CN109921070B - 一种车用燃料电池系统的测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池测试技术领域，具体涉及一种车用燃料电池系统的测试装置和方法，装置包括燃料电池电堆模块、供排气模块、散热模块、辅助电源模块、DC/DC模块、负载模块和控制模块，所述燃料电池电堆模块与所述供排气模块、散热模块、DC/DC模块和控制模块分别相连，所述DC/DC模块分别与所述供排气模块和散热模块连接，所述辅助电源模块与所述DC/DC模块连接。本发明的有益效果是：充分考虑燃料电池电动整车实际高压配置及能量转化方式，统计燃料电池额定输出功率，最大输出功率，辅机消耗功率，系统效率。由这些数据可以评价燃料电池系统净输出能力、辅机功耗水平、以及整个系统的效率水平。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试技术领域，具体涉及一种车用燃料电池系统的测试装置和方法。
背景技术
燃料电池新能源车辆具有续驶里程长，加注时间短等优势，相比纯电新能源车辆具有一定的优势。燃料电池理论效率可达80％，但实际使用过程由于辅机耗能、工作温度湿度、催化剂含量等影响，其实际效率一般在45～60％范围内。燃料电池系统效率直接影响整车经济性，需采用专用测试装置进行测试评价。现有方案主要为国标《GBT 24554-2009燃料电池发动机性能测试方法》中的测试方案，只对燃料电池电堆发电效率和部分辅助系统效率损耗的测试，其结果换算为燃料电池系统效率。此测试评价方法并未考虑升降压DC/DC转换系统损耗，无法真实反映辅机能耗，测试结果与实车实际效率存在较大差异，无法准确的反映燃料电池系统集成性能，对燃料电池车辆功耗和续驶里程估算存在较大偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种车用燃料电池系统的测试装置和方法，用于解决测试出燃料电池系统的净输出功率与实际相差太大的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种车用燃料电池系统的测试装置，包括燃料电池电堆模块、供排气模块、散热模块、辅助电源模块、DC/DC模块、负载模块和控制模块，所述燃料电池电堆模块与所述供排气模块、散热模块、DC/DC模块和控制模块分别相连，用于提供整车所需电能；所述负载模块分别与所述控制模块和DC/DC模块连接，为燃料电池发动机系统提供模拟整车耗电器件的测试负载；所述DC/DC模块分别与所述供排气模块和散热模块连接；所述辅助电源模块与所述DC/DC模块连接，用于提供整车B级直流高压电源。
进一步地，所述DC/DC模块包括升压DC/DC模块和降压DC/DC模块，所述升压DC/DC模块用于将所述燃料电池电堆模块输出的电压调节至适合整车需求的整车直流高压，所述降压DC/DC模块用于将整车B级直流高压调节为适配于所述散热模块和供排气模块的电压。
进一步地，所述供排气模块包括空气供应子模块和氢气供应子模块，用于保证所述燃料电池电堆模块进排气正常和提供原料。
进一步地，所述降压DC/DC模块包括第一降压DC/DC子模块和第二降压DC/DC子模块。
进一步地，所述第二降压DC/DC子模块连接所述辅助电源模块和供排气模块。
进一步地，所述第一降压DC/DC子模块连接所述辅助电源模块和散热模块。
进一步地，所述升压DC/DC模块连接所述燃料电池电堆模块和负载模块。
进一步地，所述控制模块包括下位机处理单元，上位机控制监视单元，数据采集单元，所述数据采集单元用于采集供排气模块、散热模块和负载模块的数据信号，所述下位机处理单元用于处理所述数据采集单元所采集的数据，并传递给所述上位机控制监视单元进行控制并显示。
基于上述一种车用燃料电池系统的测试装置，本发明还公开一种车用燃料电池系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：所述控制模块采集与所述升压DC/DC模块相连的所述负载模块的输入电压电流，并计算获得负载功率；
步骤二：所述控制模块采集与所述第一降压DC/DC子模块相连的的所述辅助电源模块的输出电压电流，并计算获得所述辅助电源模块散热消耗功率；
步骤三：当所述空气供应子模块需求电压低于整车B级直流高压时，所述控制模块采集与所述第二降压DC/DC子模块相连的所述辅助电源模块的输出电压电流，并计算获得所述辅助电源模块供排气功率；
步骤四：将负载功率扣除所述辅助电源模块的散热消耗功率和供排气功率作为燃料电池系统净输出功率，将根据氢气供应子模块采集的氢气流量计算的能量作为燃料电池系统总输入功率，将净输出功率与总输入功率相除，得到燃料电池系统总效率。
本发明的有益效果是：
1、充分考虑燃料电池电动整车实际高压配置及能量转化方式，将辅机消耗(散热消耗、供排气消耗和降压DC/DC电压转化消耗)从燃料电池系统输出功率(此系统含升压DC/DC模块)中扣除，得到真正的燃料电池系统净输出功率，并能根据测试结果评估燃料电池系统的辅机功耗水平。依据净输出功率可以进一步计算得到燃料电池系统效率。此净输出功率、辅助功耗和总系统效率作为评价指标更能体现系统集成性能；
2、由于充分考虑了各级DC/DC转化效率损失，车用燃料电池系统净输出功率更加符合实际计算仿真的需求，可以根据此净输出功率进一步估算燃料电池车辆功耗和续驶里程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例所述的一种车用燃料电池系统的测试装置和方法的结构示意图。
附图标记：
1-燃料电池电堆模块；2-供排气模块；3-散热模块；4-辅助电源模块；5-DC/DC模块；6-负载模块；7-控制模块；8-升压DC/DC模块；9-第一降压DC/DC子模块；10-第二降压DC/DC子模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图1所示，本发明所提供的一种车用燃料电池系统的测试装置，包括燃料电池电堆模块1、供排气模块2、散热模块3、辅助电源模块4、DC/DC模块5、负载模块6、控制模块7，燃料电池电堆模块1与供排气模块2、散热模块3、DC/DC模块5和控制模块7分别相连，用于提供整车所需电能；所述负载模块分别与所述控制模块和DC/DC模块连接，为燃料电池发动机系统提供模拟整车耗电器件的测试负载；所述DC/DC模块分别与所述供排气模块和散热模块连接；所述辅助电源模块与所述DC/DC模块连接，用于提供整车B级直流高压电源。供排气模块2包括空气供应子模块、氢气供应子模块、氮气供应单元以及排空单元等必备单元，用于保证燃料电池电堆模块1进排气正常和提供原料，原料具体为氢气和氧气。散热模块3包括散热风扇、散热水箱和水泵等单元，主要对燃料电池电堆模块1进行冷却，维持燃料电池电堆模块1工作在合适的温度下。负载模块6为可调电子负载，由控制模块7控制，能够模拟整车运行过程中燃料电池系统消耗的能量。控制模块7包括下位机处理单元，上位机控制监视单元，数据采集单元等，完成对供排气模块2中氢气和氧气反应供给的数据和尾气排放的数据进行采集计算控制显示等操作，完成对散热模块3中燃料电池电堆模块1的散热冷却进行数据的采集计算和控制显示等操作，完成对负载模块6中的压力流量电压电流等数据的采集计算控制显示工作。
进一步地，DC/DC模块5包括升压DC/DC模块和降压DC/DC模块，升压DC/DC模块用于将燃料电池电堆模块1输出的电压调节至适合整车需求的整车直流高压，降压DC/DC模块用于将整车B级直流高压调节为适配于散热模块3和供排气模块2的电压。
进一步地，降压DC/DC模块包括第一降压DC/DC子模块9和第二降压DC/DC子模块10。由于计算燃料电池系统输出功率和效率需要扣除辅机能量，而辅机的能量来源于辅助电源模块4，因此需要控制模块7中的数据采集单元采集辅助电源模块4的输出电压电流，由下位机处理单元计算功率交由上位机控制监控单元进行显示记录。燃料电池整车所有辅机的能耗都是通过整车B级直流高压转化而来，为充分模拟整车状态，将辅助电源模块4的B级直流电压设置为与整车直流高压一致。
进一步地，供排气模块2包括空气供应子模块和氢气供应子模块。辅机中耗电最大的即空气供应子模块。空气供应子模块包含空压机、增湿器等部件。空压机正常为直流空压机，由B级直流高压直接驱动或通过降压DC/DC模块将B级直流高压降压调整至直流空压机允许的电压范围内驱动，当空压机电压低于整车B级直流高压时，将第二降压DC/DC子模块10连接辅助电源模块4和供排气模块2，控制模块7中的数据采集单元负责采集辅助电源模块4的供排气所需电压电流，由下位机处理单元处理计算供排气功率后交由上位机控制监控单元进行显示记录。
进一步地，辅机中另外的主要耗电部件为散热模块3。燃料电池电堆模块1的正常工作需要内部温度维持在合适的范围内，此时风扇水泵等耗电元件需要持续工作。整车中风扇水泵电压平台一般为24V或12V，而辅助电源模块4正常输出为B级直流高压，需要降压调整至与整车低压平台一致。将第一降压DC/DC子模块9连接辅助电源模块4和散热模块3，控制模块7中的数据采集单元负责采集辅助电源模块4的散热所需电压电流，由下位机处理单元处理计算散热功率后交由上位机控制监控单元进行显示记录。
进一步地，其中燃料电池系统的整车直流高压一般高于燃料电池电堆模块1的输出电压，而且燃料电池电堆模块1的输出电压偏软。因此，整车中一般添加升压DC/DC模块8对燃料电池电堆模块1的输出电压进行调节，调节至与整车直流高压一致。整车中的燃料电池电堆模块1额定功率一般都较大，而升压DC/DC模块8的转化效率一般为90％，该部分能量转化损失对于燃料电池系统的输出功率、效率计算和整车续驶里程预估都影响较大，需单独考虑升压DC/DC模块8损失能耗。
升压DC/DC模块8连接燃料电池电堆模块1和负载模块6，升压DC/DC模块8将燃料电池电堆模块1输出的电压调整至与整车B级直流高压一致，模拟燃料电池整车中与动力电池电耦合的过程，燃料电池电堆模块1输出的电压进行升压后驱动负载模块6，负载模块6为整车中电机、空调等高压部件。控制模块7中的数据采集单元负责采集负载模块6的输入电压电流，由下位机处理单元处理计算负载功率后交由上位机控制监视单元进行显示记录。
本发明还提供了一种车用燃料电池系统的测试方法，通过测试燃料电池系统在不同稳态工况下的输出特性，充分计算DC/DC效率损失后的净输出功率能力和燃料电池系统效率。例如，可在燃料电池发动机工作范围内均匀选择多个工况点，工况点选择的数量可以测试精度要求调整，在此不再约束限制。
该方法包括如下步骤：
步骤一：控制模块7采集与升压DC/DC模块8相连的负载模块6输入电压电流，控制模块7根据负载模块6输入电压电流计算获得不同工况点负载功率，并记录，拟合负载功率曲线(纵轴为负载功率，横轴为系统输出电流)。将工况点中可持续运行60分钟的最大负载功率做为燃料电池系统的持续输出功率，将工况点中的最大负载功率做为燃料电池系统的最大输出功率。
步骤二：控制模块7采集与第一降压DC/DC子模块9相连的辅助电源模块4输出电压电流。控制模块7根据采集数据获得辅助电源模块4在不同工况点下的散热消耗功率，并记录，拟合散热消耗功率曲线(纵轴为散热消耗功率，横轴为步骤5系统净输出功率)。
步骤三：同理，当空压机电压低于整车B级直流高压时，控制模块7根据采集数据获得辅助电源模块4在不同工况点下的供排气消耗功率，并拟合供排气消耗功率曲线(纵轴为供排气消耗功率，横轴为步骤五的系统净输出功率)。
步骤四：将负载功率扣除辅助电源模块4的散热消耗功率和供排气消耗功率作为燃料电池系统净输出功率，将根据氢气供应子模块采集的氢气流量计算的能量作为燃料电池系统总输入功率。将总输出功率与总输入功率相除，得到燃料电池系统在不同工况点下总效率，记录并拟合车用燃料电池系统效率曲线(纵轴为效率，横轴为系统输出电流或系统净输出功率)。
根据以上步骤，可以将燃料电池系统的系统性能指标分解，从净输出功率、辅机功耗、总系统效率多维度评价燃料电池系统集成能力。标称功率相同的燃料电池系统净输出额定功率、净输出最大功率较大者，其功率输出性能更加优秀；标称功率相同的燃料电池系统辅机能耗(散热消耗和供排气消耗)较小者，其辅机功耗控制更优；标称功率相同的燃料电池系统效率较高者，其集成匹配控制更加合理，能量利用率更加出色。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种车用燃料电池系统的测试装置，其特征在于，包括燃料电池电堆模块、供排气模块、散热模块、辅助电源模块、DC/DC模块、负载模块和控制模块，所述燃料电池电堆模块与所述供排气模块、散热模块、DC/DC模块和控制模块分别相连，用于提供整车所需电能；所述负载模块分别与所述控制模块和DC/DC模块连接，为燃料电池发动机系统提供模拟整车耗电器件的测试负载；所述DC/DC模块分别与所述供排气模块和散热模块连接，所述辅助电源模块与所述DC/DC模块连接，用于提供整车B级直流高压电源；
所述DC/DC模块包括升压DC/DC模块和降压DC/DC模块，所述升压DC/DC模块用于将所述燃料电池电堆模块输出的电压调节至适合整车需求的整车直流高压，所述降压DC/DC模块用于将整车B级直流高压调节为适配于所述散热模块和供排气模块的电压；
所述升压DC/DC模块连接所述燃料电池电堆模块和负载模块。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池系统的测试装置，其特征在于：所述供排气模块包括空气供应子模块和氢气供应子模块，用于保证所述燃料电池电堆模块进排气正常和提供原料。
3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池系统的测试装置，其特征在于：所述降压DC/DC模块包括第一降压DC/DC子模块和第二降压DC/DC子模块。
4.根据权利要求3所述的一种车用燃料电池系统的测试装置，其特征在于：所述第二降压DC/DC子模块连接所述辅助电源模块和供排气模块。
5.根据权利要求3所述的一种车用燃料电池系统的测试装置，其特征在于：所述第一降压DC/DC子模块连接所述辅助电源模块和散热模块。
6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池系统的测试装置，其特征在于：所述控制模块包括下位机处理单元，上位机控制监视单元，数据采集单元，所述数据采集单元用于采集供排气模块、散热模块、和负载模块的数据信号，所述下位机处理单元用于处理所述数据采集单元所采集的数据，并传递给所述上位机控制监视单元进行控制并显示。
7.一种基于上述权利要求1-6任一项所述的一种车用燃料电池系统的测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：所述控制模块采集与所述升压DC/DC模块相连的所述负载模块的输入电压电流，并计算获得负载功率；
步骤二：所述控制模块采集与第一降压DC/DC子模块相连的的所述辅助电源模块的输出电压电流，并计算获得所述辅助电源模块散热消耗功率；
步骤三：当空气供应子模块需求电压低于整车B级直流高压时，所述控制模块采集与第二降压DC/DC子模块相连的所述辅助电源模块的输出电压电流，并计算获得所述辅助电源模块供排气功率；
步骤四：将负载功率扣除所述辅助电源模块的散热消耗功率和供排气功率作为燃料电池系统净输出功率，将根据氢气供应子模块采集的氢气流量计算的能量作为燃料电池系统总输入功率，将净输出功率与总输入功率相除，得到燃料电池系统总效率。
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