一种燃料电池发动机系统模拟设备的制作方法

本申请属于燃料电池发动机测试领域，特别地涉及一种燃料电池发动机系统模拟设备。

背景技术：

随着燃料电池发动机的发展，相关的测试设备也应运而生。在燃料电池发动机装车之前，需先进行模拟测试。而由于燃料电池发动机系统昂贵，工作条件复杂且消耗氢气，直接使用燃料电池发动机系统作为被测试件的成本较高。

因此在设计开发燃料电池发动机系统测试台(特别是30kw和60kw燃料电池发动机系统测试台)过程中，为了检测测试台功能是否完整，有必要开发一套燃料电池发动机系统输出特征模拟设备。

技术实现要素：

本申请的目的在于，针对上述存在的问题，提供一种燃料电池发动机系统模拟设备，其能够模拟燃料电池发动机系统运行工况，不需要集成一套燃料电池发动机系统即可进行测试台的检测。

为了实现上述目的，本申请提供一种燃料电池发动机系统模拟设备，包括：水路系统，用于模拟燃料电池系统中的水路循环及模拟发动机的发热；尾排系统，用于模拟发动机尾气排放；供氢系统，用于模拟氢气供给；电控系统，对所述燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行供电和控制；电能输出系统，用于模拟发动机的功率输出。

进一步地，所述水路系统包括位于进水口和出水口之间的主循环管路上的水泵、热交换器和加热器。

进一步地，所述水路系统还包括用于控制所述热交换器的冷侧水流量的冷侧水流量控制阀；和/或所述水泵为变频水泵。

进一步地，所述尾排系统包括氢尾排系统和空气尾排系统。

进一步地，所述空气尾排系统包括第一增湿罐，所述第一增湿罐通过第一进气管路与压缩空气入口连接，通过第一进水管路与水源连接，并通过第一排气管路与第一排气口连接；所述氢尾排系统包括第二增湿罐，所述第二增湿罐通过第二进气管路与压缩空气入口连接，通过第二进水管路与水源连接，并通过第二排气管路与第二排气口连接。

进一步地，所述第一进水管路上设置有第一加热器，所述第一进气管路上设置有第一进气管路流量控制阀，所述第一进水管路在与所述第一增湿罐连接处设置有第一温度传感器，所述第二进水管路上设置有第二加热器，所述第二进气管路上设置有第二进气管路流量控制阀，和/或第二进水管路在与所述第二增湿罐连接处设置有第二温度传感器。

进一步地，所述供氢系统包括与氢气进口连接的氢气管路以及设置在所述氢气管路上的流量计和氢气管路流量控制阀。

进一步地，所述电控系统包括供电模块和控制模块，所述供电模块对所述燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行供电，所述控制模块对所述燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行控制。

进一步地，所述电能输出系统包括稳压电源。

进一步地，所述燃料电池发动机系统模拟设备还包括支撑框架，所述水路系统、所述尾排系统、所述供氢系统、所述电控系统和所述电能输出系统设置在所述支撑框架上。

与现有技术相比，本申请提供的燃料电池发动机系统模拟设备具有以下优点：

(1)能够模拟燃料电池发动机系统(特别是30/60kw燃料电池发动机系统)的运行工况，不需要集成一套燃料电池发动机系统进行测试台的检测试，节约成本；

(2)能够准确地模拟燃料电池发动机系统(特别是30/60kw燃料电池发动机系统)的供氢、供空气、供冷却水、产热以及电能输出的工况；

(3)结构紧凑，占地空间小，集成度高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的示例性实施方案的燃料电池发动机系统模拟设备的系统原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本申请的示例性实施方案的燃料电池发动机系统模拟设备的原理图。下面参考图1详细描述本申请的示例性实施方案的燃料电池发动机系统模拟设备。

根据本申请的燃料电池发动机系统模拟设备用于模拟燃料电池发动机的输出特征，以检测燃料电池发动机系统测试台的功能。该燃料电池发动机系统模拟设备包括水路系统、尾排系统、供氢系统、电控系统和电能输出系统。水路系统用于模拟燃料电池系统中的水路循环和发动机的发热，以便检测测试台冷却水温控调节能力。尾排系统用于模拟发动机尾气排放(氢气与空气的排放)，以便检测测试台处理规定压力下的高温高湿度空气和氢气排放能力及检测氢尾排浓度。供氢系统用于模拟氢气供给，以调试测试台供氢管路、相关传感器及阀件。电控系统对燃料电池发动机系统模拟设备进行供电和控制。电能输出系统用于以大功率稳压电源模拟发动机的功率输出，检测测试台的电子负载。

燃料电池发动机系统模拟设备还可以包括支撑框架。水路系统、尾排系统、供氢系统、电控系统和电能输出系统固定于支撑框架上。支撑框架例如可采用铝型材结构搭建，方便管路固定及升级拓展用。通过将燃料电池发动机系统模拟设备的各系统固定于支撑框架上，能够达到结构紧凑，占地空间小，集成度高的效果。

水路系统模拟发动机循环水路。如图1所示，水路系统包括位于进水口b和出水口a之间的主循环管路上的水泵307、热交换器308和加热器311。出水口a和进水口b分别连接至测试台的进水口和出水口，形成循环。水路系统工作时，水泵307泵出的水经由与水路系统的出水口a连接的测试台进水口进入测试台，在测试台内循环后从进水口b回水至主循环管路中，流经热交换器308和加热器311，再从出水口a流出，进入测试台进水口，从而在测试台和燃料电池发动机系统模拟设备之间形成水路循环。在主循环管路中，加热器311对流过的水进行加热，而热交换器308对流过的水进行散热。通过控制加热器311的加热时间和热交换器308的冷侧水流量能够实现主循环管路中的水温控制。水路系统可包括用于控制热交换器308的冷侧水流量的冷侧水流量控制阀312。热交换器308例如可以是板式换热器。冷侧水流量控制阀例如可以是比例阀。主循环管路中循环的水通过热交换器308与热交换器308的冷侧水进行热交换，从而实现散热。通过控制冷侧水流量控制阀312的开度来控制热交换器308的冷侧水流量，进而控制主循环管路内的水的温度。当需要主循环管路内的水温降低时，可将冷侧水流量控制阀312的阀门开大，使得热交换器308的冷侧水流量增加，散热量增大，从而使主循环管路内的水温降低；当需要主循环管路内的水温升高时，则可将冷侧水流量控制阀312的阀门关闭，从而关掉热交换器308的冷侧水流量，使得主循环管路内的水温升高。加热器311对主循环管路内的水进行加热。当需要主循环管路内的水温升高时，加热器311对主循环管路内的水进行加热，当需要水温降低时，加热器311可停止加热。

优选地，水泵307为变频水泵。通过控制水泵307的变频器频率来设置水泵的转速，从而改变水流量。例如，可通过控制水泵307的变频器频率来模拟60kw发动机满功率运行时流量9m3/h。

在水路系统中，通过主循环管路中的水的温度控制配合水流量的变化，可检测测试台温控模块的性能。

可选地，主循环管路在进水口处b附近设置有压力传感器301和温度传感器302，在出水口a附近设置有压力传感器303和温度传感器304，在加热器311处设置有温度传感器313，从而能够感测主循环管路中相应位置处的水的温度和压强。主循环管路上还可设置有电子节温器300，以控制大循环和小循环的流量。此外，可选地，主循环管路上还可设置有流量计305，从而测量主循环管路中的水的流量。

可选地，水路系统还包括排空/补水口c，排空/补水口c和加热器311通过排空/补水管路连接，从而进行排空/补水。

尾排系统包括氢尾排系统和空气尾排系统。空气尾排系统用于模拟发动机的空气尾排，氢尾排系统用于模拟发动机的氢气尾排。在测试时通常采用压缩空气代替氢气，因此在本申请的尾排系统中，从压缩空气入口引入压缩空气，之后分为两路，一路通到空气尾排系统进行增湿，模拟空气尾排，另一路通到氢尾排系统进行增湿，模拟氢气尾排。所模拟的空气尾排和氢气尾排送入测试台的尾排入口，相当于发动机尾排。

空气尾排系统包括第一增湿罐404。第一增湿罐404例如为鼓泡式增湿罐。第一增湿罐404通过第一进气管路与尾排系统的压缩空气入口连接，通过第一进水管路与水源连接，并通过第一排气管路与尾排系统的第一排气口e连接。通过第一进水管路向第一增湿罐404中添加合适的水量。第一进水管路上可设置有第一加热器414。第一加热器414对流经其中的水进行加热，通过控制第一加热器414的加热时间能够实现第一进水管路的水温控制。第一加热器414可为一个或多个，功率例如可以为6kw。第一进水管路在与第一增湿罐404连接处可设置有一个或多个第一温度传感器409。可根据温度传感器409感测的温度控制第一加热器414的启动和停止，以将第一增湿罐404内的水维持在预定温度，例如70℃左右。第一加热器414内可设置有温度传感器413。第一进水管路上还可设置有第一热交换器412，第一热交换器412对流经其中的水进行散热。通过控制第一热交换器412的冷侧水流量也能够实现第一进水管路的水温控制。第一进水管路上可设置有电磁阀416，以控制第一进水管路的通断。第一进水管路上还可设置有水泵415，以用于增加水压。第一增湿罐404内可设置有液位传感器410和411。第一增湿罐404还可设置有控制排水的电磁阀408，如果液位传感器410和411感测到第一增湿罐404内的液位过高，可以控制电磁阀408将水排出。

压缩空气通过第一进气管路自下而上进入第一增湿罐404进行鼓泡增湿后，经由第一排气管路到达与测试台的尾排入口连接的第一排气口e，并通过测试台的尾排入口进入测试台，由此模拟发动机的空气尾排。空气尾排系统可以在第一进气管路上设置有第一进气管路流量控制阀405a，例如比例阀，通过第一进气管路流量控制阀405a可以控制第一进气管路中的空气流量，进而控制进入测试台的空气尾排的流量。第一进气管路上还可以设置有流量计405，用于测量流经第一进气管路的空气流量。此外，第一排气管路与第一增湿罐404连接处可设置有温度传感器403。第一排气管路上可设置有温度传感器402和压力传感器406，第一进气管路上可设置有压力传感器407。

氢尾排系统包括第二增湿罐206。第二增湿罐206例如为鼓泡式增湿罐。第二增湿罐206通过第二进气管路与尾排系统的压缩空气入口连接，通过第二进水管路与水源连接，并通过第二排气管路与尾排系统的第二排气口f连接。通过第二进水管路向第二增湿罐206中添加合适的水量。第二进水管路上设置有第二加热器218。第二加热器218对流经其中的水进行加热。通过控制第二加热器218的加热时间能够实现第二进水管路的水温控制。第二加热器218可为一个或多个，功率例如可以为6kw。第二进水管路在与第二增湿罐206连接处可设置有一个或多个第二温度传感器209。可根据温度传感器209感测的温度控制第二加热器218的启动和停止，以将第二增湿罐206内的水维持在预定温度，例如70℃左右。加热器内可设置有温度传感器211。第二进水管路上还可设置有第二热交换器210，第二热交换器210对流经其中的水进行散热。通过控制第二热交换器210的冷侧水流量能够实现第二进水管路的水温控制。第二进水管路上可设置有电磁阀213，以控制第二进水管路的通断。第二进水管路上还可设置有用于水泵212，以用于增加水压。第二增湿罐206内可设置有液位传感器215和216。第二增湿罐206还可设置有控制排水的电磁阀214，如果液位传感器215和216感测到第二增湿罐206内的液位过高，可以控制电磁阀214将水排出。

压缩空气通过第二进气管路自下而上进入第二增湿罐206进行鼓泡增湿后，经由第二排气管路到达与测试台的尾排入口连接的第二排气口f，并通过测试台的尾排入口进入测试台，由此模拟发动机的氢气尾排。氢尾排系统可以在第二进气管路上设置有第二进气管路流量控制阀201a，例如比例阀，通过第二进气管路流量控制阀201a可以控制第二进气管路中的空气的流量，进而控制进入测试台的氢气尾排的流量。第二进气管路上还可以设置有流量计201，用于测量流经第二进气管路的空气流量。此外，第二排气管路与第二增湿罐206连接处可设置有温度传感器208。第二排气管路上可设置有温度传感器203和压力传感器202。

在本申请中，通过一定液位的增湿罐进行鼓泡增湿，根据增湿罐处的温度传感器控制加热器的启动停止可以维持增湿罐内温度在预定温度，例如70℃左右；通过控制流量控制阀来控制尾排流量，例如可模拟30kw发动机最大2500slpm，60kw发动机最大5000slpm尾排流量，鼓泡增湿后与氢气混合后通入测试台检测氢尾排浓度，和/或检测测试台处理规定压力下的高温高湿度空气和氢气排放能力。

供氢系统模拟氢气供给，以便调试测试台供氢管路、相关传感器及阀件。供氢系统包括与氢气进口d连接的氢气管路以及设置在氢气管路上的流量计204和氢气管路流量控制阀205。氢气管路流量控制阀205例如可为比例阀。供氢系统模拟发动机氢气进气，氢气从测试台经由与测试台的供氢管路连接的氢气进口d进入燃料电池发动机系统模拟设备的供氢系统的氢气管路，流量计204测量氢气管路中的氢气流量，氢气管路流量控制阀205对氢气管路中的氢气流量进行调节，之后放空。将流量计204的读数与测试台供氢管路中的流量计读数进行比对，可检测测试台的氢气供给及压力传感器、流量计是否符合要求。在测试时常使用氮气来代替氢气，在这种情况下，流经氢气进口d、氢气管路、流量计204和氢气管路流量控制阀205的气体为氮气。

电控系统与燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备连接，用于为燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行供电和控制。上述电气设备例如为水泵、阀、加热器、传感器等等。电控系统可包括供电模块和控制模块，供电模块对燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行供电，供电模块例如可以为蓄电池。控制模块对燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行控制。控制模块例如可以是上位机。控制模块可与测试台通信连接。控制模块可工作在手动模式或自动模式。在手动模式下，控制模块单独控制该燃料电池发动机系统模拟设备的每一个零部件；自动模式下，测试台发送开机命令和目标功率给该燃料电池发动机系统模拟设备后，该燃料电池发动机系统模拟设备根据目标功率按照预设值设置上述零部件的控制参数；同时将该燃料电池发动机系统模拟设备的状态按照燃料电池发动机的通讯协议发送给测试台。

电能输出系统模拟发动机电力输出。电能输出系统包括大功率稳压电源，例如200kw直流可调电源。燃料电池发动机系统模拟设备工作时，大功率稳压电源与测试台的电子负载连接。大功率稳压电源输出直流电，可检测测试台的电子负载是否符合要求。

本申请的燃料电池发动机系统模拟设备能够模拟燃料电池发动机系统(特别是30/60kw燃料电池发动机系统)的运行工况，不需要集成一套燃料电池发动机系统即可进行测试台的检测，因此能够节约成本。

本申请的燃料电池发动机系统模拟设备能够准确地模拟燃料电池发动机系统(特别是30/60kw燃料电池发动机系统)的供氢、供空气、供冷却水、产热以及电能输出的工况。

此外，本申请的燃料电池发动机系统模拟设备还具有结构紧凑、占地空间小、集成度高的优点。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。