燃料電池發(fā)動(dòng)機智能測試平臺

　　應用領(lǐng)域：產(chǎn)品測試

　　使用的產(chǎn)品：

　             NI Developer Suite 2005 NI開(kāi)發(fā)套件;

　         　PXI-1042+ PXI-8186 PXI工控機箱和控制器;

　         　PXI-6040E 12位500KS/s 多功能數據采集卡

　         　PXI-6704 16位32通道電壓電流模擬輸出卡

　　         PXI-8423/4 4通道隔離RS485接口卡

　　         SCXI-1000 信號調理機箱

　　         SCXI-1102+SCXI-1303 熱電偶采集模塊

　　         SCXI-1102+SCXI-1308 變送器信號采集模塊

　         　SCXI-1581+SCXI-1300 鉑電阻信號采集模塊

　　         SCXI-1166+SCXI-1366 繼電器輸出模塊

　　挑戰：

　　建立100KW級智能型質(zhì)子交換燃料電池發(fā)動(dòng)機測試平臺,為燃料電池發(fā)動(dòng)機提供各種工況環(huán)境，采樣其各種重要參數，評價(jià)燃料電池發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)特性，并且為燃料電池發(fā)動(dòng)機匹配以及控制提供一個(gè)完整的試驗環(huán)境。

　　應用方案：

　　使用NI開(kāi)發(fā)套件的可視化界面以及其強大的圖形處理功能建立燃料電池測試平臺的用戶(hù)接口;利用NI軟硬件系統的高度集成性，在后臺直接完成數據采集、通信、控制等功能;利用NI開(kāi)發(fā)套件的數據處理工具包完成數據在線(xiàn)分析處理，測試完成后生成測試報告;考慮到燃料電池測試的安全性，利用NI開(kāi)發(fā)套件自帶的遠程操作的功能，為遠程計算機操作提供了完整的接口方案，從而建立一個(gè)燃料電池智能化測試平臺。

　　介紹：

　　本文建立了基于NI集成軟硬件環(huán)境燃料電池發(fā)動(dòng)機測試平臺。該平臺可以實(shí)現燃料電池發(fā)動(dòng)機及其輔助系統的測試與控制、燃料電池發(fā)動(dòng)機系統參數測量、為燃料電池發(fā)動(dòng)機提供多種工況環(huán)境，甚至系統控制策略的評價(jià)的功能。利用NI開(kāi)發(fā)套件建立了一個(gè)內嵌專(zhuān)家系統的智能軟件平臺，不僅確保了測試平臺的工作安全性，同時(shí)也可以對系統的潛在故障進(jìn)行診斷。此外，由于該測試平臺的高速采樣，使得燃料電池發(fā)動(dòng)機動(dòng)態(tài)特性參數的準確性得到保證，本系統利用這些參數自動(dòng)生成包括燃料電池發(fā)動(dòng)機動(dòng)態(tài)模型的測試報告。

　　正文

　　測試平臺功能要求

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機的本質(zhì)是一個(gè)電化學(xué)的反應堆，能夠對外輸出電能，如圖1所示。燃料電池可分為4個(gè)部分：空氣系統、氫氣系統、循環(huán)水系統和燃料電池堆。

 

　　圖1 燃料電池工作原理示意圖

　　對燃料電池進(jìn)行測試主要是有三個(gè)目的，功率輸出特性，不同工況工作規律，建立或者驗證其數學(xué)模型或控制模型。根據測試目的，燃料電池測試平臺應具有控制、數據采集、數據處理以及生成報表的功能

　　基于上述的功能要求，本文建立了智能化的燃料電池發(fā)動(dòng)機測試平臺。如圖2所示的系統的結構框圖。

 

　　圖2 系統結構

　　按照工作性質(zhì)整個(gè)平臺的可分為執行、測控以及數據處理三個(gè)部分：

　　1，執行部分

　　該部分主要為了滿(mǎn)足系統功能的需要配置的各種制冷、加熱、加濕、水處理等大型設備，由冷凍機、換熱器、蒸汽鍋爐、循環(huán)水泵、閥門(mén)等組成。

　　2，測量與控制

　　該部分主要為了測量和控制平臺的特性參數和燃料電池的工作狀態(tài)。主要由數據采集裝置、調節裝置、信號調理放大等部分組成。

　　為了實(shí)現平臺的功能，需要測量的量共計86個(gè)，類(lèi)型各有不同，并且信號類(lèi)型眾多，顯然快速、精確、可靠的測量是一個(gè)繁瑣的工作。在參數測量的同時(shí)，系統需要完成控制功能，由于控制對象的復雜性，要達到良好的控制效果一直都是燃料電池測試平臺開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。

　　3，數據處理

　　在測試的過(guò)程中，系統需要為用戶(hù)提供相關(guān)的瞬時(shí)測試信息;測試結束后，系統必須為用戶(hù)生成完整的測試報告，以評價(jià)燃料電池發(fā)動(dòng)機的性能。

　　由于系統中執行部分主要利用化工工業(yè)和制冷技術(shù)等方面的成熟的產(chǎn)品，該部分的內容在本文中不屬于本文的重點(diǎn)，故本文主要就系統的測量、控制和數據處理方面的內容進(jìn)行介紹。

　　為了實(shí)現平臺的功能，需要測量的量共計86個(gè)，類(lèi)型各有不同，并且信號類(lèi)型眾多，顯然快速、精確、可靠的測量是一個(gè)繁瑣的工作。在參數測量的同時(shí)，系統需要完成控制功能，由于控制對象的復雜性，要達到良好的控制效果一直都是燃料電池測試平臺開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。

　　開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇

　　如測試平臺構成部分所述，系統中傳感器信號和控制信號類(lèi)型眾多，同時(shí)對于數據采樣速率要求很高，因而選用了NI公司的測試環(huán)境，之所以選擇該開(kāi)發(fā)環(huán)境主要是因為：

　　1. NI公司的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境操作簡(jiǎn)便，圖形化的編程界面及其優(yōu)異的圖形控件使得測試平臺的編程過(guò)程變得簡(jiǎn)單，尤其是其軟硬件系統的無(wú)縫結合，極大提高了編程效率與可靠性;

　　2. 數據測試系統配置方便，可靠性高。數據采集結構的開(kāi)放性，使得數據采集系統的使用只是簡(jiǎn)單的外圍傳感器信號配置，同時(shí)PXI總線(xiàn)的優(yōu)越性能使得數據采集的信號多樣性、速度和精度要求高等難題變得微不足道;

　　3. 功能強大。NI開(kāi)發(fā)套件工具包配置齊全，使得測試平臺開(kāi)發(fā)中的控制算法的實(shí)現、數據的圖形顯示、數據采集工作的實(shí)現、在線(xiàn)數據處理、測試報告的生成以及遠程協(xié)作控制等變得只是工具包的調用和系統參數的配置。

　　測試平臺硬件系統構建

　　本系統硬件采用了NI公司的DAQ系統來(lái)實(shí)現溫度、濕度、壓力和流量等數據的采集;利用模擬量輸出單元來(lái)控制相應的調節設備;利用繼電器輸出單元來(lái)控制重要的開(kāi)關(guān)器件;利用RS485和GPIB通信端口和外設裝置進(jìn)行通信;利用工控機箱的RS232端口和PLC通信，控制次要的設備和讀取相關(guān)設備的故障信息;如圖3所示系統的硬件結構。

 

　　圖3 系統硬件結構

　　利用以上的硬件可以方便的對測試平臺中的各種信號進(jìn)行測量，避免了硬件設計的繁重工作，尤其是NI內嵌式的DAQ系統提供了自由的硬件配置以及測量數據校正的功能，大大簡(jiǎn)化了系統的設計，給了用戶(hù)更多的自由空間，使得用戶(hù)可以將更多的精力投入到軟件設計的工作中。

　　測試平臺軟件設計

　　由于該平臺可以提供多種功能，要充分利用其各種功能，為系統設計和理論分析提供更多的幫助，則主要依賴(lài)于軟件系統的開(kāi)發(fā)。

　　本系統利用該開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的多線(xiàn)程技術(shù)，將系統的數據采集、數據處理、設備控制以及用戶(hù)接口等四方面的工作并行的處理，通過(guò)調用NI開(kāi)發(fā)套件的控制工具包，為用戶(hù)提供了PID、模糊等多種控制算法。并且通過(guò)圖形顯示各相關(guān)參數的變化趨勢。使用NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺，非常方便的實(shí)現多線(xiàn)程的程序架構以及良好的用戶(hù)界面。系統的軟件功能主要包括：壓縮機測試、電堆性能測試、輔助系統匹配測試、歷史數據分析、電堆性能仿真以及輔助系統仿真等功能。軟件系統中嵌入了專(zhuān)家系統，根據用戶(hù)執行不同的操作分配系統的任務(wù)，同時(shí)對于測試過(guò)程中的相關(guān)結果進(jìn)行了分類(lèi)處理，供用戶(hù)備用。

　　在用戶(hù)界面中，系統提供了各執行部件的操作按鈕以及開(kāi)關(guān)程度的設定，顯示各種測量參數的數值與圖形顯示。通過(guò)用戶(hù)界面，用戶(hù)不僅可以選擇測試平臺的不同測試功能，同時(shí)可以自由選擇控制算法，調整控制參數。如圖4所示。

 

　　圖4 用戶(hù)界面

　　控制系統的功能是本系統最有特點(diǎn)的模塊，不僅允許用戶(hù)對控制參數進(jìn)行在線(xiàn)調整，同時(shí)可以自動(dòng)的對系統的模型進(jìn)行在線(xiàn)辨識，對系統的工作狀態(tài)進(jìn)行預測，在手動(dòng)控制的條件下為用戶(hù)做出在線(xiàn)提示。

　　結論

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機是車(chē)載發(fā)動(dòng)機的研發(fā)的重點(diǎn) 。本文結合同濟大學(xué)所承擔的國家863燃料電池轎車(chē)重大專(zhuān)項的研發(fā)工作，使用了NI的軟硬件產(chǎn)品，成功的建立了一個(gè)綜合測試環(huán)境下智能化的100KW級燃料電池測試平臺，不僅可以實(shí)現對燃料電池發(fā)動(dòng)機的電堆和各輔助部件進(jìn)行測試，同時(shí)還可以對燃料電池發(fā)動(dòng)機的性能、控制算法等進(jìn)行綜合評價(jià)，為燃料電池的研究提供了充分的支持，同時(shí)也為其它類(lèi)型燃料電池測試平臺的設計提供了一種簡(jiǎn)潔、高效、相對低成本的設計方法。