CN111060774A - 燃料电池模拟系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池模拟系统及其操作方法，该模拟系统包括串联的电网、燃料电池模拟器、DC/DC变换器和动力电池模拟器，所述动力电池模拟器电路连接有水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器；还包括上位机，所述上位机通过CAN总线通信连接所述燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器，所述上位机还通过所述CAN总线通讯连接有测量监控系统。本发明能够模拟燃料电池车辆系统的真实运行环境，对匹配到燃料电池车辆系统的部件及通信模块的参数进行测量与调试，以使各部件及通信模块匹配到燃料电池车辆系统时保证车辆的稳定运行，提高了测试精度与效率。

Description

燃料电池模拟系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，特别涉及一种燃料电池模拟系统及其操作方法。
背景技术
目前，现有技术中的燃料电池模拟系统包括燃料电池模拟器、DC/DC变换器和动力电池模拟器。其中燃料电池模拟器能够模拟燃料电池极化特性曲线(伏安特性曲线)。燃料电池模拟系统运行时，根据燃料电池模拟器的极化特性曲线变化对DC/DC变换器输出的电流电压进行测量，以使燃料电池模拟器在不同功率下测量得到DC/DC变换器运行时电流或者电压谐波，从而验证该谐波参数应用到燃料电池车辆系统上的稳定性。
由于燃料电池车辆系统，不仅包括燃料电池，还包括DC/DC变换器、动力电池、水泵、空气压缩机以及通信模块等。在燃料电池车辆系统运行时，各部件之间工作时会产生电流电压纹波，这些电流电压纹波在电路中相互干扰，在不同的工作条件下，各部件的电流电压纹波均不相同，相互干扰的程度也不一样，则各部件运行时的电流谐波和/或电压谐波的值与上述燃料电池模拟系统得到的值会不一致，从而影响到燃料电池车辆系统中车辆的稳定运行，也就是说燃料电池车辆系统在运行时，受到了相互之间的电气应力和热应力的影响而导致的电磁干扰，从而影响了车辆运行的稳定性。并且现有技术的燃料电池模拟系统只有燃料电池模拟器和DC/DC变换器参与CAN通信，因此CAN通信模块移植到具有燃料电池系统的车辆上应用时，还需要将CAN通信模块与其它部件进行通信调试，以解决水泵和空气压缩机以及其与燃料电池、DC/DC变换器、动力电池相互之间的CAN通信干扰问题。
因此，通过上述的燃料电池模拟系统得到的DC/DC变换器运行时输出的电流或者电压谐波不能反映在燃料电池车辆系统的车辆上，仍然需要对DC/DC变换器的输出电流或者电压谐波进行二次调试以及CAN通信模块的二次调试。从而降低了燃料电池车辆系统在出厂前对于车辆稳定性的测试效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种燃料电池模拟系统及其操作方法，以模拟燃料电池车辆系统的真实运行环境，对匹配到燃料电池车辆系统的部件及通信模块的参数进行测量与调试，以使各部件匹配到燃料电池车辆系统时保证车辆的稳定运行，提高了测试精度与效率。
为达到上述目的，本发明提供一种燃料电池模拟系统，包括串联的电网、燃料电池模拟器、DC/DC变换器和动力电池模拟器，所述动力电池模拟器电路连接有水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器；还包括上位机，所述上位机通过CAN总线通信连接所述燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器，所述上位机还通过所述CAN总线通讯连接有测量监控系统。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统，所述上位机内设置有CAN通信模块，所述CAN通信模块通过CAN总线对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统进行通讯。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统，所述动力电池模拟器为AC/DC双向变换器。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统，所述水泵系统模拟器包括水泵系统，所述水泵系统包括水泵和水泵控制器，以为燃料电池模拟器中的水提供泵送传输动力。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统，所述空压机系统模拟器包括空压机系统，所述空压机系统包括空气压缩机和空气压缩机控制器，以为燃料电池模拟器提供压缩空气。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统，所述加热系统模拟器包括加热系统，所述加热系统包括加热装置，对所述加热装置加热，以加速燃料电池模拟器中的反应堆的反应。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统，所述测量监控系统包括压力传感器、速度传感器、温度传感器、电压传感器和电流传感器。
为达到上述目的，本发明还提供一种上述燃料电池模拟系统的操作方法，包括：
步骤1，上位机通过CAN总线对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器以及测量监控系统进行自检；
步骤2，通过启动动力电池模拟器来启动水泵系统模拟器、空压机系统模拟器，在电网供电的情况下启动燃料电池模拟器，以为DC/DC变换器的直流电压变换提供能量供给，动力电池模拟器通过DC/DC变换器进行充电之后，将能量反馈到电网上并且输出预定功率的高频和/或低频纹波；在预定值以下的低温环境条件下通过动力电池模拟器启动加热系统模拟器，以使燃料电池模拟器的能量输出稳定；
步骤3，通过上位机对燃料电池模拟器输入燃料电池极化特性曲线相对应的电压和电流关系参数，通过上位机对水泵系统模拟器、空压机系统模拟器加载与燃料电池模拟器相关联的负载数据；在预定值以下的低温环境条件下通过上位机控制加热系统模拟器加载与燃料电池模拟器相关联的负载数据；
步骤4，通过上位机控制动力电池模拟器输出特定功率的谐波能量，所述谐波能量能够模拟车辆动力电池工作时产生的谐波。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统的操作方法，还包括：
步骤5，通过上位机控制测量监控系统对DC/DC变换器的输出电压、电流进行测试。
进一步的，本发明提供的燃料电池模拟系统的操作方法，还包括：
步骤6，通过上位机检测及调试通信模块对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统的通讯质量。
与现有技术相比，本发明提供的燃料电池模拟系统及其操作方法，通过水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器的对燃料电池模拟系统的运行参与，以及通过上位机对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统的通信参与，根据燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统等各部件相互之间的电磁干扰情况，以及通过上位机及其通信模块对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统的通信干扰的情况下，对燃料电池模拟系统中的燃料电池、DC/DC变换器、动力电池模拟器中的AC/DC双向变换器、水泵系统模拟器中的水泵系统、加热系统模拟器中的加热系统、空压机系统模拟器中的空压机系统、测量监控系统中的各传感器和上位机及其通信模块的工作性能及其参数进行测量与调试，从而将调试后的各部件匹配到燃料电池车辆系统的车辆上。本发明能够模拟燃料电池车辆系统中的各部件在电磁干扰下的工作环境，全面真实准确地对匹配到燃料电池车辆系统中的燃料电池、DC/DC变换器、动力电池、水泵、加热装置、空气压缩机及通信模块的工作性能的参数和通信参数进行测量与调试，无需安装到车辆后的二次调试，从而提高了测试精度与效率。
附图说明
图1是本发明一实施例的燃料电池模拟系统的电路原理图；
图2是本发明一实施例上位机与CAN总线的连接关系的电路原理图；
图3是燃料电池车辆系统测量DC/DC变换器电流输出关系图；
图4是本发明一实施例的燃料电池模拟系统测量DC/DC变换器电流输出关系图；
图5是现有技术的测试台架测量DC/DC变换器电流输出关系图。
图中所示：
200、燃料电池模拟系统，201、电网，202、燃料电池模拟器，203、DC/DC变换器，204、动力电池模拟器，205、水泵系统模拟器，206、加热系统模拟器，207、空压机系统模拟器，208、测量监视系统，209、CAN总线，210、上位机，211、通信模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的燃料电池模拟系统及其操作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，本发明实施例提供的燃料电池模拟系统200，包括电网201、燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206、空压机系统模拟器207、测量监控系统208、CAN总线209和上位机210。
其中电网201、燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203和动力电池模拟器204串联；所述动力电池模拟器204电路连接所述水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207。上位机210通过CAN总线209通信连接所述燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206、空压机系统模拟器207和测量监控系统208。请参考图2，上位机210内设置有通信模块211，所述通讯模块211通过CAN总线209对燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206、空压机系统模拟器207和测量监控系统208进行通讯。
其中电网201电压为380V的交流电，燃料电池模拟器202的燃料包括但不限于氢和氧，其能够输出极化特性曲线，DC/DC变换器203可以为燃料电池车辆系统中的升压型、降压型或者升降压型，动力电池模拟器204可以为AC/DC双向变换器等双向回馈式电子负载，水泵系统模拟器205包括燃料电池车辆系统的水泵系统，所述水泵系统包括水泵和水泵控制器，以为燃料电池模拟器202中的水等燃料提供泵送传输动力；加热系统模拟器206包括燃料电池车辆系统的加热系统，所述加热系统包括加热棒、加热线圈等加热装置，对加热装置加热，以加速燃料电池模拟器202中的燃料反应堆的反应，使燃料电池模拟器输出的极化特性曲线稳定；空压机系统模拟器207包括燃料电池车辆系统的空气压缩机以在预定的转数下抽取并压缩空气，使空气压缩机的功率输出与燃料电池模拟器的功率输出相关联。上位机210包括但不限于微控制器、计算机等车辆控制器。
请参考图1，本发明实施例的测量监控系统208包括但不限于燃料电池车辆系统中的压力传感器、速度传感器、温度传感器、电压传感器等电压测量装置、电流传感器等电流测量装置。其中电压测量装置和电流测量装置分别用于测量电压和电流，特别是测量DC/DC变换器203、动力电池模拟器204在燃料电池模拟器202的某一极化特性曲线下工作时对应的电压和电流参数，以模拟燃料电池系统的真实环境，从而得到DC/DC变换器203等部件的真实、可靠、精准的伏安特性曲线，以直接应用于整车上运行。无需在DC/DC变换器203安装在车辆之后，再进行调试，从而节省了工作效率。压力传感器用于测量空压机系统模拟器206、水泵系统模拟器205的压力；温度传感器用于测量环境温度、燃料电池模拟器202的反应温度、加热系统模拟器206的加热温度，以及测量燃料电池模拟器202和动力电池模拟器204的工作温度等。本发明实施例由于包括水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207从而模拟燃料电池系统的真实环境，从而通过测量监控系统208测量真实、可靠、精准的电流、电压、压力、温度等参数，以直接应用于整车上运行。本发明实施例不限于上述内部的测量监控系统208，还可以采用外部测量装置。
请参考图1，本发明实施例的燃料电池模拟系统200的运行原理如下：电网200为燃料电池模拟器202提供电能供给，燃料电池模拟器202在水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207稳定运行的情况下通过上位机210调整输出极化特性曲线的参数，以保证燃料电池模拟器202的稳定输出，然后通过DC/DC变换器203进行能量变换后为动力电池模拟器204充电，以保持动力电池模拟器204的输出功率的稳定性，动力电池模拟器204在第一方面能够将DCDC变换器203输出的直流电能转换为交流电能并反馈到电网201上；动力电池模拟器204在第二方面通过在启动前及启动过程中将电网201的交流电能转换为直流电能为水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207提供电能供给；动力电池模拟器204在第三方面根据上位机210的通信模块211的指令使其输出高频和低频纹波。其中纹波指电压或者电流纹波。上位机210通过CAN总线209对水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207发出相应指令，以使各部件处于工作或者停止状态。其中加热系统模拟器206根据工作环境温度需要进行选择启动。在上述燃料电池模拟系统200的稳定运行的前提下，上位机210通过CAN总线209控制测量监控系统208对DC/DC变换器203的输出端进行测量电压或者电流谐波。本发明实施例的燃料电池模拟系统200由于设置有水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207，考虑到燃料电池模拟器202至空压机系统模拟器207、上位机210之间的相互电压、电流及温度等电磁干扰影响，因此无论是DC/DC变换器203的输出谐波的测量与调试，还是上位机210中的通信模块211对202至208的通信质量的测量与调试，都能够真实地模拟燃料电池车辆系统的参数要求。
本发明实施例的燃料电池模拟系统200的操作方法如下：
步骤1，上位机210通过CAN总线209控制燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、空压机系统模拟器207以及测量监控系统208进行自检。在低温环境条件下可以对加热系统模拟器206进行自检。其中动力电池模拟器204为水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206和空压机系统模拟器207提供电力供给。
步骤2，通过启动动力电池模拟器204来启动水泵系统模拟器205、空压机系统模拟器207，在电网201供电的情况下启动燃料电池模拟器202，以为DC/DC变换器203的直流电压变换提供能量供给，动力电池模拟器204通过DC/DC变换器203进行充电之后，将能量反馈到电网201上；在预定值以下的低温环境条件下通过动力电池模拟器204启动加热系统模拟器206，以使燃料电池模拟器202的能量输出稳定。动力电池模拟器204将电能反馈到电网201上的目的是：节能环保、避免能源浪费。在低温环境条件下也可以通过动力电池模拟器204启动加热系统模拟器206，以对燃料电池模拟器202进行加速反应，以使燃料电池模拟器202稳定输出。
步骤3，通过上位机210对燃料电池模拟器202输入燃料电池极化特性曲线相对应的电压和电流关系参数，通过上位机210对水泵系统模拟器205、空压机系统模拟器207加载与燃料电池模拟器202相关联的负载数据；在预定值以下的低温环境条件下通过上位机210控制加热系统模拟器206加载与燃料电池模拟器202相关联的负载数据。
步骤4，通过上位机210控制动力电池模拟器204输出特定功率的谐波能量，此谐波能量能够模拟燃料电池车辆系统中动力电池工作时产生的谐波。
步骤5，通过上位机210控制测量监控系统208对DC/DC变换器203输出的电气应力(电流、电流)和热应力(温度)参数进行测试。在外部测量监控系统时，直接进行测量，不必通过上位机210控制。本步骤5，能够测量DC/DC变换器203在燃料电池模拟系统200电气应力和热应力参数。
步骤6，通过上位机210检测及调试通信模块211对燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206、空压机系统模拟器207和测量监控系统208的通讯质量。本步骤6能够模拟燃料电池系统在具备电磁干扰条件下的真实环境的通信模块211的通讯质量。故通信模块211可以直接移植到燃料电池车辆系统中进行匹配使用，无需在移植到燃料电池车辆系统中再次进行电磁干扰调试。
本发明实施例的燃料电池模拟系统200及其操作方法，能够在运行时，根据燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206、空压机系统模拟器207、测量监控系统208等各部件相互之间的电磁干扰情况，以及通过上位机210对燃料电池模拟器202、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204、水泵系统模拟器205、加热系统模拟器206、空压机系统模拟器207和测量监控系统208的通信干扰的情况下，对燃料电池模拟器202中的燃料电池、DC/DC变换器203、动力电池模拟器204中的AC/DC双向变换器等双向回馈式电子负载、水泵系统模拟器205中的水泵系统、加热系统模拟器206中的加热系统、空压机系统模拟器207中的空压机系统、测量监控系统208中的各传感器和上位机210及其通信模块211的工作性能及其参数进行测量与调试，从而将调试各部件匹配到燃料电池车辆系统的车辆上，以使匹配的部件在燃料电池车辆系统的车辆上能够稳定地运行。特别是对DC/DC变换器203、动力电池模拟器204中的直流负载和空压机系统模拟器207中的空气压缩机的匹配到燃料电池车辆系统的车辆上的电流电压纹波的测量与调试，以使匹配的部件在燃料电池车辆系统的车辆上能够稳定地运行。本发明能够模拟燃料电池车辆系统中的各部件在电磁干扰下的工作环境，全面真实准确地对匹配到燃料电池车辆系统中的燃料电池、DC/DC变换器、动力电池、水泵系统、加热系统、空压机系统及通信模块的工作性能的参数和通信参数进行测量与调试，无需安装到车辆后的二次调试，从而提高了测试精度与效率。本发明实施例的燃料电池模拟系统可以作为测试平台使用。燃料电池模拟系统与燃料电池车辆系统的匹配关系如表1。
燃料电池模拟系统 燃料电池车辆系统
燃料电池 燃料电池
DC/DC变换器 DC/DC变换器
AC/DC双向变换器 动力电池
水泵系统 水泵系统
加热系统 加热系统
空压机系统 空压机系统
通信模块 通信模块
传感器 传感器
表1
图3示出了在燃料电池车辆系统(即具有燃料电池系统的真实车辆)上，燃料电池模拟器202输出350A/150Vdc,升压型DC/DC变压器203输出500Vdc/96A功率条件下，实际测试DC/DC变换器203的电流输出数据波形。其中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流，单位为安培。由此可知，真实车辆上的DC/DC变换器203的电流输出由于受到电磁干扰而产生正弦谐波。
图4示出了在本发明实施例的燃料电池模拟系统中，燃料电池模拟器202输出350A/150Vdc,升压型DC/DC变压器203输出500Vdc/96A功率条件下，模拟测试DC/DC变换器203的电流输出数据波形。在DC/DC变换器203的电流输出也是电磁干扰而产生正弦谐波。其中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流，单位为安培。通过对比可知，图4与图3电流波形基本一致。因此，本发明实施例的燃料电池模拟系统能够模拟燃料电池车辆系统中各部件的工作性能，测量真实准确的数据信息，无需燃料电池车辆系统在测试前，需要控制车辆在道路上行驶的要求。
图5示出了仅具备电池模拟器202、DC/DC变换器203和动力电池模拟器204构成的DC/DC变换器测试台架中，测试升压型DC/DC变换器203输出端的电流波形数据为无谐波的理想型正弦波。其中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流，单位为安培。通过图5与图4、图3对比可知，图5中DC/DC变换器203输出端的电流波形偏于理想化，不具备电磁干扰环境下的谐波，因此不能准确反映燃料电池车辆系统运行时的电流、电压等参数情况。因此在其安装在燃料电池车辆系统时，影响了车辆的稳定性运行。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池模拟系统，其特征在于，包括串联的电网、燃料电池模拟器、DC/DC变换器和动力电池模拟器，所述动力电池模拟器电路连接有水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器；还包括上位机，所述上位机通过CAN总线通信连接所述燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器和空压机系统模拟器，所述上位机还通过所述CAN总线通讯连接有测量监控系统。
2.如权利要求1所述的燃料电池模拟系统，其特征在于，所述上位机内设置有CAN通信模块，所述CAN通信模块通过CAN总线对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统进行通讯。
3.如权利要求1所述的燃料电池模拟系统，其特征在于，所述动力电池模拟器为AC/DC双向变换器。
4.如权利要求1所述的燃料电池模拟系统，其特征在于，所述水泵系统模拟器包括水泵系统，所述水泵系统包括水泵和水泵控制器，以为燃料电池模拟器中的水提供泵送传输动力。
5.如权利要求1所述的燃料电池模拟系统，其特征在于，所述空压机系统模拟器包括空压机系统，所述空压机系统包括空气压缩机和空气压缩机控制器，以为燃料电池模拟器提供压缩空气。
6.如权利要求1所述的燃料电池模拟系统，其特征在于，所述加热系统模拟器包括加热系统，所述加热系统包括加热装置，对所述加热装置的加热，以加速燃料电池模拟器中反应堆的反应。
7.如权利要求1所述的燃料电池模拟系统，其特征在于，所述测量监控系统包括压力传感器、速度传感器、温度传感器、电压传感器和电流传感器。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的燃料电池模拟系统的操作方法，其特征在于，包括：
步骤1，上位机通过CAN总线对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器以及测量监控系统进行自检；
步骤2，通过启动动力电池模拟器来启动水泵系统模拟器、空压机系统模拟器，在电网供电的情况下启动燃料电池模拟器，以为DC/DC变换器的直流电压变换提供能量供给，动力电池模拟器通过DC/DC变换器进行充电之后，将能量反馈到电网上并且输出预定功率的高频和/或低频纹波；在预定值以下的低温环境条件下通过动力电池模拟器启动加热系统模拟器，以使燃料电池模拟器的能量输出稳定；
步骤3，通过上位机对燃料电池模拟器输入燃料电池极化特性曲线相对应的电压和电流关系参数，通过上位机对水泵系统模拟器、空压机系统模拟器加载与燃料电池模拟器相关联的负载数据；在预定值以下的低温环境条件下通过上位机控制加热系统模拟器加载与燃料电池模拟器相关联的负载数据；
步骤4，通过上位机控制动力电池模拟器输出特定功率的谐波能量，所述谐波能量能够模拟车辆动力电池工作时产生的谐波。
9.如权利要求8所述的燃料电池模拟系统的操作方法，其特征在于，还包括：
步骤5，通过上位机控制测量监控系统对DC/DC变换器的输出电压、电流进行测试。
10.如权利要求8或9所述的燃料电池模拟系统的操作方法，其特征在于，还包括：
步骤6，通过上位机检测及调试通信模块对燃料电池模拟器、DC/DC变换器、动力电池模拟器、水泵系统模拟器、加热系统模拟器、空压机系统模拟器和测量监控系统的通讯质量。
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