浅析氢燃料电池发动机及其辅助系统状态监测与故障诊断

氢燃料电池发动机作为氢能车辆核心动力单元,其电堆运行状态健康监测和故障诊断直接影响车辆使用和电堆的寿命。当前采用的监测手段主要是对电堆电流和电堆单片电压的监控,通过判断电堆各个单体的电压一致性,以及是否有出现个别单体电压低的问题来判断电堆的健康状态。存在的问题是没有对先期机械故障即早期零部件失效进行监控,电堆能否正常工作也受制于提供空气和冷却的主要零件空压机和水泵的影响,当前仅通过电压巡检器对电堆单体电压的监测被动的报警,当报警时已经出现零件机械结构问题需要车辆进站维修更换零部件,影响车辆的正常出勤。所以有必要通过振动信号进行空压机、水泵等零部件故障的先期诊断评估,并在车辆保养或者闲时进行维修,可避免影响车辆正常营运,减少客户抱怨。

燃料电池发动机经济特性分析

燃料电池发动机以氢气为动力源,靠氢气、空气在电堆内部发生电化学反应发电而释放能量。燃料电池发动机虽不受卡诺循环限制,但因辅机功耗、氢气利用率等因素,燃料电池发动机效率受工作环境、拉载工况等因素影响。本文计算不同工况下燃料电池发动机效率和氢气排放率,通过对比燃料电池发动机在稳态工况和动态工况下效率变化特性,为后续燃料电池发动机装车后整车动力分配和提高经济性等关键指标提供参考。

燃料电池发动机水热管理系统设计、仿真与试验验证

燃料电池水热管理系统是维持燃料电池发动机水热平衡的核心系统,其流量、温度、压力分布等都对燃料电池发动机的性能、功耗和可靠性有着重要的影响。基于某额定功率120kW的燃料电池发动机,从系统功能和性能最优的角度给出了架构方案设计、零部件选型匹配的理论依据,根据相关设计输入和设计目标要求,借助一维仿真软件FloMaster进行了水热管理系统的建模、仿真与结果分析,评估了系统在不同工况下流量、压力、温度和流速的分布,并通过台架试验手段进行了验证。仿真与试验结果表明,在系统额定工况和怠速工况点,水泵流量、电堆进出口温差、电堆入口温度等关键技术指标均满足系统目标需求。

燃料电池发动机电磁兼容设计技术研究

随着新能源行业的迅速发展,燃料电池发动机作为未来新能源系统的动力核心,越来越受到重视,而相较于传统的燃油、燃气发动机,燃料电池发动机在能源的来源及尾气排放等方面都具有明显的优势,但是由于燃料电池发动机匹配有高压、大功率的电气设备,如:DC/DC变换器、鼓风机、循环泵等,在运行的过程中极易产生严重的电磁干扰,严重影响整机的运行及可靠性,因此从电磁兼容的的原理及影响因素等方面进行了分析,提出了解决此类干扰的一些措施,并结合相关故障案例,进行了分析,希望对电磁兼容问题解决提供帮助。

氢燃料电池发动机多种限功率工况的应用试验

氢燃料电池发动机主要由空气子系统、氢气子系统、冷却子系统等组成。各子系统均有各自不同的性能指标,当各自的性能指标均满足当前工况的要求时,燃料电池发动机才可以正常运行。当某个指标达不到当前要求但车辆仍然需要运行时,就需要进入限功率工况,保证车辆的基本功能正常运行。文章主要基于空气子系统、氢气子系统、冷却子系统等不同性能指标进行相应的限功率工况的应用测试。

燃料电池发动机测试系统的海拔模拟研究

该系统用压力控制阀、抽风机配合及PID控制的方法实现燃料电池发动机海拔模拟测试,可模拟海拔4000m及以下的进排气压力及温度条件。利用该模拟系统对某燃料电池发动机进行不同海拔的稳态及动态工况试验,验证该模拟系统控制的稳定性并研究不同海拔大气压力对燃料电池发动机动力性的影响。试验结果表明:海拔高度的变化对燃料电池发动机动力性影响严重,在电流230A条件下,功率下降超过40%。

车用大功率燃料电池发动机进气系统控制

为满足100 kW大功率氢燃料电池发动机工作时气体供应需求,开发进气系统控制策略。首先对燃料电池电堆及进气系统进行建模,依托被控对象模型设计开发了“MAP前馈+PID反馈”的阴、阳极进气控制策略,采用单片电压状态与系统效率加权求和的方式标定阳极吹扫时间,并通过台架测试验证了该策略部署到实际控制器中的控制效果。结果显示,在稳态和瞬态工况中均实现了对压力和流量的快速响应,使得电流拉载速率提高到120和-170 A/s,阳极压力稳态和瞬态控制精度分别为98.93%和95.10%,全功率单片电压平均值为15 mV,一致性较好。基于测试数据标定搭建了阴极进气系统状态方程,开发了集成非线性扰动观测器和基于Lyapunov直接法的非线性控制器的进气方案,经MIL仿真测试显示了对空气进气控制目标的准确控制,为进一步提高控制系统响应精度提供了理论基础。

氢燃料电池发动机性能评价方法

为科学定量地评价氢燃料电池发动机性能,从起动性能、稳态性能、动态性能、安全性能4个维度构建氢燃料电池发动机性能评价指标体系,设定评价函数与指标权重,建立氢燃料电池发动机综合性能量化评价方法,验证分析7款行业主流氢燃料电池发动机的综合性能。结果表明:该评价方法可用数据量化氢燃料电池发动机的性能;目前行业内的氢燃料电池发动机需进一步改善动态性能,满足汽车工况的变化要求;国内部分企业的氢燃料电池发动机的动态性能和起动性能已达到甚至超过国际先进水平,但综合性能与国际先进水平仍有一定差距。

GB/T 24554-2022《燃料电池发动机性能试验方法》标准分析

近年来国内燃料电池电动汽车产业迅速发展,燃料电池发动机作为燃料电池汽车的动力核心,其关键部件研发及系统集成技术随之不断更新,原有燃料电池发动机测试评价相关标准亟需升级完善。因此,为适应新的技术现状,我国于2022年12月发布了GB/T 24554-2022《燃料电池发动机性能试验方法》标准。老版GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》已实施十余年,此次GB/T 24554-2022的发布实施,对于完善燃料电池发动机测试评价方法,促进燃料电池产业可持续健康发展具有重要意义。本文主要阐述GB/T 24554-2022中主要技术内容及其与2009版标准的异同。

燃料电池发动机热管理系统传热与流阻性能研究

根据燃料电池发动机热管理系统性能要求,以某款燃料电池发动机的热管理系统为研究对象,结合各零部件选配方案及管路设计方案,建立了热管理系统流体域三维模型,包括水泵、节温器、散热器、PTC和与之相连接管路,同时计算分析了各零部件的流阻特性及散热器传热系数,最后通过流体仿真研究了大循环与小循环工况下各零部件对热管理系统流阻及温度变化的影响,计算分析可以为燃料电池热管理系统设计提供指导和依据。

车用燃料电池发动机NVH试验方法分析

燃料电池发动机作为燃料电池汽车的动力核心,在运行过程中需要空压机高速旋转和氢气子循环系统工作保证燃料电池堆持续发电。文章基于简易噪声测试和半消声室噪声测试方法,介绍了两种测试燃料电池发动机工作时噪声、振动与声振粗糙度(NVH)性能的试验方法,为现阶段行业内针对燃料电池发动机的NVH试验方法提供借鉴。

车载燃料电池发动机交流阻抗测量系统设计及应用

为解决车载质子交换膜燃料电池发动机在-30℃低温冷储存及冷启动问题,提出了一种测量车载燃料电池发动机单片交流阻抗的测量系统,单片电流电压信号通过带通滤波电路处理后,进行快速傅里叶变换计算出单片阻抗;在采集阻抗时,通过另外一个控制核心采集单片电压,实现了单片电压及阻抗的同步双采集。在系统关机策略中,将单片阻抗作为关机判据,在其达到低温储存及冷启动的阈值点后,系统停止吹扫完成关机。系统能够在-30℃低温储存及冷启动,并最终在北京2022冬奥会实车批量应用。

燃料电池发动机测试评价体系

燃料电池示范应用政策的开展,对于推动氢燃料电池汽车的快速发展、提升燃料电池行业信息具有积极意义。燃料电池发动机作为燃料电池汽车的动力核心,直接影响燃料电池汽车的输出性能,因此对于燃料电池发动机的测试至为重要,本文对目前行业内对于燃料电池发动机的测试方法和评价体系进行汇总及介绍,供燃料电池行业参考。

基于LSTM的燃料电池发动机寿命预测

随着工业4.0和数据科学的发展,利用数据对氢燃料电池发动机剩余寿命进行预测,将有利于提前发现发动机性能退化问题,进而及时采取维护保养措施,对发动机安全运行以及延长发动机运行寿命至关重要。传统发动机寿命预测一般基于机理模式的经验判断或者数理统计,但在氢燃料电池发动机这个技术尚不稳定成熟的发展阶段,传统手段无法保证相对较低的误差。本文在不依赖于机理模式的情况下,利用传感器收集的数据,基于神经网络深度学习的模式,构建一种基于数据驱动的长短期记忆神经网络(LSTM)的剩余寿命预测模型,通过机器的训练与学习,分析预测氢燃料电池发动机的寿命衰减情况,为预测性维护提供数据支持。

氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验进展

氢燃料电池发动机具备清洁、环保、高效等优点,日益受到社会青睐。与此同时,对氢燃料电池发动机的环境适应性也提出了更高的要求。“三高”(高寒、高温、高原)试验是验证氢燃料电池发动机适应极端环境的重要手段。文章从实验室角度出发,主要介绍了氢燃料电池发动机“三高”环境模拟试验、测试设备及平台搭建、试验项目及影响因素,以期通过实验室的环境模拟,为氢燃料电池发动机在实际应用场景中的运用提供参考价值。

客车用燃料电池发动机耐久性研究

燃料电池发动机的耐久性是目前燃料电池汽车应用的关键技术问题之一。通过对客车动力平台用燃料电池发动机在实际道路运行数据的分析,以及燃料电池单堆在实验室条件下的耐久性测试结果的对比,研究目前燃料电池发动机的耐久性。新源动力开发的燃料电池发动机在客车实际运行条件下累计达到1500h,客车行驶里程累计20000km,在常用工况点(120A)性能衰减速度45μV/h,总体衰减不到7%;另一方面,实验室条件下进行单电堆1000h动态寿命考核,电堆表现出良好的耐久性,性能衰减速度为12μV/h。通过对两项结果的对比分析,认为燃料电池发动机中支持系统能力不足是其性能下降速度相对较快的重要原因,通过对支持系统能力的优化提高,可以提升燃料电池发动机的耐久性。

基于模糊故障树的燃料电池发动机氢安全

针对燃料电池发动机的安全可靠性,分析了氢安全和电安全的基本要求及其影响因素,重点从氢安全角度建立了以氢气泄露为顶事件的故障树模型.考虑到底事件和中间事件发生故障概率的模糊性和不确定性,将模糊数学和故障树分析法相结合,对底事件的故障概率进行模糊化并计算了顶事件发生的模糊概率;然后,采用模糊数中值法进行了各底事件的模糊重要度分析,找出了燃料电池发动机安全性的薄弱环节并提出了相关整改措施.研究结果表明,该方法较之传统故障树分析法实用、有效,对提高燃料电池发动机的可靠性与安全性设计具有指导作用.

车用燃料电池发动机控制系统与协调控制研究

介绍了燃料电池发动机的基本结构和特点,设计了实用的控制系统,并阐述了各个子系统的工作原理和控制策略.根据其自身特性和运行工况,提出了燃料电池发动机各子系统的协调控制方法,获得了较好的控制效果.

车用燃料电池发动机试验台

整个燃料电池发动机试验台以目标燃料电池车辆动力系统为参照设计，包括负载系统、燃料系统、控制系统和数据采集系统，通过数字化的CAN网络交互各部件的运行信息。根据车辆运行要求，借鉴内燃发动机测试规范，初步设计了一种车用燃料电池发动机的试验工况，并对车用燃料电池发动机进行了测试。测试结果表明，整个试验台对车用燃料电池发动机评估发挥了重要作用，而且有助于燃料电池发动机性能的提高，特别是电磁兼容性。

45kW质子交换膜燃料电池发动机建模与仿真

建立了较为完整的包括电堆、反应气体供应以及水热管理3个主要模块的45 kW级质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机数学模型.电堆电压模型引入了误差补偿项,提高了电压计算精度,并通过实验数据得到验证.选取冷却液入堆温度、空气过量系数和阴极入口空气压力为系统的操控变量,在给定电流密度下进行了电堆相关性能对操控变量的敏感性分析.仿真结果表明,为了获得较好的系统输出性能,应适当降低冷却液入堆温度,提高阴极入口空气压力;为了保持合理的电堆温度,必须有效控制该系统的水热管理系统.