劉枝紅，顏娟娟，崔旭升，荊 琪，崔曉華

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，氫燃料電池發(fā)動機以綠色環(huán)保的特性被越來越廣泛地應(yīng)用。因此，氫燃料電池發(fā)動機的開發(fā)在世界范圍內(nèi)掀起了一個高潮，燃料電池整車銷量越來越多，隨之而來的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)測試需求也越來越多，與之相關(guān)的測試技術(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)動機測試系統(tǒng)開發(fā)案例，可以進(jìn)行100kW及以下燃料電池發(fā)動機試驗，包括起動特性、穩(wěn)態(tài)工況特性、動態(tài)響應(yīng)特性等多方面的測評。利用該測試平臺可以進(jìn)行燃料電池發(fā)動機性能及可靠性試驗研究。

1 燃料電池發(fā)動機測試系統(tǒng)原理

燃料電池發(fā)動機包括空氣供應(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。一個完整的燃料電池測試系統(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、報警模塊等。燃料電池發(fā)動機測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 燃料電池發(fā)動機測試系統(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)動機直接拉載。當(dāng)被測發(fā)動機帶DCDC時則不需要測試系統(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、傳感器等通過下位機通信或采集數(shù)據(jù)，電堆冷卻及部件冷卻分別由單獨的PLC控制水溫并與下位機通信，下位機中的控制程序?qū)崟r運行并與上位機軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實時監(jiān)測并記錄供電電壓、拉載電流、冷卻溫度等參數(shù)。燃料電池發(fā)動機測試系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

圖2 燃料電池發(fā)動機測試系統(tǒng)實物圖

2 燃料電池發(fā)動機測試系統(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、安全閥、氣動閥等。①氫氣供氣采用罐車及減壓撬減壓至廠房供氣管路，臺架進(jìn)行二次減壓至發(fā)動機需求壓力供發(fā)動機工作；②流量計選用高精度質(zhì)量流量計實時監(jiān)測氣體消耗量；③為了保證用氣安全，開關(guān)閥采用氮氣驅(qū)動的氣動閥，上位機軟件可控制供氫開關(guān)并測量氫氣進(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

本測試臺具備30V以內(nèi)低壓電源為發(fā)動機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)動機輔件供電。電子負(fù)載可將被測發(fā)動機的電能回饋至電網(wǎng)，它具備恒功率模式、恒流模式及恒壓模式。當(dāng)被測發(fā)動機帶DCDC試驗時，采用恒壓模式為DCDC提供高壓電；當(dāng)被測發(fā)動機不帶DCDC試驗時，采用恒流模式為燃料電池發(fā)動機進(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)動機加水、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及DCDC冷卻液的流量及溫度。兩個冷卻系統(tǒng)分別由單獨的PLC控制，PLC與下位機通信，在上位機軟件中設(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，PLC采集兩個冷卻模塊管路中的溫度、壓力、水位、電導(dǎo)率、水流量、閥門開度等參數(shù)并反饋至上位機軟件中顯示。

2.4 通信控制模塊

測試臺通信控制模塊包括下位機控制器、上位機軟件、PLC、數(shù)據(jù)采集及通信板卡、流量計、傳感器、開關(guān)閥等?？刹杉髁坑?、傳感器、開關(guān)閥數(shù)據(jù)；與發(fā)動機控制器通信并收發(fā)數(shù)據(jù)；可編寫自動程序使發(fā)動機試驗自動運行。

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

圖3 燃料電池發(fā)動機測試系統(tǒng)軟件圖

2.5 自動循環(huán)控制

該測試軟件可進(jìn)行手動控制及自動循環(huán)控制。通過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)動機啟動按鈕為發(fā)動機下發(fā)秘鑰及啟動指令，給發(fā)動機下發(fā)電流進(jìn)行拉載。自動控制模式可通過下發(fā)試驗表格自動進(jìn)行試驗循環(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 測試臺功能及安全邏輯

3.1 測試臺功能

1）控制氫氣供氣開關(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)動機通信，控制發(fā)動機啟停及拉載電流。

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

4）自動循環(huán)程控，可按照設(shè)定工況及循環(huán)次數(shù)進(jìn)行耐久性測試，測試過程無人為干擾，自動運行。

5）安全保護：發(fā)動機故障保護、氣體壓力及水溫超限保護、絕緣阻值超限保護、拉載電流/電壓安全保護等。

6）臺架/試驗累計氣體消耗量實時計算、試驗運行時間計算、累計發(fā)電量計算。

3.2 測試臺安全邏輯

該測試臺安全邏輯分為3級：信息提示、降載停機、緊急停機。信息提示僅僅提示相關(guān)報警信息，不進(jìn)行任何動作；降載停機邏輯按照設(shè)定速率將電流降至怠速電流后再發(fā)送關(guān)機指令；緊急停機邏輯直接將電流設(shè)定為0A并發(fā)動緊急停機指令，同時切斷氫氣閥門及電子負(fù)載。

測試臺內(nèi)監(jiān)控的所有溫度、壓力等信號均可設(shè)置限值并執(zhí)行相應(yīng)的安全邏輯。發(fā)動機FCU反饋的1級、2級、3級報警信號，測試臺分別執(zhí)行信息提示、降載停機、緊急停機的安全邏輯。

4 測試臺驗證

測試臺架搭建及軟件編寫完成后進(jìn)行了測試系統(tǒng)比對試驗，證明該測試系統(tǒng)實現(xiàn)了目標(biāo)功能，可實現(xiàn)發(fā)動機手動拉載及自動循環(huán)試驗。拉載電流控制精度高，電堆冷卻溫度控制穩(wěn)定，測試結(jié)果如圖5所示。經(jīng)試驗驗證，臺架功能可滿足測試需求，操作簡單易上手。

圖5 測試結(jié)果分析

圖5 耐久工況電池壽命仿真、BMS計算和臺架測試電池容量衰減值

5 結(jié)論

經(jīng)過試驗驗證，該測試系統(tǒng)能夠進(jìn)行燃料電池發(fā)動機起動特性、額定功率、峰值功率、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)特性等多種性能測試試驗，滿足燃料電池發(fā)動機開發(fā)需求，可模擬整車上燃料電池發(fā)動機工況，具備良好的應(yīng)用價值，為產(chǎn)品開發(fā)提供有力支持。