燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

劉枝紅，顏娟娟，崔旭升，荊 琪，崔曉華

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)以綠色環(huán)保的特性被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。因此，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)在世界范圍內(nèi)掀起了一個(gè)高潮，燃料電池整車銷量越來(lái)越多，隨之而來(lái)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)測(cè)試需求也越來(lái)越多，與之相關(guān)的測(cè)試技術(shù)也不斷發(fā)展。本文闡述了一種基于LabVIEW編程環(huán)境的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)案例，可以進(jìn)行100kW及以下燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，包括起動(dòng)特性、穩(wěn)態(tài)工況特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等多方面的測(cè)評(píng)。利用該測(cè)試平臺(tái)可以進(jìn)行燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性試驗(yàn)研究。

1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)包括空氣供應(yīng)模塊、氫氣供應(yīng)模塊、電堆及冷卻模塊、輔件冷卻模塊、供電模塊、控制模塊等。一個(gè)完整的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該包含輔助電源模塊、氫氣供給模塊、電堆冷卻模塊、輔件冷卻模塊、電子負(fù)載、通信控制模塊、數(shù)據(jù)采集與記錄模塊、報(bào)警模塊等。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

輔助電源模塊包括控制器所需的低壓電源和輔件所需要的高壓電源。電子負(fù)載具備電壓模式、電流模式及功率模式，電壓模式可為DCDC進(jìn)行預(yù)充，電流模式可用于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)直接拉載。當(dāng)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶DCDC時(shí)則不需要測(cè)試系統(tǒng)的高壓電源供電，可由電子負(fù)載提供高壓電。電源、電子負(fù)載、氫氣流量計(jì)、傳感器等通過(guò)下位機(jī)通信或采集數(shù)據(jù)，電堆冷卻及部件冷卻分別由單獨(dú)的PLC控制水溫并與下位機(jī)通信，下位機(jī)中的控制程序?qū)崟r(shí)運(yùn)行并與上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄供電電壓、拉載電流、冷卻溫度等參數(shù)。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)介紹

2.1 供氫模塊

供氫模塊包含氫氣供應(yīng)手閥、調(diào)壓閥、流量計(jì)、安全閥、氣動(dòng)閥等。①氫氣供氣采用罐車及減壓撬減壓至廠房供氣管路，臺(tái)架進(jìn)行二次減壓至發(fā)動(dòng)機(jī)需求壓力供發(fā)動(dòng)機(jī)工作；②流量計(jì)選用高精度質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體消耗量；③為了保證用氣安全，開(kāi)關(guān)閥采用氮?dú)怛?qū)動(dòng)的氣動(dòng)閥，上位機(jī)軟件可控制供氫開(kāi)關(guān)并測(cè)量氫氣進(jìn)氣溫度、壓力及氣體消耗量。

2.2 輔助電源模塊及電子負(fù)載

本測(cè)試臺(tái)具備30V以內(nèi)低壓電源為發(fā)動(dòng)機(jī)控制器及各類傳感器供電，還具備1000V以內(nèi)高壓電源為發(fā)動(dòng)機(jī)輔件供電。電子負(fù)載可將被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的電能回饋至電網(wǎng)，它具備恒功率模式、恒流模式及恒壓模式。當(dāng)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶DCDC試驗(yàn)時(shí)，采用恒壓模式為DCDC提供高壓電；當(dāng)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)不帶DCDC試驗(yàn)時(shí)，采用恒流模式為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拉載。

2.3 冷卻模塊

冷卻模塊包括電堆冷卻模塊及輔件冷卻模塊兩部分。電堆冷卻模塊具備發(fā)動(dòng)機(jī)加水、排氣功能及電堆水溫控制功能，可保證電堆入口水溫控制在恒定溫度。輔件冷卻模塊可控制空壓機(jī)及DCDC冷卻液的流量及溫度。兩個(gè)冷卻系統(tǒng)分別由單獨(dú)的PLC控制，PLC與下位機(jī)通信，在上位機(jī)軟件中設(shè)定冷卻液溫度或流量，數(shù)據(jù)下發(fā)至PLC，PLC控制相關(guān)參數(shù)保證溫度及流量達(dá)到目標(biāo)值。同時(shí)，PLC采集兩個(gè)冷卻模塊管路中的溫度、壓力、水位、電導(dǎo)率、水流量、閥門(mén)開(kāi)度等參數(shù)并反饋至上位機(jī)軟件中顯示。

2.4 通信控制模塊

測(cè)試臺(tái)通信控制模塊包括下位機(jī)控制器、上位機(jī)軟件、PLC、數(shù)據(jù)采集及通信板卡、流量計(jì)、傳感器、開(kāi)關(guān)閥等?？刹杉髁坑?jì)、傳感器、開(kāi)關(guān)閥數(shù)據(jù)；與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器通信并收發(fā)數(shù)據(jù)；可編寫(xiě)自動(dòng)程序使發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)運(yùn)行。

下位機(jī)軟件向燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送秘鑰及工作命令，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)反饋的信息進(jìn)行加載，同時(shí)采樣板卡采集相關(guān)數(shù)據(jù)，下位機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行顯示及記錄。操作界面如圖3所示，軟件界面分為發(fā)動(dòng)機(jī)命令定義區(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送指令區(qū)、管路開(kāi)關(guān)區(qū)、高低壓電源控制區(qū)、電子負(fù)載控制區(qū)、手自動(dòng)控制區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、報(bào)警設(shè)置區(qū)、曲線顯示區(qū)等。

圖3 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件圖

2.5 自動(dòng)循環(huán)控制

該測(cè)試軟件可進(jìn)行手動(dòng)控制及自動(dòng)循環(huán)控制。通過(guò)軟件界面按鈕控制高壓電源、低壓電源、電子負(fù)載的啟停及參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕為發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)秘鑰及啟動(dòng)指令，給發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)電流進(jìn)行拉載。自動(dòng)控制模式可通過(guò)下發(fā)試驗(yàn)表格自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)循環(huán)，循環(huán)控制邏輯如圖4所示。

圖4 軟件循環(huán)控制邏輯圖

3 測(cè)試臺(tái)功能及安全邏輯

3.1 測(cè)試臺(tái)功能

1）控制氫氣供氣開(kāi)關(guān)，高、低壓電源供電，電堆及輔件冷卻溫度控制，負(fù)載電壓或電流控制。

2）與發(fā)動(dòng)機(jī)通信，控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟停及拉載電流。

3）進(jìn)行起動(dòng)特性、穩(wěn)態(tài)特性、額定功率、峰值功率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)。

4）自動(dòng)循環(huán)程控，可按照設(shè)定工況及循環(huán)次數(shù)進(jìn)行耐久性測(cè)試，測(cè)試過(guò)程無(wú)人為干擾，自動(dòng)運(yùn)行。

5）安全保護(hù)：發(fā)動(dòng)機(jī)故障保護(hù)、氣體壓力及水溫超限保護(hù)、絕緣阻值超限保護(hù)、拉載電流/電壓安全保護(hù)等。

6）臺(tái)架/試驗(yàn)累計(jì)氣體消耗量實(shí)時(shí)計(jì)算、試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算、累計(jì)發(fā)電量計(jì)算。

3.2 測(cè)試臺(tái)安全邏輯

該測(cè)試臺(tái)安全邏輯分為3級(jí)：信息提示、降載停機(jī)、緊急停機(jī)。信息提示僅僅提示相關(guān)報(bào)警信息，不進(jìn)行任何動(dòng)作；降載停機(jī)邏輯按照設(shè)定速率將電流降至怠速電流后再發(fā)送關(guān)機(jī)指令；緊急停機(jī)邏輯直接將電流設(shè)定為0A并發(fā)動(dòng)緊急停機(jī)指令，同時(shí)切斷氫氣閥門(mén)及電子負(fù)載。

測(cè)試臺(tái)內(nèi)監(jiān)控的所有溫度、壓力等信號(hào)均可設(shè)置限值并執(zhí)行相應(yīng)的安全邏輯。發(fā)動(dòng)機(jī)FCU反饋的1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)報(bào)警信號(hào)，測(cè)試臺(tái)分別執(zhí)行信息提示、降載停機(jī)、緊急停機(jī)的安全邏輯。

4 測(cè)試臺(tái)驗(yàn)證

測(cè)試臺(tái)架搭建及軟件編寫(xiě)完成后進(jìn)行了測(cè)試系統(tǒng)比對(duì)試驗(yàn)，證明該測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)功能，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)拉載及自動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)。拉載電流控制精度高，電堆冷卻溫度控制穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，臺(tái)架功能可滿足測(cè)試需求，操作簡(jiǎn)單易上手。

圖5 測(cè)試結(jié)果分析

圖5 耐久工況電池壽命仿真、BMS計(jì)算和臺(tái)架測(cè)試電池容量衰減值

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)試系統(tǒng)能夠進(jìn)行燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性、額定功率、峰值功率、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等多種性能測(cè)試試驗(yàn)，滿足燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)需求，可模擬整車上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工況，具備良好的應(yīng)用價(jià)值，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供有力支持。