以蓄电池为主要动力的电动汽车是各国近二十年研究的热点, 但由于蓄电池性能限制及其可能产生的二次污染, 所以使得燃料电池及以燃料电池为主要动力的电动汽车成为世界各大汽车公司竞相开发的产品。燃料电池发动机系统由燃料电池和辅助系统组成^[1]。其中, 燃料电池系统起储能供电的作用, 是整个燃料电池发动机系统最核心的部分。辅助系统包括氢气供给系统、空气供给系统、冷却水循环系统、电功率测量系统、报警系统、通讯系统等^[2]。

一个完整的燃料电池汽车整车结构如图 1所示。

图 1中, 燃料电池系统、DC/DC变换器和蓄电池是本文的被测对象。DC/DC变换器通过改变燃料电池电压, 将其与蓄电池进行匹配后输送到电动机控制器。蓄电池作为辅助能源, 在汽车启动、爬坡、加速时提供动力。整车控制器的目的在于接收和发布燃料电池、DC/DC变换器、电动机控制器和蓄电池控制信号^[3]。

为了充分检测燃料电池汽车在各种复杂工况下的参数变化, 每辆车需要通过大量重复性的试验来确保产品质量可靠。在这种情况下, 如何使产品检测成本尽可能降低, 是每个汽车测试部门需要考虑的问题。降低测试成本的方法有许多, 两种常见的传统测试方法为恒功率试验法和测功机台架试验法。

恒功率燃料电池试验法是将燃料电池直接和电子负载连接, 调节电子负载的滑动变阻器大小从而控制燃料电池的载荷。当燃料电池的输出电压为恒定时, 例如输出电压为150 V时, 电子负载加载的电流不断均匀增大, 燃料电池汽车的输出功率也呈现线性上升。具体步骤如下:当燃料电池处于稳定运行状态时, 开启电子负载, 负载电流由零开始, 电流变化速率为每秒增加1 A, 每隔10 s记录一次数据, 直至电流达到最大为110 A。共测量110个数据点, 统计这110个数据点的输出功率, 绘制出电压随电流的变化曲线图, 结果如图 2所示。该方法的优势为可操作性强, 便于直接测量燃料电池的功率情况。缺点为无法真实模拟燃料电池汽车的复杂工况。

为了真实模拟汽车道路工况, 工程技术人员借助实验室台架进行燃料电池汽车的性能试验。根据GB/T 24554—2009《燃料电池发动机性能试验方法》, 可以测试燃料电池发动机的可靠性、气密性和效率等^[4]。本文着重介绍的测功机台架试验工作原理如图 3所示。

该试验方法是利用测功机和电机作为加载装置模拟真实工况, 按照测试标准向燃料电池发动机提供负载。发动机工作过程中, 随着输出功率的增加, 输出电压降低, DC/DC变换器将母线电压保持在一定范围内, 此时驱动器控制交流电机运行, 交流电机输出轴将机械功率传递到测功机上, 利用功率分析仪测量出输出电流电压, 计算出输出功率。

作为目前比较典型的测试方法, 其优势为贴近燃料电池汽车真实的工作状况, 可以由测功机加载不同负载, 检测燃料电池发动机的电流电压变化情况。同时, 可以测试汽车峰值功率, 汽车急停时功率变化情况。该方法的缺陷在于需要的设备较多且机械和电气连接过于复杂, 易产生故障, 测试过程中误差较大, 同时不便于频繁更换被测对象。

结合上述两种常见的测试方法, 本文将基于半实物仿真平台理念搭建出兼备两者优势的新的试验方法。新方法的特点在于减少实验室台架搭建的工程量, 减小台架占地面积, 降低设备之间的不兼容性, 降低电机本体故障率, 满足燃料电池汽车复杂工况的行驶要求, 解决传统硬件在环系统无法实现功率级测试的问题, 而实现真正意义上的发动机驱动系统测试。

半实物仿真系统是一种方便模拟实际工况的辅助工具。通过将上位机上控制对象的数学模型与实际已有设备连接, 可以检测现有设备的稳态、动态、线性及非线性状况。该系统的优势在于产品量产前易于调试。当控制器各项性能达不到预定要求时, 可以修改控制器参数。

本文所采用的燃料电池测试平台额定功率不高于40 kW, 额定电压为400 V。常温常压下, 氢气流量范围为0~3 500 L/min, 氧气流量范围为0~10 000 L/min, 气体温度不超过90 ℃, 冷却液温度范围为0~85 ℃^[5-6]。整个系统由实时控制系统、燃料电池系统、电子负载和燃料电池辅助系统4个部分组成。其中, 实时控制系统由燃料电池控制和数据采集模块、电驱动桥及车辆仿真模型两部分组成。燃料电池控制和数据采集模块用于控制燃料电池测试辅助设备, 使其按照设定的工况运转, 同时采集各种数据。电驱动桥及车辆仿真模型用实时电流输出控制电子负载电流, 从而达到模拟实际工况的效果。具体如图 4所示。

测试系统进一步细化的总体结构如图 5所示。本文将测功机、交流电机、驱动器和DC/DC变换器组合成电机模拟器。燃料电池信号采集模块用于监测氢气和氧气的浓度, 将采集到的氢氧流量信息反馈到实时控制系统中, 通过CAN总线, 实时控制系统给定电机模拟器负载加载命令, 利用功率分析仪监测记录燃料电池电压电流数据。

通过建立仿真模型得出燃料电池电压-电流特性。比对新的测试方法与旧的测试方法仿真出来的电压电流特性。如果新旧方法特性相似, 即说明新的测试方法是可行的。根据经验模型, 可以得出PEMFC燃料电池的外部运行曲线, 其电压电流关系^[7-8]为

$U=E_{\mathrm{r}}+b \log J_{0}-b \log J-R J-m \mathrm{e}^{n J}$

(1)

式中:U——单电池电压;

E_r——电位;

b——塔菲尔斜率;

J₀——起始电流密度;

J——电流密度;

R——电池内阻与外电路阻抗之和;

m, n——受电流密度影响的经验参数。

将式(1)简化可得到

$U=E_{\mathrm{oc}}-i r-A \ln (i)-m \mathrm{e}^{n J}$

(2)

其中, E_oc=E+A ln(i₀)(A为经验参数)。

采用如下技术参数:E_o为1.031 V; r为2.45×10^-4 kΩ·cm²; A为0.03 V; m为2.11×10^-5 V; n为8×10^-3 cm²/mA。根据公式和参数, 可以建立如图 6所示的Simulink仿真模型, 并得到如图 7所示的电流-电压特性仿真图。

由图 7可以看出, 随着输入电流的逐渐增加, 输出电压经历缓慢降低之后, 出现急速下降, 此时功率保持在一定范围之内。由此可以得出, 新测试方法可以通过“驱动器+交流电机+测功机”作为电子负载仿真出实验室台架测试方法相同的效果^[9]。

基于半实物仿真系统建立起来的“驱动器+交流电机+测功机”作为燃料电池的电子负载, 结合了恒功率试验方法和测功机台架测试方法的优势, 得出的测试结果与车辆真实道路工况比较接近, 同时减少了试验台使用面积, 节约了试验时间和成本。采用模块化的试验方法, 使得控制系统更加稳定可靠, 重复使用率得到提高, 软件开发效率也得到提升, 完全可以满足燃料电池发动机的启动性能试验和耐久性试验, 可以为燃料电池发动机系统的研究开发提供可靠的试验能力。