有轨电车用燃料电池系统效率研究

孙应东， 郭 爱， 刘 楠， 石俊杰， 高 岩

（1.中车唐山机车车辆有限公司， 河北 唐山 064000； 2.西南交通大学 电气工程学院， 四川 成都 611756）

0 引言

传统有轨电车的架空接触网不仅占据空间，还存在安全隐患[1]，将燃料电池作为动力源驱动是无接触网有轨电车的发展方向之一[2]。

燃料电池控制技术主要有模糊控制、 自适应控制、鲁棒控制、预测控制等[3]，[4]。为获得燃料电池系统最优净功率和防止“过氧比”，须要对燃料电池系统空气流量进行优化控制。 文献[5]采用滤波的PID 反馈控制器调节燃料电池的过氧比，同时根据电堆电流通过模糊策略补偿压缩机电压，并通过自适应差分进化算法优化控制器参数。 文献[6] 基于二阶超螺旋算法设计了鲁棒控制器燃料电池的空气流量控制器。 文献[7]设计了一种受限显式模型预测控制器调节空气流量， 并成功应用在1.2 kW 的燃料电池中。 燃料电池工作时，除净功率因素外， 系统效率是评价控制策略的关键因素。 由于燃料电池辅机模型中，散热器、循环水泵和氢气回流泵的模型难以精确建立[8]，[9]，因而效率研究需要借助试验平台。 文献[10]研究了5 kW 空冷型燃料电池的效率、净功率与过氧比的特性。

现有的研究中鲜有研究大功率燃料电池系统效率， 本文通过搭建有轨电车用燃料电池系统试验平台，研究燃料电池系统启动、稳态、变载时各辅机功耗和系统效率特性。

1 车载燃料电池系统

有轨电车的燃料电池结构如图1 所示。

图1 燃料电池系统Fig.1 Fuel cell system

当燃料电池工作时， 压缩机将压缩空气送入供气管路，经加湿器加湿后进入电堆阴极流场；高压氢气经调节阀进入电堆阳极流场。 为提高氢气利用率， 回流泵将流场尾部的氢气送入电堆流场入口。 电堆内部氢气与空气中氧气发生化学反应生成水，产生电及大量的热。冷却水循环泵提供压力，迫使冷却液流过电堆内部流场，带走大量的热量，然后流过散热器使部分热量传递到周围环境，实现燃料电池的散热。

燃料电池系统工作时，还需要如压缩机、冷却器、加湿器、冷凝器、氢气回流泵、散热器和循环泵等辅助设备，这些设备也要消耗一定的功率。为描述燃料电池发出的电功率与辅助设备消耗的电功率之间的关系， 将燃料电池系统的用电效率ηusd定义为

式中：Pst为电堆发出的电功率；Paux为辅助设备的功耗。

燃料电池系统的净输出功率Pnet等于电堆产生的功率减去辅助设备功耗，即：

燃料电池化学反应释放的能量可以通过反应物和生成物的焓值计算。 电池氢氧化学反应释放的能量等于物质反应前后的焓值变化Δh（焓变），即氢气的焓值与氧气的焓值之和减去水的焓值。物质的焓值受温度、压力影响，不同的温度、压力及生成物状态， 其反应的焓变不同。 为了便于计算，采用标准状况下（温度25 ℃，压力101.3 kPa）燃料电池的焓变。 如果化学反应产生的焓变全部转换为电能，则燃料电池的等效电势满足：

式中：F 为法拉第常数。

等效电势Eeq与生成物水的状态有关， 生成物为液态时，等效电势为1.481 V，称为高热值；而生成物为气态时，电势为1.253 V，称为低热值。

燃料电池系统的发电效率ηprd指电堆的功率与单位时间内消耗的化学能之比，即：

式中：Nfc为燃料电池单体个数；Ist为燃料电池电流；Vst为燃料电池电压。

燃料电池系统的效率ηfc为系统输出的电能与单位时间内消耗的化学能之比，即：

由式（1）～（4）可得：

2 试验平台

2.1 主电路

燃料电池的试验平台如图2 所示。

图2 试验原理图Fig.2 Test Schematic

图中FCS 为燃料电池系统与单相DC/DC 组合的发电模块，其净输出功率为100 kW，最大电流为280 A。 电阻负载的额定电压为750 V，最大功率为330 kW。 该电阻负载具有手动、自动两种工作模式。 自动工作模式可以预先输入期望的功率曲线，运行时按设定的功率工作。PLC 控制器为833-TG 型控制器，PLC 通过CAN 通讯与FCS 及其单向DC/DC 建立联系，并通过监测FCS 状态和电子负载状态、母线电压等，实时控制FCS 系统，满足负载需求。

2.2 网络结构

本文采用基于CAN2.0B 的CANOPEN 通信协议，试验平台的通信结构如图3 所示。

图3 通讯结构Fig.3 Communication network

图中CPU833-TG 的PLC 控制器通过CAN 总线与总线节点模块DDC 通信；而数字量输出模块DOT、 模拟量输入模块AIT 以及数字量输入模块DIT， 通过与总线节点模块DDC 与CPU 进行通信；CPU 通过CAN 总线控制FCS。

2.3 燃料电池控制

PLC 通过CANOPEN 协议以及数字量输入与输出硬线信号控制并监测FCS 的状态。 FCS 的工作流程如图4 所示。

图4 燃料电池控制流程Fig.4 Fuel cell control process

燃料电池系统首先检测硬线信号是否高电平， 然后读取电堆的绝缘电阻是否满足。 如若满足，电堆接收母线电压和需求功率的设定值，启动DC/DC 变换器，燃料电池处于待机状态。 最后根据模块使能信号MD_EN、 模块运行信号MD_RUN、 预警信号、 故障信号、 待机信号SD_DONE，燃料电池系统进入不同工作状态。

2.4 电阻负载控制

电阻负载的工作模式为自动模式， 利用负载控制软件预设有轨电车功率曲线。电阻负载有12档信号， 分别表示各档位的负载电阻是否切入母线。 12 档分别为1 kW，2 个2 kW，2 个5 kW，3 个10 kW，2 个20 kW 和2 个100 kW。 12 路档位的数字信号通过数字输入模块DIT 接入控制网络。

3 试验及结果

目前对有轨电车或机车的燃料电池系统测试还没有形成统一标准，本文参考GB/T23645《乘用车用燃料电池发电系统测试方法》，对燃料电池系统分别进行启动特性、 稳态特性和最大加减载试验，分析不同工况下的效率。在计算燃料电池的效率时，仅考虑压缩机、回流泵、散热器、循环水泵4种辅机损耗。 燃料电池厂家常采用等效电势的低热值计算效率，本文亦采用低热值。

3.1 最小功率启动特性试验

试验前电堆入口温度为24.2 ℃；负载设定为0 kW； 按照启动操作步骤启动燃料电池系统；燃料电池系统运行10 min。

最小功率启动时，前60 s 各部件功率波形如图5 所示。

图5 最小功率启动Fig.5 Min-power startup

由图5 可知，17 s 时出现波动， 最大功率为9.3 kW，这是由散热风机的启动引起的。随着电堆功率增加，压缩机提供的空气流量增多，其功耗随之增加，最大达到7.0 kW。 散热风扇的转速根据系统的设定温度进行调节。

由于负载设置为0 kW，为使燃料电池能够启动，散热器的功率设置较大，稳态时为4.42 kW。循环水泵用于调节电堆出口与入口温度差， 此时电堆功率较小，产生的热量少，较小的流量即可以满足温差要求， 水泵的功率较小， 稳态时为0.11 kW。 回流泵的转速亦是根据电堆功率调节，与电堆功率呈正相关。

稳态时各部分的功率如表1 所示。

表1 各部件功率与发电效率Table 1 Power and power generation efficiency of each component

电堆的功率为6 kW，辅机总功率为7.17 kW，电堆发出的功率不足以供辅机工作， 差额部分由24 V 启动辅助电源供给。 空载时，散热器的功耗最大，占到发电量的73.67%。由于电堆电流较小，电压较高，因而此时的发电效率较高，达到71.3%。

3.2 稳态特性试验

试验前电堆入口温度为42.4 ℃，以净功率10 kW 运行1 min；将燃料电池系统功率从10 kW 按照30 kW，70 kW 逐级加载到100 kW， 然后将功率按照70 kW，30 kW 逐级减载到10 kW；加载和减载过程中的每个工况点运行5 min。 稳态特性试验如图6 所示。

图6 稳态特性Fig.6 Performance in stable state

由图6 可知，当电堆功率增大时，需要的空气流量增多，压缩机功耗增大，反之亦然。 压缩机的功率与电堆功率变化趋势一致。 在电堆功率每次跳变处，压缩机的功率都会出现瞬时超调，依次为7.24 kW （335%），4.79 kW （143%），11.13 kW（157%），19.02 kW（124%），18.86 kW，9.29 kW。当电堆功率为124.9 kW 时， 燃料电池系统温度较高， 散热器开始工作； 电堆功率下降后基本不工作；在1 672 s 处电堆功率为8.5 kW，为避免停机散热器功率急剧上升，达到4.41 kW。 当电堆功率增大时， 电堆发热功率升高， 需求的氢气流量增多，使得循环水泵功率和氢气回流泵功率都增大，反之亦然。 循环水泵功率和氢气回流泵功率与电堆功率变化趋势亦一致。 回流泵启动时（73 s 处）有一个较大的超调， 功率为1.32 kW， 超调量为142%。

各阶段稳态时的功率和效率如表2 所示。 电堆功率增加，压缩机、循环水泵、氢气回流泵的功率都增加。低功率时，这3 部分分别占电堆功率的19.40%，0.99%，8.43%，用电效率和系统效率分别为71.3%，49.7%，这两个效率较低。 高功率时，压缩机、散热器、循环水泵和氢气回流泵分别占电堆功率的12.3%，1.10%，0.70%和1.06%， 用电效率和系统效率分别为85.0%，46.0%； 用电效率高而系统效率较低。发电效率随电堆功率增加而减小。

表2 各部件功率与效率Table 2 Power and power generation efficiency of each component

将试验数据进行去噪滤波后， 得到稳态试验中各效率的波形如图7 所示。

图7 各效率Fig.7 Each efficiency

由图7 可知：用电效率为70%～89.5%；发电效率为53.2%～71.6%；燃料电池系统效率为45%～61.5%。

3.3 最大加减载试验

试验前电堆入口温度为59.3 ℃，以10 kW 运行1 min； 按照启动操作步骤启动燃料电池系统，每秒加载10 kW，10 s 加载到100 kW，运行3 min后5 s 内减载到10 kW，再运行1 min；共进行3 次加减载循环。

最大加减载试验时， 电堆功率和各个效率波形如图8 所示。

图8 稳态特性Fig.8 Performance in stable state

由图8 可知，电堆的功率在11.5～125 kW 切换。用电效率在440 s 时为42.2%，效率最低，这是由于此时散热器功率较大引起的。 燃料电池在低功率时持续约60 s， 较短的时间内散热器和循环水泵的功率没有达到稳态， 因而在此区间用电效率不能达到稳态。 发电效率在[52.9%，85.2%]内变化，发电效率由电堆的电压决定，过渡时间短。 系统效率在300 s 以后的燃料电池低功率区间变化剧烈，最小为28.8%，最大为68.5%。

4 结论

本文研究了燃料电池在不同工况下的辅机功耗和效率。 通过最小功率启动、稳态、最大加减载3 个试验，得到如下结论。 ①在最小功率启动中，燃料电池的功率不足以维持辅机工作， 需要外部电源提供差额功率。由于电堆输出电流小，电堆电压最高，使得系统发电效率最高。 ②压缩机、循环水泵和氢气回流泵的功率变化趋势与燃料电池功率一致。 由于机械惯性， 压缩机在启动时出现230%的功率超调； 在电堆功率上升的其它跳变处出现约40%超调。 回流泵仅在启动时出现42%的超调。 ③在额定功率时，压缩机、散热器、循环水泵和氢气回流泵的功耗分别占电堆功率的12.3%，1.10%，0.70%，1.06%。 ④在散热良好情况下，用电效率为70%～89.5%，系统效率为45%～61.5%。随着电堆功率的增长，发电效率降低，而用电效率和系统效率存在最优值。 ⑤在最大减载时，用电效率出现瞬时42.2%低效率点，发电效率出现瞬时85.2%高效率点；系统效率在28.8%～68.5%内振荡。