1、1燃料电池发动机基本性能评价本报告根据几台燃料电池发动机的试验数据，对其基本性能进行了评价。评价过程中选取 14 个关键指标，分别涵盖了稳态性能，起动性能，动态性能以及常规性能。报告对每个指标都进行了评分，最后根据各指标的权重得到燃料电池发动机的综合得分。一指标权重的确定1.层次结构图稳 态 性 能起 动 性 能动 态 性 能常 规 性 能发 动 机 额 定 功 率 效 率怠 速 热 起 动 时 间1 0 到 9 0 热 态 响 应 时 间发 动 机 绝 缘 性发动机气密性燃 料 电 池 发 动 机基 本 性 能发 动 机 常 用 工 况 效 率额 定 功 率 热 起 动 时 间怠 速 冷 起
2、 动 时 间0 到 5 0 热 态 响 应 时 间发 动 机 噪 声发 动 机 额 定 功 率 密 度发 动 机 额 定 功 率氢 气 利 用 率 最 大 值燃 料 电 池 堆 最 大 功 率密 度准则层指标指标层指标22. 各层次指标权重a.准则层指标两两比较的结果如下所示：A:准则层比较 稳态性能 起动性能 动态性能 常规性能稳态性能 1 2 2 1起动性能 1/2 1 1 1/2动态性能 1/2 1 1 1/2常规性能 1 2 2 1由上面的结果我们得到准则层相对于目标层的判断矩阵如下: 12/A求解过程矩阵 A 的最大特征值和它对应的特征向量，得到，x= 0.3333 0.1667 0
3、.1667 0.3333max4一致性指标 C.R=0=0.10，该判断矩阵 A 具有很好的一致性。准则层性能指标 稳态性能 起动性能 动态性能 常规性能所占权重 0.3333 0.1667 0.1667 0.33333b. 考虑到稳态性能指标比较多，因此在进行指标两两比较之前有必要先对其进行一个初步的权重排序。对于一台发动机来说，稳定运行状态下所能发出的功率是衡量它好坏最重要的一个指标，这里用发动机的额定功率值来评价功率指标；其次就是发动机的稳态效率，由于 FCV 在实际中经常在常用工况下行驶，因此常用工况下的效率要比额定工况效率稍微重要一些；再次就是功率密度，最后是氢气利用率和噪声，而氢气
4、利用率要比噪声稍微重要一些。稳态性能指标的重要性由高到低排序如下表所示：重要性排序1 2 3 4 5 6 7稳态指标FCE 功率FCE 常用工况效率FCE 额定功率效率FCE 额定功率密度电堆峰值功率密度电堆氢气利用率FCE 噪声根据重要性的初步排序，得到稳态性能指标两两比较的结果如下所示：B:燃料电池发动机稳态性能发动机额定功率发动机常用工况效率发动机额定功率效率发动机额定功率密度电堆峰值功率密度电堆最大氢气利用率发动机噪声发动机额定功率1 2 3 3 4 5 5发动机常用工况效率1/2 1 2 2 3 4 4发动机额定功率效率1/3 1/2 1 1 2 3 3发动机额定功率密度1/3 1/
5、2 1 1 2 3 3电堆峰值功率密度1/4 1/3 1/2 1/2 1 2 24电堆最大氢气利用率1/5 1/4 1/3 1/3 1/2 1 2发动机噪声 1/5 1/4 1/3 1/3 1/2 1/2 1由上面的结果我们得到准则层相对于目标层的判断矩阵如下: 12345/41/2/ 313/5/14/12B 求解过程矩阵 B 的最大特征值和它对应的特征向量，得到，x=0.334 0.2179 0.1324 0.1324 0.0854 0.0548 0.043max7.10一致性指标 C.R=0.0209=0.10，该判断矩阵 B 具有很好的一致性。稳态性能性能指标发动机额定功率发动机常用工
6、况效率发动机额定功率效率发动机额定功率密度电堆峰值功率密度电堆最大氢气利用率发动机噪声权重 0.334 0.2179 0.1324 0.1324 0.0854 0.0548 0.043c. 起动性能指标两两比较的结果如下所示：C:起动性能额定功率热起动时间怠速热起动时间怠速冷起动时间额定功率热起动时间 1 1/2 2怠速热起动时间 2 1 35怠速冷起动时间 1/2 1/3 1由上面的结果我们得到准则层相对于目标层的判断矩阵如下: 1/23/C求解过程矩阵 B 的最大特征值和它对应的特征向量，得到，x=0.2970 0.5396 0.1634max3.092一致性指标 C.R=0=0.10，该
7、判断矩阵 C 具有很好的一致性。起动性能 额定功率热起动时间 怠速热起动时间 怠速冷起动时间所占权重 0.2970 0.5396 0.1634d. 动态性能指标两两比较的结果如下所示：D:动态性能 10PE到90PE热态响应时间0PE到50PE热态响应时间10PE到90PE热态响应时间1 1/20PE到50PE热态响应时间2 1由上面的结果我们得到准则层相对于目标层的判断矩阵如下:， 由此算得 ，x=0.333 0.6671/2Dmax2C.R=00.1，因此判断矩阵 D 也满足一致性要求。动态性能 额定功率热起动时间 怠速热起动时间所占权重 0.333 0.6676e. 常规性能指标两两比较
8、的结果如下所示：E:常规性能 发动机绝缘性 发动机气密性发动机绝缘性 1 1发动机气密性 1 1，由此算得 ，x=0.5 0.51;E4maxC.R=00.1，因此判断矩阵 E 也满足一致性要求。常规性能 发动机绝缘性 发动机气密性所占权重 0.5 0.5得到指标各层次的权重值，如下表准则层指标 权重 指标层性能指标 权重 总排序权重发动机额定功率效率 0.132 0.0441发动机常用工况效率 0.218 0.0726电堆最大氢气利用率 0.055 0.0183发动机额定功率密度 0.132 0.0441电堆峰值功率密度 0.085 0.0285发动机额定功率 0.334 0.1113稳态性
9、能 0.3333发动机噪声 0.043 0.0143额定功率热起动时间 0.297 0.0495怠速热起动时间 0.540 0.09起动性能 0.1667怠速冷起动时间 0.163 0.027210PE到90PE热态响应时间 0.333 0.0555动态性能0.1667 0PE 到 50PE 热态响应时间 0.667 0.1111发动机绝缘性 0.5 0.1667常规性能 0.3333发动机气密性 0.5 0.16677二 基本指标评分1. 发动机额定工况效率发动机型号 SL-5 SL-6 SL-7 XD-14 XD-15 XD-16 XD-17 SL-8发动机额定效率 E46.57% 44.
10、23% 42.14% 41.27% 40.93% 38.77% 35.72% 41.8%对应的电堆功率 44.38 49.94 57.31 52.57 61.05 60.53 60.22 63.64对应的发动机功率 41.26 46.07 51.72 47.42 56.06 55.99 55.68 57.23注： XD-115-14 额定功率要求 55kw，按照 45kw测试，无峰值功率。SL-115-5 额定功率要求 55kw，按照 40kw测试，无峰值功率。SL-115-6 额定功率要求 55kw，按照 45kw测试，无峰值功率。SL-115-7 额定功率要求 55kw，按照 50kw测试
11、，无峰值功率。测试用 FCE 都是按额定功率为 55kw 出厂的同一级别发动机，但是由于各自性能优劣不同，一些发动机的额定工况加载功率低于 55kw，它们对应额定工况下的指标也要做统一处理以使打分更为合理。因此利用当量效率 来评价发动机d额定工况下的效率，即：= 其中：d1E10EP式中 为实测发动机在额定工况下的效率， 为发动机实测额定功率值，EE为标定额定功率值（此处取 55KW）0P发动机当量效率值 得分值45% 10040%45% 9010038%40% 8090830%38% 408030% 40 确定评分函数。评分函数由上下两段组成，X 为指标值，F（x）为该指标的得分值。上半段：
12、原则： 45%为 100 分，38%为 80 分。发动机额定功率效率在 38%的得分要E拉开档次。构造函数： cbxaxf2)(求解系数： ，解得 a=-0.408,b=36.735,c=-726.53145()1038f下半段：原则： 30%为 40 分，38%为 80 分。另外还要保证在节点 x=38 处，上，E下半段函数的值与斜率相等，以保证分段函数连续。构造函数： qpxnmxg23)(求解系数： ，解得 m=-0.067，n=7.188，p=- 8()(0)43fg250.446,q=2893综上，得到额定效率的评分函数为：23240.86.75.31()1046291xFxx 45
13、380x9最后得分如下FCE 额定效率 E34.94% 38.55% 39.63% 35.58% 41.72% 39.47% 36.16% 43.48%得分值 60.25 83.02 88.23 64.51 95.61 87.52 68.39 99.0625 30 35 40 45 5030405060708090100110值值值(%)值值值2. 发动机常用工况效率常用工况定义为，发动机净输出功率为 25kw 时的工况。FCE 常用工况效率 q51.73% 42.3% 46.76% 45.39% 48.98% 45.62% 48.12% 50.73%对应的电堆功率25.89 26.41 25
14、.86 28.93 25.71 26.84 25.99 25.7110对应的发动机功率24.58 25.28 24.29 26.88 24.27 25.49 24.64 24.46发动机常用工况效率 得分值50% 10045%50% 7510035%45% 407535% 40 上半段：原则： =50%为 100 分，45%为 75 分。大多数燃料电池发动机常用工况下的q效率在 45%左右，所以在 45%附近的效率得分要拉开档次。构造函数： cbxaxf2)(求解系数： ，解得 a=-1,b=100,c=-240050(4)71f 下半段：原则： =35%为 40 分，45%为 75 分。另外还要保证在节点 x=45 处，上，下q半段函数的值与斜率相等，以保证分段函数连续。构造函数： qpxnmxg23)(求解系数： ，解得 m=0.03，n=-3.1，p=106.75,q=-1185 45()()037fg
