[发明专利]变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法

说明书

本发明提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法，在变海拔环境模拟舱中，设有依次连接的空气滤清模块、空气压缩模块、中冷模块、加湿模块、虚拟电堆模块、背压模块Ⅰ、背压模块Ⅱ和尾排模块；各个模块之间还设有传感器；在上位机中，设有用于计算虚拟电堆空气流量、压力损耗及输出功率的变海拔模型；采集各传感器信息的状态采集模块；用于实现燃料电池空气供给系统控制策略的控制模块。本发明为变海拔燃料电池空气供给系统控制策略开发提供可靠验证与实验结果参考；空气供给系统整体性的测试验证，避免了分析效率较低，可靠性较差的缺点，可以进行复杂工况的测试。虚拟电堆的应用减少了测试开发成本、时间。

技术领域

本发明提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

近年来，随着国际社会对保护环境和节约能源的关注日益增加，氢能作为新兴的清洁能源技术，具有清洁、热值高等优点。质子交换膜燃料电池(Proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC)是氢能开发应用的重要形式，具有高效、无污染、低噪声等优点。但是由于燃料电池是复杂、非线性、大时滞的强耦合系统，其动力性、安全性、经济性受多方面因素影响，所以需要为燃料电池设计、安全、高效的控制方法与管理策略。

燃料电池系统的动态输出性能往往由空气供给系统决定，在变海拔环境下，大气压力、大气温度、大气密度的降低导致空气供给系统的影响进一步增大。氧气过量比(Oxygen excess ration，OER)是空气供给系统重要参数，OER是指供给的空气质量流量与负载需求的空气质量流量之比。OER对于空气供给系统控制尤为重要，因此准确地控制OER有利于提高燃料电池系统的效率、安全性和使用寿命。

在OER控制的开发过程中，需要测试燃料电池系统稳态、瞬态工作状态等情况是否有所优化以验证所采用的控制策略。但是，目前完全基于硬件的燃料电池控制器开发时间长、成本高，并且需要安全级别很高的涉氢实验室，大大提高了控制策略的开发、验证难度。完全基于软件的控制器开发时间短、成本相对较低，但是高度依赖于模型的精度，无法全面反应空气路各部件相应特性，并验证所开发的控制策略的优劣。

在变海拔环境下，由于大气压力、温度、密度的降低，导致在OER控制过程中，空气压缩机的运行曲线很有可能超过喘振安全范围，系统压力会出现周期性震荡现象，导致质子交换膜受损，进而导致燃料电池故障。

现有技术中，通过两个模型搭建模块用于建立燃料电池模型、初始控制策略模型，两个硬件仿真模块用于运行燃料电池模型及控制策略，一个控制模块(200)用于连接两个硬件仿真模块并优化初始控制策略模型。能够实现对燃料电池控制策略模型的实时仿真验证，并在仿真结果的基础上对控制策略进行调整优化，最终实现无需手动编写和修改代码的基础上实现快速开发燃料电池的控制策略。

该测试方法精度高度依赖于所搭建的燃料电池系统经验模型精度，而在变海拔环境下，由于外界大气压力、温度、湿度等条件的变化，燃料电池空气供给系统压力、流量动态响应，电堆极化曲线等均会产生较大变化，所以单一模型并不能准确描述变海拔情况下的燃料电池真实运行情况进而导致测试的控制策略效果无法保证。海拔变化带来的大气压力和温度的下降会导致空气压缩机在控制策略下运行在喘振区，导致空气供给系统压力、流量周期性震荡，甚至引起燃料电池故障，但系统经验模型并不能有效表征这一情况，使得控制策略的验证不全面、不充分。

另外，还有燃料电池增压器变海拔模拟测试系统，通过依次连接的进气压力调节模块、待测增压器安装台、增压中冷模块(30)、电堆空气阻力模拟模块、排气压力调节模块，来对燃料电池增压器工作环境进行模拟，实现测试不同海拔条件下，增压器在燃料电池系统中的真实响应特性。其优势在于利用进气压力调节模块调节进气温度与压力，模拟不同海拔的大气环境；通过电堆空气阻力模拟模块代替真实电堆，可以在常规增压器性能试验系统进行改装拓展，不需要额外涉氢安全防爆设施，减少成本。