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燃料电池电动汽车动力驱动系统试验方法探讨 |
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作者：陆虎瑜 隗家兴 |
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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
2．PEMFC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：① 均有燃料的储存与供给单元；② 都需要输送具有一定压力的空气；③ 发动机都需要保持适当的工作温度；④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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（2）PEMFC动力驱动系统特有的试验项目或试验内容
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。 (end)
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(1/10/2005) |
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