摘 要 本文簡(jiǎn)要闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的必要性。全面探討了燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的主要內(nèi)容。最后，扼要介紹了燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)與功能。 關(guān)鍵詞 電動(dòng)汽車，質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn) 一、前 言 百余年來(lái)汽車工業(yè)的發(fā)展給人類做出了巨大貢獻(xiàn)，汽車對(duì)社會(huì)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(duì)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(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，人們一直在探索開(kāi)發(fā)具有無(wú)污染、噪聲低、維護(hù)簡(jiǎn)便和易操縱等優(yōu)點(diǎn)的電動(dòng)汽車。八十年代以來(lái)，許多工業(yè)化國(guó)家的有關(guān)機(jī)構(gòu)和汽車廠商紛紛投入大量資金開(kāi)發(fā)出多種類型的電動(dòng)汽車。這其中有二次電池電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力（電源）電動(dòng)汽車及燃料電池電動(dòng)汽車等等。近年來(lái)，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(wú)需充電的特點(diǎn)，使其在作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源應(yīng)用方面極具競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)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(dòng)力源的電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法必須給以特殊的考慮。 筆者依據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)規(guī)范，并結(jié)合開(kāi)發(fā)PEMFC移動(dòng)電源的體會(huì)，對(duì)PEMFC電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)總成臺(tái)架試驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行初步探討。 二、燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的必要性 1．燃料電池電汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的含義 根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，發(fā)動(dòng)機(jī)總成是一個(gè)能獨(dú)立產(chǎn)生機(jī)械功率和扭矩，并可推動(dòng)汽車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力綜合體的總稱。以此類推，燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)稱：“動(dòng)力源”和將電能轉(zhuǎn)換為扭矩的功率變換器與電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱“動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”。燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括：燃料處理與供給單元、燃料電池組及其運(yùn)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(dòng)機(jī)與減速器等（見(jiàn)圖1）。 2．燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的必要性與特殊性 依據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)規(guī)范，一輛新研制的或重新設(shè)計(jì)的汽車，在上路考核之前，應(yīng)進(jìn)行兩項(xiàng)綜合性試驗(yàn)：第一，發(fā)動(dòng)機(jī)裝車前的“發(fā)動(dòng)機(jī)（總成）臺(tái)架試驗(yàn)”；第二，發(fā)動(dòng)機(jī)裝車后的“整車臺(tái)架試驗(yàn)”。無(wú)論那一種動(dòng)力源的汽車，“整車臺(tái)架試驗(yàn)”均可在通用的“底盤(pán)測(cè)功機(jī)”（亦稱：轉(zhuǎn)鼓測(cè)功機(jī)）上進(jìn)行。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（總成）進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的目的是，全面測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)特性及各項(xiàng)性能，以評(píng)估和預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)裝車后，其整車動(dòng)力性及各項(xiàng)指標(biāo)是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這是研制汽車過(guò)程中不可缺少的極為重要的一環(huán)。因此，開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車也必須進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)于“發(fā)動(dòng)機(jī)（總成）臺(tái)架試驗(yàn)”，視發(fā)動(dòng)機(jī)燃料類型、運(yùn)行方式，以及被測(cè)參量性質(zhì)的不同，須使用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。目前，除通用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)外，二次可充電電池電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也有了專用的試驗(yàn)臺(tái)。鑒于燃料電池電動(dòng)汽車在氫燃料供給、燃料電池運(yùn)行支持系統(tǒng)及其被測(cè)參量等方面的特殊性，質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車必須使用專用的試驗(yàn)臺(tái)。 三、質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要試驗(yàn)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要試驗(yàn)內(nèi)容 汽車內(nèi)燃機(jī)是通過(guò)燃料的燃燒過(guò)程做功，并經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)將機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ亍? 質(zhì)子交換膜燃料電池是一個(gè)電化學(xué)發(fā)電裝置，它產(chǎn)生的電能是通過(guò)功率變換器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)而轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ氐摹Ｓ纱瞬浑y看出，內(nèi)燃機(jī)與PEMFC動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理差別很大。但是，作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，二者仍有共同點(diǎn)與相似之處：① 均有燃料的儲(chǔ)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(dòng)機(jī)都需要保持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?；④發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行特點(diǎn)，參照汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對(duì)PEMFC電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，應(yīng)考慮以下兩方面內(nèi)容：第一，與內(nèi)燃機(jī)相同或相近的試驗(yàn)項(xiàng)目；第二，PEMFC動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特有的試驗(yàn)項(xiàng)目。 （1）與內(nèi)燃機(jī)相同或相近的試驗(yàn)項(xiàng)目 功率試驗(yàn)：包括，總功率、凈功率、額定功率及有效功率試驗(yàn)，以及空載特性試驗(yàn)與負(fù)載特性試驗(yàn)。此外，還應(yīng)測(cè)定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)）的功率曲線。功率曲線是表示動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)力源可能發(fā)出的最大功率。 調(diào)整試驗(yàn)：為了研究改進(jìn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，常在臺(tái)架上進(jìn)行各種比較性的或調(diào)整性的試驗(yàn)。改變系統(tǒng)的某個(gè)運(yùn)行參數(shù)，觀察它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選出最佳值。 噪聲試驗(yàn)：噪聲水平是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一項(xiàng)重要指標(biāo)，噪聲低又是電動(dòng)汽車的一大優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池本身是沒(méi)有噪聲的。PEMFC電動(dòng)汽車的噪聲主要來(lái)自電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器和燃料電池的輔助系統(tǒng)。噪聲試驗(yàn)的目的在于確定噪聲源，降低動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體噪聲水平。 道路負(fù)荷試驗(yàn)：道路負(fù)荷試驗(yàn)是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)）在臺(tái)架上的一種模擬性試驗(yàn)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)裝車后汽車以不同車速滿載等速行駛在平路上時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加的負(fù)荷。 燃料經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)：電動(dòng)汽車燃料（甲醇、氫）經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)有兩種方式：路上試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)可使用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行規(guī)范試驗(yàn)，重復(fù)性好，能較為準(zhǔn)確的測(cè)定PEMFC電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗氫情況及評(píng)價(jià)“燃?xì)浣?jīng)濟(jì)性”。從而為改進(jìn)電動(dòng)汽車貯氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 可靠性試驗(yàn)：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)有兩種方式：一種是發(fā)動(dòng)機(jī)裝車后結(jié)合汽車運(yùn)行作實(shí)地檢查，即進(jìn)行25000KM道路試驗(yàn)。另一種是，依據(jù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可靠性試驗(yàn)規(guī)程，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行模擬汽車運(yùn)行工況的試驗(yàn)。 耐久性試驗(yàn)：耐久性試驗(yàn)是一種在臺(tái)架上使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速大負(fù)荷工況下進(jìn)行的試驗(yàn)。這種試驗(yàn)的目的是考核發(fā)動(dòng)機(jī)（動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）各受力件（包括熱應(yīng)力、電應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力等）耐疲勞的能力，以及耐磨性、經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力指標(biāo)的穩(wěn)定性。 （2）PEMFC動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特有的試驗(yàn)項(xiàng)目或試驗(yàn)內(nèi)容 起動(dòng)性能試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車與內(nèi)然機(jī)汽車起動(dòng)性能試驗(yàn)內(nèi)容不同。通過(guò)此項(xiàng)試驗(yàn)，檢查電動(dòng)汽車燃料電池動(dòng)力源在空載、負(fù)載、常溫和低溫等不同條件下的起動(dòng)性能。 再生制動(dòng)試驗(yàn)：電動(dòng)汽車采用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)時(shí)，都存在著再生制動(dòng)狀態(tài)，合理運(yùn)用電機(jī)的再生制動(dòng)功能可節(jié)省能量。因此，當(dāng)燃料電池電動(dòng)汽車備有二次電池時(shí)，可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)的再生（發(fā)電）制動(dòng)試驗(yàn)。 熱平衡試驗(yàn)：在燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，燃料電池組、功率驅(qū)動(dòng)器、壓氣機(jī)等屬于發(fā)熱部件，運(yùn)行時(shí)需要冷卻。金屬貯氫器、空氣預(yù)熱器等部件，運(yùn)行時(shí)需要熱量。因此，在燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(duì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的熱平衡設(shè)計(jì)。為了檢驗(yàn)和改進(jìn)系統(tǒng)的熱交換性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，需進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。 效率試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車與內(nèi)然機(jī)汽車效率試驗(yàn)內(nèi)容不同。電動(dòng)汽車效率試驗(yàn)包括系統(tǒng)效率試驗(yàn)和部件效率試驗(yàn)。目的是測(cè)定燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的燃料使用率及能量利用率。對(duì)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，是測(cè)定部件的電能傳遞及轉(zhuǎn)換效率。 動(dòng)力源功率響應(yīng)試驗(yàn)：燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于汽車運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境的變化，要求動(dòng)力源－燃料電池組的輸出功率也應(yīng)隨之改變。動(dòng)力源功率響應(yīng)試驗(yàn)就是測(cè)定燃料電池系統(tǒng)輸出功率對(duì)負(fù)載快速變化的響應(yīng)能力。 單電池均勻性試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)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(duì)電池組進(jìn)行單電池均勻性試驗(yàn)。 保護(hù)試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車使用氫能，功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車的保護(hù)試驗(yàn)特別重要。保護(hù)試驗(yàn)的主要方面是，燃料電池組的安全運(yùn)行和功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的短路與過(guò)載。 燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的子項(xiàng)目還很多，更詳細(xì)的內(nèi)容可在制定燃料電池電動(dòng)汽車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)規(guī)范時(shí)討論，這里不再贅述。 四、質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái) 用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的裝置，稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)”。同理，能進(jìn)行燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的裝置，稱為“燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)”。為完成PEMFC電動(dòng)汽車統(tǒng)的試驗(yàn)內(nèi)容，該試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具備如下功能單元： 燃料儲(chǔ)存與供給單元 功能：可長(zhǎng)時(shí)間提供燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各種運(yùn)行工況的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，具有報(bào)警、降載及緊急停機(jī)功能。 測(cè)量與參數(shù)顯示單元 功能：具有巡回檢測(cè)燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有性能參量的能力。對(duì)被測(cè)量的數(shù)值具有存儲(chǔ)、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(gè)智能型的可編程耗能負(fù)載。它可以將燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)換成電能耗掉。此外，通過(guò)輸入汽車行駛方程，電力電子負(fù)載可模擬電動(dòng)汽車在路面行駛時(shí)的受力狀況。因此，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可評(píng)估和預(yù)測(cè)被試燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝車后的實(shí)際效能。 發(fā)動(dòng)機(jī)升降臺(tái) 功能：便于安放和移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)－燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并備有標(biāo)準(zhǔn)的氣、水、電及測(cè)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(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)的自動(dòng)化。 五、結(jié)束語(yǔ) 開(kāi)發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車是一項(xiàng)跨學(xué)科、多專業(yè)的系統(tǒng)工程。燃料電池電動(dòng)汽車的研制過(guò)程較二次電池電動(dòng)汽車復(fù)雜得多。為使PEMFC電動(dòng)汽車的研究與實(shí)驗(yàn)工作建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，必須盡快開(kāi)發(fā)關(guān)鍵試驗(yàn)裝備，同時(shí)建立相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)剛剛起步的PEMFC電動(dòng)汽車事業(yè)建立在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。