摘 要 本文簡要闡述了質子交換膜燃料電池電動汽車發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動系統臺架試驗的主要內容。最后，扼要介紹了燃料電池動力驅動系統試驗臺的主要結構與功能。 關鍵詞 電動汽車，質子交換膜燃料電池，發動機試驗 一、前 言 百余年來汽車工業的發展給人類做出了巨大貢獻，汽車對社會進步的影響意義深遠。但是，隨著汽車數量的大量增加，汽車尾氣對人類生存環境造成的危害逐漸為人們所了解和重視。為實現汽車工業的可持續發展，人們一直在探索開發具有無污染、噪聲低、維護簡便和易操縱等優點的電動汽車。八十年代以來，許多工業化國家的有關機構和汽車廠商紛紛投入大量資金開發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，質子交換膜燃料電池技術有了突破性進展，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用方面極具競爭力，顯示出良好的應用前景。質子交換膜燃料電池是以氫氣為燃料，空氣（O2）為氧化劑進行工作的。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過程中，質子交換膜燃料電池動力驅動系統的試驗方法必須給以特殊的考慮。 筆者依據汽車發動機測試標準和試驗規范，并結合開發PEMFC移動電源的體會，對PEMFC電動汽車發動機總成臺架試驗問題進行初步探討。 二、燃料電池動力驅動系統臺架試驗的必要性 1．燃料電池電汽車動力驅動系統的含義 根據汽車發動機的概念，發動機總成是一個能獨立產生機械功率和扭矩，并可推動汽車輪轉動的動力綜合體的總稱。以此類推，燃料電池電動汽車發動機總成應包括兩大部分：將燃料轉變為電能的燃料電池組及其輔助系統，簡稱：“動力源”和將電能轉換為扭矩的功率變換器與電動機，簡稱“動力驅動系統”。燃料電池電動汽車的動力驅動系統主要包括：燃料處理與供給單元、燃料電池組及其運行支持系統與附屬設備、功率控制器、變頻調速器、電動機與減速器等（見圖1）。 2．燃料電池動力驅動系統臺架試驗的必要性與特殊性 依據汽車發動機試驗規范，一輛新研制的或重新設計的汽車，在上路考核之前，應進行兩項綜合性試驗：第一，發動機裝車前的“發動機（總成）臺架試驗”；第二，發動機裝車后的“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：轉鼓測功機）上進行。汽車發動機（總成）進行臺架試驗的目的是，全面測試發動機特性及各項性能，以評估和預測發動機裝車后，其整車動力性及各項指標是否能達到設計要求。這是研制汽車過程中不可缺少的極為重要的一環。因此，開發電動汽車也必須進行動力驅動系統的臺架試驗。對于“發動機（總成）臺架試驗”，視發動機燃料類型、運行方式，以及被測參量性質的不同，須使用不同的發動機試驗臺。目前，除通用的汽車發動機試驗臺外，二次可充電電池電動汽車動力驅動系統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及其被測參量等方面的特殊性，質子交換膜燃料電池電動汽車必須使用專用的試驗臺。 三、質子交換膜燃料電池動力驅動系統主要試驗內容 1.質子交換膜燃料電池系統的構成： 質子交換膜燃料電池（PEMFC）系統構成如圖2所示。 2．PEMFC動力驅動系統主要試驗內容 汽車內燃機是通過燃料的燃燒過程做功，并經機械傳動系統將機械力轉變為扭矩。 質子交換膜燃料電池是一個電化學發電裝置，它產生的電能是通過功率變換器驅動電動機而轉變為扭矩的。由此不難看出，內燃機與PEMFC動力驅動系統的工作原理差別很大。但是，作為汽車發動機運行，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 發動機都需要保持適當的工作溫度；④發動機產生的能量必須轉變為扭矩。 根據PEMFC工作原理及系統運行特點，參照汽車發動機試驗標準與規范，對PEMFC電動汽車動力驅動系統臺架試驗，應考慮以下兩方面內容：第一，與內燃機相同或相近的試驗項目；第二，PEMFC動力驅動系統特有的試驗項目。 （1）與內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載特性試驗。此外，還應測定動力驅動系統（發動機）的功率曲線。功率曲線是表示動力驅動系統性能的一條最重要的曲線，它描述在不同轉速下燃料電池動力源可能發出的最大功率。 調整試驗：為了研究改進動力驅動系統的性能，常在臺架上進行各種比較性的或調整性的試驗。改變系統的某個運行參數，觀察它對發動機性能的影響，并根據試驗結果選出最佳值。 噪聲試驗：噪聲水平是汽車發動機一項重要指標，噪聲低又是電動汽車的一大優點。質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、功率驅動器和燃料電池的輔助系統。噪聲試驗的目的在于確定噪聲源，降低動力驅動系統總體噪聲水平。 道路負荷試驗：道路負荷試驗是動力驅動系統（發動機）在臺架上的一種模擬性試驗，模擬發動機裝車后汽車以不同車速滿載等速行駛在平路上時，對發動機施加的負荷。 燃料經濟性試驗：電動汽車燃料（甲醇、氫）經濟性試驗有兩種方式：路上試驗和室內試驗。室內試驗可使用轉鼓試驗臺，也可以在發動機試驗臺上進行。在試驗臺上進行規范試驗，重復性好，能較為準確的測定PEMFC電動汽車動力驅動系統耗氫情況及評價“燃氫經濟性”。從而為改進電動汽車貯氫系統設計提供依據。 可靠性試驗：汽車發動機可靠性試驗有兩種方式：一種是發動機裝車后結合汽車運行作實地檢查，即進行25000KM道路試驗。另一種是，依據專業標準規定的可靠性試驗規程，在發動機臺架上進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動機在高速大負荷工況下進行的試驗。這種試驗的目的是考核發動機（動力驅動系統）各受力件（包括熱應力、電應力及機械應力等）耐疲勞的能力，以及耐磨性、經濟性與動力指標的穩定性。 （2）PEMFC動力驅動系統特有的試驗項目或試驗內容 起動性能試驗：燃料電池電動汽車與內然機汽車起動性能試驗內容不同。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電動機或直流電機時，都存在著再生制動狀態，合理運用電機的再生制動功能可節省能量。因此，當燃料電池電動汽車備有二次電池時，可進行驅動系統和電機的再生（發電）制動試驗。 熱平衡試驗：在燃料電池動力驅動系統中，燃料電池組、功率驅動器、壓氣機等屬于發熱部件，運行時需要冷卻。金屬貯氫器、空氣預熱器等部件，運行時需要熱量。因此，在燃料電池動力驅動系統中，設置了若干熱交換器。為了節省能量，提高系統效率，必須對動力驅動系統進行科學的熱平衡設計。為了檢驗和改進系統的熱交換性能，在發動機臺架試驗中，需進行熱平衡試驗。 效率試驗：燃料電池電動汽車與內然機汽車效率試驗內容不同。電動汽車效率試驗包括系統效率試驗和部件效率試驗。目的是測定燃料電池動力驅動系統的燃料使用率及能量利用率。對功率驅動系統而言，是測定部件的電能傳遞及轉換效率。 動力源功率響應試驗：燃料電池動力驅動系統運行時，由于汽車運行狀態與環境的變化，要求動力源－燃料電池組的輸出功率也應隨之改變。動力源功率響應試驗就是測定燃料電池系統輸出功率對負載快速變化的響應能力。 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而成。為保證全部單電池性能的一致性，必須對電池組進行單電池均勻性試驗。 保護試驗：燃料電池電動汽車使用氫能，功率驅動系統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試驗特別重要。保護試驗的主要方面是，燃料電池組的安全運行和功率驅動系統的短路與過載。 燃料電池電動汽車動力驅動系統臺架試驗的子項目還很多，更詳細的內容可在制定燃料電池電動汽車試驗標準與試驗規范時討論，這里不再贅述。 四、質子交換膜燃料電池動力驅動系統試驗臺 用于汽車發動機臺架試驗的裝置，稱為“發動機試驗臺”。同理，能進行燃料電池動力驅動系統臺架試驗的裝置，稱為“燃料電池動力驅動系統試驗臺”。為完成PEMFC電動汽車統的試驗內容，該試驗臺應具備如下功能單元： 燃料儲存與供給單元 功能：可長時間提供燃料電池動力驅動系統試驗所需要的，具有一定壓力和流量的燃料，如甲醇，氫氣等。 控制與保護單元 功能：可實現對燃料電池動力驅動系統各種運行工況的自動調節與控制。對試驗過程中燃料電池動力驅動系統出現的故障現象，具有報警、降載及緊急停機功能。 測量與參數顯示單元 功能：具有巡回檢測燃料電池動力驅動系統所有性能參量的能力。對被測量的數值具有存儲、數據處理、顯示及硬拷貝輸出功能。 電力電子負載 功能：電力電子負載是一個智能型的可編程耗能負載。它可以將燃料電池動力驅動系統產生的扭矩轉換成電能耗掉。此外，通過輸入汽車行駛方程，電力電子負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測被試燃料電池動力驅動系統裝車后的實際效能。 發動機升降臺 功能：便于安放和移動發動機－燃料電池動力驅動系統，并備有標準的氣、水、電及測控系統的輸出、輸入接口。 上述各功能單元在中央微處理器的管理下，可實現燃料電池電動汽車動力驅動系統試驗的自動化。 五、結束語 開發燃料電池電動汽車是一項跨學科、多專業的系統工程。燃料電池電動汽車的研制過程較二次電池電動汽車復雜得多。為使PEMFC電動汽車的研究與實驗工作建立在科學的基礎上，必須盡快開發關鍵試驗裝備，同時建立相應的試驗規范與技術標準，使我國剛剛起步的PEMFC電動汽車事業建立在堅實的基礎上。