基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應子系統匹配測試方法與流程
本發明涉及一種燃料電池發動匹配測試方法，尤其是涉及一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應子系統匹配測試方法。
背景技術：
目前國內，如同濟大學、清華大學、武漢理工大學及其他公司開發的多數燃料電池發動機測試設備主要針對燃料電池發動機性能測試，在燃料電池發動機關鍵零部件開發測試、子系統匹配測試、控制算法驗證測試過程中，缺乏相關的測試手段、設備及方法支持。且在開發測試過程中，水熱管理、空氣供應及氫氣供應等子系統需要同時工作，緊緊耦合在一起，無法獨立驗證。增加了測試過程的復雜度和難度，使得本來因為燃料電池發動機“氣-水-電-熱-力”耦合系統尚未完全驗證的零部件、子系統、控制算法之間相互干擾，導致測試結果無法反映關鍵設計參數，甚至失去對設計的指導意義。
在昆山弗爾賽能源有限公司公開的專利和科技文獻中，發明專利(公開號CN201689163U)“一種質子交換膜燃料電池測試平臺”公開了一種用于燃料電池汽車動力系統的動態性能測試系統，包括：用于提供實際工況的環境模擬模塊和NVH測試匹配模塊；用于測試的發動機硬件在環測試匹配模塊、電驅動系統硬件在環測試匹配模塊和汽車動力系統硬件在環測試匹配模塊；用于在軟件環境下模擬實際工況下的運行環境參數的仿真模擬模塊；用于對發動機硬件在環測試匹配模塊的動力參數和電驅動系統硬件在環測試匹配模塊的負載參數進行測試與控制的動力負載參數測控模塊；與其他各模塊連接，用于實時控制和保存測試數據的主控管理模塊。與現有技術相比，本發明集成度高、通用性好，可對實際工況進行模擬，并可綜合考慮熱環境和振動噪聲環境對燃料電池汽車動力系統的影響。但該方法不能對空氣供應子系統匹配測試進行評價，且存在方法復雜的不足。目前在所公開的文獻中，并無其他針對空氣供應子系統匹配測試的方法。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應子系統匹配測試方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應子系統匹配測試方法，該方法包括如下步驟：
(1)搭建燃料電池空氣供應子系統；
(2)搭建電堆陰極模擬器并進行標定用于模擬燃料電池電堆；
(3)將燃料電池空氣供應子系統接入電堆陰極模擬器形成工作回路；
(4)在燃料電池電堆不同的運行功率工況下，對電堆陰極模擬器進行虛擬功率加載，運行步驟(3)的工作回路，所述的虛擬功率與對應工況下的燃料電池電堆功率相等；
(5)在不同的虛擬功率下，測定陰極模擬器以及空氣供應子系統中的關鍵參數，并根據測得的關鍵參數判定燃料電池空氣供應子系統與燃料電池電堆是否匹配。
所述的電堆陰極模擬器包括模擬電堆空氣進氣的空氣進氣口、排放多余空氣的空氣排放口、對空氣流過的體積進行調節的陰極容積調節模塊、對空氣流過的壓力損失進行調節的流阻調節模塊以及模擬氧氣消耗的空氣消耗口，所述的冷空氣進氣口連接燃料電池空氣供應子系統。
步驟(2)對電堆陰極模擬器標定具體包括：
(21)調節陰極容積調節模塊，對陰極模擬器中空氣流過的體積進行標定，使空氣流過的體積等于燃料電池電堆陰極的容積；
(22)調節流阻調節模塊，對電堆陰極模擬器中壓力損失進行標定，使得在不同運行功率工況下陰極模擬器壓降特性與燃料電池電堆在的壓降特性吻合。
步驟(22)中具體通過如下方式對電堆陰極模擬器中壓力損失進行標定：
選取N個運行功率工況點，不斷調節流阻調節模塊，并測量工作于第i個運行功率工況點時電堆陰極模擬器的壓降ΔPisim，i＝1,2……N，直至使得下式標定誤差Ecali取得最小：
其中，ΔPistack為燃料電池電堆在第i個運行功率工況點下的壓降。
步驟(4)具體為：
(41)調節電堆陰極模擬器的消耗的氧氣流量
其中，I為虛擬功率下對應的燃料電池電堆電流，I＝Px/U，Px為虛擬功率，U為燃料電池電堆電壓，Ncell為燃料電池電堆單片數目，MO2為摩爾質量，F為法拉第常數；
(42)調節電堆陰極模擬器排放的多余空氣的流量且
步驟(5)判定燃料電池空氣供應子系統與燃料電池電堆是否匹配具體為：若在不同的虛擬功率下測得的關鍵參數均滿足設定范圍則燃料電池空氣供應子系統與燃料電池電堆匹配。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
(1)本發明通過搭建電堆陰極模擬器，利用該陰極模擬器替代真實電堆，進行燃料電池空氣供應子系統匹配測試，由于采用了陰極模擬器，可以將使得燃料電池空氣供應子系統獨立測試匹配得以進行，且能夠將熱管理子系統、氫氣供應子系統的測試解耦，排除由于熱管理和氫氣供應帶來的干擾，降低了測試復雜性，提高開發效率；
(2)本發明方法簡單易行、適應范圍廣、實用性強。
附圖說明
圖1為本發明基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應子系統匹配測試方法的流程框圖；
圖2為本實施例燃料電池空氣供應子系統與電堆陰極模擬器形成的工作回路的結構示意圖。
圖2中，1為電堆陰極模擬器,2為驅動器，3為電機，4為中冷器，5為空壓機，6為流量計，7為空氣濾清器，8為增濕器，9為節氣門，10為緩沖罐。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例
如圖1所示，一種基于電堆模擬器的燃料電池空氣供應子系統匹配測試方法，該方法包括如下步驟：
步驟01：搭建燃料電池空氣供應子系統，將空氣壓縮機、加濕器、背壓閥等空氣子系統中的關鍵零部件接入到預先設定的空氣子系統回路，這些回路可以是：①常規空氣供應及加濕回路；②帶空氣加熱的回路；③帶局部加濕回路回路；④帶怠速排氣減壓回路；⑤帶廢氣再循環回路。本實施例中采用①常規空氣供應及加濕回路。
步驟02：搭建電堆陰極模擬器并進行標定用于模擬燃料電池電堆。
步驟03：將燃料電池空氣供應子系統接入電堆陰極模擬器形成工作回路，具體工作回路如圖2所示。燃料電池空氣供應子系統包括驅動器2、電機3、中冷器4、空壓機5、流量計6、空氣濾清器7、增濕器8、節氣門9和緩沖罐10，空氣濾清器7、流量計6、空壓機5和中冷器4依次連接，中冷器4連接增濕器8，增濕器8連接電堆陰極模擬器1，增濕器8還依次連接節氣門9和緩沖罐10。本實施例以空壓機5為例作匹配測試。
其中預定電堆的額定功率為30W空壓機5的基本參數如下：
該空壓機5采用高速電機+專用泵頭的形式，高速電機額定轉速40000r/min，允許最高轉速50000r/min，泵頭為正向設計，專為燃料電池空壓機所需低流量、高壓比設計。空壓機5采用二級增壓，經過二級增壓后，空氣出口溫度最高可達約90℃，壓比最高可達1.7左右。
其中增濕器8的基本參數如下：增濕器8采用Perma Pure型號為FC400-2500-10LP的管殼式增濕器，該增濕器8的最大工作壓力為0.69bar，其允許的工作流體溫度為1℃～80℃。為了滿足燃料電池需求，增濕器8的出口相對濕度應＞60％。本實施例空氣濾清器7選用曼胡默爾MAH 45 200 92 920過濾器，重量1.7kg，流量范圍2～4.5m3/min。
步驟04：對電堆陰極模擬器進行虛擬功率加載，虛擬功率與對應工況下的燃料電池電堆功率相等；
步驟05：運行步驟03的工作回路，測定陰極模擬器以及空氣供應子系統中的關鍵參數；
步驟06：遍歷各種加載功率，即實現不同的工況下的測定，循環執行步驟04、步驟05；
步驟07：完成所有虛擬功率下陰極模擬器以及空氣供應子系統中的關鍵參數的測定，并根據測得的關鍵參數判定燃料電池空氣供應子系統與燃料電池電堆是否匹配，結束匹配測試。
所述的電堆陰極模擬器包括模擬電堆空氣進氣的空氣進氣口、排放多余空氣的空氣排放口、對空氣流過的體積進行調節的陰極容積調節模塊、對空氣流過的壓力損失進行調節的流阻調節模塊以及模擬氧氣消耗的空氣消耗口，所述的冷空氣進氣口連接燃料電池空氣供應子系統。
步驟02對電堆陰極模擬器標定具體包括：
(21)調節陰極容積調節模塊，對陰極模擬器中空氣流過的體積進行標定，使空氣流過的體積等于燃料電池電堆陰極的容積；
(22)調節流阻調節模塊，對電堆陰極模擬器中壓力損失進行標定，使得在不同運行功率工況下陰極模擬器壓降特性與燃料電池電堆在的壓降特性吻合。
步驟(22)中具體通過如下方式對電堆陰極模擬器中壓力損失進行標定：
選取N個運行功率工況點，不斷調節流阻調節模塊，并測量工作于第i個運行功率工況點時電堆陰極模擬器的壓降ΔPisim，i＝1,2……N，直至使得下式標定誤差Ecali取得最小：
其中，ΔPistack為燃料電池電堆在第i個運行功率工況點下的壓降。本實施例設燃料電池電堆最大功率為P，取4個常用運行功率工況點25％P，50％P，75％P，100％P進行電堆陰極模擬器中壓力損失進行標定。
步驟04具體為：
(41)調節電堆陰極模擬器的消耗的氧氣流量
其中，I為虛擬功率下對應的燃料電池電堆電流，I＝Px/U，Px為虛擬功率，U為燃料電池電堆電壓，Ncell為燃料電池電堆單片數目，MO2為摩爾質量，F為法拉第常數；
(42)調節電堆陰極模擬器排放的多余空氣的流量且
步驟(41)和步驟(42)中氧氣流量和多余空氣流量均是對應通過設置在電堆陰極模擬器空氣消耗口以及空氣排放口的電動閥門來調節，氧氣以及多余空氣的流動是受到電動閥門開度θ和對內外壓比Patm/Pstack影響，電動閥門的選擇必須滿足：
即在閥門開度為100％，且壓比為0.5283時，必須能達到最大的電流加載。
本實施例中首先在不同的虛擬功率下找到對應的電流值I，計算消耗的氧氣流量計算得為714.5L/min，然后利用空氣排放口的電動閥門對電堆陰極模擬器多余的空氣進行排放，使多余的空氣流量等同于消耗的氧氣流量。
步驟07中判定燃料電池空氣供應子系統與燃料電池電堆是否匹配具體為：若在不同的虛擬功率下測得的關鍵參數均滿足設定范圍則燃料電池空氣供應子系統與燃料電池電堆匹配。具體的關鍵參數包括電堆陰極模擬器入口氣流的壓力、溫度、濕度和流量；電堆陰極模擬器出口的壓力、溫度、濕度和流量；空壓機5的相關參數，包括空氣流量、出口壓力、溫度及壓縮機電機轉速、電壓和電流；增濕器8干側出口流量、壓力、溫度和濕度；濕側出口流量、壓力、溫度和濕度。
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