CN211829051U - 一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统。包括电控单元、氢气供应单元、空气供应单元、负载单元，负载单元的电力输入端与燃料电池发动机正负极电连接，负载单元包括一个主负载和多个从负载，主负载和多个从负载并联设置在负载单元的电力输入端，主负载的控制信号输入端与电控单元的控制信号输出端电连接，主负载的控制信号输出端分别与各个从负载的控制信号输入端电连接，主负载和从负载均为电子负载。采用多个电子负载代替传统单个负载，可以根据发动机需求功率选择单个负载工作或多个负载同时工作，其调节精度高，能够保证低功率测试的精度。

Description

一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是目前最接近商业化的燃料电池，具有环境友好性和能量转换效率高等优点，在交通运输、潜艇、电站与移动电源等领域有巨大的应用前景。在不同的应用场景，燃料电池发动机的功率需求不同。例如潜艇用燃料电池发动机功率达500kW，有轨电车用燃料电池功率高于200kW。虽然国内车用燃料电池发动机功率大多在30KW到60KW，但是随车技术的发展，车用燃料电池发动机也朝着大功率化发展。

随着燃料电池技术的快速发展，燃料电池发动机的性能测试越来越重要，目前不同功率级别的燃料电池发动机性能评价采用不同功率级别的测试台，主流功率级别从50kW到300kW不等。由于现有的测试系统各部件均采用单通道满足最大功率需求进行供应，每个功率级别的测试台需要配置与该功率级别对应的氢气供应单元和负载，为了满足全功率的高精度测试需求，同一家燃料电池发动机研发或生产机构，需要配置多台不同功率级别的测试台，加大了发动机的开发成本。且在开发和生产燃料电池发动机时需要在发动机的全功率下研究各个零部件的工作参数，在大功率发动机进行低功率测试研究时，由于精度不够往往会加大开发时间，降低开发效率。

为了自由调节功耗负载的大小，使一个测试台能够实现全功率测试，公告号为CN101453024 B的中国专利“一种燃料电池测试用负载的控制方法”公开了一种负载控制系统，其采用电阻+开关的形式，通过CPU控制各个负载的接入与否，从而实现自由调节功耗负载的大小。但该种方式受限于电阻式负载阻值不能灵活调节的特性，要实现全功率可调则需要采用大量的负载进行调节，负载数量少则几百，多则上千，且全部只能通过CPU进行控制，其控制复杂，且对CPU的运算能力要求极高，成本高昂。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，它通过少量的负载和简单的控制既能实现全功率燃料电池发动机的测试，且能实现高精度控制。

本实用新型技术方案为：包括电控单元和与电控单元控制信号输出端电连接的氢气供应单元、空气供应单元、负载单元，所述氢气供应单元的氢气输出端、所述空气供应单元的压缩空气输出端用于连接燃料电池发动机的进气端，所述负载单元的电力输入端与燃料电池发动机的正负极电连接，所述负载单元包括一个主负载和多个从负载，所述主负载和多个从负载并联设置在负载单元的电力输入端，所述主负载的控制信号输入端与电控单元的控制信号输出端电连接，所述主负载的控制信号输出端分别与各个从负载的控制信号输入端电连接，所述主负载和从负载均为电子负载。

较为优选的，所述主负载与从负载的功率相同。

较为优选的，所述主负载与从负载之间通过CAN线和SYN线连接。

较为优选的，所述氢气供应单元包括第一开关阀、第二开关阀、减压阀、氢气传输管路，以及并联设置的多个流量控制器，所述第一开关阀、减压阀、流量控制器、第二开关阀通过氢气传输管路依次连接，所述第一开关阀进气端连接氢气源，所述第二开关阀出气端连接发动机入口，各个所述流量控制器的流量供应区间互不重叠，且形成的区间集合覆盖PEM燃料电池发动机测试台全功率需求。

较为优选的，多个所述流量控制器包括量程逐渐变大的低流量控制器、中流量控制器和高流量控制器，所述中流量控制器的流量供应最小值为低流量控制器的流量供应最大值，所述高流量控制器的流量供应最小值为中流量控制器的流量供应最大值。

较为优选的，所述低流量控制器、中流量控制器和高流量控制器的调节精度逐渐降低。

较为优选的，还包括氮气吹扫单元，所述氮气吹扫单元的出气端与燃料电池发动机的进气端连接，所述氮气吹扫单元的控制信号输入端与电控单元的控制信号输出端电连接。

较为优选的，还包括用于为燃料电池发动机散热的散热单元，所述散热单元的控制信号输入端与电控单元的控制信号输出端电连接。

较为优选的，还包括对发动机排放的尾气进行处理的尾排单元，所述尾排单元的控制信号输入端与电控单元的控制信号输出端电连接。

较为优选的，所述从负载包括第一从负载和第二从负载。

本实用新型的有益效果为：

1、采用三个电子负载代替传统单个负载，可以根据发动机需求功率选择单个负载工作或多个负载同时工作，由于改进后的单个负载的功率级别远小于传统的单个负载，其调节精度高，能够保证低功率测试的精度。

2、主负载通过电控单元控制，从负载通过主负载控制，大大降低了电控单元的运算压力。

3、氢气供应单元采用多通道供应，低流量供应等级的流量控制器精度高，高流量供应等级的流量控制器精度低，使大功率大发动机进行低功率测试时，能实现高精度氢气供应，同时，大功率大发动机进行高功率测试时，实现快速调节。

附图说明

图1为本实用新型一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统的连接示意图；

图2为本实用新型主负载与从负载之间的连接示意图；

图3为本实用新型氢气供应单元的连接示意图。

图中：1-氢气供应单元，2-氮气吹扫单元，3-空气供应单元，4-散热单元，5-尾排单元，6-负载单元，7-电控单元，1.1-低流量控制器，1.2-中流量控制器，1.3-高流量控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。

如图1所示，一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，包括电控单元7和与电控单元7控制信号输出端电连接的氢气供应单元1、氮气吹扫单元2、空气供应单元3、散热单元4、尾排单元5、负载单元6。氢气供应单元1的氢气输出端、空气供应单元3的压缩空气输出端均与燃料电池发动机8的进气端连接，燃料电池发动机8正负极与负载单元6的电力输入端电连接。

如图2所示，负载单元6包括一个主负载6.2和多个从负载，主负载6.2和多个从负载并联设置在负载单元6的电力输入端，主负载6.2的控制信号输入端与电控单元7的控制信号输出端电连接，主负载6.2的控制信号输出端分别与各个从负载的控制信号输入端电连接，主负载6.2和从负载均为电子负载，主负载6.2与从负载的功率相同。

本实施例中的从负载为两个，分别为第一从负载6.1和第二从负载6.3。从负载的数量可以根据主流功率级别进行增减。

本实施例中主负载6.2与从负载之间通过CAN线和SYN线连接。其中，主负载6.2对从负载的控制信号通过CAN线传输，SYN线用于实现主从负载之间的握手信号以及功率及各数据的同步。

负载单元6的工作原理如下：

当需求功率在单台电子负载的额定功率内由主负载单独工作；当需求功率在两台电子负载的额定功率内，由主负载与一台从负载同时工作，均摊发动机的功率；当需求功率在三台电子负载的额定功率内，三台电子负载同时工作，均摊发动机的功率。

氮气吹扫单元2用于在发动机测试完成后吹扫发动机内部的残余氢气。氮气吹扫单元2管路设置开关阀、流量控制器、压力传感器及温度传感器以控制并监控氮气的吹扫过程。

空气供应单元3用于为发动机供应压缩空气，在测试完成后吹扫发动机内部的水汽，此外空气供应单元3也可为燃料电池发动机供应高压空气。空气供应单元管路设置过滤、开关阀、流量控制器、压力传感器及温度传感器以控制并监控空气的供应与吹扫过程。

散热单元4用于为发动机工作时散走热量，维持发动机的工作温度。散热单元与发动机连接的管道上连接有手动和电动开关阀、过滤器、电导率传感器、流量计、温度传感器与压力传感器。

尾排单元5用于处理及排放发动机的尾排。尾排单元5设置压力传感器、温度传感器、水汽分离器，水汽分离器分离发动机尾排中的水和气体，水在测试系统底部排走，气通过顶部排出室外。

电控单元7为测试系统及发动机提供电能，并给氢气供应单元1、氮气吹扫单元2、空气供应单元3，散热单元4、尾排单元5、负载单元6发指令，控制与监控各单元的工作。并确保燃料电池发动机8在设置的安全阈值中工作，超过安全阈值，电控单元7发出警告并及时处理。

如图3所示，氢气供应单元1包括第一开关阀、第二开关阀、减压阀、氢气传输管路，以及并联设置的多个流量控制器，第一开关阀、减压阀、流量控制器、第二开关阀通过氢气传输管路依次连接，第一开关阀进气端连接氢气源，第二开关阀出气端连接发动机入口，各个流量控制器的流量供应区间互不重叠，且形成的区间集合覆盖PEM燃料电池发动机测试台全功率需求。多个流量控制器包括量程逐渐变大的低流量控制器1.1、中流量控制器1.2和高流量控制器1.3，中流量控制器1.2的流量供应最小值为低流量控制器1.1的流量供应最大值，高流量控制器1.3的流量供应最小值为中流量控制器1.2的流量供应最大值。低流量控制器1.1、中流量控制器1.2和高流量控制器1.3的调节精度逐渐降低。

实施例一

本实施例的流量控制器包括低流量控制器5.1、中流量控制器5.2、高流量控制器5.3。其中，低流量控制器5.1的量程为0-500slpm，中流量控制器5.2的量程为0-1500slpm，高流量控制器5.3的量程为0-3000slpm。低流量控制器5.1的流量供应区间为0～500slpm；中流量控制器5.2的流量供应区间为500～1500slpm；高流量控制器5.3的流量供应区间为1500～3000slpm。低流量控制器5.1的调节精度＞中流量控制器5.2的调节精度＞高流量控制器5.3的调节精度。

在燃料电池发动机测试台工作时，根据发动机的需求流量，测试台的控制单元控制流量控制器在各自的工作范围内工作。当发动机的需求流量需求超出正在工作的流量控制器的工作范围，测试台的控制单元根据需求流量对应的区间对应开启适用的流量控制器，并在此流量控制器的工作范围内工作，同时关于其余流量控制器。

本系统的工作过程如下：

燃料电池发动机与测试系统连接，根据测试工况，电控单元7控制氢气供应单元1各部件工作并监控记录各部件的工作状况。电控单元7控制流量控制器(1.1、1.2与1.3)在各自的工作范围内工作，给发动机提供燃料氢气。发动机产生的电能由负载单元6接收，设置电子负载工作模式，根据产生的功率，电控单元7控制电子负载(6.1、6.2与6.3)的工作范围，负载单元的工作数据传输到电控单元记录并分析。散热单元4带走发动机产生的热量，并维持发动机在设定的稳定温度范围内工作，电控单元7控制散热单元4各部件工作并记录工作数据。发动机的尾排通过尾排单元5排出，水汽分离器分离尾排中的水和气体，水通过测试系统底部排出，气体从测试系统顶部排出室外。各部件工作状况由电控单元7监控记录。测试结束后，电控单元7控制氮气吹扫单元工作，吹扫发动机中残留的氢气。空气供应单元3既可用于给发动机提供高压氧化剂，也可用于测试结束后吹扫发动机内部产生的水分。在关闭燃料电池发动机测试系统前，开启氢气供应单元1的泄气支路，泄放氢气供应1管路中残留的氢气。在整个测试过程中电控单元7控制测试系统各单元在设置的安全阈值中工作，超过安全阈值，电控单元7发出警告并及时处理，以保证燃料电池发动机、测试系统以及测试人员的安全。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，包括电控单元(7)和与电控单元(7)控制信号输出端电连接的氢气供应单元(1)、空气供应单元(3)、负载单元(6)，所述氢气供应单元(1)的氢气输出端、所述空气供应单元(3)的压缩空气输出端用于连接燃料电池发动机(8)的进气端，所述负载单元(6)的电力输入端与燃料电池发动机(8)的正负极电连接，其特征在于：所述负载单元(6)包括一个主负载(6.2)和多个从负载，所述主负载(6.2)和多个从负载并联设置在负载单元(6)的电力输入端，所述主负载(6.2)的控制信号输入端与电控单元(7)的控制信号输出端电连接，所述主负载(6.2)的控制信号输出端分别与各个从负载的控制信号输入端电连接，所述主负载(6.2)和从负载均为电子负载。

2.如权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：所述主负载(6.2)与从负载的功率相同。

3.如权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：所述主负载(6.2)与从负载之间通过CAN线和SYN线连接。

4.如权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：所述氢气供应单元(1)包括第一开关阀、第二开关阀、减压阀、氢气传输管路，以及并联设置的多个流量控制器，所述第一开关阀、减压阀、流量控制器、第二开关阀通过氢气传输管路依次连接，所述第一开关阀进气端连接氢气源，所述第二开关阀出气端连接发动机入口，各个所述流量控制器的流量供应区间互不重叠，且形成的区间集合覆盖PEM燃料电池发动机测试台全功率需求。

5.根据权利要求4所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：多个所述流量控制器包括量程逐渐变大的低流量控制器(1.1)、中流量控制器(1.2)和高流量控制器(1.3)，所述中流量控制器(1.2)的流量供应最小值为低流量控制器(1.1)的流量供应最大值，所述高流量控制器(1.3)的流量供应最小值为中流量控制器(1.2)的流量供应最大值。

6.根据权利要求5所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：所述低流量控制器(1.1)、中流量控制器(1.2)和高流量控制器(1.3)的调节精度逐渐降低。

7.根据权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：还包括氮气吹扫单元(2)，所述氮气吹扫单元(2)的出气端与燃料电池发动机(8)的进气端连接，所述氮气吹扫单元(2)的控制信号输入端与电控单元(7)的控制信号输出端电连接。

8.根据权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：还包括用于为燃料电池发动机(8)散热的散热单元(4)，所述散热单元(4)的控制信号输入端与电控单元(7)的控制信号输出端电连接。

9.根据权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：还包括对发动机排放的尾气进行处理的尾排单元(5)，所述尾排单元(5)的控制信号输入端与电控单元(7)的控制信号输出端电连接。

10.根据权利要求1所述的适用于全功率燃料电池发动机的测试系统，其特征在于：所述从负载包括第一从负载(6.1)和第二从负载(6.3)。

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