一种燃料电池混动系统性能测试系统及测试方法与流程

1.本发明主要涉及轨道交通新能源动力系统技术领域，具体涉及一种燃料电池混动系统性能测试系统及测试方法。


背景技术：

2.新能源技术不断发展，氢燃料电池以其绿色、节能的特点正逐渐进入公共交通领域，国内外在新能源汽车、船舶、轨道交通领域已经有一些实际应用。在燃料电池作为动力系统应用的场景下，由于燃料电池存在输出响应速度慢的固有特性，单一燃料电池动力系统无法满足车辆状态急速变化(起步、加速、减速等)的功率需求。同时，车辆用燃料电池的输出功率较大，综合考虑燃料电池的成本、体积、质量和寿命，单一采用燃料电池较难满足动力系统设计需求。此外，燃料电池单向输出的固有特性，无法吸收车辆在制动工况下产生的电能回馈能量，造成能量浪费。因此，通常采用储能模块或辅助能量源与燃料电池组成的“电
‑
电”混合动力系统，以满足整车动力系统的动态性能需求。
3.对于燃料电池混合动力有轨电车的核心是燃料电池混合动力系统，由于燃料电池系统自身的动态响应较慢，其输出特性无法满足车辆在快速启动、紧急加速和爬坡时的要求，需要增加相应的辅助动力系统以弥补燃料电池自身输出特性的不足，减小对燃料电池系统峰值功率的需求，同时降低系统造价，提高整车经济性能。此外，辅助动力系统能够在减速期间回收制动能量，提高车辆的整车效率。
4.现有燃料电池相关动力系统测试技术主要集中在燃料电池自身性能测试方面，对燃料电池与储能单元耦合匹配的系统测试研究较少，而燃料电池与储能单元混合在实际应用中具备普遍性。
5.其次，目前燃料电池和储能单元两者的电特性存在较大差异，同时车辆的功率需求在运行过程中也会发生动态变化，因此设计“电
‑
电”混合动力系统时需考虑两者的参数匹配关系。因燃料电池与储能单元的性能、参数不统一，在燃料电池混合动力系统开发与性能测试过程中，存在两独立系统匹配选型工作，该过程需要考虑因素复杂，存在过程耗时久、成本偏高及参数匹配后无法验证等问题。
6.再次，在轨道交通领域，混合动力系统性能测试工况特殊，不仅需要测试列车驱动过程中的能量输出特性，对于列车制动工况下动力系统相关特性测试也有明确需求。传统轨道交通车辆通常采用地面滚动试验台及样车型式试验来满足牵引系统相关性能测试，试验条件苛刻，试验成本较高。在车辆牵引等功率输出的工况下，如果燃料电池的输出功率处于过载工作状态会导致燃料消耗增加，降低经济性的同时会降低燃料电池使用寿命；如果储能单元输出功率较大，则燃料电池处于轻载状态，降低车辆整体的经济性。同时考虑到车辆制动时回馈能量需要由储能单元吸收，燃料电池与储能单元的功率、工作电压及容量都需要合理匹配。车辆实际运行过程中，燃料电池的放电特性及储能电源的充放电倍率对整车性能的影响也不可忽略。
7.因此，如果采用在传统测试框架中加入储能单元(动力电池等)的方式来开展混合
动力系统性能测试工作，在储能单元与燃料电池匹配选型时将面临较大的动力电池采购成本。另外，在大功率测试需求场景下，储能单元容量需求也相应提升，测试完成后一般需要后续装置将电能释放，否则会存在安全隐患。另外，在轨道交通车辆领域，燃料电池混合动力系统在列车启动、加速工况中输出牵引动能，在列车制动时，还应能吸收制动回馈的电能。目前，针对燃料电池动力系统搭建的性能测试平台中暂未涉及制动工况下相关性能评价方法。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种测试成本低、测试全面且效率高的燃料电池混动系统性能测试系统及测试方法。
9.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
10.一种燃料电池混动系统性能测试系统，包括电压调节单元、电子负载、数据处理单元和功率分配单元；待测燃料电池通过电压转换单元与直流母线相连；所述电压调节单元与所述直流母线相连；所述电子负载的一端与直流母线相连，另一端与市电相连；所述功率分配单元与所述电子负载相连，用于对电子负载输出的负载进行调节；所述电子负载用于模拟车辆工况；在车辆功率输出的工况下，所述电压调节单元用于调节其输出电压来模拟储能单元对母线电压的影响；在制动能量回收工况，所述电压调节单元用于改变母线电压来模拟制动能量及功率回馈引起的母线电压的波动；所述数据处理单元分别与燃料电池、电压调节单元和电子负载相连，用于采集燃料电池、电压调节单元和电子负载的数据以进行性能评价和匹配性测试。
11.作为上述技术方案的进一步改进：
12.所述电压调节单元为虚拟电池单元。
13.所述电压转换单元为dc
‑
dc转换器。
14.本发明还公开了一种基于如上所述的燃料电池混动系统性能测试系统的测试方法，包括步骤：
15.s101、获取列车牵引和制动特性曲线，将列车牵引和制动特性曲线转化为电流、电压、功率曲线；
16.s102、通过得到的电流、电压、功率曲线控制电子负载或者电压调节单元，使电子负载的输出电流或电压调节单元的输出电压与对应曲线保持一致；
17.s103、测试过程中通过数据处理单元采集燃料电池输入端的气体状态量、燃料电池输出电流和电压量、电压转换单元输出电流和电压量、电压调节单元输出电流和电压量、电子负载输出电流和电压量；其中电压转换单元位于燃料电池与直流母线之间；
18.s104、根据测量到的数据折算评价在牵引和制动工况下各子系统的综合性能及匹配性。
19.作为上述技术方案的进一步改进：
20.在列车处于牵引工况时，s102的具体过程为：控制电子负载按照对应曲线输出，并控制功率分配器工作；电压调节单元则按照预设soc曲线工作。
21.在列车处于制动工况时，s102的具体过程为：控制电压调节单元按照电压
‑
时间曲线输出，并控制功率分配器工作。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.本发明在传统的“电
‑
电”混动拓扑中利用虚拟电池单元代替储能单元，实现燃料电池混合动力系统测试，并通过电子负载模拟车辆工况来测试混动系统的动态特性；在车辆功率输出的工况下，虚拟电池单元通过其输出电压的变化来模拟储能单元对母线电压的影响，以此评估混动系统的动态输出特性；在制动等能量回收工况，以虚拟电池单元改变母线电压来模拟制动能量及功率回馈引起母线电压的波动；本发明在测试技术方面，减少测试系统中的功率回馈设备需求，如牵引电机等，降低测试系统成本；在车辆测试方面也降低了测试环路中车辆工况模拟的复杂程度。其整体有益效果如下：
24.1)混合动力系统联调测试可以满足轨道交通等应用场景下，燃料电池与动力电池参数匹配性性能评估，为产品开发、系统匹配选型及新能源车辆开发提供数据支撑；
25.2)采用虚拟电池单元代替测试环节中的储能单元，通过模拟多种类动力电池的输出特性，降低联调试验成本及混动系统开发周期，具有较高的便捷性和经济性；
26.3)在轨道交通应用领域，虚拟电池单元既能满足牵引工况下的驱动能量模拟输出，又能通过调整虚拟电池单元输出端电压来模拟制动工况下系统的实际特性需求，间接实现列车制动工况下的燃料电池性能测试；
27.4)测试方法预留动力电池接入接口，既能降低动力电池选型成本，避免测试过程中动力电池的安全风险，又能兼容动力电池的硬件在环测试，以满足子系统参数匹配性实验验证功能。
28.本发明的方法结合了燃料电池测试方法、虚拟工况测试、虚拟电池及能量管理技术，用以对燃料电池混合动力系统进行快速、全面测试，尤其实现对轨道交通车辆全工况性能测试，同时降低了测试成本及难度、提高了测试效率。
附图说明
29.图1为本发明的测试系统在实施例的结构图。
30.图2为本发明的测试方法在实施例的流程图。
31.图3为本发明的测试方法在牵引工况时的流程图。
32.图4为本发明的测试方法在制动工况时的流程图。
具体实施方式
33.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
34.如图1所示，本实施例的燃料电池混动系统性能测试系统，包括电压调节单元、电子负载、数据处理单元和功率分配单元；待测燃料电池通过电压转换单元(如dc
‑
dc转换器等)与直流母线相连；电压调节单元与直流母线相连；电子负载的一端与直流母线相连，另一端与市电相连；功率分配单元与电子负载相连，用于对电子负载输出的负载进行调节；电子负载用于模拟车辆工况；在车辆功率输出的工况下，电压调节单元用于调节其输出电压来模拟储能单元对母线电压的影响；在制动能量回收工况，电压调节单元用于改变母线电压来模拟制动能量及功率回馈引起的母线电压的波动；数据处理单元分别与燃料电池、电压调节单元和电子负载相连，用于采集燃料电池、电压调节单元和电子负载的数据以进行性能评价和匹配性测试。
35.在一具体实施例中，电压调节单元为虚拟电池单元。当然，在其它实施例中，也可以采用其它可以使主电路电压主动改变的装置。
36.本发明在传统的“电
‑
电”混动拓扑中利用虚拟电池单元代替储能单元，实现燃料电池混合动力系统测试，并通过电子负载模拟车辆工况来测试混动系统的动态特性；在车辆功率输出的工况下，虚拟电池单元通过其输出电压的变化来模拟储能单元对母线电压的影响，以此评估混动系统的动态输出特性；在制动等能量回收工况，以虚拟电池单元改变母线电压来模拟制动能量及功率回馈引起母线电压的波动；本发明在测试技术方面，减少测试系统中的功率回馈设备需求，如牵引电机等，降低测试系统成本；在车辆测试方面也降低了测试环路中车辆工况模拟的复杂程度。其整体有益效果如下：
37.1)混合动力系统联调测试可以满足轨道交通等应用场景下，燃料电池与动力电池参数匹配性性能评估，为产品开发、系统匹配选型及新能源车辆开发提供数据支撑；
38.2)采用虚拟电池单元代替测试环节中的储能单元，通过模拟多种类动力电池的输出特性，降低联调试验成本及混动系统开发周期，具有较高的便捷性和经济性；
39.3)在轨道交通应用领域，虚拟电池单元既能满足牵引工况下的驱动能量模拟输出，又能通过调整虚拟电池单元输出端电压来模拟制动工况下系统的实际特性需求，间接实现列车制动工况下的燃料电池性能测试；
40.4)测试方法预留动力电池接入接口，既能降低动力电池选型成本，避免测试过程中动力电池的安全风险，又能兼容动力电池的硬件在环测试，以满足子系统参数匹配性实验验证功能。
41.如图2所示，本发明还公开了一种基于如上所述的燃料电池混动系统性能测试系统的测试方法，包括步骤：
42.s101、通过仿真计算或者型式试验获取列车牵引和制动特性曲线，将列车牵引和制动特性曲线转化为电流、电压、功率曲线；
43.s102、通过得到的电流、电压、功率曲线控制电子负载或者电压调节单元，使电子负载的输出电流或电压调节单元的输出电压与对应曲线保持一致；
44.s103、测试过程中通过数据处理单元采集燃料电池输入端的气体状态量、燃料电池输出电流和电压量、电压转换单元输出电流和电压量、电压调节单元输出电流和电压量、电子负载输出电流和电压量；其中电压转换单元位于燃料电池与直流母线之间；
45.s104、根据测量到的数据折算评价在牵引和制动工况下各子系统的综合性能及匹配性。
46.如图3所示，在牵引工况时，对应的整体测试流程为：
47.列车处于牵引工况时，输入试验/模拟列车牵引特性曲线(牵引力
‑
速度曲线)，并转换牵引特性曲线为电流/电压/功率
‑
时间数据；
48.控制电子负载按照对应曲线输出；如与预设的曲线保持一致，则控制功率分配器工作；虚拟电池单元按照预设soc曲线工作；
49.采集各模块数据到中央数据处单元，对数据结果进行分析对比，进行性能评价，完成匹配性测试。
50.如图4所示，在制动工况时，对应的整体测试流程为：
51.转换制动特性曲线为电流/电压/功率
‑
时间数据；
52.控制虚拟电池单元按照电压时间曲线输出；
53.判断母线电压是否与预设的曲线保持一致；如是，则控制功率分配器工作；
54.采集各模块数据到中央数据处单元，对数据结果进行分析对比，进行性能评价，完成匹配性测试。
55.本发明实施过程中涉及到传感器布置、工控软硬件等部署工作，在做牵引工况模拟测试时利用电子负载等效代替实际工况负载需求；在做制动工况模拟测试时通过虚拟电源改变母线电压的方法等效代替实际制动工况负载需求。上述整体方法不仅具有测试系统所述的优点，而且结合了燃料电池测试方法、虚拟工况测试、虚拟电池及能量管理技术，用以对燃料电池混合动力系统进行快速、全面测试，尤其实现了轨道交通车辆全工况性能测试，同时降低了测试成本及难度、提高了测试效率。
56.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。