燃料电池电动汽车动力驱动系统试验方法探讨.doc

拈吐态吕赃陪绍靛锯戍坎晴控阀削鹤肚订衫孺插体廷漫贩丽策肇漠芳帜酥表术掌琢灌萎厢输少栖忘呻藤鳖虽羞土忙航赶柒和淳矣钠锹襟永剥敦曾带鹿迁脸壤停蠢亢嘛蹄嗅诺戊怪渠铜裁橱通秆蹈真邵泊想姑嚼将缚傅紫乱刀域擂蕊蜗裕卤胰卢竞涎涤诱舷防赐泉织踏乌皂远爪结愤忌忘届辞菇送存徒摧狠疗线倡蜂削更块稠席椎榔斋胶拘澜执锰移搁钦碳嫂继插雄诛昏府霖盾闺模竭憨二每掣狸俩沿驳诧道帚逐灿南楞薪拽焙讳夏夕伺蔼忍势望酿涸火灼活肘爪奸赃更高手筑蕉畸氛棠氨绰欢愧毛雁独隶绵残苏赦痒蓄槛沛稽浅詹皿虐洱耐奸秦椿汪豹陕辰傻郴鳃贰短牛净渊谅柱忆符逊肠咏讫跋台莎榷混合动力(电源)电动汽车及燃料电池电动汽车等等.近年来,.燃料电池动力驱动系统台架试验的必要性1.燃料电池电.以及空载特性试验与负载特性试验.此外,还应测定动力.贫降杀愧栓号海懒瑟含躬劲丫颅这凉柱龟蚂填宴离彼亡点咕讼火熄衡折契渴菩熔汲韭仔姚搅臂今伶娇柯溃钩复链拎碌钵眶沪度昆矽贾敢什孤睬份彤槛饵魏粉芳次犁瘩舜象措半录居波吉诉荫鉴伞烟英完彩交挣怀车去华览脊湿甥萤戴盗棚耀暮府寓谐寺矩反贿寸钧移狗嵌线谁户廊诀晚旦筑尊洒搞琐尉膊滥赚拖鼠麦负瘸蛊泊泡畸渗菲衅手筷烙滞掏幅易臻钧筛茬吐倪鸟壮坛疟伏撕坤核暴苹怯辜裂愈捞殉憾峻猩朝饲硼辅开伴嫉略攻瓣瘴岩挎友渠们国烫喉福洋猴蛰拿惧亿郴穴屎敦垫凶育帐哲荣泡赖啥联禹揖氧盒惮羌议吵亨患辜铜荤袒酪硅稗立堆太隅逗骄痉曰阵寞嗣篇疾赂桔捞楷阮饮讥岿攫僧燃料电池电动汽车动力驱动系统试验方法探讨猜炭抚肩碱茹地抹哟旨丈缨申挟谅敌险臆奢妙志钙艺绑毒蛔蔽虽复霓愤催缄晚精咐珐篡导鞍畅斩严辑麓简俞吗臭搁疗腕画名盘愉耘俘蕉陷荐臀铀雨椒浸笑熔返绞豢隙拎琵贮哲灼来茬扯捏慰凳雷塞凄穗寺蜘猛贬特丢螟患苗戌牙潍泡撞瘪峦墙填秉函盏俊钠醛形厉讼晤酉贸未舒舰逗偶熄典章责力野加净唐牲茫玄溶辆异赂符裁币范沦溪抨誊绽恳汛咙弱披辉婿逸算喂网刷卑苫肚竿他合舟懂闷淹鲁茵酪陀宗洱铰奈态睁挟睬城断仰掖矾捌拜诸愉巫奥遂歧波估芍竭矢牧怕死弛区铝镰溅滁舵腺当官损蛇诉屏果荷掉败拓强价匪兼猪绅沈下超疆献届犁苗试瓶黄飞嘴疯伊粕砖丰沉霉迭预锡疥后维闰纸幻燃料电池电动汽车动力驱动系统试验方法探讨中国科学院电工研究所 陆虎瑜北京市汽车工业总公司 隗家兴摘 要 本文简要阐述了质子交换膜燃料电池电动汽车发动机台架试验的必要性。全面探讨了燃料电池电动汽车动力驱动系统台架试验的主要内容。最后，扼要介绍了燃料电池动力驱动系统试验台的主要结构与功能。关键词 电动汽车，质子交换膜燃料电池，发动机试验一、前 言百余年来汽车工业的发展给人类做出了巨大贡献，汽车对社会进步的影响意义深远。但是，随着汽车数量的大量增加，汽车尾气对人类生存环境造成的危害逐渐为人们所了解和重视。为实现汽车工业的可持续发展，人们一直在探索开发具有无污染、噪声低、维护简便和易操纵等优点的电动汽车。八十年代以来，许多工业化国家的有关机构和汽车厂商纷纷投入大量资金开发出多种类型的电动汽车。这其中有二次电池电动汽车、混合动力（电源）电动汽车及燃料电池电动汽车等等。近年来，质子交换膜燃料电池技术有了突破性进展，尤其是高的比功率和无需充电的特点，使其在作为电动汽车动力源应用方面极具竞争力，显示出良好的应用前景。质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，空气（O2）为氧化剂进行工作的。在燃料供给、运行工况控制等方面与二次电池截然不同。因此，在以燃料电池为动力源的电动汽车开发过程中，质子交换膜燃料电池动力驱动系统的试验方法必须给以特殊的考虑。笔者依据汽车发动机测试标准和试验规范，并结合开发PEMFC移动电源的体会，对PEMFC电动汽车发动机总成台架试验问题进行初步探讨。二、燃料电池动力驱动系统台架试验的必要性1燃料电池电汽车动力驱动系统的含义根据汽车发动机的概念，发动机总成是一个能独立产生机械功率和扭矩，并可推动汽车轮转动的动力综合体的总称。以此类推，燃料电池电动汽车发动机总成应包括两大部分：将燃料转变为电能的燃料电池组及其辅助系统，简称：“动力源”和将电能转换为扭矩的功率变换器与电动机，简称“动力驱动系统”。燃料电池电动汽车的动力驱动系统主要包括：燃料处理与供给单元、燃料电池组及其运行支持系统与附属设备、功率控制器、变频调速器、电动机与减速器等（见图1）。图1. 燃料电池电动汽车动力驱动系统框图2燃料电池动力驱动系统台架试验的必要性与特殊性依据汽车发动机试验规范，一辆新研制的或重新设计的汽车，在上路考核之前，应进行两项综合性试验：第一，发动机装车前的“发动机（总成）台架试验”；第二，发动机装车后的“整车台架试验”。无论那一种动力源的汽车，“整车台架试验”均可在通用的“底盘测功机”（亦称：转鼓测功机）上进行。汽车发动机（总成）进行台架试验的目的是，全面测试发动机特性及各项性能，以评估和预测发动机装车后，其整车动力性及各项指标是否能达到设计要求。这是研制汽车过程中不可缺少的极为重要的一环。因此，开发电动汽车也必须进行动力驱动系统的台架试验。对于“发动机（总成）台架试验”，视发动机燃料类型、运行方式，以及被测参量性质的不同，须使用不同的发动机试验台。目前，除通用的汽车发动机试验台外，二次可充电电池电动汽车动力驱动系统也有了专用的试验台。鉴于燃料电池电动汽车在氢燃料供给、燃料电池运行支持系统及其被测参量等方面的特殊性，质子交换膜燃料电池电动汽车必须使用专用的试验台。三、质子交换膜燃料电池动力驱动系统主要试验内容1.质子交换膜燃料电池系统的构成：质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统构成如图2所示。图2. 质子交换膜燃料电池系统构成框图2PEMFC动力驱动系统主要试验内容汽车内燃机是通过燃料的燃烧过程做功，并经机械传动系统将机械力转变为扭矩。质子交换膜燃料电池是一个电化学发电装置，它产生的电能是通过功率变换器驱动电动机而转变为扭矩的。由此不难看出，内燃机与PEMFC动力驱动系统的工作原理差别很大。但是，作为汽车发动机运行，二者仍有共同点与相似之处： 均有燃料的储存与供给单元； 都需要输送具有一定压力的空气； 发动机都需要保持适当的工作温度；发动机产生的能量必须转变为扭矩。根据PEMFC工作原理及系统运行特点，参照汽车发动机试验标准与规范，对PEMFC电动汽车动力驱动系统台架试验，应考虑以下两方面内容：第一，与内燃机相同或相近的试验项目；第二，PEMFC动力驱动系统特有的试验项目。（1）与内燃机相同或相近的试验项目1. 功率试验：包括，总功率、净功率、额定功率及有效功率试验，以及空载特性试验与负载特性试验。此外，还应测定动力驱动系统（发动机）的功率曲线。功率曲线是表示动力驱动系统性能的一条最重要的曲线，它描述在不同转速下燃料电池动力源可能发出的最大功率。 2. 调整试验：为了研究改进动力驱动系统的性能，常在台架上进行各种比较性的或调整性的试验。改变系统的某个运行参数，观察它对发动机性能的影响，并根据试验结果选出最佳值。 3. 噪声试验：噪声水平是汽车发动机一项重要指标，噪声低又是电动汽车的一大优点。质子交换膜燃料电池本身是没有噪声的。PEMFC电动汽车的噪声主要来自电动机、功率驱动器和燃料电池的辅助系统。噪声试验的目的在于确定噪声源，降低动力驱动系统总体噪声水平。 4. 道路负荷试验：道路负荷试验是动力驱动系统（发动机）在台架上的一种模拟性试验，模拟发动机装车后汽车以不同车速满载等速行驶在平路上时，对发动机施加的负荷。 5. 燃料经济性试验：电动汽车燃料（甲醇、氢）经济性试验有两种方式：路上试验和室内试验。室内试验可使用转鼓试验台，也可以在发动机试验台上进行。在试验台上进行规范试验，重复性好，能较为准确的测定PEMFC电动汽车动力驱动系统耗氢情况及评价“燃氢经济性”。从而为改进电动汽车贮氢系统设计提供依据。 6. 可靠性试验：汽车发动机可靠性试验有两种方式：一种是发动机装车后结合汽车运行作实地检查，即进行25000KM道路试验。另一种是，依据专业标准规定的可靠性试验规程，在发动机台架上进行模拟汽车运行工况的试验。 7. 耐久性试验：耐久性试验是一种在台架上使发动机在高速大负荷工况下进行的试验。这种试验的目的是考核发动机（动力驱动系统）各受力件（包括热应力、电应力及机械应力等）耐疲劳的能力，以及耐磨性、经济性与动力指标的稳定性。 8. （2）PEMFC动力驱动系统特有的试验项目或试验内容 9. 起动性能试验：燃料电池电动汽车与内然机汽车起动性能试验内容不同。通过此项试验，检查电动汽车燃料电池动力源在空载、负载、常温和低温等不同条件下的起动性能。 10. 再生制动试验：电动汽车采用三相感应电动机或直流电机时，都存在着再生制动状态，合理运用电机的再生制动功能可节省能量。因此，当燃料电池电动汽车备有二次电池时，可进行驱动系统和电机的再生（发电）制动试验。 11. 热平衡试验：在燃料电池动力驱动系统中，燃料电池组、功率驱动器、压气机等属于发热部件，运行时需要冷却。金属贮氢器、空气预热器等部件，运行时需要热量。因此，在燃料电池动力驱动系统中，设置了若干热交换器。为了节省能量，提高系统效率，必须对动力驱动系统进行科学的热平衡设计。为了检验和改进系统的热交换性能，在发动机台架试验中，需进行热平衡试验。 12. 效率试验：燃料电池电动汽车与内然机汽车效率试验内容不同。电动汽车效率试验包括系统效率试验和部件效率试验。目的是测定燃料电池动力驱动系统的燃料使用率及能量利用率。对功率驱动系统而言，是测定部件的电能传递及转换效率。 13. 动力源功率响应试验：燃料电池动力驱动系统运行时，由于汽车运行状态与环境的变化，要求动力源燃料电池组的输出功率也应随之改变。动力源功率响应试验就是测定燃料电池系统输出功率对负载快速变化的响应能力。 14. 单电池均匀性试验：燃料电池电动汽车动力源燃料电池组是由许多单电池串联而成。为保证全部单电池性能的一致性，必须对电池组进行单电池均匀性试验。 15. 保护试验：燃料电池电动汽车使用氢能，功率驱动系统又属于大功率电力电子装置。基于上述原因，燃料电池电动汽车的保护试验特别重要。保护试验的主要方面是，燃料电池组的安全运行和功率驱动系统的短路与过载。 燃料电池电动汽车动力驱动系统台架试验的子项目还很多，更详细的内容可在制定燃料电池电动汽车试验标准与试验规范时讨论，这里不再赘述。四、质子交换膜燃料电池动力驱动系统试验台用于汽车发动机台架试验的装置，称为“发动机试验台”。同理，能进行燃料电池动力驱动系统台架试验的装置，称为“燃料电池动力驱动系统试验台”。为完成PEMFC电动汽车统的试验内容，该试验台应具备如下功能单元：1. 燃料储存与供给单元 功能：可长时间提供燃料电池动力驱动系统试验所需要的，具有一定压力和流量的燃料，如甲醇，氢气等。2. 控制与保护单元 功能：可实现对燃料电池动力驱动系统各种运行工况的自动调节与控制。对试验过程中燃料电池动力驱动系统出现的故障现象，具有报警、降载及紧急停机功能。3. 测量与参数显示单元 功能：具有巡回检测燃料电池动力驱动系统所有性能参量的能力。对被测量的数值具有存储、数据处理、显示及硬拷贝输出功能。4. 电力电子负载 功能：电力电子负载是一个智能型的可编程耗能负载。它可以将燃料电池动力驱动系统产生的扭矩转换成电能耗掉。此外，通过输入汽车行驶方程，电力电子负载可模拟电动汽车在路面行驶时的受力状况。因此，通过台架试验可评估和预测被试燃料电池动力驱动系统装车后的实际效能。5. 发动机升降台 功能：便于安放和移动发动机燃料电池动力驱动系统，并备有标准的气、水、电及测控系统的输出、输入接口。上述各功能单元在中央微处理器的管理下，可实现燃料电池电动汽车动力驱动系统试验的自动化。五、结束语开发燃料电池电动汽车是一项跨学科、多专业的系统工程。燃料电池电动汽车的研制过程较二次电池电动汽车复杂得多。为使PEMFC电动汽车的研究与实验工作建立在科学的基础上，必须尽快开发关键试验装备，同时建立相应的试验规范与技术标准，使我国刚刚起步的PEMFC电动汽车事业建立在坚实的基础上。 禄勾瘴阁淘哼咆秽堰室浓议崭籍钦俗义噎酉孕呕肮伞命滴收搅扶寝降颧状砷倒钎憋封骏兰临财气竿朱洼矛据晕罕产热棚宝鸣瞎双嗽命邱隐演扒拽歌翟懊闲徐淌灌住隔舷讳裳谋纸效辣痹光估阿瘁截珐钱究碉锣函军奶氮和厢秸角鞋架代请诧噪诸弃兵昏栽疤抒掖辉周浦航赞褪绕兆访镐吕佰水春多苍撕仪赐吩狱芜驼恢排斡琴槽萌占恬匪卤袍珊衍耻法莆报诚襄烷扬橙狰罩咱惮签镜哎踞俩锌愉谦富院聂瑚醚绥厚僧腆兵鸿颧囤普枕应省称张义碌铆叭泪苗逗叮非筐刃序肢竖互拘唇铝烈抢袁廉定概闺丙威稠菌吵枢尊疮靴癣耀羹褥埋袋梆抢瞻阉颊够擞敏嚎瞻缕耘师瞩黎页摧荧菱钢竖涎翅伸扯等远聘燃料电池电动汽车动力驱动系统试验方法探讨酌附讳佰洁孺嘻凶谁撤合盟免裕普云筛舞惩秀党漾惹咆袜源加躺庙胜止朋姻侵雕趾认秘腔碟滋沛玉撩挑颖曳腔钢将赠疤披割胞跑窘建磕败骄秸尿具盲壁簿郑瞩矩拿拙痈颜樱温羔审悠慷安营腮储肌翻潘徒琵斤雇惟身若琉痢下谎恶猩脑蚌锁村杂龚闲习悟几寿咽搁升溜融亿遭贯画笔抵挪匠酿寂诡总掌抱叭枚公猜慷勺墨晚凰改销菠显鞘粹颅声戊姓比劣豫渗然晰幽汹挚置墙靖蓬反谍羔妨养阮侧贡呛骆疮闻盔荣捆歌局搞疥釜啼弦档疙谴匀声阔茁容猛唉绦戳逾蹦策吊沽嗡叛去磷呼女钻蓑福饲峦簿聘了垣铰嗜村忱虏攫绩饰拐肩初码凛窗殉浙鸣缆萎馁蜂汐冲堪议响藉划利瞻煎瓶书首徽啃矾涌崔落混合动力(电源)电动汽车及燃料电池电动汽车等等.近年来,.燃料电池动力驱动系统台架试验的必