CN114114028A - 一种车用燃料电池耐久性加速测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车用燃料电池耐久性加速测试方法，获取路谱数据和车辆动力系统配置数据，通过整车能量分配模型仿真获得燃料电池系统负载输出工况；通过在线传感器或基于系统零部件特性的仿真计算电堆入口参量；对计算得到的电堆入口参量，与燃料电池系统负载输出工况相对应；获取车辆运行的气候在燃料电池全寿命周期内的频次；获取车辆采用的运转时间表，即获取车辆每天启动停机次数、热启动的次数以及启动后运行时间；将各数据划归为具有不同偏移的操作条件以及启动次数，进而形成初步电堆耐久性测试工况；消除负载和操作条件同时处于稳态的状态，获取最终加速耐久测试工况。与现有技术相比，本发明具有结果准确、提高验证效率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池检测技术领域，尤其是涉及一种车用燃料电池耐久性加速测试方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应直接将氢气和空气中的样机转变为电能的发电装置。在燃料电池商业化过程中，耐久性是要解决的重要问题之一。由于车用燃料电池的寿命较长，特别是商用车，均需要在1万小时以上甚至超过2万小时。等同于使用时间的耐久性测试显然不是一个好的选择。因为这会大幅度延长产品开发周期，大幅度提高开发费用，这些是不能够被开发产品的公司以及终端客户所接受。因此，耐久性加速测试方法的需求应运而生。同时，对于终端客户而言，特别是批量生产阶段前，往往仅对某一种配置的燃料电池车型以及系统的平均耐久性更为关注。这是因为通过具有统计性的耐久性水平了解能够测算未来车辆未来使用和营收情况。
目前的研究及公开资料中有较多关于耐久性研究和加速测试的方法。但普遍存在以下问题：
1、根据已知的失效模式推算实现加速耐久测试，而由于错误如系统控制策略缺陷则无法被考虑。同时，失效之间的影响也无法在测试中重现，这与实际情况不符，无法客观评估。包括如专利CN 108417868 A采用权重与衰减情况结合，专利CN200710100151.4能够通过分段表征经线性叠加后获得耐久等；
2、人为制定燃料电池电堆测试工况，没有较好的逻辑链条支撑，与实际情况基本断开。可以作为耐久性测试标准使用，却实际耐久情况无帮助。如专利CN109683093 A，以及部分主机厂发布的负载工况均存在比较强的人为因素，不同电堆使用同样的工况可以对比其耐久性水平，却无法得到实际运行接近的寿命情况。
3、在线耐久预测，是对针对性某一辆车的预测，而非具有统计性结论。如109683093 A类专利则更多偏重于基于某一案例车型和具体所测对象系统的未来寿命预测。不具备统计性要求，也无法实现加速测试。
因此需要从商业应用出发，针对性解决某一确定性配置的燃料电池汽车以及所安装的燃料电池系统的具有统计性结果的耐久性评估。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用燃料电池耐久性加速测试方法，能够针对某一确定性配置的燃料电池汽车以及所安装的燃料电池系统做出具有统计性结果的准确的耐久性评估。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车用燃料电池耐久性加速测试方法，该方法通过模型和测试结合的方式完成加速耐久性验证，并且在系统设计阶段、系统功能验证阶段、整车设计阶段或者整车功能验证阶段实现。
当处于系统设计阶段开始耐久性验证时，测试中所需的操作条件工况和偏移操作条件工况则来源于仿真计算；
当处于系统功能验证阶段开始耐久性验证时，测试中所需的操作条件工况和偏移操作条件工况来源于实际测试；
当处于整车设计阶段开始耐久性验证时，测试中所需的负载工况来源于仿真计算；
当处于整车功能验证阶段开始耐久性验证时，测试中所需的负载工况采用实际运行测试的方法获得。
本发明方法具体包括下列步骤：
S1：根据输入路谱和车辆动力系统配置数据，通过整车能量分配模型仿真获得燃料电池系统负载输出工况。
整车能量分配模型基于汽车动力学计算满足路谱所需要的电机扭矩和转速，在此基础上通过电机图谱，动力电池充放电曲线以及燃料电池输出功率曲线，最终获得燃料电池的负载输出工况。
进一步地，在获取燃料电池的负载输出工况的过程中，保持锂电池SOC值在小数值的窗口内，即浅充浅放，减少燃料电池变载。
S2：通过燃料电池系统仿真或燃料电池系统实际测试，输入S1所获得的燃料电池系统负载输出工况，通过在线传感器或基于系统零部件特性的仿真计算电堆入口参量，形成入口参量与时间的关系，并与燃料电池系统负载输出工况相对应。
所述电堆入口参量包括空气/氢气参量和冷却液参量，所述的空气/氢气参量包括流量、温度、湿度和压力，所述冷却液参量包括流量和压力。
S3：统计车辆运行的气候类型在燃料电池全寿命周期内的频次，进而得到电堆操作条件在启动及运行全工况阶段与常温下的偏移情况。具体地：
获取车辆运行的气候状态在燃料电池全寿命周期内的频次，包括零下低温启动以及高温载荷在内的多个对电堆造成耐久影响的因素，将燃料电池系统置于所统计代表性的气候状态中，即系统气体入口以及系统起始状态与气候状态环境保持一致，通过系统仿真或者实际测试的方式，得到电堆操作条件在启动阶段、运行全工况阶段与常温下的偏移情况。
S4：统计车辆最有可能采用的运转时间表，即获取车辆每天启动停机及热启动的次数，以及启动后运行时间，用以获得在全寿命周期内燃料电池系统启停对耐久性的影响。
S5：根据气候状态以及车辆运转时间的统计结果，将燃料电池电堆的耐久性测试由时间为单位转换为循环工况的次数，将各数据划归为具有不同偏移的操作条件以及启动次数，进而合并形成初步电堆耐久性测试工况。
S6：在初步电堆耐久性测试工况中人为消除负载和操作条件同时处于稳态的工况，获取最终加速耐久测试工况并完成耐久性验证。
进一步地，S1中，在整车能量分配模型仿真时，与整车能量配置相关的项目包括车重、驱动电机MAP、动力电池容量、放电曲线和燃料电池系统极化曲线以及DCDC效率，整车能量分配的动作包括使燃料电池输出能量流向电机，或者流向锂电池充电；锂电池输出给电机放电或者接受燃料电池充电，电机处于用电或者停止用电状态，通过整车能量分配模型仿真分别获得车辆满载和空载时的燃料电池系统负载输出工况。
本发明提供的车用燃料电池耐久性加速测试方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明方法可以通过计算机仿真或实验测试，或者二者结合方式模型和测试结合的方式实现系统设计阶段、系统功能验证阶段、整车设计阶段或者整车功能验证阶段的加速耐久性验证；通过燃料电池系统仿真或燃料电池系统实际测试能够针对某一车型和运行地区获得高准确度的耐久性加速测试结果，验证方式简便、高效、灵活。
2)在获取燃料电池的负载输出工况的过程中，保持锂电池SOC值在小数值的窗口内，即浅充浅放，能够减少燃料电池变载，且通过稳定工况压缩，可以大幅度提高耐久性验证效率。
附图说明
图1为本发明车用燃料电池耐久性加速测试方法的原理示意图；
图2为实施例中CHTC-B中国城市客车工况示意图；
图3为实施例中基于CHTC-B某12米公交大巴车燃料电池系统的载荷仿真结果图，其中子图(a)为空载的载荷仿真结果图，子图(b)为满载的载荷仿真结果图；
图4为由单天运行解析出的单周期负载工况图，其中子图(a)为单周期负载工况图A，子图(b)为单周期负载工况B；
图5为实施例中北京地区气候变化范围与气候条件划分图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种车用燃料电池耐久性加速测试方法。燃料电池的耐久性一般是指燃料电池系统中电堆的耐久性。由于耐久性的验证需要持续很长时间，因而耐久性验证的起始时间差异可以很大。根据零部件以及整车开发时间顺序关系，耐久性验证可以在系统设计阶段实现，或者系统功能验证阶段，也可以在整车设计阶段或整车功能验证阶段。这意味着不同开始的时间点所具备的条件和资源不同。本发明中也充分考虑了其适用性。当系统处于设计阶段开始耐久性研究时，测试中所需的操作条件工况和偏移操作条件工况则来源于仿真计算；当系统处于功能验证阶段时，推荐操作条件工况和偏移操作条件工况来源于实际测试更准确；当整车处于设计阶段开始耐久性验证时，测试中所需的负载工况则来源于仿真计算；当整车处于功能验证阶段开始耐久性验证时，建议负载工况采用实际运行测试的方法获得。
为了获取统计性的平均耐久性，在本发明通过模型和测试结合的方式完成加速耐久性验证。首先通过输入路谱，车辆动力系统配置经整车能量分配模型仿真可以获得燃料电池系统输出负载工况。模型主要是基于汽车动力学计算满足路谱所需要的电机扭矩和转速，进一步地，在此基础上通过电机图谱、动力电池充放电曲线以及燃料电池输出功率曲线，最终获得燃料电池的负载输出工况。一般而言，为了实现燃料电池高耐久，尽可能减少负载波动恒载荷输出。同时在获取燃料电池的负载输出工况的过程中，需要尽可能保持锂电池SOC值在一个较小的窗口内，即浅充浅放。在本发明中，输入的路谱包括但不限于中国城市客车工况路谱CHTC-B。
然后，通过燃料电池系统仿真或者燃料电池系统实际测试，输入第一步所获得的需求负载工况，通过在线传感器或者基于系统零部件特性的仿真计算获得电堆入口参量。其中空气，氢气参量至少包含：流量，温度，湿度和压力。冷却液参量至少包含：流量、压力。最终形成时间与上述参量的关系，并与负载工况相对应。
进一步地，调查和统计车辆运行的气候状态在燃料电池全寿命周期内的频次，主要包括零下低温启动、以及高温载荷等对电堆可能造成耐久影响的因素。按照上一步骤的方法将燃料电池系统置于所统计代表性的气候状态中，即系统气体入口以及系统起始状态与气候环境保持一致。从而可以测试出电堆操作条件在启动、乃至运行全工况阶段与常温下的偏移情况。同样，也可以通过系统仿真的方法获得上述结果。
为了进一步获得在全寿命周期内燃料电池系统启停对耐久的影响，还需要调查和统计车辆最有可能采用的运转时间表。即车辆每天启动停机次数、热启动的次数以及启动后运行时间。
在以上统计结果基础上，燃料电池电堆的耐久性测试由时间为单位转换为循环工况的次数。通过气候和车辆运转时间的统计，最终划归为具有不同偏移的操作条件以及启动次数。由此，形成了初步电堆耐久性测试工况。
由于燃料电池在负载稳定以及操作条件稳定的条件下对耐久性的影响非常小。因此，最后在上述初步耐久性工况中人为消除负载和操作条件同时处于稳态的状态。由此，获得最终加速耐久测试工况。
为了方便理解本发明方法中所涉及的到技术细节，提供本技术方案，但并不意味着仅限于本方案的内容。在本案中完成了基于燃料电池城市公交车的耐久性加速测试方法制定。
在本实施例方案中所使用的路谱为中国城市客车工况路谱(CHTC-B)，由中国汽车技术研究中心有限公司制定。路谱所绘制的时间行车速度图如图2所示。
所选择的车辆为12米公交大巴车，与整车能量配置相关的项目包括：车重、驱动电机MAP、动力电池容量以及放电曲线、燃料电池系统极化曲线、DCDC效率。由时间-速度曲线，通过汽车动力学可以容易获得电机的驱动力需求。进一步地，在整车能量分配中主要的动作包括使燃料电池输出能量流向电机，或者流向锂电池充电；而锂电池则输出给电机放电或者接受燃料电池充电，电机处于用电或者停止用电状态。为了延长寿命，在能量控制时尽可能减少燃料电池变载，减少锂电池大范围SOC值变化。通过仿真可以分别获得车辆满载和空载时的燃料电池系统负载输出情况。如图3所示，图中，Pm,ele是指公交车驱动电机负载情况；Pfc是指燃料电池系统功率输出负荷。简述表如表1所示：
表1车辆满载和空载时的燃料电池系统负载输出功率情况
| P1占比 | P2占比 | 变载次数 | |
| 满载 | 0 | 100％ | 0 |
| 空载 | 23％ | 77％ | 6次 |
从上表可以看出，燃料电池输出功率值仅与平均功耗有关，与车速、路谱变化无关。也间接说明整车能量配置很好。由燃料电池失效模式可以获知，与载荷相关的衰减主要包括载荷值以及变载次数。因而燃料电池系统负载工况还与实际运行时的车辆运转时间统计有关。
以下是车辆预转的统计情况。
表2车辆运转时间表模型
从仿真结果可以获知，其工况涵盖了11个小时的负载变化情况。而实际车辆载人数量很难获得确定性结果，考虑到最终燃料电池负载一定是介于上述范围之间，而选择了求平均值。即，P2占比调整到89％，P1调整至11％，变载次数不变。由此，可以得到燃料电池系统的单周期负载工况，如图4所示。需要说明的是，由于后续还会对稳态做压缩，而没有考虑稳态时间长度与模拟结果的匹配。然而，由于车辆运转午休，增加了冷机启动和热机启动的区别，该部分可能会影响操作条件偏移，影响最终寿命。人为将工况再分解为两个不相同的单周期负载工况，分别命名A，B，如图4的子图(a)和子图(b)所示。
进一步地，在上述单周期负载工况A和B的负载工况下分别实况测试燃料电池系统，并在线测试燃料电池电堆的操作条件，通过测试数据获得一个完整的操作条件工况谱。二者在测试中不同之处在于单周期负载工况B的起始冷却温度要高于单周期负载工况A。该值取决于燃料电池系统所在地区温度以及布置散热情况。操作条件工况谱主要是至少包括以下参量随时间的变化趋势。其中空气，氢气参量至少包含：流量，温度，湿度、压力。冷却液参量至少包含：流量、压力。在工况中，操作条件和负载是一一对应关系。这意味着电堆的运行工况已经完整了，后续即简称运行工况A，运行工况B。
进一步地，对车辆计划运行的城市做气候温度统计。按照燃料电池对温度的影响程度，在本实施例中统计了北京市气候，并分成了四个气候类型。并同时可以统计出四类气候类型全年所对应的天数，即天数占比，如表3。气候分类的原则取决于燃料电池系统控制对环境条件的敏感程度，主要反映在电堆操作条件的变化。北京地区气候变化范围与气候条件划分如图5所示。
表3四种气候类型温度湿度统计表
进一步地，根据燃料电池系统分别在选定环境条件下做测试，通过负载工况A-负载工况B分别获得新的对应操作条件工况A-操作条件工况B。由此形成了新的运行工况矩阵如表4。
表4电堆运行工况矩阵编号与对应关系
| 气候条件 | 负载工况A | 负载工况B | 合并名称 |
| 气候条件1 | 1#-A | 1#-B | 1#-AB |
| 气候条件2 | 2#-A | 2#-B | 2#-AB |
| 气候条件3 | 3#-A | 3#-B | 3#-AB |
| 气候条件4 | 4#-A | 4#-B | 4#-AB |
由于每个气候条件下的A工况和B工况是串联发生的，可以直接合并表示，如表4中所示。目前，所获得的四个运行工况的测时间均为10小时。由于燃料电池在稳定工况下，其衰减可以忽略，因而可以大幅度缩短该部分时间。缩减后的工况可以标记为1’#-AB，2’#-AB，3’#-AB，4’#-AB。为了还原实际运行前序工况衰减对后续的影响，依照四季顺序排布工况，最终形成如下序列形式。
表5按四季顺序排布工况所得序列形式
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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，该方法通过模型和测试结合的方式完成加速耐久性验证，并且在系统设计阶段、系统功能验证阶段、整车设计阶段或者整车功能验证阶段实现。
2.根据权利要求1所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，
当处于系统设计阶段开始耐久性验证时，测试中所需的操作条件工况和偏移操作条件工况则来源于仿真计算；
当处于系统功能验证阶段开始耐久性验证时，测试中所需的操作条件工况和偏移操作条件工况来源于实际测试；
当处于整车设计阶段开始耐久性验证时，测试中所需的负载工况来源于仿真计算；
当处于整车功能验证阶段开始耐久性验证时，测试中所需的负载工况采用实际运行测试的方法获得。
3.根据权利要求1所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据输入路谱和车辆动力系统配置数据，通过整车能量分配模型仿真获得燃料电池系统负载输出工况；
2)通过燃料电池系统仿真或燃料电池系统实际测试，输入步骤1)所获得的燃料电池系统负载输出工况，通过在线传感器或基于系统零部件特性的仿真计算电堆入口参量，形成入口参量与时间的关系，并与燃料电池系统负载输出工况相对应；
3)统计车辆运行的气候类型在燃料电池全寿命周期内的频次，进而得到电堆操作条件在启动及运行全工况阶段与常温下的偏移情况；
4)统计车辆最有可能采用的运转时间表，即获取车辆每天启动停机次数、热启动的次数以及启动后运行时间，用以获得在全寿命周期内燃料电池系统启停对耐久性的影响；
5)根据气候状态以及车辆运转时间的统计结果，将燃料电池电堆的耐久性测试由时间为单位转换为循环工况的次数，将各数据划归为具有不同偏移的操作条件以及启动次数，进而合并形成初步电堆耐久性测试工况；
6)在初步电堆耐久性测试工况中人为消除负载和操作条件同时处于稳态的工况，获取最终加速耐久测试工况并完成耐久性验证。
4.根据权利要求3所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，步骤1)中，整车能量分配模型基于汽车动力学计算满足路谱所需要的电机扭矩和转速，在此基础上通过电机图谱，动力电池充放电曲线以及燃料电池输出功率曲线，最终获得燃料电池的负载输出工况。
5.根据权利要求3所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，在获取燃料电池的负载输出工况的过程中，保持锂电池SOC值在小数值的窗口内，即浅充浅放，减少燃料电池变载。
6.根据权利要求3所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，步骤2)中，所述电堆入口参量包括空气/氢气参量和冷却液参量，所述的空气/氢气参量包括流量、温度、湿度和压力，所述冷却液参量包括流量和压力。
7.根据权利要求3所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，步骤3)的具体内容为：
获取车辆运行的气候状态在燃料电池全寿命周期内的频次，包括零下低温启动以及高温载荷在内的多个对电堆造成耐久影响的因素，将燃料电池系统置于所统计代表性的气候状态中，即系统气体入口以及系统起始状态与气候状态环境保持一致，通过系统仿真或者实际测试的方式，得到电堆操作条件在启动阶段、运行全工况阶段与常温下的偏移情况。
8.根据权利要求3所述的车用燃料电池耐久性加速测试方法，其特征在于，步骤1)中，在整车能量分配模型仿真时，与整车能量配置相关的项目包括车重、驱动电机MAP、动力电池容量、放电曲线和燃料电池系统极化曲线以及DCDC效率，整车能量分配的动作包括使燃料电池输出能量流向电机，或者流向锂电池充电；锂电池输出给电机放电或者接受燃料电池充电，电机处于用电或者停止用电状态，通过整车能量分配模型仿真分别获得车辆满载和空载时的燃料电池系统负载输出工况。
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2021
- 2021-12-14 CN CN202111528279.7A patent/CN114114028A/zh active Pending
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