CN113687645A - 一种燃料电池电气系统测试台架及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是一种燃料电池电气系统测试台架及控制方法，燃料电池电气系统测试台架包括燃料电池控制器、与所述燃料电池控制器连接的氢气路部件、空气路部件以及水路部件，所述燃料电池控制器还连接有升压转换器，所述升压转换器具有信号输入端和信号输出端，所述信号输入端连接有可编程电源，所述可编程电源用于代替不同工况的燃料电池堆，所述信号输出端连接有可编程负载。本发明中的测试台架趋近于实际的燃料电话发动机，测试结果与实际工作状态接近，以便于验证燃料电池的控制策略。

Description

一种燃料电池电气系统测试台架及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电气系统测试台架及控制方法。

背景技术

伴随着传统的燃油汽车对环境的污染日渐突出，而纯电动汽车具有充电时间长、续航里程有限等技术难题，以氢燃料电池作为动力源的新能源汽车由于零污染、高效率及续航里程长等优点受到市场青睐。

燃料电池发动机属于动力系统的核心部件，在开发过程中，其内部的电气部件的可靠性需要提前识别，控制策略也需要提前验证，并解决出现的问题，从而节省大量的时间和成本，进而提高产品整体的可靠性和质量。

但是，目前对于燃料电池发动机的测试台架基本采用模拟部件搭建而成，实际的电磁环境与燃料电池发动机运用在整车上的工作环境差别很大，测试结果可能和实际情况差别较大，难以对实车状态提供参考或指导意见。

发明内容

本发明主要解决现有技术所存在的燃料电池测试台架与实际工作环境差别较大吧的技术问题，提供一种燃料电池电气系统测试台架及控制方法。

为了解决上述技术问题实现上述发明目的，本发明提供一种燃料电池电气系统测试台架，包括燃料电池控制器、与所述燃料电池控制器连接的氢气路部件、空气路部件以及水路部件，所述燃料电池控制器还连接有升压转换器，所述升压转换器具有信号输入端和信号输出端，所述信号输入端连接有可编程电源，所述可编程电源用于代替不同工况的燃料电池堆，所述信号输出端连接有可编程负载。

在一可实施方式中，所述可编程电源、所述可编程负载分别连接于所述燃料电池控制器。

在一可实施方式中，所述燃料电池控制器连接有数据采集控制器，所述数据采集控制器用于采集所述燃料电池控制器的测试数据。

在一可实施方式中，所述氢气路部件包括供氢管路、设置于所述供氢管路上的氢气喷射器和用于检测氢气压力的第一检测模块，所述氢气喷射器的输出端连接有安全阀，所述氢气喷射器、所述第一检测模块均连接于所述燃料电池控制器。

在一可实施方式中，所述空气路部件包括空气管路、设置于所述空气管路上的空气压缩机和第二检测模块，所述第二检测模块用于检测空气的温度、压力，所述空气压缩机的输出端连接有中冷器，所述中冷器的输出端连接有空气三通阀，所述空气三通阀的输出端连接有尾排节气门，所述空气压缩机、所述第二检测模块、所述空气三通阀以及所述尾排节气门均与所述燃料电池控制器连接。

在一可实施方式中，所述水路部件包括水循环管路、设置于所述水循坏管路上的水泵和散热器，所述水循坏管路上还设置有用于检测冷却水温度的第三检测模块，所述水泵、所述第三检测模块均与所述燃料电池控制器连接。

在一可实施方式中，所述水循环管路包括主管路、连接于所述主管路的第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路并联，所述散热器设置于所述第一支路上，所述第二支路上设置有加热器，所述第一支路、所述第二支路以及所述主管路之间设置有冷却三通阀，所述冷却三通阀、所述加热器均与所述燃料电池控制器连接。

一种燃料电池电气系统控制方法，包括：

所述燃料电池控制器根据实车的待测试工况设定工况参数；

所述燃料电池控制器根据所述工况参数分别控制所述氢气路部件、所述空气路部件、所述水路部件工作；

所述第一检测模块、所述第二检测模块和所述第三检测模块分别将测试数据发送给所述燃料电池控制器，所述燃料电池控制器判断所述测试数据是否正常；

所述可编程电源根据所述工况参数设定需要模拟的燃料电池的极化曲线，所述可编程电源按照所述极化曲线模拟燃料电池工作；

所述燃料电池根据所述工况参数控制所述升压转换器工作；

所述可编程负载根据所述工况参数设定负载工况，所述可编程负载按照所述负载工况工作。

在一可实施方式中，所述可编程电源根据所述工况参数设定需要模拟的燃料电池的极化曲线包括：所述燃料电池控制器根据所述工况参数确定所述极化曲线，所述燃料电池控制器将所述极化曲线发送给所述可编程电源；所述可编程负载根据所述工况参数设定负载工况包括：所述燃料电池控制器根据所述工况参数确定所述负载工况，所述燃料电池控制器将所述负载工况发送给所述可编程负载。

在一可实施方式中，所述控制方法还包括：所述燃料电池控制器将所述测试数据发送给所述数据采集控制器，所述数据采集控制器储存所述测试数据。

相对于现有技术，本发明一种燃料电池电气系统测试台架及控制方法具有以下有益效果：

氢气路部件、空气路部件以及水路部件分别复现实车状态下的供氢系统、空气供应系统和冷却水循环系统，可编程电源和可编程负载分别用于替代实车状态下的燃料电池和负载，燃料电池控制器和升压转换器为装车采用的实际部件，从而整个燃料电池测试台架趋近于实际的燃料电池发动机，工作状态和电磁环境接近实际情况，燃料电池控制器按照设定的控制策略控制各部件工作，以验证控制策略，从而能够对实车状态提供参考或指导意见。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中氢气路部件的结构示意图；

图3是图1中空气路部件的结构示意图；

图4是图1中水路部件的结构示意图。

图中标号说明：1、燃料电池控制器；2、氢气路部件；21、供氢管路；22、氢气喷射器；23、引射器；24、安全阀；25、回流管路；26、氢喷入口压力传感器；27、引射入口压力传感器；28、引射出口压力传感器；3、空气路部件；31、空气管路；311、分流管路；312、尾排管路；313、尾排节气门；32、空气压缩机；33、中冷器；34、空气过滤器；35、流量计；36、空气三通阀；37、空入温压传感器；38、空出温度传感器；39、空出压力传感器；4、水路部件；41、水循环管路；411、主管路；4111、入口温度传感器；4112、出口温度传感器；4113、电导率仪；412、第一支路；4121、杂质过滤器；413、第二支路；4131、加热器；42、水泵；43、散热器；44、补偿水箱；45、冷却三通阀；46、第三支路；461、去离子罐；47、补水管路；48、水出温度传感器；49、水入温度传感器；5、升压转换器；6、可编程电源；7、可编程负载；8、数据采集控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参照图1，本发明实施例公开了一种燃料电池电气系统测试台架，包括燃料电池控制器1、与燃料电池控制器1连接的氢气路部件2、空气路部件3以及水路部件4，燃料电池控制器1还连接有升压转换器5，升压转换器5具有信号输入端和信号输出端，信号输入端连接有可编程电源6，可编程电源6用于代替燃料电池堆，信号输出端连接有可编程负载7。本发明实施例旨在通过上述零部件，使得测试台架基本采用实际部件搭建而成，测试台架的工作状态、电磁环境与实车情况下接近，以便于验证燃料电池发动机的控制策略，保证产品整体的可靠性和质量；由于可编程电源6和可编程负载7的可编程性，使得可编程电源6能够模拟不同性能的燃料电池堆，可编程负载7能够模拟整车的动力电池。

参照图1和图2，氢气路部件2包括供氢管路21、设置于供氢管路21上的氢气喷射器22和引射器23，氢气喷射器22的输入端用于连接储氢装置（未图示），氢气喷射器22通过数据线缆连接于燃料电池控制器1。引射器23通过供氢管路21连接于氢气喷射器22的输出端，连接于引射器23输出端的供氢管路21上设置有安全阀24，安全阀24为常见的泄压阀，安全阀24的输出端用于连接燃料电池堆（未图示）。引射器23还连接有回流管路25，回流管路25的输入端用于连接燃料电池堆，回流管路25的输出端连接引射器23。供氢管路21设置有连接于燃料电池控制器1的第一检测模块，第一检测模块包括氢喷入口压力传感器26、引射入口压力传感器27以及引射出口压力传感器28。氢喷入口压力传感器26设置于氢气喷射器22的输入端，引射入口压力传感器27设置于氢气喷射器22与引射器23之间，引射出口压力传感器28设置于引射器23与安全阀24之间，本发明实施例对于氢喷入口压力传感器26、引射入口压力传感器27以及引射出口压力传感器28的具体型号不作具体限制。

在实际的工作过程中，氢气经过储氢装置输送至氢气喷射器22，氢气喷射器22再将氢气喷射至引射器23，氢气再经过引射器23输送至安全阀24处，当氢气的压力大于安全阀24设定的压力时，安全阀24开启，氢气输送至燃料电池堆。为保证氢气充分反应，避免燃料电池堆在发电过程中出现欠气现象，氢气通常过量供给，未完全反应的氢气沿着回流管路25输入至引射器23中，与新的氢气汇合后进入燃料电池堆重新参加反应。

参照图1和图3，空气路部件3包括空气管路31、设置于空气管路31上的空气压缩机32和中冷器33，中冷器33连接于空气压缩机32的输出端。空气管路31的输入端安装有空气过滤器34，空气过滤器34与空气压缩机32之间设置有流量计35。中冷器33的输出端连接有空气三通阀36，空气三通阀36为常用的电控三通阀，中冷器33通过空气管路31连接于空气三通阀36的第一端，空气三通阀36的第二端连接有尾排节气门313，空气压缩机32、空气三通阀36以及尾排节气门313均与燃料电池控制器1连接。空气管路31设置有连接于燃料电池控制器1的第二检测模块，第二检测模块包括空入温压传感器37、空出温度传感器38以及空出压力传感器39。空入温压传感器37设置于中冷器33与空气三通阀36之间，用于检测空气的温度和压力，空出温度传感器38和空出压力传感器39依次设置于尾排节气门313与空气三通阀36之间。本发明实施例对于空入温压传感器37、空出温度传感器38和空出压力传感器39的具体型号不作具体限制。空气三通阀36的第三端连接有分流管路311，尾排节气门313所在的空气管路31与分流管路311并联，空气管路31和分流管路311的输出端连接有尾排管路312。

在实际的工作过程中，空气经过空气过滤器34进入空气管路31，空气过滤器34对空气中的粉尘进行过滤，流量计35监测空气的流量，空气压缩机32压缩空气从而将空气沿着空气管路31进行输送，中冷器33用于对增压后的空气进行降温，然后空气经过尾排节气门313进入燃料电池堆发生反应。当需要减小进堆的空气流量时，燃料电池控制器1调小尾排节气门313的开度，并开启空气三通阀36的第三端，使得多余的空气依次经过分流管路311、尾排管路312排出。

参照图1和图4，水路部件4包括水循环管路41、设置于水循坏管路上的水泵42和散热器43，水泵42与燃料电池控制器1连接。水循环管路41包括主管路411、连接于主管路411的第一支路412和第二支路413，第一支路412和第二支路413并联，散热器43设置于第一支路412上，第二支路413上设置有加热器4131，加热器4131为常用的PTC加热片。第一支路412、第二支路413以及主管路411之间设置有冷却三通阀45，冷却三通阀45也是电控三通阀，冷却三通阀45、加热器4131均与燃料电池控制器1连接。散热器43的输入端、输出端分别设置有入口温度传感器4111、出口温度传感器4112，第一支路412上还设置有杂质过滤器4121。主管路411上设置有连接于燃料电池控制器1的第三检测模块，第三检测模块包括用于检测冷却水温度的水出温度传感器48、水入温度传感器49，水出温度传感器48、水入温度传感器49分别设置于主管路411的输入端、输出端，冷却水经过主管路411的输出端进入燃料电池堆，然后进入主管路411的输入端。

水路部件4还包括用于对水循环管路41补给冷却水的补偿水箱44，补偿水箱44与主管路411之间连接有补水管路47，散热器43的输出端与补偿水箱44之间连接有第三支路46，第三支路46上设置有去离子罐461，去离子罐461主要用于去除冷却水中的钙、镁离子，避免出现钙、镁离子结垢导致冷却效果降低的情况。主管路411上还设置有电导率仪4113，电导率仪4113用于检测冷却水中钙、镁离子的含量。

在实际的工作过程中，冷却水进入燃料电池堆中，燃料电池堆的温度降低，冷却水的温度升高，水泵42将升温后的冷却水输送至散热器43进行降温，降温后的冷却水再经过冷却三通阀45输送至燃料电池堆中，以上为冷却水的单次循环过程。通常情况下，冷却三通阀45关闭第二支路413，使得冷却水必须经过散热器43进行降温。如果在冬天寒冷的环境进行台架测试，环境测试温度较低，由于燃料电池堆内部的电化学反应需要在较高的温度下进行，且温度越高反应速率越快，因此，燃料电池控制器1通过控制冷却三通阀45，使得冷却水经过第二支路413进行加热，不经过第一支路412进行降温，从而在短时间内提高燃料电池堆内部的反应温度，使得燃料电池堆快速发电。

本发明实施例中，通过可编程电源6代替实际的燃料电池堆，因此，氢气路部件2、空气路部件3以及水路部件4的输出端不需要连接燃料电池堆。氢气路部件2中的氢气可以用空气代替，第一检测模块需要监测供氢管路21（见图2）中的空气压力，并将压力数据发送给燃料电池控制器1。同样的，第二检测模块将空气的温度、压力数据发送给燃料电池控制器1，第三检测模块将冷却水的温度数据发送给燃料电池控制器1，燃料电池控制器1根据上述的测试数据判断各部件是否与实车工作状态一致，以验证自身的控制策略是否正确。

燃料电池控制器1分别与可编程电源6、可编程负载7连接，燃料电池控制器1还连接有数据采集控制器8，上述的连接方式可以是有线通讯连接，也可以是无线通讯连接，本发明实施例对此不作具体限制。数据采集控制器8用于获取燃料电池控制器1的测试数据并存储，并且数据采集控制器8能够将测试数据上传至远端服务器，以便于对测试数据进行分析。

实施例2：

本发明实施例还公开了一种燃料电池电气系统控制方法，包括：

燃料电池控制器1根据实车的待测试工况设定工况参数；待测试工况，可以是实车的加速工况、制动工况、耐久工况等等，本发明实施例对此不作具体限制。

燃料电池控制器1根据工况参数分别控制氢气路部件2、空气路部件3、水路部件4工作；

第一检测模块、第二检测模块和第三检测模块分别将测试数据发送给燃料电池控制器1，燃料电池控制器判断测试数据是否正常；

燃料电池控制器1根据工况参数确定燃料电池的极化曲线，然后将极化曲线发送给可编程电源6，可编程电源6按照极化曲线模拟燃料电池的工作状态；

燃料电池根据工况参数控制升压转换器5工作，即实时发送目标电流给升压转换器5，升压转换器5按照目标电流进行工作，使得升压转换器5与实车的工作状态一致；

燃料电池控制器1根据工况参数确定实车状态下动力电池的负载工况，然后将负载工况发送给可编程负载7，可编程负载7按照负载工况工作；

测试过程中，数据采集控制器8获取燃料电池控制器1的测试数据，包括故障信息，数据采集控制器8对测试数据进行储存，并且能够上传至远程服务器，从而对产品的数据分析提供支撑。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，包括燃料电池控制器（1）、与所述燃料电池控制器（1）连接的氢气路部件（2）、空气路部件（3）以及水路部件（4），所述燃料电池控制器（1）还连接有升压转换器（5），所述升压转换器（5）具有信号输入端和信号输出端，所述信号输入端连接有可编程电源（6），所述可编程电源（6）用于代替不同工况的燃料电池堆，所述信号输出端连接有可编程负载（7）。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述可编程电源（6）、所述可编程负载（7）分别连接于所述燃料电池控制器（1）。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述燃料电池控制器（1）连接有数据采集控制器（8），所述数据采集控制器（8）用于采集所述燃料电池控制器（1）的测试数据。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述氢气路部件（2）包括供氢管路（21）、设置于所述供氢管路（21）上的氢气喷射器（22）和用于检测氢气压力的第一检测模块，所述氢气喷射器（22）的输出端连接有安全阀（24），所述氢气喷射器（22）、所述第一检测模块均连接于所述燃料电池控制器（1）。

5.根据权利要求1所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述空气路部件（3）包括空气管路（31）、设置于所述空气管路（31）上的空气压缩机（32）和第二检测模块，所述第二检测模块用于检测空气的温度、压力，所述空气压缩机（32）的输出端连接有中冷器（33），所述中冷器（33）的输出端连接有空气三通阀（36），所述空气三通阀（36）的输出端连接有尾排节气门（313），所述空气压缩机（32）、所述第二检测模块、所述空气三通阀（36）以及所述尾排节气门（313）均与所述燃料电池控制器（1）连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述水路部件（4）包括水循环管路（41）、设置于所述水循坏管路上的水泵（42）和散热器（43），所述水循坏管路（41）上还设置有用于检测冷却水温度的第三检测模块，所述水泵（42）、所述第三检测模块均与所述燃料电池控制器（1）连接。

7.根据权利要求6所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述水循环管路（41）包括主管路（411）、连接于所述主管路（411）的第一支路（412）和第二支路（413），所述第一支路（412）和所述第二支路（413）并联，所述散热器（43）设置于所述第一支路（412）上，所述第二支路（413）上设置有加热器（4131），所述第一支路（412）、所述第二支路（413）以及所述主管路（411）之间设置有冷却三通阀（45），所述冷却三通阀（45）、所述加热器（4131）均与所述燃料电池控制器（1）连接。

8.如权利要求1-7所述的燃料电池电气系统控制方法，其特征在于，包括：

所述燃料电池控制器（1）根据实车的待测试工况设定工况参数；

所述燃料电池控制器（1）根据所述工况参数分别控制所述氢气路部件（2）、所述空气路部件（3）、所述水路部件（4）工作；

所述第一检测模块、所述第二检测模块和所述第三检测模块分别将测试数据发送给所述燃料电池控制器（1），所述燃料电池控制器（1）判断所述测试数据是否正常；

所述可编程电源（6）根据所述工况参数设定需要模拟的燃料电池的极化曲线，所述可编程电源（6）按照所述极化曲线模拟燃料电池工作；

所述燃料电池根据所述工况参数控制所述升压转换器（5）工作；

所述可编程负载（7）根据所述工况参数设定负载工况，所述可编程负载（7）按照所述负载工况工作。

9.根据权利要求8所述的燃料电池电气系统控制方法，其特征在于，所述可编程电源（6）根据所述工况参数设定需要模拟的燃料电池的极化曲线包括：所述燃料电池控制器（1）根据所述工况参数确定所述极化曲线，所述燃料电池控制器（1）将所述极化曲线发送给所述可编程电源（6）；所述可编程负载（7）根据所述工况参数设定负载工况包括：所述燃料电池控制器（1）根据所述工况参数确定所述负载工况，所述燃料电池控制器（1）将所述负载工况发送给所述可编程负载（7）。

10.根据权利要求8所述的燃料电池电气系统测试台架，其特征在于，所述控制方法还包括：所述燃料电池控制器（1）将所述测试数据发送给所述数据采集控制器（8），所述数据采集控制器（8）储存所述测试数据。

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