CN112103536A

CN112103536A - 一种pemfc电堆模拟器

Info

Publication number: CN112103536A
Application number: CN202010786669.3A
Authority: CN
Inventors: 雷枭; 丁小松
Original assignee: Guangzhou Kinte Industrial Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Kinte Industrial Co Ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: CN112103536B

Abstract

本发明公开了一种PEMFC电堆模拟器，包括反应过程模拟模块和电能输出模拟模块，以及综合控制单元；反应过程模拟模块包括一水箱，该水箱中贯穿有三条水浴管道，分别为氢气管道，空气管道和冷却水管道，还包括反应水管道和物料调节单元，反应水管道与空气管道连通，物料调节单元用于控制反应水的供给量和水箱水温；电能输出模拟模块包括电能变换单元和膜片电压生成单元，电能变换单元的输出端与膜片电压生成单元相连，电能变换单元用于模拟相应功率的电堆的输出，膜片电压生成单元利用电阻分压原理，将电能变换单元输出的直流电压分解成若干个直流小电压以模拟电堆的膜片电压。本发明能替代电堆完成对PEMFC电堆测试系统的测试。

Description

一种PEMFC电堆模拟器

技术领域

本发明涉及PEMFC(质子交换膜燃料电池的简称)测试系统验证领域，具体涉及一种PEMFC电堆模拟器。

背景技术

《中国制造2025》等规划中均明确大力发展燃料电池汽车。燃料电池测试系统(在本文中指PEMFC电堆测试系统)作为燃料电池领域的重要高技术水平装备，是PEMFC产品设计开发、性能检测与评价以及应用生态链中必不可少的重要装置。

PEMFC电堆测试系统用于PEMFC电堆检测，可控制PEMFC电堆工作在各种不同工况并校验参数准确性。一台PEMFC通用测试系统，需满足各种不同功率等级的电堆检测。当前PEMFC电堆测试系统验证，依赖于配备不同功率等级的电堆实物。电堆费用高，如一台50KW电堆实物，预计花费30万人民币。而且，不同PEMFC电堆结构设计等方面不尽相同，电堆测试系统的连接接口还需根据实际情况进行修正。所以，采用电堆实物验证PEMFC电堆测试系统，不经济，时间成本也高，无法高效推动PEMFC装备制造及其产业链的快速发展。

图1为电堆的常规测试主回路示意图。如图所示，PEMFC电堆测试系统与电堆存在物、温、电信号的传递，物主要指冷却水、空气、氢气，其控制电堆冷却水、空气、氢气的输入量，温主要指电堆的温升信息，电主要是电堆的膜片电压和负载电压、电流信号。控制中心控制整个测试过程，出于防爆要求，其远程操作，通常测试过程中的所有反馈信号需通过PEMFC电堆测试系统上送。

电堆将燃料化学能转化为电能的过程如下：

氢气在其阳极分解为带正电的氢离子，并释放出带负电的电子，氢离子穿过其PEM膜到达阴极，而电子则由集流板汇集，在外电路串入负载及阴极，形成电流回路，实现电能输出，氧气(空气中的氧气)则在阴极与透过的氢离子及来自外电路的电子反应生产水。整体反应过程燃料将化学能直接转换为电能，且服从热力学定律的一个放热过程，与传统发动机类似。燃料电池堆在工作状态会释放大量热，需及时向外界消散，通常通过冷却水回路散热，以使燃料电池处于合理工作温度60～80℃区间。

电堆将燃料化学能转换为电能，电堆功率一定时，电压、电流呈剪刀差动态匹配，电压降低，电流增大，如图2所示。如50KW的400块膜片电堆，膜片电压由初始开路电压，缓慢下减至0.8V，此时，电流增加至(50KW/400x0.8)156A左右，随着电堆的持续运行，膜片电压下减至0.6V，此时电流增加至(50KW/400x0.6)208A左右。

电堆由电池片(又称膜片)层叠串联而成，图1中的膜片电压采集器用于采集电堆中每个膜片的电压，其与电堆中膜片的连接关系如图3所示。图3中虚线即为电堆与膜片电压采集器的连接示意。

发明内容

本发明旨在提供一种电堆模拟器，以便通过该模拟器替代电堆，完成对PEMFC电堆测试系统的测试。

本发明模拟器的实现方案如下：一种PEMFC电堆模拟器，包括反应过程模拟模块和电能输出模拟模块，以及综合控制单元；

所述反应过程模拟模块包括一水箱，该水箱中贯穿有三条水浴管道，分别为氢气管道，空气管道和冷却水管道，还包括反应水管道和物料调节单元，所述反应水管道与所述空气管道连通，所述物料调节单元用于控制反应水的供给量和水箱水温；

所述电能输出模拟模块包括电能变换单元和膜片电压生成单元，所述电能变换单元的输出端与所述膜片电压生成单元相连，所述电能变换单元用于模拟相应功率的电堆的输出，所述膜片电压生成单元利用电阻分压原理，将所述电能变换单元输出的直流电压分解成若干个直流小电压以模拟电堆的膜片电压；

所述综合控制单元与所述物料调节单元、电能变换单元和膜片电压生成单元分别相连，所述综合控制单元根据PEMFC电堆测试系统输入的气体的流量，换算出与之匹配的直流电流，及设定功率下的直流电压，控制所述电能变换单元按照设定功率等级的电堆的功率曲线进行输出，同时控制所述膜片电压生成单元接入相应数量的电阻分压电路；所述综合控制单元还根据PEMFC电堆测试系统输入的气体的流量，核算电堆反应水的生成量和电堆的温升，然后控制所述物料调节单元作相应调整。

所述膜片电压生成单元包括若干电压生成模块，这些电压生成模块串联开关后并联在所述电能变换单元的两输出端之间，以便可以通过控制开关的开、合控制接入所述电能变换单元的电压生成模块的数量；

所述电压生成模块由多个单体膜片电压模拟单元串联而成；

所述单体膜片电压模拟单元结构如下：

包括三条并联支路，每条并联支路由三个电阻R串联而成，还包括短接接点S1-S8，以及S11、S12，S21、S22，S31、S32，短接接点S11、S12、S21、S22、S31、S32分成三组，每组连接一条并联支路，其中S11、S12组用于控制是否短接其所在并联支路中的一个电阻R，S21、S22组用于控制是否短接其所在并联支路中的两个电阻R，S31、S32组用于控制是否短接其所在并联支路(即同时短接该并联支路中的三个电阻R)，短接接点S1与S2一组，S5与S6一组，它们由左到右分别串接在三条并联支路的两公共端，短接接点S3与S7串联，S4与S8串联，S3与S1构成一组，S4与S2构成一组，S7与S5构成一组，S8与S6构成一组。

所述电堆的温升通过如下方式核算：

所述综合控制单元根据PEMFC电堆测试系统输入的气体的流量，动态核算电堆输出功率的大小，并由输出功率大小，推算热功耗，输出功率/效率-输出功率＝热功耗，然后根据堆体消散权重系数计算堆体辐射消散热量，根据堆体辐射消散热量＝电堆质量*材料比热*温度差，计算电堆的温升。

所述效率动态可调，取值范围通常为50％-60％。

所述堆体消散权重系数动态可调，取值范围通常为15％～20％。

所述综合控制单元中内置虚拟信号单元，该拟信号单元能产生若干路0～5V或4～20mA的模拟信号。

有益效果：

1)本发明能够完善地模拟出电堆在发电过程中所发生的物理状态变化，实现电堆内燃料消耗模拟，电堆流阻模拟，以及电堆内气体湿度的模拟，使得采用本发明的系统测试精确可靠，符合实际的工作状态；同时，采用本发明代替电堆，可避免测试过程中因设计缺陷等问题对电堆造成损害；

2)本发明可模拟不同功率等级的电堆，有利于降低测试成本，而且在变换功率等级后，无需考虑测试接口匹配的问题，可提高测试效率；

3)本发明膜片电压模拟单元的结构，使得可以通过其模拟电堆的多种状况，而且不会造成电堆损坏。

附图说明

图1为电堆的常规测试主回路示意图；

图2为燃料电池(电堆)的电压损耗及极化曲线；

图3为采集膜片电压时的连接结构示意图；

图4为本发明较佳实施例的PEMFC电堆模拟器的主要功能结构介绍图；

图5为图4中电能变换单元的电路原理图；

图6为图4中膜片电压生成单元结构和电压变换示意图；

图7为电堆的常规测试主回路示意图。

具体实施方式

图4为本发明较佳实施例的PEMFC电堆模拟器的主要功能结构介绍图。模拟器主要包括反应过程模拟模块和电能输出模拟模块，以及综合控制单元。

如图4所示，反应过程模拟模块包括一水箱1，该水箱1中贯穿有三条水浴管道，分别为氢气管道11，空气管道12和冷却水管道13，还包括反应水管道14和物料调节单元，反应水管道14与空气管道12连通，物料调节单元用于控制反应水的供给量和水箱水温。水箱1上还设有用于采集水温的热信号接口。上面氢气管道11、空气管道12和冷却水管道13优选采用文氏射流管。

电能输出模拟模块包括电能变换单元和膜片电压生成单元，电能变换单元的输出端与膜片电压生成单元相连，电能变换单元用于模拟相应功率的电堆的输出，膜片电压生成单元利用电阻分压原理，将电能变换单元输出的直流电压分解成若干个直流小电压以模拟电堆的膜片电压。

综合控制单元与物料调节单元、电能变换单元和膜片电压生成单元分别相连，综合控制单元根据PEMFC电堆测试系统输入的气体的流量，换算出与之匹配的直流电流，及设定功率下的直流电压，控制电能变换单元按照设定功率等级的电堆的功率曲线进行输出，同时控制膜片电压生成单元接入相应数量的电阻分压电路，以此实现对电堆电能输出方式的模拟。

综合控制单元还根据PEMFC电堆测试系统输入的气体的流量，核算电堆反应水的生成量和电堆的温升，然后控制物料调节单元作相应调整，以此实现对电堆内燃料消耗过程的模拟。

下面为各功能单元的具体介绍：

①电能变换单元

如图5所示，本实施例中，电能变换单元采用三相桥式可控整流电路，其输入端接三相市电AC380V/50Hz，Bi、Bv分别为输出电流、电压检测电路，检测信号反馈给综合控制单元，再由综合控制单元反馈给PEMFC电堆测试系统。综合控制单元根据反馈的电压、电流的实时数据运算当前功率，调整触发时序，确保电能变换单元工作在动态恒功率模式。本实施例中，电能变换单元输出DC0～500V范围可调，电流范围为DC0～50A。

Bi、Bv采用高精度零磁通电流、电压传感器，电压传感器输入量程DC0～600V，输出DC0～5V，或4～20mA，电流传感器输入量程DC 0～100A，输出DC0～5V，或4～20mA。这些传感器将高压信号线性隔离转换为工业通用直流电压0～5V或直流电流4～20mA输出，便于与工控机、数据采集器等数字信号处理设备相连。

在其他实施例中，电能变换单元还可采用单相桥式整流电路、三相桥式整流电路、6相半波整流电路、PWM整流电路、IGBT电源等。

②膜片电压生成单元

电堆由电池片层叠串联而成，每片电池片的电压＜2V。本实施例膜片电压生成单元利用电阻分压原理，将电能变换单元输出的大电压，通过电阻分压电路分解成多个单通道-2000mV～+2000mV量值范围的直流小电压的串联。本发明模拟器要求能模拟各种功率等级的电堆，所以，本发明膜片电压生成单元应由数量可变化的电阻分压电路构成。具体实现方案如下：

膜片电压生成单元包括n个电压生成模块，如图6所示。这些电压生成模块串联开关(未画出)后，并联在电能变换单元的两输出端之间，以便可以通过控制开关的开合控制接入电能变换单元的电压生成模块的数量。

图6中，每个电阻分压电路称为一个通道，每个通道构成一个单体膜片电压模拟单元。每个电压生成模块由m个通道串联而成。

如图6所示，通道的结构如下：包括三条并联支路，每条并联支路由三个电阻R串联而成，还包括短接接点S1-S8，以及S11、S12，S21、S22，S31、S32，短接接点S11、S12、S21、S22、S31、S32分成三组，每组连接一条并联支路，其中S11、S12组用于控制是否短接其所在并联支路中的一个电阻R，S21、S22组用于控制是否短接其所在并联支路中的两个电阻R，S31、S32组用于控制是否短接其所在并联支路(即同时短接该并联支路中的三个电阻R)，短接接点S1与S2一组，S5与S6一组，它们由左到右分别串接在三条并联支路的两公共端，短接接点S3与S7串联，S4与S8串联，S3与S1构成一组，S4与S2构成一组，S7与S5构成一组，S8与S6构成一组。

偏压模拟对应的短接点为S11/S12，S21/S22，S31/S32，根据模拟的电压的偏移量，可自由选择接点短接。

正、反向设置通过短接点S1～S8实现。S1接S2，S5接S6为正向序。S1接S3，S2接S4且S5接S7，S6接S8可形成负向序。

图6中，与三条并联支路并联的第四条支路为膜片电压输出端，用于与膜片电压采集器相连。

燃料电池无法避免缺气、水淹、反极、短路等各种失效状况，其健康状态主要由单体电压反映，如电堆过湿、过干、缺气等不良操作或机械损伤等因素均会使单体电压发生改变。本发明通道的结构，可以模拟电堆的各种状况。

FEMFC膜片电压的理论上限为1.23V，本实施例电能变换单元输出的最大直流电压≤500V，所以，本实施例中，单个模块的通道数设置成400，总电压492V(400*1.23)契合于电能变换单元。

③物料调节单元

物料调节单元主要提供反应生产热量及水，包括：动态跟随增/减反应水的PWM泵，还包括用于调节水箱水温的主、辅加热管。

④综合控制单元

综合控制单元随PEMFC电堆测试系统设定的气体输入量，动态核算产生的反应水量及输出功率大小，反应物的消耗量和反应水的生成量如表1所示，并由输出功率大小，反向推算当前热功耗，输出功率/效率-输出功率＝热功耗。氢燃料电池的理论效率高达83％，实际运行效率在50％～60％之间。反应时，生成的大部分热量经冷却水回路热传导及对流吸收，通过辐射方式耗散的热量较少。因各种类型不同功率等级电堆设计的固有差异，散热能力各不相同，可通过动态设置堆体消散权重系数核定堆体辐射消散热量。通常热功耗的15～20％需依靠电堆本体辐射消散，导致电堆温度升高，根据15～20％热功耗＝电堆质量*材料比热*温度差，核算出初步温升，然后控制主、辅加热管工作，并根据嵌入水箱的温度传感器的返回信号，使水箱升温趋势与电堆在该功率下运行时基本保持一致，实现对电堆温升变化的模拟。

表1反应物的消耗量和水的生成量(每安培)

另外，综合控制单元还实时响应PEMFC电堆测试系统输入的气体流量，并换算出与之匹配的直流电流，及恒功率(用户设定)下的直流电压，然后控制电能变换单元按照设定功率等级的电堆的功率曲线进行输出。

如测试50KW、400块膜片的电堆，膜片电压由初始开路电压，缓慢下减至0.8V，此时电流增加至(50KW/400x0.8)156A左右，随着电堆的持续运行，膜片电压下减至0.6V，此时电流增加至(50KW/400x0.6)208A左右。

若通过模拟器模拟，则综合控制单元调节电能变换单元，将直流输出电压由320V整定至240V，并选择配置400个通道，此时，对应每通道电压在0.8V～0.6V范围变化。

如测试100KW、800块膜片的电堆，膜片电压由初始开路电压，缓慢下减至0.8V，此时电流增加至(100KW/800x0.8)156A左右，随着电堆的持续运行，膜片电压下减至0.5V，此时电流增加至(100KW/800x0.5)250A左右。

若通过模拟器模拟，则综合控制单元调节电能变换单元，将直流输出电压由320V整定至200V，选择配置400通道2套，此时，对应每通道电压在0.8V～0.5V范围变化。

综合控制单元中还内置有虚拟信号单元，该拟信号单元能产生若干路0～5V或4～20mA的模拟信号，以直接模拟温度传感器、Bi、Bv等的输出供应给PEMFC电堆测试系统。

温度传感器的信号通常为4～20mA，PEMFC电堆测试系统采集的电参量信号通常为0～5V或4～20mA，本实施例模拟器通过内置模拟量输出模块，可提供另一种模拟思路。

本实施例综合控制单元采用西门子S7-1200系列PLC，其扩展性能，通讯功能强大，集成的RS485和以太网接口，使通讯极为简便，可带I/O点数较多，能扩展8个数字量和模拟量模块，且CPU自带两点模拟量，还可扩展一块1AO或2DI/2DO信号板，用于高速输入、输出脉冲。S7-1200又兼具PID参数设置和调试的自整定功能，其工程组态直观、易学和易用，在中小型自动化控制系统中具有极高的性价比，其综合性价比，满足模拟器控制需求。

图7为采用本实施例电堆模拟器的模拟测试主回路示意图。PEMFC电堆测试系统的热传感器接入水箱上的热信号接口，以获取箱内水温，实时监测模拟器的热变化，以反馈电堆温升变化，并将温度信号传递给综合控制单元。PEMFC电堆测试系统通过综合控制单元获取负载电流和电压即上文中的Bi、Bv的检测信号，当然Bi、Bv的检测信号也可直接输出到PEMFC电堆测试系统。输入PEMFC电堆测试系统的上述信号如温度、Bi、Bv的检测信号，还可直接通过综合控制单元中的虚拟信号单元的输出来模拟。

Claims

1.一种PEMFC电堆模拟器，其特征在于，包括反应过程模拟模块和电能输出模拟模块，以及综合控制单元；

2.根据权利要求1所述的PEMFC电堆模拟器，其特征在于，所述膜片电压生成单元包括若干电压生成模块，这些电压生成模块串联开关后并联在所述电能变换单元的两输出端之间，以便可以通过控制开关的开、合控制接入所述电能变换单元的电压生成模块的数量；

所述电压生成模块由多个单体膜片电压模拟单元串联而成；

所述单体膜片电压模拟单元结构如下：

包括三条并联支路，每条并联支路由三个电阻R串联而成，还包括短接接点S1-S8，以及S11、S12，S21、S22，S31、S32，短接接点S11、S12、S21、S22、S31、S32分成三组，每组连接一条并联支路，其中S11、S12组用于控制是否短接其所在并联支路中的一个电阻R，S21、S22组用于控制是否短接其所在并联支路中的两个电阻R，S31、S32组用于控制是否短接其所在并联支路，短接接点S1与S2一组，S5与S6一组，它们由左到右分别串接在三条并联支路的两公共端，短接接点S3与S7串联，S4与S8串联，S3与S1构成一组，S4与S2构成一组，S7与S5构成一组，S8与S6构成一组。

3.根据权利要求1所述的PEMFC电堆模拟器，其特征在于，所述电堆的温升通过如下方式核算：

4.根据权利要求3所述的PEMFC电堆模拟器，其特征在于，所述效率动态可调，取值范围为50％-60％。

5.根据权利要求4所述的PEMFC电堆模拟器，其特征在于，所述堆体消散权重系数动态可调，取值范围为15％～20％。

6.根据权利要求1所述的PEMFC电堆模拟器，其特征在于，所述综合控制单元中内置虚拟信号单元，该拟信号单元能产生若干路0～5V或4～20mA的模拟信号。