燃料电池发动机基本性能评价

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. 层次结构图指标层指标2. 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1221起动性能1/2111/2动态性能1/2111/2常规性能1221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r i 2 2 i a1/2 1 1 1/2A =1/ 2

2、1 1 1/2I 1221求解过程矩阵A的最大特征值和它对应的特征向量，得到max =4，x= 0.3333 0.1667 0.1667 0.3333一致性指标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0.33330.16670.16670.3333b.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

3、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1234567稳态FCE功FCE常用工FCE额定功FCE额定功电堆峰值电堆氢气FCE噪指标率况效率率效率率密度功率密度利用率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:燃料电池发动机发动机常发动机额发动机额电堆峰电堆最大发动发动机稳态额定功用工况效定功率效定功率密值功率氢气利用机噪性能率率率度密度率声发动机额定功率1233455发动机常用工况效率1/2122344发动机额定功

4、率效率1/31/211233发动机额定功率密度1/31/211233电堆峰值功率密度1/41/31/21/2122电堆最大氢气利用率1/51/41/31/31/212发动机噪声1/51/41/31/31/21/21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12334551/ 21223441/ 31/411/ 31/21/ 52B =1/ 31/2112331/ 41/ 31/ 21/21221/ 51/41/ 31/ 31/212J/ 51/41/ 31/ 31/21/ 21求解过程矩阵B的最大特征值和它对应的特征向量，得到max =7.1707, x=0.334 0.2179 0

5、.1324 0.1324 0.0854 0.0548 0.043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0.3340.21790.13240.13240.08540.05480.043b. 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11/22怠速热起动时间213怠速冷起动时间1/21/31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广 11/22 &

6、#39;C =2130/ 2 1/31丿求解过程矩阵B的最大特征值和它对应的特征向量，得到max =3.0092，x=0.29700.5396 0.1634致性指标C.R=0<=0.10，该判断矩阵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0.29700.53960.1634d.动态性能指标两两比较的结果如下所示:D:动态性能10% PE到90% PE热态响0% PE到50% PE热态响应应时间时间10% PE到90% PB热态响11/2应时间0% PE到50% PE热态响应21时间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 1/2)

7、 D =，由此算得 九max = 2，x= 0.333 0.667a 1丿C.R=0<0.1,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0.3330.667e.常规性能指标两两比较的结果如下所示:E:常规性能发动机绝缘性发动机气密性发动机绝缘性11发动机气密性11” 1、E=，由此算得爲ax =4 , x=0.5 0.51 1k1 1JC.R=0<0.1,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0.50.5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稳态性能0.3333发动机额定功率效

8、率0.1320.0441发动机常用工况效率0.2180.0726电堆最大氢气利用率0.0550.0183发动机额定功率密度0.1320.0441电堆峰值功率密度0.0850.0285发动机额定功率0.3340.1113发动机噪声0.0430.0143起动性能0.1667额定功率热起动时间0.2970.0495怠速热起动时间0.5400.09怠速冷起动时间0.1630.0272动态性能0.166710% PE到90% PE热态响应时间0.3330.05550% PE到50% PE热态响应时间0.6670.1111常规性能0.3333发动机绝缘性0.50.1667发动机气密性0.50.1667基本

9、指标评分1.发动机额定工况效率发动机型号SL-5SL-6SL-7XD-14XD-15XD-16XD-17SL-8发动机额定效率nE46.57%44.23%42.14%41.27%40.93%38.77%35.72%41.8%对应的电堆功率44.3849.9457.3152.5761.0560.5360.2263.64对应的发动机功率41.2646.0751.7247.4256.0655.9955.6857.23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

10、45kw测试，无峰值功率。SL-115-7额定功率要求55kw,按照50kw测试，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d来评价发动机额定工况下的效率，即：其中：1唱式中E为实测发动机在额定工况下的效率， R为发动机实测额定功率值，PE0为标定额定功率值（此处取55KW发动机当量效率值得分值4510040 45%9010038 40%80 9030%- 38%40 8030%40确定评分函数。评分函数由上下两段组成， X为指

11、标值，F( x )为该指标的得分值上半段:原则：e = 45%为100分，38%为80分。发动机额定功率效率在 38%勺得分要拉开档次求解系数:2t45构造函数：f(xax2 bx cf (45) =100 爲解得 a=-0.408,b=36.735,c=-726.531f (38)二 80下半段：原则：e = 30%为40分，38%为80分。另外还要保证在节点x=38处，上,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： g(x) =mx3 nx2 px qr_g'(38f'(38/'求解系数：g(30)=40 ，解得 m=-0.067, n=7.188，p

12、=-250.446,q=2893 g (30) = 04(38)=8040综上，得到额定效率的评分函数为:x 30F(x)二-0.408x2 36.735X - 726.531-0.067x3 7.188x2 -250.446X 289330 乞 x 3810038 岂 x ： 45Jx - 45最后得分如下FCE额定效率34.94%38.55%39.63%35.58%41.72%39.47%36.16%43.48%得分值60.2583.0288.2364.5195.6187.5268.3999.062.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

13、*1q51.73%42.3%46.76%45.39%48.98%45.62%48.12%50.73%对应的电堆功率25.8926.4125.8628.9325.7126.8425.9925.71对应的发动机功率24.5825.2824.2926.8824.2725.4924.6424.46发动机常用工况效率得分值50%10045% 50%7510035% 45%40 7535%40上半段：原则：q=50%为100分，45% 75分。大多数燃料电池发动机常用工况下的效 率在45%左右，所以在45%付近的效率得分要拉开档次。构造函数：f(xax2 bx c求解系数:2af(45) =75 ，解得

14、a=-1,b=100,c=-2400f (50) =100下半段：原则：q=35%为40分，45%为75分。另外还要保证在节点x=45处，上，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： g(x) =mx3 nx2 px qg'(45) =f'(45求解系数：g(35) 40 ，解得 m=0.03, n=-3.1，p=106.75,q=-1185 g'(35)=0kg (45) = 75综上，得到常用工况效率的评分函数为:Nox 3535 兰 x c 4545 乞 x 50x _50320.03x -3.1x +106.75x_1185F(x)二 2-x

15、+100x2400100指标值(%)发动机效率51.73%42.3%46.76%45.39%48.98%45.62%48.12%50.73%得分值10054.3489.578.7598.9680.8296.471003. 功率评分功率的评分以发动机额定功率与峰值功率为依据发动机额定功率Pe (KW)41.2646.0751.7247.4256.0655.9955.6857.23发动机峰值功率Pmax( KW41.2646.0751.7247.4261.9259.8259.2857.23同额定工况效率评价类似，定义当量功率P作为评价指标，它同时也考虑了发动机的峰值功率值。如果FCE做没有过载(峰

16、值)功率测试，则 P=0。P 二 PE r sign( 2)；其中Pe匕二”处-1PeoPe式中Pe为发动机实测额定功率值，Peo为标定额定功率值(此处取55KW)，Pm 为发动机实测峰值功率值。且当 2 >0 时，sign( 2)=i ;当 2=0 时，sign( 2) =0发动机当量功率P000056.0655.9955.680发动机当量功率P得分值55100505580100355020 80352020评分函数:x 35F(x)二2厂0.8x +88x-23200.0019X3 +0.0121X2 7.354x+181.6835 乞x ： 5050 二 x 55J00x -55发

17、动机额定效率PE (KW)41.2646.0751.7247.4256.0655.9955.6857.23发动机额定功率参数P000056.0655.9955.680得分值20202020100100100204.发动机额定功率密度评分发动机额定功率密度Pe164169184156200202196200对应的电堆额定功率44.3849.9457.3152.5761.0560.0360.2263.64对应的发动机额定功率41.2646.0751.7247.4256.0655.9955.6857.23发动机额定功率密度(W/kg)得分值2601002002608010015020040 8015

18、040评分函数:4032-2.267e 04x3 +0.1273X2 -22.9x +1375 F(x)=<2-0.0069X2100x : 150150 兰 xc200200 兰 x c 260'x _260发动机额定功率密度Pe(KW)164169184156200202196200得分值44.3447.5960.3840.867576.6371.54751105.电堆峰值功率密度电堆峰值功率密度 Pemax286305372293375360364393对应的电堆功率44.3849.9457.3152.5768.1765.5164.8263.64对应的发动机功率41.264

19、6.0751.7247.4261.9259.8259.2857.23电堆峰值功率密度(W/kg)得分值6001004506008010030045040 8030040评分函数:x 瓷300300 兰 x c 450450 岂 x ： 600x _600”40321.185e05x +0.0142X -5.33680 F(x)二2-0.0009X2 +1.0667 x-220100电堆峰值功率密度R(KW)286305372293375360364393得分值4040.0954.01405550.2451.4661.221101009080值分70 得605040/3U250300350400

20、450500550600650指标值6. 氢气利用率评分依据电堆氢气利用率最大值进行评分氢气利用率fmax91.8%89.04%91.63%88.03%82.47%83.74%84.64%91.17%对应的电堆功率38.8749.9457.3152.5728.3540.5940.2555.45对应发动机功率36.1346.0751.7247.4226.7738.237.9350.67氢气利用率最大值得分值95%10085% 95%75 9075% 85%40 7575%40评分函数:40x ： 75F(x) =*O.OOIx30.0131X2 -18.1x 895.82-0.25x247.5x

21、 -215610075 兰 x £ 8585三 x ： 95x_95氢气利用率f max91.8%89.04%91.63%88.03%82.47%83.74%84.64%91.17%得分值97.4491.1297.1687.8561.1567.7272.8396.331107. 10 % PE到90% PE热态响应时间10% PE至U 90%PE热态响应时间（s）得分值510051080100102040 802040评分函数:X c 55兰 xc1010 空 x ： 20x -20100F(x)=-0.8x2 8x 80-8.9e-17x3 0.4x2 -16x 2004010%

22、PE到90% PE热态响应时间（s）10.411139.4483.71516得分值76.8672.459.684.51401005046.41101009080值分70得60504030 C510152025指标值（s）8. 0 % PE到50% PE热态响应时间0 % PE到50% PE热态响应时间（s）得分值31003 58510051240 851240评分函数:x v33兰 xv55 乞x 12x-121002F (x)二-3.75 x222.5x 66.25-0.0437x3 2.187x2 -33.586X 203.730% PE到50% PE热态响应时间(s)5.25.46.16

23、.353.1126.8得分值82.0679.2470.2967.998599.964062.79. 额定功率热起动时间额定功率热起动时间(s)得分值15100152580100254040 804040x £1515 兰 x<2525 乞 x ： 40x-40评分函数:F(x)二-0.2x2 +6x+550.0059x 0.444x2 +7.111X +87.41额定功率热起动时间（s）34.135363548343443得分值48.0745.9343.8945.934048.3248.324010. 怠速冷起动时间怠速冷起动时间（s）得分值310031080100102540

24、 802540评分函数:'10020.408x +2.449X+96.327F（x）=32-0.0017X +0.2794X 10.794x+161.69x v 33 兰 x c 1010 乞 x ： 25x_2540怠速冷起动时间（s）20.832121212.42.32.121得分值42.7742.5542.5542.5510010010042.55110100908070605030202530值分得1015指标值（s）4011. 怠速热起动时间怠速热起动时间（s）得分值1.51001.5 3801003640 80640评分函数:jooF(x)二2-8.89x26.67x 80

25、-1.32e -16x3 4.44x2 -53.33x 200x v1.51.5 兰 x c 33 _ x ： 6x _6指标值（s）40怠速热起动时间（s）1.422123.52220得分值10097.784097.7867.7897.7897.784012.发动机噪声发动机噪声db97.693.894.795.495.299.0489.998.5发动机噪声（db）得分值881008893801009310540 8010540发动机噪声db97.693.894.795.495.299.0489.998.5得分值52.8873.9267.863.5564.7247.8897.1149.58评

26、分函数:1000.8x2 +140.8x+6095F（x）二32-0.093x'+3.083x2 -341.25x+12596x c8888 兰 x c 9393 乞 x ：105x _1054013. FCE泄露性评价合格（100分）：满足要求不合格（0分）：泄漏量超标发动机型号SL-5SL-6SL-7XD-14XD-15XD-16XD-17SL-8泄露性得分值000000010014. FCE绝缘性评价合格（100分）：绝缘电阻大于1兆欧不合格（0分）：绝缘电阻小于1兆欧发动机型号SL-5SL-6SL-7XD-14XD-15XD-16XD-17SL-8绝缘性得分值000010000

27、100燃料电池发动机各指标得分汇总燃料电池发动机总 体性能各指标得分评价指标权重 值SL-5SL-6SL-7XD-14XD-15XD-16XD-17SL-8发动机额定功率 效率0.044160.2583.0288.2364.5195.6187.5268.3999.06发动机常用工况 效率0.072610054.3489.578.7598.9680.8296.47100电堆最大氢气利 用率0.018397.4491.1297.1687.8561.1567.7272.8396.33发动机功率密度0.044144.3447.5960.3840.867576.6371.5475电堆功率密度0.0285

28、4040.0954.01405550.2451.4661.22发动机功率0.1113202020201001001002010% PE 到 90%PE热态响应时间0.055576.8672.459.684.51401005046.40% PE 到 50% PE热态响应时间0.111182.0679.2470.2967.998599.964062.7额定功率热起动 时间0.049548.0745.9343.8945.934048.3248.3240怠速热起动时间0.0910097.784097.7867.7897.7897.7840怠速冷起动时间0.027242.7742.5542.5542.5

29、510010010042.55发动机噪声0.014352.8873.9267.863.5564.7247.8897.1149.58气密性0.16670000000100绝缘性0.1667000010000100综合得分43.7040.8537.6140.7268.5858.1649.62(71.00验收测试（SL-7,XD-15）和补测（SL-8）得分评价指标权重值SL-115-7XD-115-15SL-115-8（补测）指标值得分值指标值得分值指标值得分值|发动机额 定功率效 率0.044139.6388.2341.7295.61141.899.06发动机常 用工况效率0.072646.76

30、89.548.9898.9650.73100电堆最大 氢气利用率0.018391.6397.1682.4761.1591.4796.33发动机功率密度0.044118460.382007520075电堆功率 密度0.028537254.013755539361.22燃料电池 发动机总 体性能各 指标得分发动机功 率0.111351.72 （无峰值）2061.9210057.23 （无峰值）2010% PE 到90% PE热态 响应时间0.05551359.648401646.40 % PE 到50% PE 热态响应时间0.11116.170.295856.862.7额定功率 热起动时 间0.0

31、4953643.8948404340怠速热起 动时间0.0921403.567.782040怠速冷起 动时间0.02722142.552.41002142.55发动机噪 声0.014394.767.895.264.7298.549.58气密性0.1667不合格0不合格0合格100绝缘性0.1667不合格0合格100合格100综合得分37.6168.5871三.指标权重二次加权处理后的得分情况从第一章确定的权重表里可以看出，常规性能指标权重很大，而且动态性能由 于指标较少，一些指标的总权重甚至达到了稳态性能指标的权重（如0% PE到50% PE热态响应时间的权重与发动机额定功率基本一致），这样有

32、些不合理。因 此采用二次加权的办法解决这个问题。1修正总排序权重二次加权法来源于AHP算法中的结构依存性原理，它考虑了某一准则下指标的 数目对指标权重的影响。假定在一组准则 Gcm下,N个下属指标之间的相对重 要性权重可排成矩阵Aan 川 aimA *-r >m _+ 卜_an 1111 anm 丿假定ri是准则层c所支配的指标数，N为所有ri之和，构造结构信息矩阵S巾/N川 0、Q +*°m>m _ +H、_ 0 川 rm/N则S表示根据一个准则所支配的指标的多少来修正权重的结构信息，用S右乘A,表明在进行权重合成时，准则支配指标越多，它的相对重要性增加的比率越 大。在

33、这里准则有四个，即G为稳态性能，C2为起动性能，C3为动态性能以及C4为 常规性能；他们的下属指标共有14个，即ri=7，d=3，b=2，m=2。由前面的指 标权重表可以得到A矩阵和S矩阵。同时，考虑到常规性能两个指标（绝缘性和 泄露性）对FCV的安全性相关，而安全性对整车性能占据相当大的权重，因此再构造一个系数矩阵S'来修正气密性和绝缘性的权重，使其相对再提高一些。矩 阵A，S，S'如下,0.04410 0 00.07260.01830.04410.02850.11130.01430000.04950.09+b0.0272-0.0555-0.1111H000.1667000.

34、16677/143/142/14S442/1412用S4 4 S4 4右乘A,结果如下14 4 = AI4-4S4 4S4：40.022050.03630.009150.02205I 0.014250.055650.007150 0 00000.010610.01929h0.00583-0.0079-10.0159R000.0286000.0286二次加权后的各指标权重如下所示:发 动 机发 动 机电 堆 最发 动 机电 堆 峰 值 功 率 密 度发 动发额疋功怠 速怠 速10%PE到900 % PE 到 50 %PE执八、 态 响 应 时 间发动机绝缘性发 动 机 气 密 性额 疋 功 率

35、效 率常 用 工 况 效 率大 氢 气 利 用 率额 疋 功 率 密 度机 额 疋 功 率动 机 噪 声率 执八、起 动 时 间执八、 起 动 时 间冷 起 动 时 间%PE执八、 态 响 应 时 间0.00.030.000.00.010.050.000.010.010.000.000.010.020.022263922243577206935879598686由于得到的各指标权重之和为0.02833，并不等于1因此要将各权重值分别 除以0.02833使得各权重之和为1。整理后得到新的指标总排序权重，如下表所示准则层指标权重指标层性能指标权重总排序权重稳态性能0.3333发动机额定功率效率0.

36、1320.0778发动机常用工况效率0.2180.1281电堆最大氢气利用率0.0550.0323发动机额定功率密度0.1320.0778电堆峰值功率密度0.0850.0503发动机额定功率0.3340.1965发动机噪声0.0430.0252起动性能0.1667额定功率热起动时间0.2970.0374怠速热起动时间0.5400.0681怠速冷起动时间0.1630.0206动态性能0.166710% PE到90% PE热态响应时间0.3330.02800% PE到50% PE热态响应时间0.6670.0560常规性能0.3333发动机绝缘性0.50.1009发动机气密性0.50.1009二次加

37、权后燃料电池发动机各指标得分汇总燃料电池发动机 总体性能各指标 得分评价指标权重 值SL-5SL-6 S5L-7 XD-14XD-15XD-16XD-17SL-8发动机额定功率 效率0.077860.2583.0288.2364.5195.6187.5268.3999.06发动机常用工况 效率0.128110054.3489.578.7598.9680.8296.47100电堆最大氢气利 用率0.032397.4491.1297.1687.8561.1567.7272.8396.33发动机功率密度0.077844.3447.5960.3840.867576.6371.5475电堆功率密度0.0

38、5034040.0954.01405550.2451.4661.22发动机功率0.1965202020201001001002010% PE到 90% PE热态响应时间0.025276.8672.459.684.51401005046.40% PE 至U 50 % PE热态响应时间0.037482.0679.2470.2967.998599.964062.7额定功率热起动 时间0.068148.0745.9343.8945.934048.3248.3240怠速热起动时间0.020610097.784097.7867.7897.7897.7840怠速冷起动时间0.028042.7742.5542.5542.5510010010042.55发动机噪声0.056052.8873.9267.863.5564.7247.8897.1149.58气密性0.10090000000100绝缘性0.1009000