车用大功率燃料电池发动机动力系统平台

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清华大学学报 (自然科学版)2 0年第 4 06 6卷第 2期J s g u n S i T c ) 0 6 Vo. 6 No 2 i h aU i c& eh,2 0, 1 4, T n v( .

215 5 32— 60 57 2

C 12 2/ N 1— 23 N

车用大功率燃料电池发动机动力系统平台许家群h,刘明基黄海燕 裴普成 卢青春欧阳明高 , ,,, (_清华大学汽车工程系， 1汽车安全与节能国家重点实验室，北京 1 0 8; 004 2 .北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 10 2 ) 00 2

摘

要：为了测试城市客车用燃料电池发动机的性能，开发

研究n]清华大学也正在进行燃料电池城市客车的 。研发。

了2 0 w燃料电池发动机动力系统平台该平台采用了水 0k

阻负载结台电动负载的组合式负载结构。其中，电动负载由 D/ c变换器、 cD感应电动机和测功机组成，以模拟车用燃可料电池发动机实际工况。文研究了平台的部件匹配及保护该问题，立了车用燃料电池发动机的试验工况实验结果表建明该平台可以满足大功率车用燃料电池发动机的性能测试

燃料电池汽车动力系统由燃料电池发动机、 D/ c变换器、引电机及其控制器等部分组 cD牵成 r。燃料电池发动机是整车的核心动力源，试、 3]测

评估其性能可以为整车动力系统集成与优化提供科学依据。燃料电池发动机的测试目前还没有统一标准，常采用阻性负载或电子负载作为燃料电池发通动机测试用负载[5。车用燃料电池发动机的负载 4]但 .

需求关键词：电动汽车 I燃料电池发动机；动力系统平台}试验工况

中囝分类号： 6 . 2 U 4 9 7文章编号； 000 5 (0 6 0—2 70 1 0—0 42 0 )20 5￣4

文献标识码： A

特性比较复杂，包括电能的转换、电能与机械能的转

换，并最终表现为整车这一惯量负载形式。而且，车用燃料电池发动机工作的可靠性也受到 D DC变 C/换器、引电机等动力系统中的强电磁干扰源影响。牵因此，负载特性的根本不同使得采用阻性负载或电

Po r r i l t o m o a g we we t

a n p a f r f r l r e po rf e e le i n c t u i e u lc l ng ne i iy b s drvX iq n - I n l, U N ay n。 E u h n l U Ja u - U Migi H A G H ia P I c e g,,L PL Qi g h n,OUYANG n g o U n o u Mi g a ( .S a e Ke b a o y o t mo i e S f t n e g 1 t t y La or t r fAu o tv a e y a d En r y。 De a t nto t mo i e En i e rng,Tsng a Un v r iy, p r me fAu o tv g n e i i hu i e s t

子负载不能准确模拟车用燃料电池发动机的实际运行工况。为了能够准确评估车用燃料电池发动机的性能，建设了 2 0 W车用燃料电池发动机动力系 0 k统平台，文介绍了平台的结构设计、件匹配及保本部护等关键技术。

B iig1 0 8, hn e n 0 0 4 C ia j I2 c o f Elc r n c I o ma i n a d Co r lEn i e r n .S ho lo e t o i nf r to n nto g n e i g,

B ilgU i riyo eh ooy ejn 0 0 2 hn ) e n nv st f cn lg,B l g1 02,C ia j e T lAb t a t s r c:A 2 0 k p we t an l t o m wa d v l p d o e t 0 W o r r l p a f r s e e o e t t s p r o ma c u lc l e g n n s mu a e iy b s c n ii n . e f r n e of a f e el n i e i i l t d ct u o d to s

1动力系统平台结构 -本平台设计为图 1所示的组合式负载结构，采用 10k水阻作为动力系统的基础负载，用 0 W利 D D C/ C变换器、电机及其控制器、功机一起构成测

Th lto m s d b t t rrssa c n lcrc ldrv o d . e paf r u e o h wae e it n e a d ee tia ie la s Th fe el n ie p r tn mo e o h p e u lc l e gn o ea ig d s n t e ow

e tan lto m rri paf r

c ud t e e smu ae o cu ld iig c n iinso iy b s o l h n b i lt d fra t a rvn o dto n act u . P o lms b u c r fl r b e a o t a eu mac ig f o o e t t p o e t h thn o c mp n n s o r tc t es se y t m a e t d e a d e l t t s c n t n f r he f e c l r s u i d n r a i i e t o di o s o t u l e l sc i

与整车实际动力系统结构一致的 10 W电动负 2 k载。燃料电池发动机的输出功率分别被水阻负载和电动负载吸收。其中，动负载功率流向是通过电 D DC变换器、 C/电机控制器驱动电动机，后经测然

e gn r r vd d n iea ep o ie .Ex rme t l e u t ho t tt elr ep we pei n a s lss w ha h a g o r r

f e el n iec n b fiintyts e nt e paf r u l l e gn a ee f e l e td o h lto m. c cKe r sIee ti e ils}f e ele g n;p we tan paf r} y wo d lcrcv hce u l l n i e o rri lto m ct s O d to e t C n jl n

收稿日期； 0 5 10 20一— 5 O 基金项目：国家“八六三”高技术项目 ( 0 3 A5 l 0 ) 2 0A o 1 0

为了解决能源与环保问题，基予质子交换膜燃料电池发动机的燃料电池汽车近年来受到了极大关注，全球多个汽车公司及科研机构在进行相关技术

作简 家群 1 3,汉)辽博士 者介许 ( 7 )男(,宁，后。 9一通联人：阳高，授，讯系欧明教 Emi。y g g t gu e, -a:ua m@ s h u n l n i ad c n

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清华大学学报 (然科学版)自

功机将电动机的机械能转换为电能回送电网。水阻负载及电动负载的大小均能够独立控制，以方便可

地实现燃料电池发动机输出功率的分配。动力系统负载的精确控制靠电力测功机的实时闭环调节实现，以保证平台的

控制精度。可 依照内燃机测试方案，电动负载部分利用测功机模拟整车负载是合理的。电动负载与整车动力系统结构一致决定了二者的负载特性一致，因此，用应电动负载可以准确模拟车用燃料电池发动机的负载特性，包括由 D/ C DC变换器、引电机形成的强干牵I}A

图 2燃料电池模拟装置输出特性曲线

扰电磁环境，从而使得燃料电池发动机的测试环境也接近于整车的实际电磁环境。样，于本平台进这基行车用燃料电池发动机的性能测试时，既可以实现负载的可靠调节使燃料电池发动机工作在各种设定的负载工况下，能够反映出燃料电池发动机的电也磁兼容性。水阻负载的应用可以方便燃料电池发动机的调试，有利于降低所需的测功机功率以节约也平台成本。

2 2电动负载部件匹配 .

燃料电池发动机是动力系统的核心，部件匹配的基本原则是保证部件的接口参数及特性必须满足燃料电池发动机性能测试要求。平台中应用的直流电力测功机功率为 15 W, 3k 在 310/ n以下为恒转矩特性。择与整车应用 5 mi r选一

致的感应电机，为与测功机特性匹配，电机额定转

速定为 3 0 ri、定功率为 10 W。 0/ n额 0 ra 1k考虑安全裕量，择的电机控制器额定功率为 1 2 W,直流选 3 k

电压输入范围为 40 80 D/ C变换器采用 8 0 V。 C D了结构简单、具有较高质量比功率、体积比功率及效率的B ot o s电路结构，输入电压范围为 20￣ 0 V, 0" 60额定输出电压为 60V,率为 10 W。 0功 5k 电机控制器 P WM工作方式使得直流母线电流

发生波动，该波动必须被限定在允许范围内才能保囝 1燃料电池发动机动力系统平台结构

证测试精度。由于主要进行稳态下燃料电池发动机的性能测试，因此采用了控制策略简单、械特性硬机

2动力系统平台部件匹配2 1燃料电池模拟装置及水阻负载 .考虑到经济性和复杂性，力系统平台的调试动及研究不可能经常以燃料电池发动机作为动力源。 为此，采用西门子 6 A7 R 0直流调速器配以均衡电抗器、波电容等开发了额定输出为 60 4 0的滤 9 2

V/ A

度好的 vf/方式控制感应电动机。为降低直流母线电流波动，需要优化电机的磁通密度和控制器开关频率。中，通密度优化通过调整电压与基波频率其磁

的比值实现，磁通密度的控制也影响着电机的输出 功率；而提高开关频率尽管可以降低母线电流波动分量，但对于本平台来说，这会使大功率电机控制器的开关损耗显著增加，所以，开关频率的优化需要同 时兼顾母线电流波动和控制器损耗两个指标。在保证电机能够输出额定功率的基础上，调试确定电压与频率的比值为 4,开关频率为 4 Hz测直流母 k实

燃料电池模拟装置。该装置基于 1相整流器原理， 2 具有输出谐波小、特性可调的优点，利用自由特性曲 线功能可以模拟出燃料电池在不同负载下的输出特性，图 2所示。如 水阻负载具有结构简单、可靠性高、价低的优造点，且通过闭环控制可以较精确地控制负载大而小[。研制的水阻由绝缘箱体、 6 3内极板及其绝缘罩、 侧极板及提升装置组成，过改变内极板绝缘罩的通

线电流为 8 A时的电流波动分量在 16以下， o .A该波动小于 2。 受空气压缩机等辅助系统的限制，料电池发燃

动机的动态响应速度较慢，动力系统负载的动态特性与燃料电池发动机动态特性相匹配非常重要，这主要体现在负载系统起动和加载过程中。以起动过程为例， 3为实测电动负载起动时电机控制器输图

位置来改变负载阻值，从而在额定范围内可连续调节负载值。

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许家群，:车用大功率燃料电池发动机动力系统平台等

入的电流及功率波形，中，波器通道 M显示的其示为功率波形，以看出，动过程中电动负载吸收的可起电流和功率急剧增大，最大功率已达 2. w。而 51 k且，电动负载起动所需功率随起动时间的缩短将会进一步增大，如果该需求功率变化率超过了燃料电池发动机输出功率的动态响应极限，会造成燃料电池发动机的单片电压过低、保护停机、至损坏。因甚此，必须保证负载的动态响应速度慢于燃料电池发动机的响应速度。本平台电动负载起动时间设置为 3来保证燃料电池发动机的正常工作。 0 s

试验工况决

定了燃料电池发动机由负载状态进

入怠速状态时电机转速必须快速下降，该过程极易 导致电机控制器和 DC D变换器的损坏，因在/C原于电机发生能量回馈制动使得直流母线电压急剧升高。因此， D DC变换器后加装了电阻制动保护在 C/

环节，当母线电压达到系统安全限值时，过控制通I B利用电阻 R消耗电能，而使母线电压快速 G T 从

恢复到安全限值内。

4动力系统平台性能检验为了检验本动力系统平台的性能，于本平台基进行了城市客车用 1 0 W燃料电池发动机的性能 2k测试

根据车用发动机的要求，合燃料电池发动机结

的特殊性，定的燃料电池发动机性能考核试验工制况如表 1所示。表 1燃料电池发动机试验工况t }S

工况号12

10 tm n工况号 0×P/ i06O

10 tmi 0×P/ n400

图 3电动负载起动过程吸收的功率及电流

52

89

22

3动力系统平台部件保护为了保证动力系统平台安全工作，要对平台需中的燃料电池发动机、 C/ C变换器、 D D电机控制器进行有效的保护，体保护措施如图 4所示。具

34 5 6

O2O 6 O 1O O

1 O2 2 6 O

1 011 1 2 1 3

501 2O 3O O

23 2 3

7

8 O

2

表中， P定义为发动机实际输出功率与额定功率的比值，为稳定运行时间。 t该工况可以全面检验燃料电池发动机在怠速、

部分负荷、定负荷、载负荷等运行条件下的性额过

能。其中，工况 2考察燃料电池发动机冷机加载能力，况 3考察发动机怠速下的水管理能力，况 6工工考察发动机额定功率运行 6 n条件下的水热平 0 mi图 4平台部件保护

衡能力，工况 1考察发动机的过载能力。 1 基于本动力系统平台调节负载，过数据采集通系统获得燃料电池发动机的性能参数『。按照表 1 7] 试验工况完成了车用 10 W燃料电池发动机的性 2 k能测试。实测燃料电池发动机输出功率特性曲线如图 5示，以看出，曲线完整地显示了表 1所示所可该

的 1个工况， 3发动机持续 10 w额定功率 6 mi, 0k 0 n持续 10 w最大功率 3 n,动机功率均可靠地 2 k mi发被动力系统负载吸收，系统的起、动时间较短。实制测平台的起、动时间小于 3,系统运行安全可制 0s靠，试结果表明本平台满足车用大功率燃料电池测发动机的测试需求。

燃料电池发动机正输出端串接了快恢复二极管 D,以防止外界高电压造成燃料电池堆发生逆化 可学反应。母线上串联的霍尔电流传感器 C R、I T GB 及其控制单元可以对燃料电池发动机进行快速过电流保护。快速熔断器 F和手动开关 K确保在 I T GB

损坏等异常情况下仍能够可靠地提供保护。续流二极管 D在燃料电池发动机输出关断时对感性负载 部分起续流作用。虑到 D/ c变换器、考 cD电机控制器内有较大容量电容，因此，计了基于充电电阻 R和设继电器 K:的预充电电路限制电容的充电电流。

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清华大学学报 (然科学版)自

2 0,6 2 064()

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sse ac i cue n o f uain L] I ytm rht trs ad c ni rt s J. EEE Tr n e g o asVe iu a c n l g h c l rTe h oo y,2 05 4(:7 3—7 0 0,5 3) 6 7.

E]王兆，吴志新.燃料电池的测试[] 4 J.汽车工程，2 0, 0 22 ( ):8 41 4—8 . 7

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ANG h o,WU hxn u l ele t[] tm t e Za Z il.F e cl ts J .J Auo oi vEn n e ig,2 0 gier n 0 2,2 ( )I8 4 1 4—8 . (n Ch n s ) 7 i ie e

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5某燃料电池发动机输出功率特性

fr h y a i c aa ei t n f E e cl[] P o o e n m c h rc r a o M f l e s A . rc t d t zi oP u l2 0 I 0 4 EEE I s r me t to a d n t u n a i n n M e s r me t a u e n Te h o o y c n lg

5小

结

C ne ne[] tl: E E P es 2 0, 6 5 60 o f e c c .I y IE r, 0 4 1 7— 8 . r a s t []曾庆荣，建宏. 6康水阻极板调整和定位的复合模糊控制[] J.机车电传动，1 9,( ) 1—3 . 9 8 1:2 4Z G n r n。KAN J n o g o o n u z o to EN Qig o g G i h n .C mp u d f zy c n r l a o epae smo e n& lc t ni is l o o t ew tr f h lt’ t v me t o a i de e lc mo i a e o n v

本文针对燃料电池城市客车的研发需求，开发了车用大功率燃料电池发动机动力系统平台。采用

组合式负载方案，平台测试功率达 20 W, 0k并且造价低、可靠性高、料电池发动机调试方便；基于本燃平台能够模拟整车的实际运行工况，行燃料电池进发动机的性能测试，试结果能客观反映出燃料电测池发动机应用于电动汽车的适用性参考文献 ( eee cs R fr n e )[] C a . h t e fh t f l t c n y r e i e 1 h nC C T e a e r 0 e c i adh b i v h l s t0 t a e r d cs[] rcI EE,20,9 () 2 7 7 . J.P o E 0 2 0 2: 4—2 5

r i a c t t J.J E e r r e o oo o v, 8 e s ne e[] l t cD i rL cm t e 1

9, st s ci vf i 9( ):8 1 4—8 . (nChn s ) 7 i ie e

E]谢康， 7卢青春，振华，金等.料电池发动机测试系统的开燃发[]车用发动机， 0 3 ( ) 2— 9 J. 20, 5: 2 2.X E Ka g LU Qi g h n, I Z e h a e 1 I n, n c u JN h n u, t .De eo me t a v lp n

o ul el n iets s se[] hceEn e 0 3 f e cl e gn et ytm J.JVei n,2 0, f l( )1 2 2 . (nChn s ) 5 2 9 i ie e

“白质功能、维结构和折叠原理研究’目蛋三’ 项通过科技部结题验收由清华大学饶子和院士、志新院士作为首席科学家主持承担的“王九七三”划“白质功能、计蛋三维结构和折叠原理研究”目历经 5年，项已全面完成研究任务， 2 0年 l月顺利通过科技部组织的项目结题验收。于 05 1

通过该项目的实施，获得了一批与信号传导、凝血/抗凝血和病原体相关的蛋白质三维结构模型，为进一步阐明其生物学功能奠定了坚实的基础。对其中某些重要的蛋白质开展了较为系统的分子生物学、结构生物学和功能研究。如，1 )线粒体膜蛋白复合物Ⅱ的精细结构，为研究与人类很多疾病，如嗜铬细胞瘤、神诸副

经节瘤和李氏症等相关线粒体疾病提供了真实可用的模型。 ) 2获得了对包括 S R A S冠状病毒在内的一种有潜在临床意义的“广谱”冠状病毒抑制剂，进一步修饰可能迅速发现针对所有冠状病毒的临床药物 3 )着重研究了 HB V相关的新型治疗性疫苗，同时研究了 H V侵染原代肝细胞的机制。 ) B 4发现了中国马氏钳蝎 ( m神经毒素与钠通道作用的分子部位，出与验证该类分子的“ B K)提多位点作用模式” )发现了可以调。5制分子对哺乳动物/昆虫钠通道作用专一性的“键顺一异构调控机理”阐明了该类分子作用所具有的独肽反，特种属选择性的分子基础、结构机理和动能转换的分子开关，在多肽毒素领域尚属首次。该项目部分研究成果在国际同领域具有较大的影响力，国际同行或专业综述“ tr”“ w Sinit给予了高度评价，被 Naue、Ne c t”等 e s

认为这些研究结果是该研

究领域中的重要贡献，对解惑本学科的某些基本科学问题具有重要意义。这表明清华大学的部分研究已达到国际领先水平(自《摘科技简报》增报 (2,2 0— 12 ) 1 ) 0 5 1— 3