燃料電池發(fā)動(dòng)機智能測試平臺的設計

　　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)。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。

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。燃料電池發(fā)動(dòng)機可分為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。一個(gè)完整的燃料電池發(fā)動(dòng)機測試平臺需要為測試對象提供參數可調的燃料和溫度控制，以及合適的負載；并且能夠對測試過(guò)程中的數據進(jìn)行相應的處理，為 測試對象做出評價(jià)，以及為進(jìn)一步的優(yōu)化設計提出合理化的建議。

圖1 燃料電池工作原理示意圖

　　對燃料電池進(jìn)行的測試主要有三個(gè)：測試燃料電池發(fā)動(dòng)機在不同工況下的功率輸出特性，以達到優(yōu)化整車(chē)動(dòng)力系統配置的目的；通過(guò)測量燃料電池發(fā)動(dòng)機的工 作參數，建立和驗證其數學(xué)模型或控制模型，用來(lái)優(yōu)化燃料電池發(fā)動(dòng)機的控制策略；通過(guò)測試不同的輔助系統對燃料電池的影響，達到燃料電池發(fā)動(dòng)機的最佳匹配。

測試平臺的構成

　　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、測量與控制部分

　　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。

　　3、數據處理部分

　　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

　　鑒于系統中傳感器信號和控制信號類(lèi)型眾多，同時(shí)為了達到系統設計的目的，必須采用高速率的數據采樣，因而選用了NI公司的測試環(huán)境。

　　首先，NI公司的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境操作簡(jiǎn)便，LabView的圖形化編程界面及其優(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。

　　其次，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能夠迎刃而解。

　　再次，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。

　　基于上述的優(yōu)點(diǎn)，以及考慮到開(kāi)發(fā)時(shí)間以及人力等綜合成本的因素，本系統中采用了NI公司的數據采集系統以及軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

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。系統的硬件結構如圖3所示。

圖3 系統硬件結構

　　上述的硬件結構，在測試的過(guò)程中完全達到了預期的要求。實(shí)驗證明，系統對相關(guān)的數據采集采用1kHz的采樣速率，每次采集10組數據，然后進(jìn)行數據 濾波處理，完成一次掃描的時(shí)間僅為80ms，滿(mǎn)足了系統設計的動(dòng)態(tài)要求；豐富的外圍資源保證了系統良好的擴展性；同時(shí)采用遠程終端和本地控制相結合的方式 不僅保證了操作的方便性，同時(shí)可以保證在出現意外情況下的人員和數據的安全性。

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，非常方便地實(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。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所示為電堆供氣實(shí)驗的操作界面。

圖4 用戶(hù)界面

　　控制系統是本設計中最有特點(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)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。

　　本系統中，嵌入了專(zhuān)家控制系統，對整個(gè)系統的操作以及控制進(jìn)行監督和協(xié)調。此外，專(zhuān)家系統內部包含了基于學(xué)習的預測控制算法，實(shí)時(shí)地對系統內部的特 性參數進(jìn)行辨識，調整內部模型，不僅可以實(shí)現對潛在的故障進(jìn)行預測，同時(shí)可以?xún)?yōu)化內部的控制算法，保證該平臺的控制功能實(shí)時(shí)地優(yōu)化，成為一個(gè)有生命力的智 能性測試平臺。

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)。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)也為其他類(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。