一种车用燃料电池发动机在动力总成回路的动态测试方法与流程

本发明涉及一种燃料电池发动机测试方法，尤其是涉及一种车用燃料电池发动机在动力总成回路的动态测试方法。

背景技术：

由于氢燃料电池具有效率高、零排放、运行平稳、无噪声等一系列优良性能，被视为未来汽车最有可能的动力源，燃料电池混合动力汽车是未来汽车产业发展的趋势。在开发燃料电池汽车的过程中，为了对燃料电池发动机系统的设计进行验证，需要基于相应的标准对燃料电池汽车的核心——燃料电池发动机进行测试，以开发出满足动力系统要求的燃料电池发动机。

在燃料电池发动机系统试验平台的设计方面，国内外已经有许多相应的研究，并已经有一系列成果；在试验方法方面，通过对燃料电池发动机加载工况进行耐久性试验和经济性试验是常用的方法。由于现阶段尚未提出统一的燃料电池台架试验循环工况，各个研究在需要加载工况的过程中只是设计了一些符合车辆实际运行情况的循环工况，对于工况的来源没有明确的说明。对于燃料电池的耐久性测试，若加载的工况不符合实际的燃料电池应用场景，则试验结果无法具有代表性。

因此在进行燃料电池发动机台架试验时，如何为燃料电池发动机加载合理的工况至关重要。在已公开或授权的专利文献中，对于燃料电池发动机测试加载的工况也有一些研究，比如：

清华大学专利“一种测试和评价燃料电池发动机性能的方法”(cn101067647)，其特点在于建立了能综合测试和评价燃料电池发动机性能的多工况法，包括怠速工况、部分负荷工况、额定工况、冷机加载工况和过载工况。通过各种工况的组合，得到了最终的台架运行工况。上述公开的技术，其主要目的在于测定发动机单独运行时的综合性能，需要事先确定对燃料电池发动机的电流或功率加载运行工况。

清华大学专利“一种燃料电池混合动力汽车经济性测试方法”(cn104677640a)，其特点在于通过对燃料电池混合动力汽车进行硬件在环仿真，从而获取在期望道路工况下的燃料电池的电流数据，再将电流数据通过电子负载加载到燃料电池。上述公开的技术在于，对燃料电池发动机加载的工况是在试验开始之前通过对燃料电池混合动力汽车进行硬件在环仿真得到的，该方法必须对每一种燃料电池发动机进行建模，而当模型精度较差时，通过硬件在环仿真得到的发动机加载工况并不能反应在整车中燃料电池实际的工况需求。而先仿真再试验的方法，也花费了更多的时间。

北汽福田汽车股份有限公司专利“电池管理模块的在环测试方法及系统”(cn10484834592a)，其特点在于利用整车模型，根据测试用例产生控制信号，并将控制信号发送至待测电池管理模块，通过对电池组的总电压、总电流、单体状态等进行测量，来评价电池管理模块的性能，从而缩短开发周期，节约开发成本。上述公开的技术采用了在环测试的方法来考核电池管理模块在整车系统中的性能，但对于测试序列没有规定，因此得到的结果并不能反应在道路行驶工况下电池管理模块的性能。

在对车用燃料电池发动机进行工况法测试时，会面临以下问题：1)如何快速计算得到向燃料电池发动机加载的功率-时间工况？2)如何在试验台架上更加真实地模拟燃料电池发动机在道路试验中的环境？本发明的技术构想与目前已公开的同类或同领域的发明设计完全不同。本发明提出的车用燃料电池发动机在动力总成回路动态测试方法，通过在试验平台中加载整车动力系统模型，通过传感器与电子负载的连接，与被测对象燃料电池发动机系统实物形成闭环，实现在试验台架上获取燃料电池发动机在道路试验中表现性能的目的。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用燃料电池发动机在动力总成回路的动态测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车用燃料电池发动机在动力总成回路的动态测试方法，包括以下步骤：

s1，对需要集成燃料电池发动机的车辆建立动力系统模型；

s2，将车辆行驶速度随时间变化的工况序列，作为动力系统模型的激励输入；

s3，将实时计算机分别与燃料电池发动机、电子负载和数据采集系统进行数据通信连接，将电子负载和数据采集系统分别与燃料电池发动机连接；

s4，将动力系统模型与工况序列布置在实时计算机中；

s5，起动燃料电池发动机，加载工况序列，并运行实时计算机中的模型，完成至少一个工况循环；

s6，根据运行过程中采集的数据，评估燃料电池发动机的动态性能。

所述的动力系统模型包括整车动力学子模型、轮胎子模型、传动系统子模型、电动机子模型、车辆控制器子模型、电动机控制器子模型、电气设备子模型、辅助电源子模型和dc/dc子模型。

所述的动力系统模型以对燃料电池发动机的功率要求作为输出，并以燃料电池发动机的实际功率输入作为反馈信号，构成闭环控制，利用车辆动力系统模型与工况时间序列模拟整车在道路工况下行驶，从而得到实际情况下车辆对燃料电池发动机输出功率的要求。

所述的动力系统模型根据速度随时间变化的工况序列，计算整车受力情况，作为动力系统模型中各个子模型的计算依据，得到对燃料电池发动机期望的功率输出要求。

所述的步骤s2中，车辆行驶速度随时间变化的工况序列由相关测试标准中的汽车行驶道路工况转换而来。

所述的电子负载用于模拟车辆的功率需求和吸收由燃料电池发动机产生的电功率。

所述的运行过程中采集到的数据包括：燃料电池发动机的输出电流或电压、燃料电池电堆的输出电流或电压、辅助系统的消耗电流或电压、氢气消耗量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)在试验平台中加载特定的整车动力系统模型，与被测对象燃料电池发动机系统实物形成闭环，实现在试验台架上获取燃料电池发动机在道路试验中表现性能的目的，可以真实的模拟燃料电池发动机在具体整车中运行的环境。

(2)车辆行驶速度随时间变化的工况序列由相关测试标准中的汽车行驶道路工况转换而来，相较于直接定制燃料电池发动机的功率工况或电流工况，该方法能够更加直接的反应燃料电池发动机在道路试验中的表现。

(3)电子负载用于模拟车辆的功率需求和吸收由燃料电池发动机产生的电功率，电子负载替代了整车环境对燃料电池发动机功率的输出需求，可以不考虑实际车型的实际情况对测试的影响。

附图说明

图1为本发明的测试步骤流程图；

图2为本发明的测试装置连接示意图；

图3为本发明中燃料电池混合动力汽车车辆动力系统模型和工况时间序列的一个示意图；

图4为根据本发明对车用燃料电池发动机系统进行测试的实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种车用燃料电池发动机在动力总成回路的动态测试方法，包括以下流程：

(01)，针对需要集成该燃料电池发动机的特定车辆建立动力系统模型。

车辆动力系统模型中包括：整车动力学模型，轮胎模型，传动系统模型，电动机模型，车辆控制器模型，电动机控制器模型，电气设备模型，辅助电源模型，dc/dc模型等。

车辆的动力系统模型对外有两个接口，一个是输出接口，输出某一时刻对燃料电池发动机输出功率的要求；一个是输入接口，用于获取某一时刻燃料电池发动机实际输出功率。输入的功率值作为模型计算与控制的反馈，从而形成闭环控制。车辆的动力系统模型为后向模型，即可以将实际的速度工况转换为对燃料电池发动机功率输出工况的加载要求。

(02)，将相关测试标准中的汽车行驶道路工况改编为模型，并将其作为动力系统模型的激励输入。

该模型可以输出根据时间变化的速度要求，作为(01)中动力系统模型的输入。根据期望行驶速度，可以计算得到整车受力情况，从而作为其他模型的计算依据，最终计算得到对燃料电池发动机期望的功率输出要求。

(03)，将动力系统模型与速度工况时间序列布置在实时计算机中，与燃料电池发动机、电子负载、数据采集系统进行数据通信连接。

其中燃料电池发动机为被测实体，接收实时计算机通过can总线发送的输出功率要求；电子负载用于模拟车辆的功率需求，通过以太网接收实时计算机的燃料电池发动机输出功率指令，吸收由燃料电池发动机产生的电功率；数据采集系统用于采集燃料电池发动机实际输出的电流、电压、氢气的消耗量、燃料电池电堆输出的电流电压和辅助系统消耗的总电流、总电压，并将燃料电池发动机输出的电流与电压实时发送给计算机中的模型，经过计算可以得到燃料电池发动机的实际输出功率；其他的采集到的参数则保存到实时计算机中，用于后续的数据处理与分析。

(04)，启动燃料电池发动机至怠速稳定状态后，运行实时计算机中的模型，加载车辆道路行驶工况，完成一个或多个工况循环。

试验在燃料电池发动机达到稳定怠速后进行，其中一个工况循环代表完整的运行一次速度工况。进行多个工况循环可以获得更多的数据，通过对试验数据进行平均等数据处理，可以获得更可靠的试验结果。

(05)，根据运行过程中采集到的数据，评估燃料电池发动机的动态性能。

这些参数主要包括：燃料电池发动机输出电流、燃料电池发动机输出电压、辅助系统消耗总电流、辅助系统消耗总电压、电池堆输出电压、电池堆输出电流、燃料电池发动机氢气消耗量。以上参数可以用于测量燃料电池发动机动态循环工况加载下的响应。

图2是根据本发明的一个实施例的车用燃料电池发动机在动力总成回路。如图2所示，该回路中包括：由实时操作系统1、can通讯卡2、以太网卡3、反射内存模块4和机箱5组成的上位机；数据采集系统6；燃料电池发动机7；由机箱8、反射内存模块9、can通讯卡10和实时操作系统11组成的下位机；以太网交换机12；电子负载13和可编程电源14。

其中，上位机中的实时操作系统1与下位机中的实时操作系统11和电子负载通过以太网交换机12连接；上位机中的反射内存模块4与下位机中的反射内存模块9相连；上位机中的can通讯卡2、下位机中的can通讯卡10和燃料电池发动机通过can网络连接。

数据采集系统6与燃料电池发动机7中的传感器连接，并与上位机的以太网卡3相连接。

燃料电池发动机7的输出线与电子负载13相连接。

可编程电源14用于在燃料电池发动机系统没有达到怠速状态的情况下为系统中的空气压缩机、水泵等零部件供电。

在该实施例中，部件实时操作系统1、can通讯卡2、以太网卡3、机箱5、机箱8、can通讯卡10、实时操作系统11和数据采集系统6均采用美国国家仪器的相应设备。

图3是根据本发明的一个燃料电池发动机系统所应用到的整车动力系统模型和工况时间序列，包括：工况时间序列、整车动力学子模型、轮胎子模型、传动系统子模型、整车控制器子模型、电动机控制器子模型、电动机子模型、电气设备子模型、功率分配算法子模型、蓄电池子模型、蓄电池控制器子模型、dc/dc子模型。车辆的动力系统模型对外有两个接口，一个是输出接口，输出某一时刻对燃料电池发动机输出功率的要求；一个是输入接口，用于获取某一时刻燃料电池发动机实际输出功率。该部分模型利用simulink搭建后，编译为动态链接库文件，通过niveristand进行调用，在下位机中的实时操作系统11上运行。

整车动力系统模型计算得到的燃料电池功率输出指令通过下位机上的实时操作系统11上的以太网接口和can通讯卡10分别发送给电子负载13和燃料电池发动机7，并通过反射内存模块9和4将模型中计算得到的数据发送给上位机进行保存。

当采用数据采集系统6从燃料电池发动机7获取数据时，采集到的数据通过以太网卡3发送给上位机进行保存。

当直接通过读取燃料电池发动机7发送的can消息获取数据时，系统中可以省略上位机中的以太网卡3和数据采集系统6。

作为具体的示例，以下结合图1、图2、图3和图4详细描述本发明上述实施例的车用燃料电池发动机在动力总成回路动态测试的具体工作流程。如图4所示，该系统进行测试的具体流程包括以下步骤：

步骤1：搭建测试使用的燃料电池混合动力汽车动力系统动态模型和编写所要测试的道路工况时间序列；

其中，燃料电池混合动力汽车动力系统子模型包括车动力学子模型、轮胎子模型、传动系统子模型、整车控制器子模型、电动机控制器子模型、电动机子模型、电气设备子模型、功率分配算法子模型、蓄电池子模型、蓄电池控制器子模型、dc/dc子模型。该部分和道路工况时间序列，利用simulink实现。车辆的动力系统模型对外有两个接口，一个是输出接口，输出某一时刻对燃料电池发动机输出功率的要求；一个是输入接口，用于获取某一时刻燃料电池发动机实际输出功率。

步骤2：连接与配置硬件系统。具体地说，上位机中插入can通讯卡2、以太网卡3和反射内存模块4；下位机中插入can通讯卡10和反射内存模块9。上位机中的实时操作系统1与下位机中的实时操作系统11和电子负载通过以太网交换机12连接；上位机中的反射内存模块4与下位机中的反射内存模块9相连；上位机中的can通讯卡2、下位机中的can通讯卡10和燃料电池发动机通过can网络连接；数据采集系统6与燃料电池发动机7中的传感器连接，并与上位机的以太网卡3相连接。

步骤3：将步骤1搭建的模型与测试序列写入到实时计算机中。该过程通过niveristand实现。

步骤4：系统配置。包括：在niveristand中对系统中使用的can通讯协议与tcp/ip通讯协议进行定义；将系统中的硬件接口与步骤1中搭建的模型接口进行匹配；对需要进行数据采集的接口进行定义、观察界面设计与数据保存设置；根据系统中的空气压缩机、水泵等零部件的供电要求，设置可编程电源的输出电压。

在本实施例中，需要进行采集并保存的数据包括：燃料电池发动机的输出电流/电压、燃料电池电堆的输出电流/电压、辅助系统的消耗电流/电压、氢气消耗量等。

步骤5：编写测试用例。在niteststand中对测试用例进行编写，具体流程包括：上位机发送起动燃料电池发动机7的命令；燃料电池发动机起动至稳定怠速状态；开始数据采集；下位机加载道路工况与整车动力系统模型，进行计算，对燃料电池发动机7和电子负载13同时发送控制指令；工况加载循环结束后，停止数据采集，关闭燃料电池发动机7与电子负载13。

步骤6：开始试验。在保证满足试验条件的前提下执行测试用例，读取测试结果。

步骤7：数据分析与报表生成。根据步骤6中试验得到的数据，计算并绘制燃料电池发动机的输出功率/电流/电压图表、燃料电池电堆的输出功率/电流/电压图表、辅助系统的消耗功率/电流/电压图表、氢气消耗量图表等。