tǒng)組成，如圖1所示(圖1中向上的箭頭代表電連接或者通訊連接，向下箭頭代表控制部件)。

4、整車能量流測(cè)試系統(tǒng)，包括上位機(jī)通過(guò)can網(wǎng)絡(luò)與整車多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行電連接或者通訊連接(如燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)，動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)等)，且同時(shí)收集并記錄各個(gè)零部件實(shí)時(shí)或者指定時(shí)間內(nèi)上傳的電壓電流、溫度、壓力、車速、扭矩和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。上位機(jī)1通過(guò)實(shí)時(shí)車輛的狀態(tài)所收集到數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，來(lái)分析出整車能量流的流動(dòng)。

5、一種燃料電池整車能量流測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，包括如下步驟：

6、(1)由儲(chǔ)氫系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械接口與燃料電池系統(tǒng)氫氣機(jī)械入口相連接，供入能量來(lái)源，氫氣給予燃料電池系統(tǒng)，同時(shí)儲(chǔ)氫系統(tǒng)實(shí)時(shí)或指定采集時(shí)間內(nèi)的氫瓶?jī)?nèi)溫度和壓力，以及氫氣消耗量通過(guò)can網(wǎng)絡(luò)內(nèi)上傳數(shù)據(jù)給上位機(jī)采集，能實(shí)時(shí)根據(jù)公式分析出當(dāng)前測(cè)量時(shí)間內(nèi)氫氣的消耗量是多少，產(chǎn)生了多少能量。

7、公式ⅰ：

8、

9、mh2——測(cè)量時(shí)間內(nèi)的燃料消耗量,單位為克(g)；

10、m——?dú)浞肿幽栙|(zhì)量(2.016),單位為克每摩爾(g/mo?l)；

11、v——燃料罐中高壓部分和附件的總?cè)莘e(減壓閥,管路等),單位為升(l)；

12、r——共用氣體常量,r＝0.0083145[mpa·l/(mo?l·k)]；

13、p1——檢測(cè)開(kāi)始時(shí)罐體內(nèi)氣體分子數(shù),壓力,單位為兆帕(mpa)；

14、p2——檢測(cè)結(jié)束時(shí)罐體內(nèi)氣體分子數(shù),壓力,單位為兆帕(mpa)；

15、t1——檢測(cè)開(kāi)始時(shí)罐體內(nèi)氣體分子數(shù),溫度,單位為開(kāi)爾文(k)；

16、t2——檢測(cè)結(jié)束時(shí)罐體內(nèi)氣體分子數(shù),溫度,單位為開(kāi)爾文(k)；

17、z1——在p1t1下的氫氣壓縮因子,按照以下的方法進(jìn)行求解；

18、

19、p——壓力,單位為兆帕(mpa)；

20、t1——溫度,單位為開(kāi)爾文(k)；

21、vij——常數(shù)，見(jiàn)下表；(i、j是下表對(duì)應(yīng)的系數(shù))

22、對(duì)于一組確定的溫度t和壓力p,利用公式可以求出一個(gè)對(duì)應(yīng)的壓縮因子z。

23、

24、(2)燃料電池系統(tǒng)中，通過(guò)儲(chǔ)氫系統(tǒng)供入的氫氣和空壓機(jī)供入的空氣在電堆中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，由電堆對(duì)外進(jìn)行輸出電能，由dcf的輸入電壓電流，發(fā)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或指定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，表明電堆所產(chǎn)生的能量，在每一采樣時(shí)段對(duì)所計(jì)算電壓電流得出的功率做積分，能得到累積所產(chǎn)生的能量。

25、公式ii：

26、

27、q電堆——為電堆在設(shè)定采樣時(shí)間內(nèi)的所產(chǎn)生的能量，t為所設(shè)定的采樣實(shí)際時(shí)間。

28、vdcf_in(t)——為采樣時(shí)間內(nèi)dcf的輸入電壓。

29、idcf_in(t)——為采用時(shí)間內(nèi)dcf的輸入電流。

30、燃料電池系統(tǒng)中，dcf的輸出電壓電流，發(fā)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或指定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，表明dcf對(duì)外輸出所產(chǎn)生的能量，同時(shí)對(duì)空壓機(jī)、氫泵、水泵、ptc、dcl的輸出電壓電流，在每一采樣時(shí)段對(duì)所計(jì)算電壓電流得出的功率做積分，能得到累積所產(chǎn)生的能量。這樣能得到整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率、氫氣利用率，整個(gè)運(yùn)行工況下，燃料電池對(duì)外輸出的能量、電堆所產(chǎn)生的能量、消耗氫氣所產(chǎn)生的能量以及電堆的效率，能得到燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)是否正常，同時(shí)也能得到各個(gè)階段熱值能量的損失情況，為能量管理策略優(yōu)化作為數(shù)據(jù)支持。

31、公式iii：

32、

33、qf——為燃料電池系統(tǒng)在設(shè)定采樣時(shí)間內(nèi)的所產(chǎn)生的能量，t為所設(shè)定的采樣實(shí)際時(shí)間。

34、vdcf_out(t)——為采樣時(shí)間內(nèi)dcf的輸出電壓。

35、idcf_ou(t)——為采用時(shí)間內(nèi)dcf的輸出電流。

36、燃電電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)平均效率按照以下公式iv計(jì)算：

37、

38、qf——為燃料電池系統(tǒng)在設(shè)定采樣時(shí)間內(nèi)的所產(chǎn)生的能量。

39、mh2——燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)氫氣消耗量，單位為克(g)；。

40、lhvh2——?dú)錃獾蜔嶂担?.2×105kj/kg。

41、ηfd——燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率。

42、(3)動(dòng)力電池中，通過(guò)燃料電池系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能和驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)回收或滑行回收是所帶來(lái)的電量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)所消耗的電量，通過(guò)動(dòng)力電池在can網(wǎng)絡(luò)總線上發(fā)出指定時(shí)間內(nèi)的輸入電池電壓和輸出電池電壓信息，表明電池瞬時(shí)或指定時(shí)間內(nèi)的能量流動(dòng)，在每一采樣時(shí)段對(duì)所計(jì)算電壓電流得出的功率做積分(參照公式ii)，能體現(xiàn)出所累積的能量輸入進(jìn)動(dòng)力電池的數(shù)值和動(dòng)力電池輸出的能量數(shù)值，同時(shí)也能觀察不同工況下，電池循環(huán)充放電的效率及損失的能量數(shù)值，對(duì)于控制soc所處最優(yōu)，效率損失最小的數(shù)值提供數(shù)據(jù)支撐

43、(4)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所輸出的扭矩和制動(dòng)回收的扭矩，所帶來(lái)能量的輸出和回收，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)在can網(wǎng)絡(luò)總線上發(fā)出指定時(shí)間內(nèi)的扭矩和轉(zhuǎn)速信息，同時(shí)配合判定是否踩剎車踏板、扭矩的是正負(fù)值，能判定出車輛是否在驅(qū)動(dòng)行駛還是在滑行剎車，還是在制動(dòng)剎車，同時(shí)根據(jù)每一采樣時(shí)段對(duì)所采集扭矩和轉(zhuǎn)速得出的功率做積分，能體現(xiàn)出電機(jī)輸出到車輪上電能轉(zhuǎn)機(jī)械能的能量和能量損耗，和電機(jī)輸入到動(dòng)力電池上，機(jī)械能轉(zhuǎn)電能的能量和能量損耗，對(duì)于電機(jī)的耗值能體現(xiàn)到當(dāng)前工況下整車所承載的重量和電機(jī)效率是否長(zhǎng)期處于最優(yōu)狀態(tài)。

44、公式iv：

45、qmot＝∫0ttmot(t)·nmot(t)/9550dt

46、qmot——為驅(qū)動(dòng)電機(jī)在設(shè)定采樣時(shí)間內(nèi)的所產(chǎn)生的能量。

47、tmot——驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際扭矩值，單位為克n。

48、nmot——驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值，單位為克rpm。

49、(5)通過(guò)分析測(cè)試的總里程的工況下，可以將整個(gè)能量流的各個(gè)零部件的總消耗能量轉(zhuǎn)換成百公里能耗，這樣能對(duì)比不同車輛、不同工況、不同環(huán)境、不同駕駛習(xí)慣等變量因素的能耗，同時(shí)能觀察燃料電池系統(tǒng)百公里的能耗狀態(tài)、平均效率等，分析燃料電池是否運(yùn)行在整車區(qū)間，找出影響能耗的重要原因，給改善能量管理策略提供方向(如整個(gè)工況運(yùn)行期間，如燃料電池所產(chǎn)生的能量分配給動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的占比數(shù)值，可以反應(yīng)出當(dāng)前的能量管理控制策略是否需要進(jìn)一步優(yōu)化；所燃料電池的效率結(jié)合該產(chǎn)品本身的系統(tǒng)效率，觀察燃料電池是否處于正常狀態(tài)等方向)。

50、本發(fā)明中燃料電池整車能量流測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法能在整車上準(zhǔn)確的采集和處理各種數(shù)據(jù)，包括燃電狀態(tài)、電流、電壓、各子系統(tǒng)溫度、壓力和整車上電池及各個(gè)附件的狀態(tài)信息，分析了解在不同環(huán)境、不同工況下的整車能量流情況，為燃料電池系統(tǒng)和整車各零部件以及降低整車能量消耗提供數(shù)據(jù)支持，優(yōu)化燃料電池整車的集成架構(gòu)和燃料電池和動(dòng)力電池相互配合的整車能量管理策略。

51、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:

52、1、能實(shí)時(shí)分析整車能量流的數(shù)據(jù)，觀察能量流動(dòng)方向，損耗的能量數(shù)值，查明每一克氫氣產(chǎn)生的能量來(lái)源去向。

53、2、將整車總能耗的數(shù)據(jù)根據(jù)公里數(shù)做成百公里能耗分析，對(duì)比不同車輛、不同工況、不同環(huán)境、不同駕駛習(xí)慣等變量因素的能耗，分析影響的因素。

54、3、分析了解在不同環(huán)境、不同工況下的整車能量流情況，為燃料電池系統(tǒng)和整車各零部件提供優(yōu)化方向以及降低整車能量氫耗提供數(shù)據(jù)支持。

55、4、能在整車上準(zhǔn)確的采集和處理各種數(shù)據(jù)，包括燃電狀態(tài)、電流、電壓、各子系統(tǒng)溫度、壓力和整車上電池及各個(gè)附件的狀態(tài)信息。