CN113884303A - 一种用于燃料电池发动机的性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于燃料电池发动机的性能测试方法，涉及发动机性能测试领域；用于燃料电池发动机的性能测试方法包括如下步骤：S1、根据NEDC工况表，获取各时刻燃料电池发动机的需求加速度；S2、计算所述车辆的车轮阻力和各时刻的车辆空气阻力和加速阻力；S3、计算所述车辆各时刻的需求驱动力；S4、计算所述驱动电机各时刻的需求转矩和需求转速；S5、计算所述驱动电机各时刻的需求输出功率；S6、计算所述燃料电池发动机各时刻的需求输出功率，并得到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表；S7、按照所述需求输出功率与时间工况表测试所述燃料电池发动机的性能；本发明能够提高燃料电池发动机性能测试的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及发动机性能测试领域，尤其涉及一种用于燃料电池发动机的性能测试方法。
背景技术
早期，我国使用NEDC循环工况法对燃油车的油耗及污染物排放进行测试。燃料电池领域，《GB/T 34593-2017》同样使用NEDC工况测试燃料电池发动机的氢气排放指标。
现有基于NEDC工况的燃料电池发动机的性能测试方法未考虑车辆行驶时的能量转换过程，由此得到的燃料电池发动机的需求输出功率工况比较粗糙，导致燃料电池发动机性能测试不够精确。
发明内容
本发明旨在解决现有基于NEDC工况的燃料电池发动机的性能测试方法不够精确的技术问题。
本发明提供一种用于燃料电池发动机的性能测试方法，包括如下步骤：
S1、根据NEDC工况表，获取各时刻燃料电池发动机的需求加速度；
S2、根据所述需求加速度得到车辆各时刻的加速阻力；同时，计算所述车辆的车轮阻力和各时刻的车辆空气阻力；
S3、根据所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力得到所述车辆各时刻的需求驱动力；
S4、根据所述车辆的需求驱动力得到所述车辆的驱动电机各时刻的需求转矩，并根据所述车辆各时刻的需求车速得到所述驱动电机各时刻的需求转速；
S5、根据所述驱动电机的需求转矩和需求转速得到所述驱动电机各时刻的需求输出功率；
S6、根据所述驱动电机的需求输出功率得到所述燃料电池发动机各时刻的需求输出功率，并得到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表；
S7、按照步骤S6中得到的所述需求输出功率与时间工况表测试所述燃料电池发动机，判断所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率是否一致；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率一致时，计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量。
进一步地，步骤S2中，根据公式(1)计算所述车辆的加速阻力F加速(t)；
F加速(t)＝m×a(t)＝m×(v(t)-v(t-1)) 公式(1)
其中，m为所述车辆的质量，单位为kg；a(t)为所述燃料电池发动机的加速度，单位为m/s2；v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s；v(t-1)为所述车辆t-1时刻的车速，单位为m/s。
进一步地，步骤S2中，根据公式(2)计算所述车辆的车轮阻力F轮；
F轮＝fr×Z 公式(2)
其中，fr为车轮阻力系数，fr的取值范围为0.008～0.015；Z为车轮的垂直载荷，单位为N；所述车轮的垂直载荷Z的计算方法如下：
Z＝m×g 公式(3)
其中，m为所述车辆的质量，单位为kg；g为重力加速度，g的取值为9.8m/s2。
进一步地，步骤S2中，根据公式(4)得到所述车辆空气阻力F空(t)；
F空(t)＝Cw×A×v2(t)/21.15 公式(4)
其中，Cw为空气阻力系数；A为所述车辆的迎风面积，单位为m2；v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s。
进一步地，步骤S3中，将所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力带入公式(5)，得到所述车辆的需求驱动力Ft；
Ft＝F轮+F空(t)+F加速(t) 公式(5)
其中，F轮为所述车轮阻力；F空(t)为所述车辆空气阻力F加速(t)为所述加速阻力。
进一步地，步骤S4中，将所述车辆的需求驱动力代入公式(6)，得到所述驱动电机的需求转矩；
Ft(t)×R＝T(t)×η×i 公式(6)
其中，Ft(t)为所述车辆t时刻的驱动力；T(t)为所述驱动电机t时刻的转矩，单位为N·m；i为所述车辆的传动比；R为所述车辆的车轮半径，单位为m；η为所述驱动电机的转换效率，η的取值范围为0.9～0.98。
进一步地，步骤S4中，将所述车辆的需求车速带入公式(7)，得到所述驱动电机的需求转速；
v(t)×i×60＝n(t)×2×π×R 公式(7)
其中，v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s；i为所述车辆的传动比；R为所述车辆的车轮半径，单位为m；n(t)为所述驱动电机t时刻的转速，单位为转/min。
进一步地，步骤S5中，将所述驱动电机的需求转矩和需求转速代入公式(8)中，得到所述驱动电机的需求输出功率P驱动电机(t)；
P驱动电机(t)＝T(t)×n(t)/9550 公式(8)
其中，T(t)为所述驱动电机t时刻的转矩，单位为N·m；n(t)为所述驱动电机t时刻的转速，单位为转/min。
进一步地，步骤S6中，将所述驱动电机的需求输出功率代入公式(9)中，得到所述燃料电池发动机的需求输出功率；
P驱动电机(t)＝PFCE(t)×α×η 公式(9)
其中，P驱动电机(t)为所述驱动电机t时刻的需求输出功率，单位为kW；PFCE(t)为所述燃料电池发动机t时刻的需求输出功率，单位为kW；α为所述燃料电池发动机的需求输出功率转换为所述驱动电机的需求输出功率的转换系数，α＜1；η为所述驱动电机的转换效率，η的取值范围为0.9～0.98。
进一步地，步骤S7中，根据公式(10)计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量；
其中，mH2为所述燃料电池发动机的氢气消耗量，单位为克；qH2为所述燃料电池发动机的氢气流量，单位为g/s；T1为测试的起始时间，单位为s；T2为测试的结束时间，单位为s。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中用于燃料电池发动机的性能测试方法包括如下步骤：S1、根据NEDC工况表，获取各时刻燃料电池发动机的需求加速度；S2、根据所述需求加速度得到车辆各时刻的加速阻力；同时，计算所述车辆的车轮阻力和各时刻的车辆空气阻力；S3、根据所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力得到所述车辆各时刻的需求驱动力；S4、根据所述车辆的需求驱动力得到所述车辆的驱动电机各时刻的需求转矩，并根据所述车辆各时刻的需求车速得到所述驱动电机各时刻的需求转速；S5、根据所述驱动电机的需求转矩和需求转速得到所述驱动电机各时刻的需求输出功率；S6、根据所述驱动电机的需求输出功率得到所述燃料电池发动机各时刻的需求输出功率，并得到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表；S7、按照步骤S6中得到的所述需求输出功率与时间工况表测试所述燃料电池发动机，判断所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率是否一致；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率一致时，计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量；通过在将NEDC工况表转化为所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表的过程中，将所述车辆内部复杂的动力变化过程简化为所述燃料电池发动机、所述驱动电机和所述车轮三者之间的关系，充分考虑所述车辆的加速阻力、车轮阻力和车辆空气阻力对所述燃料电池发动机性能的影响，能够更加准确的评价所述燃料电池发动机的性能；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率不一致时，说明所述燃料电池发动机的性能较差，不能达到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表的要求；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率一致时，能够达到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表的要求，再通过计算所述燃料电池发动机在测试过程中的氢气消耗量来判断所述燃料电池发动机的性能良好的具体程度；其中，氢气消耗量越低说明所述燃料电池发动机的性能越好。
附图说明
图1为本发明某一实施例中用于燃料电池发动机的性能测试方法的流程图；
图2为本发明某一实施例中用于燃料电池发动机的性能测试方法的NEDC工况图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种用于燃料电池发动机的性能测试方法，包括如下步骤：
S1、根据NEDC工况表，获取各时刻燃料电池发动机的需求加速度；
在此步骤中，NEDC工况表中记载了车速与时间的对应关系，即各时刻对应的车速；
S2、根据所述需求加速度得到车辆各时刻的加速阻力；同时，计算所述车辆的车轮阻力和各时刻的车辆空气阻力；
S3、根据所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力得到所述车辆各时刻的需求驱动力；
S4、根据所述车辆的需求驱动力得到所述车辆的驱动电机各时刻的需求转矩，并根据所述车辆各时刻的需求车速得到所述驱动电机各时刻的需求转速；
S5、根据所述驱动电机的需求转矩和需求转速得到所述驱动电机各时刻的需求输出功率；
S6、根据所述驱动电机的需求输出功率得到所述燃料电池发动机各时刻的需求输出功率，并得到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表，即所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间的对应关系；
S7、按照步骤S6中得到的所述需求输出功率与时间工况表测试所述燃料电池发动机，判断所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率是否一致；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率一致时，计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量。
当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率不一致时，说明所述燃料电池发动机的性能较差，不能达到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表的要求；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率一致时，能够达到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表的要求，再通过计算所述燃料电池发动机在测试过程中的氢气消耗量来判断所述燃料电池发动机的性能良好的具体程度；其中，氢气消耗量月底说明所述燃料电池发动机的性能越好。
需要说明的是，在全功率燃料电池汽车中，动力系统与整车的关系可以简化为燃料电池发动机、驱动电机和驱动轮之间的关系；燃料电池发动机产生的电能，通过电缆连接及逆变器的转换将电能传输给驱动电机，驱动电机将燃料电池发动机传输来的电能转换为机械能通过传动轴使车轮转动，从而驱使车辆前进。
具体地，步骤S2中，根据公式(1)计算所述车辆的加速阻力F加速(t)；
F加速(t)＝m×a(t)＝m×(v(t)-v(t-1)) 公式(1)
其中，m为所述车辆的质量，单位为kg；a(t)为所述燃料电池发动机的加速度，单位为m/s2；v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s；v(t-1)为所述车辆t-1时刻的车速，单位为m/s；t的单位为s。
具体地，步骤S2中，根据公式(2)计算所述车辆的车轮阻力F轮；
F轮＝fr×Z 公式(2)
其中，fr为车轮阻力系数，fr的取值范围为0.008～0.015；Z为车轮的垂直载荷，单位为N；所述车轮的垂直载荷Z的计算方法如下：
Z＝m×g 公式(3)
其中，m为所述车辆的质量，单位为kg；g为重力加速度，g的取值为9.8m/s2。
具体地，步骤S2中，根据公式(4)得到所述车辆空气阻力F空(t)；
F空(t)＝Cw×A×v2(t)/21.15 公式(4)
其中，Cw为空气阻力系数；A为所述车辆的迎风面积，单位为m2；v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s。
示例性地，货车的空气阻力系数Cw的取值范围一般为0.8-1.0；货车的迎风面积A的取值范围一般为3-7m2。
具体地，步骤S3中，将所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力带入公式(5)，得到所述车辆的需求驱动力Ft；
Ft＝F轮+F空(t)+F加速(t) 公式(5)
其中，F轮为所述车轮阻力；F空(t)为所述车辆空气阻力F加速(t)为所述加速阻力。
具体地，步骤S4中，将所述车辆的需求驱动力代入公式(6)，得到所述驱动电机的需求转矩；
Ft(t)×R＝T(t)×η×i 公式(6)
其中，Ft(t)为所述车辆t时刻的驱动力；T(t)为所述驱动电机t时刻的转矩，单位为N·m；i为所述车辆的传动比；R为所述车辆的车轮半径，单位为m；η为所述驱动电机的转换效率，η的取值范围为0.9～0.98。
具体地，步骤S4中，将所述车辆的需求车速带入公式(7)，得到所述驱动电机的需求转速；
v(t)×i×60＝n(t)×2×π×R 公式(7)
其中，v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s；i为所述车辆的传动比；R为所述车辆的车轮半径，单位为m；n(t)为所述驱动电机t时刻的转速，单位为转/min。
具体地，步骤S5中，将所述驱动电机的需求转矩和需求转速代入公式(8)中，得到所述驱动电机的需求输出功率P驱动电机(t)；
P驱动电机(t)＝T(t)×n(t)/9550 公式(8)
其中，T(t)为所述驱动电机t时刻的转矩，单位为N·m；n(t)为所述驱动电机t时刻的转速，单位为转/min。
具体地，步骤S6中，将所述驱动电机的需求输出功率代入公式(9)中，得到所述燃料电池发动机的需求输出功率；
P驱动电机(t)＝PFCE(t)×α×η 公式(9)
其中，P驱动电机(t)为所述驱动电机t时刻的需求输出功率，单位为kW；PFCE(t)为所述燃料电池发动机t时刻的需求输出功率，单位为kW；α为所述燃料电池发动机的需求输出功率转换为所述驱动电机的需求输出功率的转换系数，α＜1；η为所述驱动电机的转换效率，η的取值范围为0.9～0.98。
由NEDC工况图可知，车辆行驶存在加速、匀速和减速三种状态；在加速和匀速阶段，所述燃料电池发动机需要实际输出由式(9)计算得出的需求输出功率才可带动所述车辆按照需求输出功率-时间工况运行，然而在减速阶段，所述燃料电池发动机不需要实际输出功率；同时，所述车辆的制动系统需要按需求响应；因此，在减速阶段，所述燃料电池发动机输出为怠速功率即可，用来维持发动机自身的运转。
例如：某燃料电池货车发动机怠速功率为5kW，电机转换系数为0.75，电机效率为0.95，车轮阻力系数取0.01，汽车整备质量2200kg，空气阻力系数为0.9，迎风面积为5m2；运用公式(11)和减速怠速约定，得到所述燃料电池发动机的需求输出功率-时间工况曲线，详见附图2；附图2中包含有两条曲线，一条为NEDC工况中车速v与时间t的曲线，另一条为根据NEDC工况中车速v与时间t的曲线转化得到的燃料电池发动机的需求输出功率P与时间t的曲线。
具体地，步骤S7中，根据公式(10)计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量；
其中，mH2为所述燃料电池发动机的氢气消耗量，单位为克；qH2为所述燃料电池发动机的氢气流量，单位为g/s；T1为测试的起始时间，单位为s；T2为测试的结束时间，单位为s；单位g/s表示克/秒。
本实施例中用于燃料电池发动机的性能测试方法具有以下优点：
(1)由NEDC速度-时间工况根据能量转化机理和计算公式推导出燃料电池发动机的功率-时间工况，可作为燃料电池发动机性能评价的一项重要指标；
(2)将燃料电池汽车内部复杂的动力变化过程简化为燃料电池发动机、驱动电机和车轮三者之间的关系，排除了其他干扰信息，明确了燃料电池发动机功率与车速的直接关系；
(3)分析了由车速推导出燃料电池发动机功率的能量转换过程，考虑了车辆参数的影响，使功率工况更加贴近实际应用；
(4)将燃料电池发动机和驱动电机间的其他零部件的转换简化为转化系数α，极大地简化了燃料电池发动机推导过程。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据NEDC工况表，获取各时刻燃料电池发动机的需求加速度；
S2、根据所述需求加速度得到车辆各时刻的加速阻力；同时，计算所述车辆的车轮阻力和各时刻的车辆空气阻力；
S3、根据所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力得到所述车辆各时刻的需求驱动力；
S4、根据所述车辆的需求驱动力得到所述车辆的驱动电机各时刻的需求转矩，并根据所述车辆各时刻的需求车速得到所述驱动电机各时刻的需求转速；
S5、根据所述驱动电机的需求转矩和需求转速得到所述驱动电机各时刻的需求输出功率；
S6、根据所述驱动电机的需求输出功率得到所述燃料电池发动机各时刻的需求输出功率，并得到所述燃料电池发动机的需求输出功率与时间工况表；
S7、按照步骤S6中得到的所述需求输出功率与时间工况表测试所述燃料电池发动机，判断所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率是否一致；当所述燃料电池发动机的实际输出功率与需求输出功率一致时，计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S2中，根据公式(1)计算所述车辆的加速阻力F加速(t)；
F加速(t)＝m×a(t)＝m×(v(t)-v(t-1)) 公式(1)
其中，m为所述车辆的质量，单位为kg；a(t)为所述燃料电池发动机的加速度，单位为m/s2；v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s；v(t-1)为所述车辆t-1时刻的车速，单位为m/s。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S2中，根据公式(2)计算所述车辆的车轮阻力F轮；
F轮＝fr×Z 公式(2)
其中，fr为车轮阻力系数，fr的取值范围为0.008～0.015；Z为车轮的垂直载荷，单位为N；所述车轮的垂直载荷Z的计算方法如下：
Z＝m×g 公式(3)
其中，m为所述车辆的质量，单位为kg；g为重力加速度，g的取值为9.8m/s2。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S2中，根据公式(4)得到所述车辆空气阻力F空(t)；
F空(t)＝Cw×A×v2(t)/21.15 公式(4)
其中，Cw为空气阻力系数；A为所述车辆的迎风面积，单位为m2；v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S3中，将所述加速阻力、所述车轮阻力和所述车辆空气阻力带入公式(5)，得到所述车辆的需求驱动力Ft；
Ft＝F轮+F空(t)+F加速(t) 公式(5)
其中，F轮为所述车轮阻力；F空(t)为所述车辆空气阻力F加速(t)为所述加速阻力。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S4中，将所述车辆的需求驱动力代入公式(6)，得到所述驱动电机的需求转矩；
Ft(t)×R＝T(t)×η×i 公式(6)
其中，Ft(t)为所述车辆t时刻的驱动力；T(t)为所述驱动电机t时刻的转矩，单位为N·m；i为所述车辆的传动比；R为所述车辆的车轮半径，单位为m；η为所述驱动电机的转换效率，η的取值范围为0.9～0.98。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S4中，将所述车辆的需求车速带入公式(7)，得到所述驱动电机的需求转速；
v(t)×i×60＝n(t)×2×π×R 公式(7)
其中，v(t)为所述车辆t时刻的车速，单位为m/s；i为所述车辆的传动比；R为所述车辆的车轮半径，单位为m；n(t)为所述驱动电机t时刻的转速，单位为转/min。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S5中，将所述驱动电机的需求转矩和需求转速代入公式(8)中，得到所述驱动电机的需求输出功率P驱动电机(t)；
P驱动电机(t)＝T(t)×n(t)/9550 公式(8)
其中，T(t)为所述驱动电机t时刻的转矩，单位为N·m；n(t)为所述驱动电机t时刻的转速，单位为转/min。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S6中，将所述驱动电机的需求输出功率代入公式(9)中，得到所述燃料电池发动机的需求输出功率；
P驱动电机(t)＝PFCE(t)×α×η 公式(9)
其中，P驱动电机(t)为所述驱动电机t时刻的需求输出功率，单位为kW；PFCE(t)为所述燃料电池发动机t时刻的需求输出功率，单位为kW；α为所述燃料电池发动机的需求输出功率转换为所述驱动电机的需求输出功率的转换系数，α＜1；η为所述驱动电机的转换效率，η的取值范围为0.9～0.98。
10.根据权利要求1所述的用于燃料电池发动机的性能测试方法，其特征在于，步骤S7中，根据公式(10)计算所述燃料电池发动机的氢气消耗量；
其中，mH2为所述燃料电池发动机的氢气消耗量，单位为克；qH2为所述燃料电池发动机的氢气流量，单位为g/s；T1为测试的起始时间，单位为s；T2为测试的结束时间，单位为s。
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