一、前言 燃料电池系统的高海拔测试能力是指其在模拟或实际高海拔环境下，评估燃料电池性能、稳定性及适应性的能力。这种测试对于确保燃料电池系统在高海拔地区的应用至关重要，因为高海拔地区的空气稀薄、氧分压较低，会显著影响燃料电池的性能。开展海拔模拟测试可以验证分析燃料电池系统在不同海拔高度下的输出性能表现。 二、高海拔测试设备与技术 1、测试系统组成： 常规部分：氢气供给模块、辅助电源模块、辅件冷却模块、电子负载、电堆冷却模块、通信控制模块、数据采集与记录模块等。 海拔模拟部分：高低温环境舱、压力控制模块、温度控制模块、湿度控制模块等。 2、高海拔环境舱功能： 压力模拟：可通过两种主要方式模拟高海拔压力环境。一种是利用大型模拟舱，可完全模拟高海拔的温度、湿度和压力等环境，能承受如海拔 6000m（47kPa）的低气压。另一种是采用进排气模拟系统，通过负压控制阀、超压控制阀及抽风机等调节燃料电池发动机空气进气及排气压力，能实现进排气压力在 60kPa-101kPa 的控制范围。 3、温度模拟：高低温环境舱可模拟 - 40℃-90℃的环境温度，通过制冷机组制冷，电加热 实现高温模拟，以配合进行燃料电池发动机低气压、低温起动性能试验。 湿度模拟：一般可模拟 0%-90% 的湿度条件，通过湿度环境模拟技术，在环境舱内通过加湿和除湿的方式模拟高原湿度环境配置：包括主环境模拟试验舱、氢气预冷系统、空气预冷系统、真空泵及控制系统等。 4、应用：用于燃料电池系统的综合性能测试，包括稳态工况和动态工况下的性能测试。 图1 高海拔测试的思维导图 三、高海拔测试中的关键问题 1、供气不足与欠压波动： 原因：随着海拔升高，空气稀薄，当海拔高度超过 ＞1000m 时，空压机转速易达到上限，继续增加海拔，空气进气量难以满足需求，燃料电池发动机自身会限制电流输出，导致功率下降。 解决方案：优化进气控制策略，提高空气过量系数，确保电堆的均一性。 2、尾排压力波动： 原因：快速动态加载响应带来的尾排大气量冲击，以及尾排负压系统调整滞后。 解决方案：同步控制舱负压与尾排负压，确保压差稳定在合理范围内。 3、温度敏感性问题： 散热变化：高海拔环境空气稀薄，散热方式和效率与平原不同，风冷效果可能变差，导致散热困难，需要优化散热设计和温度控制策略。 启动预热问题：低温环境下，燃料电池系统的启动预热难度增加，需要更有效的预热措施来确保系统快速启动并达到正常工作温度。 措施：根据燃料电池的特性进行温度标定，优化热管理策略。 图2 空压机MAP 四、燃料电池发动机海拔模拟试验研究 1、海拔对燃料电池发动机输出功率的影响 为研究海拔高度对燃料电池发动机输出功率的影响，使结果现象更加显著，选取被测试发动机50%额定电流点作为测试点。燃料电池发动机需求电流恒定的条件下变化进排气压力，模拟海拔0~3000m变化过程，测试燃料电池发动机空气进气量及实际输出功率的变化。当海拔高度超过1000m时，空压机转速达到上限，继续增加海拔高度，空气进气量不足，燃料电池发动机自身限值电流输出，导致功率下降。随着海拔高度不断增加，功率不断下降。 2、海拔对燃料电池发动机功率的影响分析 高海拔空气压力较低，电堆受到扩散极化的影响，当空压机不足以保证电堆的工作压力时，电堆输出性能受到影响，电堆输出功率下降。高海拔条件下，空气稀薄会导致空压机负荷增大以满足高压大流量空气需求，从而影响系统效率，此时会产生大量的热，热管理策略需要做适当调整。 五、高海拔测试的应用前景 1、交通领域： 燃料电池汽车：高海拔测试有助于提升燃料电池汽车在高原地区的性能稳定性和经济 无人机：对于依赖燃料电池的无人机来说，高海拔测试能确保其在高空飞行中的稳定性和续航能力。 2、能源领域： 分布式发电：燃料电池系统作为分布式发电装置，在高海拔地区的性能测试有助于其更广泛地应用于偏远地区或高海拔地区的能源供应。 3、备用电源：对于需要高可靠性和稳定性的备用电源系统来说，高海拔测试能确保其在各种极端环境下的正常运行。 基于高海拔测试具有广阔的应用前景，上海汽检氢能与燃料电池检测服务平台针对大功率燃料电池的海拔模拟问题展开深入研究，从燃料电池发动机海拔模拟测试的原理，到大功率燃料电池系统海拔模拟测试中出现的一些典型问题，包括负压状态下供气不足导致的欠压波动、大功率稳态工况欠压问题、变载状态下的尾排压力波动等；针对这些典型问题给出了各个问题的相应解决方案。还结合与国内多家头部企业合作、5000小时以上的测评经验，构建了具有实验室特色的加速试验方案，搭建了具有自主知识产权的海拔测试系统（实用新型专利：《一种海拔模拟测试系统》，专利号：ZL 2020 2 2891528.6），支持动态工况响应、多种环境因素耦合及模拟有效可靠的测试方法，为燃料电池技术的环境适应性及可靠性评价提供有力支持。 上海汽检氢能与燃料电池检测服务平台建设了燃料电池系统级的涉氢环境测试能力（包含高温、低温、高湿、低气压环境模拟）、涉氢EMC测试能力、涉氢振动冲击测试能力、盐雾测试能力、环境温湿度测试能力、IP防护等级测试能力，一站式满足燃料电池系统DV测试需求。 六、总结 燃料电池系统的高海拔测试能力对于评估其在高海拔地区的应用至关重要。通过模拟或实际高海拔环境下的测试，可以深入了解燃料电池系统的性能、稳定性及适应性，并为其优化设计和控制策略提供重要依据。随着清洁能源的推广和应用场景的拓展，高海拔测试能力将成为燃料电池系统研发和应用中不可或缺的一部分。

作者:    上汽检氢能实验室    来源:    氢智会原创    时间:    03-14  

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