一种PEMFC发动机模拟器开发

2021-11-18雷枭丁小松张兴旺潘铃

环境技术 2021年5期

雷枭，丁小松，张兴旺，潘铃

（1.广州擎天实业有限公司，广州 510860； 2.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510860）

引言

伴随着全球政治经济环境快速变化，单边主义、保护主义的野蛮生长，导致传统国际经济环境循环逐步弱化，逆全球化趋势增长。2019年以来，国内外新冠疫情冰火两重天，全球政治经济环境持续恶化[1]。中国作为全球唯一拥有联合国产业分类目录中所有工业门类的国家，正稳步构建国内国际双循环相互促进的新发展格局，立足于国内发展，办好自己的事，提高发展质量，转换创新驱动方式，以提升产业链、供应链的完整性，推动形成宏大顺畅的国内经济循环，更好的吸引全球资源要素，既满足国内需求，又提升我国产业技术发展水平，形成参与国际经济合作和竞争的新优势，提高国际竞争力[2, 3]。

1 设计背景

《中国制造2025》等规划中均明确将大力发展燃料电池汽车，氢能还被写入多省市十四五规划，敲定未来5~10年发展蓝图[4]，我们坚定不移的贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念。绿色、环保、高效的氢能，近年来突飞猛进的发展，燃料电池测试系统作为燃料电池领域的重要高技术水平装备，是PEMFC产品设计开发、性能检测与评价以及应用生态链中必不可少的重要装置。当前PEMFC测试系统验证，如图1 所示，依赖于配备不同功率等级的PEMFC产品实物。PEMFC发动机专业技术强集成复杂，费用高，如一台60 kW发动机实物，预计花费40万人民币。而且不同PEMFC发动机接口及其控制方式，亦不尽相同，发动机测试系统还需根据实际情况进行相应修正。因此，采用发动机实物验证PEMFC测试系统，不经济，时间成本也高，无法高效推动PEMFC装备制造及其产业链的快速发展。

PEMFC燃料电池对模拟器方面的研究甚少，大部分均为各厂商及研究机构对自有研发产品进行性能测试验证的研究报道，关键材料性能对比、流程结构设计的关注较多[5,6]。随着近年来国内外企业的合作，各种类型的PEMFC电池堆、发动机系统大量涌现，但各产品的控制驱动逻辑与测试系统的唯一匹配性，导致PEMFC测试产业设备链高度闭环，为国外各专业厂家垄断。在国内双循环新发展格局下，如何减低对外依存，立足科技产品自研，进而发展创新，提高发展质量，基于PEMFC电堆运行原理物料供给特性，及发动机控制要求，设计了一种PEMFC发动机模拟器，可为燃料电池发动机测试系统提供有效信号及状态回路，能模拟各功率等级的发动机。维持燃料电池测试系统的运行，可验证测试系统控制策略。图1为PEMFC发动机测试系统配置图。

图1 PEMFC发动机测试系统配置图

2 实现方法

电堆是发生电化学反应的场所，氢气在阳极分解为带正电的氢离子，发生氧化反应，并释放出带负电的电子，随着氢离子穿过PEM膜到达阴极，电子经集流板汇集，在外电路与串入负载及阴极，形成电流回路，实现电能输出。阴极氧发生还原反应，与透过的氢离子及来自外电路的电子反应生产液态水[7-10]。运行时，电堆相当于一个直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。燃料电池电堆可简单理解为一个动态发电装置。

阳极2H2→2H++4-

阴极O2+4H++4e-→2H2O

2H2+O2→2H2O+P（功率）+Q（热）

不同于PEMFC电堆，PEMFC发动机系统作为一种集成了加湿、流量控测、压力控制、氢气循环等众多功能单元的复杂终端应用器件，如图2所示。对PEMFC发动机进行测试时，除了配置水、电、气单元外，根据GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能测试方法》[11]，GB/T 28183-2011《客车用燃料电池发电系统测试方法》[12]，GB/T 23645-2009《乘用车用燃料电池发电系统测试方法》[13]，被测燃料电池发电系统给测试平台提供和接收以下信息：①电池堆工作温度；②电池堆和燃料电池发电系统的电压和电流；③能接受起停信号；④能接受功率给定信号；⑤能够给出故障码。

PEMFC发动机运行，不仅需要反应物料的供给，且需跟随控制信号，动态调整输出电功率，并实时反馈状态信号，如图3所示。基于电堆运行原理物料供给特性，及发动机控制要求，梳理信号及状态需求，开发发动机模拟器。可模拟各功率等级的发动机。为燃料电池发动机测试系统提供有效信号及状态回路，如图4所示。

图3 PEMFC发动机系统驱动需求

图4 PEMFC发动机模拟器功能

针对各种通讯互联及模拟量（如温/湿度、电压巡检、电池堆和燃料电池发电系统的电压和电流、功率给定信号等），数字量的输入/输出驱动需求（如起/停信号、故障码等），为燃料电池发动机测试系统提供有效信号及状态回路。如图5所示，形成动态电参量、控制信号、状态动态反馈等信息闭环。确保燃料电池发动机测试系统的运行，验证各种类型发动机的控制策略，各种故障的处置措施，进一步优化控制算法，充实控制软件样本库。

图5 PEMFC发动机模拟器控制逻辑

测试过程中，经AI，DI/采集，接收控制信号，不仅在触控屏上动态显示，PLC控制器根据算法，实时调整电能触发角度，生成电能跟随PEMFC发动机测试系统输入指令的可控直流电能，通讯链中预制的数据电压巡检阶段，随着直流电能的波动，进行动态调整。触控屏上AI输出超温、流量偏大、超压、巡检电压异常等状态，模拟各种故障，以观测PEMFC发动机测试系统连锁保护逻辑，综合评价测试系统及发动机操作及保护匹配程度。

2.1 物料回路

反应物料气体回路，如图6所示，分别加装压力传感器、温度传感器、和流量控制器，管路成闭环状，为测试系统提供物料通道的同时，在触控屏上调整参量大小，进一步模拟流量异常，压力异常等故障。水路则监控压力、温度形成闭环流道。进出管路与发动机测试系统输出气、水管路与模拟器直联，为物料供给循环提供循环通路。

图6 PEMFC发动机模拟器管路逻辑

2.2 信息回路

广义的通讯互联网络，采用工业级通讯网关、通讯装换卡，以实现RS485、RS232、RJ45、CAN、MODBUS等各种通讯协议接口的无障碍联通及有效响应。在通讯数据链中内置可扩展巡检信号区段，根据发动机功率等级大小，自设定巡检信号长度。

模拟量输入/输出采用工业PLC模块，接收DC 0~5 V、DC 4~20 mA控制输入信号，对外提供有效反馈输出DC 0~5 V、DC 4~20 mA，模拟各种传感器信号输出。数字量输入/输出采用工业PLC模块，接收DI控制输入信号，并提供DO反馈已模拟各种开关量故障输出状态。

各接收信息，及反馈状态在数字触控屏幕显示及操作，可手动给定及实时调整；使往来信息显示及查询便捷，调试参数修正快速，如图7所示。满足各种类型发动机测试运行功能。所有功能单元集成为一套含4路CAN总线、4路485、4路232、4路以太网、32路AI/O、32路DI/O的接口组件。经可拔插对接接头面板，整合成可应用于PEMFC发动机测试系统的模拟器的快速匹配接口。

图7 PEMFC发动机模拟器信息回路

2.3 电能回路

电能变换单元根据PEMFC发动机测试系统输入指令，采用整流变压器带三相桥式整流LC滤波方式产生DC 0~1 000 V/0~600 A直流动态电压/电流参量。如图8所示，变压器原边双绕组设置，通过调整一次侧接点，使二次侧形成AC380 V/AC760 V交流电压，触发脉冲形成单元快速响应给定功率大小，自动触发驱动AC/DC转换电路生成可控直流电能。直检式霍尔电流传感器，10 µs响应速率，0.2 %级测量精度。磁平衡式电压传感器，50 µs响应速率，在可控硅触发调节3.3 ms周期内，提供准确信号反馈。并提供对外反馈信号接口（DC 0~5 V、DC 4~20 mA）。

图8 PEMFC发动机模拟器电量生成

利用电感器平滑负载电流，电容器平滑直流电压，遵循电力电子设备设计和整流实用技术准则[14,15]，对电能回路各部分参数进行选择和计算。其中Uc2纹波基波电压；0ω基波频率，6脉波为300 Hz；Udi整流后空载直流电压；Kn整流电路相关的纹波电压系数，6脉波整流电路为4.04 %，12脉波整流电路为0.99 %。变压器采用D/d型绕组，减低直流磁势影响，选用可控硅模块，背板置于低级热阻式铝制散热器上，使散热翅片与风道垂直，再配置小型风机以增强散热效果。