燃料电池发动机测试系统开发及应用

刘枝红，颜娟娟，崔旭升，荆 琪，崔晓华

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

随着“双碳”目标的提出，氢燃料电池发动机以绿色环保的特性被越来越广泛地应用。因此，氢燃料电池发动机的开发在世界范围内掀起了一个高潮，燃料电池整车销量越来越多，随之而来的燃料电池发动机系统测试需求也越来越多，与之相关的测试技术也不断发展。本文阐述了一种基于LabVIEW编程环境的氢燃料电池发动机测试系统开发案例，可以进行100kW及以下燃料电池发动机试验，包括起动特性、稳态工况特性、动态响应特性等多方面的测评。利用该测试平台可以进行燃料电池发动机性能及可靠性试验研究。

1 燃料电池发动机测试系统原理

燃料电池发动机包括空气供应模块、氢气供应模块、电堆及冷却模块、辅件冷却模块、供电模块、控制模块等。一个完整的燃料电池测试系统应该包含辅助电源模块、氢气供给模块、电堆冷却模块、辅件冷却模块、电子负载、通信控制模块、数据采集与记录模块、报警模块等。燃料电池发动机测试系统原理图如图1所示。

图1 燃料电池发动机测试系统原理图

辅助电源模块包括控制器所需的低压电源和辅件所需要的高压电源。电子负载具备电压模式、电流模式及功率模式，电压模式可为DCDC进行预充，电流模式可用于燃料电池发动机直接拉载。当被测发动机带DCDC时则不需要测试系统的高压电源供电，可由电子负载提供高压电。电源、电子负载、氢气流量计、传感器等通过下位机通信或采集数据，电堆冷却及部件冷却分别由单独的PLC控制水温并与下位机通信，下位机中的控制程序实时运行并与上位机软件进行数据交互，实时监测并记录供电电压、拉载电流、冷却温度等参数。燃料电池发动机测试系统实物图如图2所示。

图2 燃料电池发动机测试系统实物图

2 燃料电池发动机测试系统介绍

2.1 供氢模块

供氢模块包含氢气供应手阀、调压阀、流量计、安全阀、气动阀等。①氢气供气采用罐车及减压撬减压至厂房供气管路，台架进行二次减压至发动机需求压力供发动机工作；②流量计选用高精度质量流量计实时监测气体消耗量；③为了保证用气安全，开关阀采用氮气驱动的气动阀，上位机软件可控制供氢开关并测量氢气进气温度、压力及气体消耗量。

2.2 辅助电源模块及电子负载

本测试台具备30V以内低压电源为发动机控制器及各类传感器供电，还具备1000V以内高压电源为发动机辅件供电。电子负载可将被测发动机的电能回馈至电网，它具备恒功率模式、恒流模式及恒压模式。当被测发动机带DCDC试验时，采用恒压模式为DCDC提供高压电；当被测发动机不带DCDC试验时，采用恒流模式为燃料电池发动机进行拉载。

2.3 冷却模块

冷却模块包括电堆冷却模块及辅件冷却模块两部分。电堆冷却模块具备发动机加水、排气功能及电堆水温控制功能，可保证电堆入口水温控制在恒定温度。辅件冷却模块可控制空压机及DCDC冷却液的流量及温度。两个冷却系统分别由单独的PLC控制，PLC与下位机通信，在上位机软件中设定冷却液温度或流量，数据下发至PLC，PLC控制相关参数保证温度及流量达到目标值。同时，PLC采集两个冷却模块管路中的温度、压力、水位、电导率、水流量、阀门开度等参数并反馈至上位机软件中显示。

2.4 通信控制模块

测试台通信控制模块包括下位机控制器、上位机软件、PLC、数据采集及通信板卡、流量计、传感器、开关阀等。可采集流量计、传感器、开关阀数据；与发动机控制器通信并收发数据；可编写自动程序使发动机试验自动运行。

下位机软件向燃料电池发动机发送秘钥及工作命令，根据发动机反馈的信息进行加载，同时采样板卡采集相关数据，下位机将数据传输至上位机，上位机进行显示及记录。操作界面如图3所示，软件界面分为发动机命令定义区、发动机发送指令区、管路开关区、高低压电源控制区、电子负载控制区、手自动控制区、数据显示区、报警设置区、曲线显示区等。

图3 燃料电池发动机测试系统软件图

2.5 自动循环控制

该测试软件可进行手动控制及自动循环控制。通过软件界面按钮控制高压电源、低压电源、电子负载的启停及参数，发动机启动按钮为发动机下发秘钥及启动指令，给发动机下发电流进行拉载。自动控制模式可通过下发试验表格自动进行试验循环，循环控制逻辑如图4所示。

图4 软件循环控制逻辑图

3 测试台功能及安全逻辑

3.1 测试台功能

1）控制氢气供气开关，高、低压电源供电，电堆及辅件冷却温度控制，负载电压或电流控制。

2）与发动机通信，控制发动机启停及拉载电流。

3）进行起动特性、稳态特性、额定功率、峰值功率、动态响应特性试验。

4）自动循环程控，可按照设定工况及循环次数进行耐久性测试，测试过程无人为干扰，自动运行。

5）安全保护：发动机故障保护、气体压力及水温超限保护、绝缘阻值超限保护、拉载电流/电压安全保护等。

6）台架/试验累计气体消耗量实时计算、试验运行时间计算、累计发电量计算。

3.2 测试台安全逻辑

该测试台安全逻辑分为3级：信息提示、降载停机、紧急停机。信息提示仅仅提示相关报警信息，不进行任何动作；降载停机逻辑按照设定速率将电流降至怠速电流后再发送关机指令；紧急停机逻辑直接将电流设定为0A并发动紧急停机指令，同时切断氢气阀门及电子负载。

测试台内监控的所有温度、压力等信号均可设置限值并执行相应的安全逻辑。发动机FCU反馈的1级、2级、3级报警信号，测试台分别执行信息提示、降载停机、紧急停机的安全逻辑。

4 测试台验证

测试台架搭建及软件编写完成后进行了测试系统比对试验，证明该测试系统实现了目标功能，可实现发动机手动拉载及自动循环试验。拉载电流控制精度高，电堆冷却温度控制稳定，测试结果如图5所示。经试验验证，台架功能可满足测试需求，操作简单易上手。

图5 测试结果分析

图5 耐久工况电池寿命仿真、BMS计算和台架测试电池容量衰减值

5 结论

经过试验验证，该测试系统能够进行燃料电池发动机起动特性、额定功率、峰值功率、稳态特性、动态响应特性等多种性能测试试验，满足燃料电池发动机开发需求，可模拟整车上燃料电池发动机工况，具备良好的应用价值，为产品开发提供有力支持。