摘 要 本文簡要闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車發(fā)動機臺架試驗的必要性。全面探討了燃料電池電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗的主要內(nèi)容。最后，扼要介紹了燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺的主要結(jié)構(gòu)與功能。 關(guān)鍵詞 電動汽車，質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)動機試驗 一、前 言 百余年來汽車工業(yè)的發(fā)展給人類做出了巨大貢獻(xiàn)，汽車對社會進(jìn)步的影響意義深遠(yuǎn)。但是，隨著汽車數(shù)量的大量增加，汽車尾氣對人類生存環(huán)境造成的危害逐漸為人們所了解和重視。為實現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，人們一直在探索開發(fā)具有無污染、噪聲低、維護(hù)簡便和易操縱等優(yōu)點的電動汽車。八十年代以來，許多工業(yè)化國家的有關(guān)機構(gòu)和汽車廠商紛紛投入大量資金開發(fā)出多種類型的電動汽車。這其中有二次電池電動汽車、混合動力（電源）電動汽車及燃料電池電動汽車等等。近年來，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)有了突破性進(jìn)展，尤其是高的比功率和無需充電的特點，使其在作為電動汽車動力源應(yīng)用方面極具競爭力，顯示出良好的應(yīng)用前景。質(zhì)子交換膜燃料電池是以氫氣為燃料，空氣（O2）為氧化劑進(jìn)行工作的。在燃料供給、運行工況控制等方面與二次電池截然不同。因此，在以燃料電池為動力源的電動汽車開發(fā)過程中，質(zhì)子交換膜燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)的試驗方法必須給以特殊的考慮。 筆者依據(jù)汽車發(fā)動機測試標(biāo)準(zhǔn)和試驗規(guī)范，并結(jié)合開發(fā)PEMFC移動電源的體會，對PEMFC電動汽車發(fā)動機總成臺架試驗問題進(jìn)行初步探討。 二、燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗的必要性 1．燃料電池電汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)的含義 根據(jù)汽車發(fā)動機的概念，發(fā)動機總成是一個能獨立產(chǎn)生機械功率和扭矩，并可推動汽車輪轉(zhuǎn)動的動力綜合體的總稱。以此類推，燃料電池電動汽車發(fā)動機總成應(yīng)包括兩大部分：將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿娜剂想姵亟M及其輔助系統(tǒng)，簡稱：“動力源”和將電能轉(zhuǎn)換為扭矩的功率變換器與電動機，簡稱“動力驅(qū)動系統(tǒng)”。燃料電池電動汽車的動力驅(qū)動系統(tǒng)主要包括：燃料處理與供給單元、燃料電池組及其運行支持系統(tǒng)與附屬設(shè)備、功率控制器、變頻調(diào)速器、電動機與減速器等（見圖1）。 2．燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗的必要性與特殊性 依據(jù)汽車發(fā)動機試驗規(guī)范，一輛新研制的或重新設(shè)計的汽車，在上路考核之前，應(yīng)進(jìn)行兩項綜合性試驗：第一，發(fā)動機裝車前的“發(fā)動機（總成）臺架試驗”；第二，發(fā)動機裝車后的“整車臺架試驗”。無論那一種動力源的汽車，“整車臺架試驗”均可在通用的“底盤測功機”（亦稱：轉(zhuǎn)鼓測功機）上進(jìn)行。汽車發(fā)動機（總成）進(jìn)行臺架試驗的目的是，全面測試發(fā)動機特性及各項性能，以評估和預(yù)測發(fā)動機裝車后，其整車動力性及各項指標(biāo)是否能達(dá)到設(shè)計要求。這是研制汽車過程中不可缺少的極為重要的一環(huán)。因此，開發(fā)電動汽車也必須進(jìn)行動力驅(qū)動系統(tǒng)的臺架試驗。對于“發(fā)動機（總成）臺架試驗”，視發(fā)動機燃料類型、運行方式，以及被測參量性質(zhì)的不同，須使用不同的發(fā)動機試驗臺。目前，除通用的汽車發(fā)動機試驗臺外，二次可充電電池電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)也有了專用的試驗臺。鑒于燃料電池電動汽車在氫燃料供給、燃料電池運行支持系統(tǒng)及其被測參量等方面的特殊性，質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車必須使用專用的試驗臺。 三、質(zhì)子交換膜燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)主要試驗內(nèi)容 1.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成： 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。 2．PEMFC動力驅(qū)動系統(tǒng)主要試驗內(nèi)容 汽車內(nèi)燃機是通過燃料的燃燒過程做功，并經(jīng)機械傳動系統(tǒng)將機械力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ亍? 質(zhì)子交換膜燃料電池是一個電化學(xué)發(fā)電裝置，它產(chǎn)生的電能是通過功率變換器驅(qū)動電動機而轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ氐摹Ｓ纱瞬浑y看出，內(nèi)燃機與PEMFC動力驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理差別很大。但是，作為汽車發(fā)動機運行，二者仍有共同點與相似之處：① 均有燃料的儲存與供給單元；② 都需要輸送具有一定壓力的空氣；③ 發(fā)動機都需要保持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟龋虎馨l(fā)動機產(chǎn)生的能量必須轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ亍? 根據(jù)PEMFC工作原理及系統(tǒng)運行特點，參照汽車發(fā)動機試驗標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對PEMFC電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗，應(yīng)考慮以下兩方面內(nèi)容：第一，與內(nèi)燃機相同或相近的試驗項目；第二，PEMFC動力驅(qū)動系統(tǒng)特有的試驗項目。 （1）與內(nèi)燃機相同或相近的試驗項目 功率試驗：包括，總功率、凈功率、額定功率及有效功率試驗，以及空載特性試驗與負(fù)載特性試驗。此外，還應(yīng)測定動力驅(qū)動系統(tǒng)（發(fā)動機）的功率曲線。功率曲線是表示動力驅(qū)動系統(tǒng)性能的一條最重要的曲線，它描述在不同轉(zhuǎn)速下燃料電池動力源可能發(fā)出的最大功率。 調(diào)整試驗：為了研究改進(jìn)動力驅(qū)動系統(tǒng)的性能，常在臺架上進(jìn)行各種比較性的或調(diào)整性的試驗。改變系統(tǒng)的某個運行參數(shù)，觀察它對發(fā)動機性能的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果選出最佳值。 噪聲試驗：噪聲水平是汽車發(fā)動機一項重要指標(biāo)，噪聲低又是電動汽車的一大優(yōu)點。質(zhì)子交換膜燃料電池本身是沒有噪聲的。PEMFC電動汽車的噪聲主要來自電動機、功率驅(qū)動器和燃料電池的輔助系統(tǒng)。噪聲試驗的目的在于確定噪聲源，降低動力驅(qū)動系統(tǒng)總體噪聲水平。 道路負(fù)荷試驗：道路負(fù)荷試驗是動力驅(qū)動系統(tǒng)（發(fā)動機）在臺架上的一種模擬性試驗，模擬發(fā)動機裝車后汽車以不同車速滿載等速行駛在平路上時，對發(fā)動機施加的負(fù)荷。 燃料經(jīng)濟(jì)性試驗：電動汽車燃料（甲醇、氫）經(jīng)濟(jì)性試驗有兩種方式：路上試驗和室內(nèi)試驗。室內(nèi)試驗可使用轉(zhuǎn)鼓試驗臺，也可以在發(fā)動機試驗臺上進(jìn)行。在試驗臺上進(jìn)行規(guī)范試驗，重復(fù)性好，能較為準(zhǔn)確的測定PEMFC電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)耗氫情況及評價“燃?xì)浣?jīng)濟(jì)性”。從而為改進(jìn)電動汽車貯氫系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。 可靠性試驗：汽車發(fā)動機可靠性試驗有兩種方式：一種是發(fā)動機裝車后結(jié)合汽車運行作實地檢查，即進(jìn)行25000KM道路試驗。另一種是，依據(jù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可靠性試驗規(guī)程，在發(fā)動機臺架上進(jìn)行模擬汽車運行工況的試驗。 耐久性試驗：耐久性試驗是一種在臺架上使發(fā)動機在高速大負(fù)荷工況下進(jìn)行的試驗。這種試驗的目的是考核發(fā)動機（動力驅(qū)動系統(tǒng)）各受力件（包括熱應(yīng)力、電應(yīng)力及機械應(yīng)力等）耐疲勞的能力，以及耐磨性、經(jīng)濟(jì)性與動力指標(biāo)的穩(wěn)定性。 （2）PEMFC動力驅(qū)動系統(tǒng)特有的試驗項目或試驗內(nèi)容 起動性能試驗：燃料電池電動汽車與內(nèi)然機汽車起動性能試驗內(nèi)容不同。通過此項試驗，檢查電動汽車燃料電池動力源在空載、負(fù)載、常溫和低溫等不同條件下的起動性能。 再生制動試驗：電動汽車采用三相感應(yīng)電動機或直流電機時，都存在著再生制動狀態(tài)，合理運用電機的再生制動功能可節(jié)省能量。因此，當(dāng)燃料電池電動汽車備有二次電池時，可進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)和電機的再生（發(fā)電）制動試驗。 熱平衡試驗：在燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)中，燃料電池組、功率驅(qū)動器、壓氣機等屬于發(fā)熱部件，運行時需要冷卻。金屬貯氫器、空氣預(yù)熱器等部件，運行時需要熱量。因此，在燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)中，設(shè)置了若干熱交換器。為了節(jié)省能量，提高系統(tǒng)效率，必須對動力驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的熱平衡設(shè)計。為了檢驗和改進(jìn)系統(tǒng)的熱交換性能，在發(fā)動機臺架試驗中，需進(jìn)行熱平衡試驗。 效率試驗：燃料電池電動汽車與內(nèi)然機汽車效率試驗內(nèi)容不同。電動汽車效率試驗包括系統(tǒng)效率試驗和部件效率試驗。目的是測定燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)的燃料使用率及能量利用率。對功率驅(qū)動系統(tǒng)而言，是測定部件的電能傳遞及轉(zhuǎn)換效率。 動力源功率響應(yīng)試驗：燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)運行時，由于汽車運行狀態(tài)與環(huán)境的變化，要求動力源－燃料電池組的輸出功率也應(yīng)隨之改變。動力源功率響應(yīng)試驗就是測定燃料電池系統(tǒng)輸出功率對負(fù)載快速變化的響應(yīng)能力。 單電池均勻性試驗：燃料電池電動汽車動力源－燃料電池組是由許多單電池串聯(lián)而成。為保證全部單電池性能的一致性，必須對電池組進(jìn)行單電池均勻性試驗。 保護(hù)試驗：燃料電池電動汽車使用氫能，功率驅(qū)動系統(tǒng)又屬于大功率電力電子裝置。基于上述原因，燃料電池電動汽車的保護(hù)試驗特別重要。保護(hù)試驗的主要方面是，燃料電池組的安全運行和功率驅(qū)動系統(tǒng)的短路與過載。 燃料電池電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗的子項目還很多，更詳細(xì)的內(nèi)容可在制定燃料電池電動汽車試驗標(biāo)準(zhǔn)與試驗規(guī)范時討論，這里不再贅述。 四、質(zhì)子交換膜燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺 用于汽車發(fā)動機臺架試驗的裝置，稱為“發(fā)動機試驗臺”。同理，能進(jìn)行燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)臺架試驗的裝置，稱為“燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺”。為完成PEMFC電動汽車統(tǒng)的試驗內(nèi)容，該試驗臺應(yīng)具備如下功能單元： 燃料儲存與供給單元 功能：可長時間提供燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)試驗所需要的，具有一定壓力和流量的燃料，如甲醇，氫氣等。 控制與保護(hù)單元 功能：可實現(xiàn)對燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)各種運行工況的自動調(diào)節(jié)與控制。對試驗過程中燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，具有報警、降載及緊急停機功能。 測量與參數(shù)顯示單元 功能：具有巡回檢測燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)所有性能參量的能力。對被測量的數(shù)值具有存儲、數(shù)據(jù)處理、顯示及硬拷貝輸出功能。 電力電子負(fù)載 功能：電力電子負(fù)載是一個智能型的可編程耗能負(fù)載。它可以將燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)換成電能耗掉。此外，通過輸入汽車行駛方程，電力電子負(fù)載可模擬電動汽車在路面行駛時的受力狀況。因此，通過臺架試驗可評估和預(yù)測被試燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)裝車后的實際效能。 發(fā)動機升降臺 功能：便于安放和移動發(fā)動機－燃料電池動力驅(qū)動系統(tǒng)，并備有標(biāo)準(zhǔn)的氣、水、電及測控系統(tǒng)的輸出、輸入接口。 上述各功能單元在中央微處理器的管理下，可實現(xiàn)燃料電池電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)試驗的自動化。 五、結(jié)束語 開發(fā)燃料電池電動汽車是一項跨學(xué)科、多專業(yè)的系統(tǒng)工程。燃料電池電動汽車的研制過程較二次電池電動汽車復(fù)雜得多。為使PEMFC電動汽車的研究與實驗工作建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，必須盡快開發(fā)關(guān)鍵試驗裝備，同時建立相應(yīng)的試驗規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使我國剛剛起步的PEMFC電動汽車事業(yè)建立在堅實的基礎(chǔ)上。