雷梟，丁小松，張興旺，潘鈴

（1.廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司，廣州 510860； 2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

伴隨著全球政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境快速變化，單邊主義、保護(hù)主義的野蠻生長(zhǎng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)國(guó)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境循環(huán)逐步弱化，逆全球化趨勢(shì)增長(zhǎng)。2019年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外新冠疫情冰火兩重天，全球政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境持續(xù)惡化[1]。中國(guó)作為全球唯一擁有聯(lián)合國(guó)產(chǎn)業(yè)分類目錄中所有工業(yè)門類的國(guó)家，正穩(wěn)步構(gòu)建國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局，立足于國(guó)內(nèi)發(fā)展，辦好自己的事，提高發(fā)展質(zhì)量，轉(zhuǎn)換創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)方式，以提升產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的完整性，推動(dòng)形成宏大順暢的國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)循環(huán)，更好的吸引全球資源要素，既滿足國(guó)內(nèi)需求，又提升我國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平，形成參與國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作和競(jìng)爭(zhēng)的新優(yōu)勢(shì)，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[2, 3]。

1 設(shè)計(jì)背景

《中國(guó)制造2025》等規(guī)劃中均明確將大力發(fā)展燃料電池汽車，氫能還被寫入多省市十四五規(guī)劃，敲定未來(lái)5~10年發(fā)展藍(lán)圖[4]，我們堅(jiān)定不移的貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念。綠色、環(huán)保、高效的氫能，近年來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，燃料電池測(cè)試系統(tǒng)作為燃料電池領(lǐng)域的重要高技術(shù)水平裝備，是PEMFC產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)以及應(yīng)用生態(tài)鏈中必不可少的重要裝置。當(dāng)前PEMFC測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證，如圖1 所示，依賴于配備不同功率等級(jí)的PEMFC產(chǎn)品實(shí)物。PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)技術(shù)強(qiáng)集成復(fù)雜，費(fèi)用高，如一臺(tái)60 kW發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物，預(yù)計(jì)花費(fèi)40萬(wàn)人民幣。而且不同PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)接口及其控制方式，亦不盡相同，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)修正。因此，采用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物驗(yàn)證PEMFC測(cè)試系統(tǒng)，不經(jīng)濟(jì)，時(shí)間成本也高，無(wú)法高效推動(dòng)PEMFC裝備制造及其產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。

PEMFC燃料電池對(duì)模擬器方面的研究甚少，大部分均為各廠商及研究機(jī)構(gòu)對(duì)自有研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試驗(yàn)證的研究報(bào)道，關(guān)鍵材料性能對(duì)比、流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注較多[5,6]。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)外企業(yè)的合作，各種類型的PEMFC電池堆、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，但各產(chǎn)品的控制驅(qū)動(dòng)邏輯與測(cè)試系統(tǒng)的唯一匹配性，導(dǎo)致PEMFC測(cè)試產(chǎn)業(yè)設(shè)備鏈高度閉環(huán)，為國(guó)外各專業(yè)廠家壟斷。在國(guó)內(nèi)雙循環(huán)新發(fā)展格局下，如何減低對(duì)外依存，立足科技產(chǎn)品自研，進(jìn)而發(fā)展創(chuàng)新，提高發(fā)展質(zhì)量，基于PEMFC電堆運(yùn)行原理物料供給特性，及發(fā)動(dòng)機(jī)控制要求，設(shè)計(jì)了一種PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器，可為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供有效信號(hào)及狀態(tài)回路，能模擬各功率等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)。維持燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，可驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)控制策略。圖1為PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)配置圖。

圖1 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)配置圖

2 實(shí)現(xiàn)方法

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，氫氣在陽(yáng)極分解為帶正電的氫離子，發(fā)生氧化反應(yīng)，并釋放出帶負(fù)電的電子，隨著氫離子穿過(guò)PEM膜到達(dá)陰極，電子經(jīng)集流板匯集，在外電路與串入負(fù)載及陰極，形成電流回路，實(shí)現(xiàn)電能輸出。陰極氧發(fā)生還原反應(yīng)，與透過(guò)的氫離子及來(lái)自外電路的電子反應(yīng)生產(chǎn)液態(tài)水[7-10]。運(yùn)行時(shí)，電堆相當(dāng)于一個(gè)直流電源，陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極即電源正極。燃料電池電堆可簡(jiǎn)單理解為一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)電裝置。

陽(yáng)極2H2→2H++4-

陰極O2+4H++4e-→2H2O

2H2+O2→2H2O+P（功率）+Q（熱）

不同于PEMFC電堆，PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)作為一種集成了加濕、流量控測(cè)、壓力控制、氫氣循環(huán)等眾多功能單元的復(fù)雜終端應(yīng)用器件，如圖2所示。對(duì)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，除了配置水、電、氣單元外，根據(jù)GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試方法》[11]，GB/T 28183-2011《客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法》[12]，GB/T 23645-2009《乘用車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法》[13]，被測(cè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)給測(cè)試平臺(tái)提供和接收以下信息：①電池堆工作溫度；②電池堆和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流；③能接受起停信號(hào)；④能接受功率給定信號(hào)；⑤能夠給出故障碼。

PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，不僅需要反應(yīng)物料的供給，且需跟隨控制信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電功率，并實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信號(hào)，如圖3所示?；陔姸堰\(yùn)行原理物料供給特性，及發(fā)動(dòng)機(jī)控制要求，梳理信號(hào)及狀態(tài)需求，開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器。可模擬各功率等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)。為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供有效信號(hào)及狀態(tài)回路，如圖4所示。

圖3 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)需求

圖4 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器功能

針對(duì)各種通訊互聯(lián)及模擬量（如溫/濕度、電壓巡檢、電池堆和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流、功率給定信號(hào)等），數(shù)字量的輸入/輸出驅(qū)動(dòng)需求（如起/停信號(hào)、故障碼等），為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供有效信號(hào)及狀態(tài)回路。如圖5所示，形成動(dòng)態(tài)電參量、控制信號(hào)、狀態(tài)動(dòng)態(tài)反饋等信息閉環(huán)。確保燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，驗(yàn)證各種類型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略，各種故障的處置措施，進(jìn)一步優(yōu)化控制算法，充實(shí)控制軟件樣本庫(kù)。

圖5 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器控制邏輯

測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)AI，DI/采集，接收控制信號(hào)，不僅在觸控屏上動(dòng)態(tài)顯示，PLC控制器根據(jù)算法，實(shí)時(shí)調(diào)整電能觸發(fā)角度，生成電能跟隨PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)輸入指令的可控直流電能，通訊鏈中預(yù)制的數(shù)據(jù)電壓巡檢階段，隨著直流電能的波動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。觸控屏上AI輸出超溫、流量偏大、超壓、巡檢電壓異常等狀態(tài)，模擬各種故障，以觀測(cè)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)連鎖保護(hù)邏輯，綜合評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)操作及保護(hù)匹配程度。

2.1 物料回路

反應(yīng)物料氣體回路，如圖6所示，分別加裝壓力傳感器、溫度傳感器、和流量控制器，管路成閉環(huán)狀，為測(cè)試系統(tǒng)提供物料通道的同時(shí)，在觸控屏上調(diào)整參量大小，進(jìn)一步模擬流量異常，壓力異常等故障。水路則監(jiān)控壓力、溫度形成閉環(huán)流道。進(jìn)出管路與發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)輸出氣、水管路與模擬器直聯(lián)，為物料供給循環(huán)提供循環(huán)通路。

圖6 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器管路邏輯

2.2 信息回路

廣義的通訊互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，采用工業(yè)級(jí)通訊網(wǎng)關(guān)、通訊裝換卡，以實(shí)現(xiàn)RS485、RS232、RJ45、CAN、MODBUS等各種通訊協(xié)議接口的無(wú)障礙聯(lián)通及有效響應(yīng)。在通訊數(shù)據(jù)鏈中內(nèi)置可擴(kuò)展巡檢信號(hào)區(qū)段，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率等級(jí)大小，自設(shè)定巡檢信號(hào)長(zhǎng)度。

模擬量輸入/輸出采用工業(yè)PLC模塊，接收DC 0~5 V、DC 4~20 mA控制輸入信號(hào)，對(duì)外提供有效反饋輸出DC 0~5 V、DC 4~20 mA，模擬各種傳感器信號(hào)輸出。數(shù)字量輸入/輸出采用工業(yè)PLC模塊，接收DI控制輸入信號(hào)，并提供DO反饋已模擬各種開關(guān)量故障輸出狀態(tài)。

各接收信息，及反饋狀態(tài)在數(shù)字觸控屏幕顯示及操作，可手動(dòng)給定及實(shí)時(shí)調(diào)整；使往來(lái)信息顯示及查詢便捷，調(diào)試參數(shù)修正快速，如圖7所示。滿足各種類型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試運(yùn)行功能。所有功能單元集成為一套含4路CAN總線、4路485、4路232、4路以太網(wǎng)、32路AI/O、32路DI/O的接口組件。經(jīng)可拔插對(duì)接接頭面板，整合成可應(yīng)用于PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的模擬器的快速匹配接口。

圖7 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器信息回路

2.3 電能回路

電能變換單元根據(jù)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)輸入指令，采用整流變壓器帶三相橋式整流LC濾波方式產(chǎn)生DC 0~1 000 V/0~600 A直流動(dòng)態(tài)電壓/電流參量。如圖8所示，變壓器原邊雙繞組設(shè)置，通過(guò)調(diào)整一次側(cè)接點(diǎn)，使二次側(cè)形成AC380 V/AC760 V交流電壓，觸發(fā)脈沖形成單元快速響應(yīng)給定功率大小，自動(dòng)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)AC/DC轉(zhuǎn)換電路生成可控直流電能。直檢式霍爾電流傳感器，10 μs響應(yīng)速率，0.2 %級(jí)測(cè)量精度。磁平衡式電壓傳感器，50 μs響應(yīng)速率，在可控硅觸發(fā)調(diào)節(jié)3.3 ms周期內(nèi)，提供準(zhǔn)確信號(hào)反饋。并提供對(duì)外反饋信號(hào)接口（DC 0~5 V、DC 4~20 mA）。

圖8 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器電量生成

利用電感器平滑負(fù)載電流，電容器平滑直流電壓，遵循電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和整流實(shí)用技術(shù)準(zhǔn)則[14,15]，對(duì)電能回路各部分參數(shù)進(jìn)行選擇和計(jì)算。其中Uc2紋波基波電壓；0ω基波頻率，6脈波為300 Hz；Udi整流后空載直流電壓；Kn整流電路相關(guān)的紋波電壓系數(shù)，6脈波整流電路為4.04 %，12脈波整流電路為0.99 %。變壓器采用D/d型繞組，減低直流磁勢(shì)影響，選用可控硅模塊，背板置于低級(jí)熱阻式鋁制散熱器上，使散熱翅片與風(fēng)道垂直，再配置小型風(fēng)機(jī)以增強(qiáng)散熱效果。

3 總結(jié)

基于PEMFC電堆運(yùn)行原理，及發(fā)動(dòng)機(jī)控制要求，梳理信號(hào)及狀態(tài)需求，為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供有效信號(hào)及狀態(tài)回路，開發(fā)了一種PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)模擬器，以模擬各功率等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，維持燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，驗(yàn)證各種控制策略，各種故障的處置措施。