一种用于工程机械燃料电池耐久性测试的方法

技术领域

本发明涉及一种用于工程机械燃料电池耐久性测试的方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池具有高功率密度及加燃料(氢气)时间短等特点，被认为是清洁能源的替代选择。在工程机械的应用中，燃料电池有众多的潜在应用场景，比如，挖掘机、挖装机、环卫车、干湿路面车、自卸车、牵引车、叉车、渣土车以及搅拌车等。然而，当前国内燃料电池的应用开发主要针对汽车。与汽车只有交通运输功能不同，工程机械用于工程建设，需要满足在特定场景的作业功能，比如建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域。

目前，在燃料电池的耐久性及寿命测试评价等方面，主要针对汽车的行驶工况进行测试，如常用的新欧洲驾驶循环(NEDC)测试协议，而这并不适用于工程机械的应用场景，不符合工程机械行驶和作业的真实工况。虽然关于燃料电池耐久性测试的方法较多，但是缺乏基于工程机械行驶和作业工况的燃料电池耐久性测试协议。

不同循环工况引起的燃料电池衰减行为不同，导致生成不同的寿命数据及退化模型。合适的燃料电池耐久性测试协议是开发寿命评估方法的基础。燃料电池的寿命测试评价方法是其技术发展的关键因素。随着对燃料电池动力系统工程机械的需求增加，对该应用场景下燃料电池的耐久性寿命测试评价的需求日益迫切，有必要制定工程机械燃料电池耐久性测试协议来进行测试。

第一种现有技术提出了启停工况和负载工况相结合的测试协议，虽然考虑了实际使用工况，将整车平均每天启停次数按照一定时间间隔穿插到负载工况中，以形成燃料电池发动机系统的耐久性工况，但是很难直接满足工程机械的行驶与作业工况。

第二种现有技术提出了电流变载工况跟动实际压力工况，以提高对燃料电池的耐久性测试的可信度，但是未提出可直接用于燃料电池测试平台的耐久性测试协议。

第三种现有技术提供了一种基于实际运行数据的燃料电池堆耐久性测试方法，并实施在城市公交车的实际运行中，以评估车辆在运行过程中的寿命。但该测试协议只获得了车辆在启动、行驶以及停机过程中的工况数据，不能够满足工程机械的作业工况需求。

因此，本发明将设计一种高效且准确的用于工程机械的燃料电池耐久性测试方法来解决上述问题。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的耐久性测试方法中特征工况单一，无法满足工程机械的行走工况和作业工况的双需求的问题，本发明提供一种用于工程机械燃料电池耐久性测试的方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于工程机械燃料电池耐久性测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：获取工程机械实际运行数据，根据工程机械在启动、停止、行走、作业不同工况下对实际运行数据进行分类，获得工程机械的启动特征工况、停止特征工况、行走特征工况、作业特征工况。

步骤2：根据工程机械不同特征工况下的实际运行数据，获取工程机械液压泵出口的压力，液压泵出口的流量，并计算不同特征工况下燃料电池输出的瞬时功率。

步骤3：根据不同特征工况下燃料电池输出的瞬时功率，计算单片电池的工作电流。

步骤4：根据不同特征工况下单片电池的工作电流设置燃料电池的耐久性测试协议中燃料电池在不同特征工况下的电流。

步骤5：根据启动、停止工况的实际运行数据，获取工程机械每天平均的启动、停止次数，根据工程机械平均的启动、停止次数设置耐久性测试协议中燃料电池的启动、停止工况。

步骤6：根据行走工况的实际运行数据，获取工程机械每天平均的行走动态负载变化周期及次数，根据工程机械平均的行走动态负载变化周期及次数设置耐久性测试协议中燃料电池的行走工况。

步骤7：根据作业工况的实际运行数据，获取工程机械作业时实际工况数据，工程机械每次启动与停机之间的平均单次作业时长和平均作业次数，设置耐久性测试协议中燃料电池的作业工况、作业工况周期和循环次数。

步骤8：完成耐久性测试协议设置后，根据耐久性测试协议对燃料电池进行工程机械各特征工况下的循环测试，获得燃料电池的耐久性测试后的极化曲线特性。

作为优选方案，还包括：

计算不同特征工况下燃料电池输出的平均功率，根据不同特征工况下燃料电池输出的平均功率，工作时间，计算燃料电池耐久性测试中需求的氢气质量。

作为优选方案，还包括：

根据不同工况下燃料电池输出的瞬时功率，计算燃料电池耐久性测试中需求的功率需求比例。

作为优选方案，作业特征工况包括：经济性最优点作业、司机常用点作业和动力性最优点作业。

作为优选方案，不同工况下燃料电池输出的瞬时功率的计算公式如下：

其中，P

作为优选方案，不同工况下燃料电池输出的平均功率的计算公式如下：

其中，

作为优选方案，P

其中，p为液压泵出口的压力，Q为液压泵出口的流量。

作为优选方案，

其中，P

作为优选方案，功率需求比例的计算公式如下：

其中，P

作为优选方案，单片电池的工作电流的获取方法，包括：

将P

将P

作为优选方案，燃料电池氢气质量计算公式如下：

其中，m

作为优选方案，

其中，

有益效果：本发明提供的一种用于工程机械燃料电池耐久性测试的方法，与现有技术相比，其优点如下：

(1)、本发明提供的燃料电池耐久性测试方法基于工程机械的真实运行数据，分别提取行驶和作业的典型工况，该方法逻辑简单，易于操作，便于工程应用。

(2)、本发明提供的燃料电池耐久性测试方法将工程机械的行驶工况和作业工况进行了组合，填补了现有燃料电池耐久性测试协议中工程机械作业工况的空白，有利于使耐久性测试协议更高效准确地反映工程机械燃料电池的实际使用情况，提高工程机械燃料电池耐久性测试评价的准确性。

(3)、本发明设计行驶工况与作业工况组合时，各工况周期及循环次数的确定是根据工程机械在实际应用过程中启停、行驶与作业的时长比例及次数比例进行设定，有利于提高根据上述耐久性测试协议获得的数据进行工程机械燃料电池寿命预测与评估的科学性与精确性。

(4)、本发明中提供的燃料电池耐久性测试方法可以针对工程机械的作业工况和行驶工况进行独立及混合测试评价，可以分别利用行驶工况和作业工况下的燃料电池耐久性评价结果，分析衰减行为，进而可以有针对性地开发适用于工程机械应用场景的燃料电池，进而提升整机的耐久性、可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明用于工程机械燃料电池耐久性测试方法的流程图。

图2为现有技术中常用的燃料电池耐久性测试协议的示意图。

图3为本发明一个实施例提供的燃料电池应用场景示意图。以挖掘机作为一个实施例。

图4为本发明一个实施例提供的工程机械各作业工况下采集的液压泵的流量与压力数据图。包括了动力性最优点、经济性最优点以及司机常用点三个作业工况点。

图5为本发明一个实施例提供的工程机械各作业工况的功率需求数据图。

图6为本发明一个实施例提供的工程机械行走工况的液压泵流量、压力及功率数据图。

图7为一个实施例燃料电池的单片电池的极化曲线和功率密度曲线数据图。

图8为本发明一个实施例提供的工程机械启停和行走工况下需求的工作电流数据图。

图9为本发明一个实施例提供的工程机械各作业工况下需求的工作电流数据图。

图10为本发明一个实施例提供的工程机械基本工作周期工作电流数据图。包括启动、动态负载行驶、不同工况点的作业循环以及停机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种用于工程机械燃料电池耐久性测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据工程机械行驶和作业的实际运行数据，获得工程机械分别在启动、行走、作业以及停机的特征工况对应的实际运行数据，得到各特征工况的功率分配需求数据。

如图2-3所示，以工程机械挖掘机为一个实施例，采集挖掘机在实际工作中液压泵的功率和能量消耗，为燃料电池作为动力源时的功率需求和分配计算提供依据。在该挖掘机实施例中，采集各个作业工况条件下的挖掘测试液压泵流量和压力，如图4所示。根据所采集的液压泵流量和压力，通过数学模型M1，计算相应工况点的燃料电池输出功率，所得的各个作业工况条件下的燃料电池输出功率曲线如图5所示。所述实施例挖掘机在行走工况条件下，测试液压泵流量和压力，并通过功率数学模型M1计算对应工况点的燃料电池输出功率，所得的行走测试液压泵流量、压力及燃料电池输出功率曲线如图6所示。

所述功率数学模型M1包括：

P

/>

其中，P

根据实施例采集到的作业工况和行走工况的数据(见图4-6)，通过数学模型M1计算得到不同工况点下的液压泵出口净功率峰值和平均值、以及燃料电池输出功率峰值和平均值如表1所示，包括动力性最优作业工况点、经济性最优作业工况点、司机常用作业工况点以及行走工况点。

表1一个实施例工程机械采集不同工况点运行数据的功率计算

步骤2：燃料电池的额定功率不能低于工程机械启动、行走、作业及停机各工况点的峰值功率。根据工程机械实际运行数据，通过数学模型M1计算得到燃料电池输出的瞬时功率P

一个实施例燃料电池的单片电池的极化曲线和功率密度曲线，如图7所示。根据功率需求比例以及单片电池的功率密度-电流密度曲线，得到燃料电池在不同工况点运行时，功率分配、输出电流及功率等多个参数之间的数学模型M2包括：

P

P

其中，ω是每个工况点的功率需求比例，P

如图8-10所示，根据获得的上述工程机械的特征工况，计算得到对应燃料电池动力系统的启停、行走、及作业工况的电流负载需求数据。

工程机械的实际运行数据，通过数学模型M1把工程机械运行过程中可以采集的液压泵的流量和压力的数据，得到燃料电池的输出功率；根据所需求的燃料电池输出功率，通过数学模型M2，得到燃料电池的工作电流。工程机械在不同运行工况点下，燃料电池的工作电流，添加到燃料电池耐久性测试中。

步骤3：工程机械实际运行数据的采集，还可以产生的有益效果是：获得不同工况下运行的耗氢量，进而获得工程机械需要搭载的氢气容量。

工程机械搭载氢气容量的数学模型M3包括：

其中，Q为燃料电池输出的电量，

在实施例中，以在动力性最优点连续工作50小时为目标，容量预留系数α＝0.05，燃料电池的效率η

步骤4：在一个实施例中，提供工程机械实际运行数据，并根据所述工程机械实际运行数据和所述数学模型，获得工程机械分别在启动、行走、作业以及停机过程中的工况数据步骤包括：

将所述工程机械运行过程按照不同的工况分为多个工作循环，根据工程机械实际运行数据，通过数学模型M1和数学模型M2，获得燃料电池在每个工况点的输出功率、每个工况点的运行时间、燃料电池运行的总时间，获得运行周期内每个工作循环的次数。在作业工况中，单位时间内工作循环的次数称为作业效率η

在一个实施例挖掘机中，在不同作业工况点下，获得的作业效率η

表2一个实施例工程机械在不同作业工况点运行的作业效率

步骤5：根据上述获得的燃料电池动力系统的启动、行驶、作业及停机工况的电流负载数据，添加至燃料电池测试过程中。根据工程机械实际工作周期的特点，确定启停、行驶以及作业等不同特征工况的周期与循环次数，添加到工程机械燃料电池耐久性测试协议中。

燃料电池的耐久性测试协议中，启停工况次数根据工程机械每天平均的启停次数进行设置。

燃料电池的耐久性测试协议中，行走工况根据工程机械每天平均的行走动态负载变化周期及次数进行设置。

燃料电池的耐久性测试协议中，作业工况根据工程机械作业时实际工况数据获得，作业工况周期和循环次数分别根据工程机械每次启动与停机之间的平均单次作业时长和平均作业次数进行设置。

根据上述获得的燃料电池测试协议，对燃料电池进行上述获得的工程机械的启停、行驶及作业工况下的循环测试，获得所述燃料电池的耐久性测试后的极化曲线特性。

针对燃料电池动力系统工程机械的作业工况和行驶工况进行耐久性与寿命测试评价的需求，设计一种工程机械燃料电池耐久性测试的方法，满足工程机械行驶与作业的不同特征工况下测试燃料电池耐久性的需求。其中，作业工况点应包含动力性最优点、经济性最优点以及司机常用点。

根据上述耐久性测试协议，对燃料电池进行负载循环是为了对工程机械真实运行条件进行模拟，评估工程机械行驶与作业的应用场景下燃料电池的耐久性。

本发明基于工程机械的实际行驶工况和作业工况，开发了燃料电池耐久性测试协议方法。所述燃料电池耐久性测试协议的方法基于实际运行数据，通过建立数学模型，使得测试过程中的各种工况的运行时间与实际统计数据的误差最小，以评估燃料电池在工程机械运行过程中的耐久性和寿命。该耐久性测试协议能真实反映工程机械实际运行情况，可以更准确和更有针对性地评价工程机械行驶和作业的应用场景下燃料电池的耐久性与寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。