燃料電池發(fā)動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)動機測試平臺。該平臺可以實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機及其輔助系統(tǒng)的測試與控制、燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)測量、 為燃料電池發(fā)動機提供多種工況環(huán)境，甚至系統(tǒng)控制策略的評價。利用NI開發(fā)套件建立了一個內嵌專家系統(tǒng)的智能軟件平臺，不僅確保了測試平臺的工作安全性， 同時也可以對系統(tǒng)的潛在故障進行診斷。此外，由于該測試平臺的高速采樣，使得燃料電池發(fā)動機動態(tài)特性參數(shù)的準確性得到保證，本系統(tǒng)利用這些參數(shù)自動生成包 括燃料電池發(fā)動機動態(tài)模型的測試報告。

測試平臺功能要求

　　燃料電池發(fā)動機的本質是一個電化學的反應堆，能夠對外輸出電能，如圖1所示。燃料電池發(fā)動機可分為4個部分：空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和燃料 電池堆。一個完整的燃料電池發(fā)動機測試平臺需要為測試對象提供參數(shù)可調的燃料和溫度控制，以及合適的負載；并且能夠對測試過程中的數(shù)據(jù)進行相應的處理，為 測試對象做出評價，以及為進一步的優(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

　　對燃料電池進行的測試主要有三個：測試燃料電池發(fā)動機在不同工況下的功率輸出特性，以達到優(yōu)化整車動力系統(tǒng)配置的目的；通過測量燃料電池發(fā)動機的工 作參數(shù)，建立和驗證其數(shù)學模型或控制模型，用來優(yōu)化燃料電池發(fā)動機的控制策略；通過測試不同的輔助系統(tǒng)對燃料電池的影響，達到燃料電池發(fā)動機的最佳匹配。

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)動機測試平臺。如圖2所示的系統(tǒng)的結構框圖。

圖2 系統(tǒng)結構

　　按照工作性質整個平臺可分為執(zhí)行、測控以及數(shù)據(jù)處理三個部分：

　　1、執(zhí)行部分

　　該部分主要為了滿足系統(tǒng)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(shù)和燃料電池的工作狀態(tài)。主要由數(shù)據(jù)采集裝置、調節(jié)裝置、信號調理放大等部分組成。

　　3、數(shù)據(jù)處理部分

　　在測試的過程中，系統(tǒng)需要為用戶提供相關的瞬時測試信息；測試結束后，系統(tǒng)必須為用戶生成完整的測試報告，以評價燃 料電池發(fā)動機的性能。由于系統(tǒng)中執(zhí)行部分主要利用化工工業(yè)和制冷技術等方面的成熟的產(chǎn)品，該部分的內容不屬于本文的重點，故本文主要就系統(tǒng)的測量、控制和 數(shù)據(jù)處理方面的內容進行介紹。

　　為了實現(xiàn)平臺的功能，需要測量的量共計86個，類型各有不同，并且信號類型眾多，顯然快速、精確、可靠的測量是一個繁瑣的工作。在參數(shù)測量的同時，系統(tǒng)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發(fā)的難點。

開發(fā)環(huán)境選擇

　　鑒于系統(tǒng)中傳感器信號和控制信號類型眾多，同時為了達到系統(tǒng)設計的目的，必須采用高速率的數(shù)據(jù)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程變得簡單，尤其是其軟硬件系統(tǒng)的無縫結合，極大提高了編程效率與可靠性。

　　其次，數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)配置方便，可靠性高。數(shù)據(jù)采集結構的開放性，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用只是簡單的外圍傳感器信號配置，同時PXI總線的優(yōu)越性能使得數(shù)據(jù)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開發(fā)套件工具包配置齊全，使得測試平臺開發(fā)中的控制算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)的圖形顯示、數(shù)據(jù)采集工作的實現(xiàn)、在線數(shù)據(jù)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(tǒng)參數(shù)的配置。

　　基于上述的優(yōu)點，以及考慮到開發(fā)時間以及人力等綜合成本的因素，本系統(tǒng)中采用了NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及軟件開發(fā)環(huán)境。

測試平臺硬件系統(tǒng)構建

　　本系統(tǒng)硬件采用了NI公司的DAQ系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度、濕度、壓力和流量等數(shù)據(jù)的采集；利用模擬量輸出單元來控制相應的調節(jié)設備；利用繼電器輸出單元來 控制重要的開關器件；利用RS485和GPIB通信端口和外設裝置進行通信；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設備的 故障信息。系統(tǒng)的硬件結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結構

　　上述的硬件結構，在測試的過程中完全達到了預期的要求。實驗證明，系統(tǒng)對相關的數(shù)據(jù)采集采用1kHz的采樣速率，每次采集10組數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù) 濾波處理，完成一次掃描的時間僅為80ms，滿足了系統(tǒng)設計的動態(tài)要求；豐富的外圍資源保證了系統(tǒng)良好的擴展性；同時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，同時可以保證在出現(xiàn)意外情況下的人員和數(shù)據(jù)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(tǒng)設計和理論分析提供更多的幫助，則主要依賴于軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

　　本系統(tǒng)利用該開發(fā)環(huán)境提供的多線程技術，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設備控制以及用戶接口等四方面的工作并行的處理，通過調用NI開發(fā)套件的控制 工具包，為用戶提供了PID、模糊等多種控制算法。并且通過圖形顯示各相關參數(shù)的變化趨勢。使用NI公司的LabView開發(fā)平臺，非常方便地實現(xiàn)多線程 的程序架構以及良好的用戶界面。系統(tǒng)的軟件功能主要包括：壓縮機測試、電堆性能測試、輔助系統(tǒng)匹配測試、歷史數(shù)據(jù)分析、電堆性能仿真以及輔助系統(tǒng)仿真等功 能。軟件系統(tǒng)中嵌入了專家系統(tǒng)，根據(jù)用戶執(zhí)行不同的操作分配系統(tǒng)的任務，同時對于測試過程中的相關結果進行了分類處理，供用戶備用。

　　在用戶界面中，系統(tǒng)提供了各執(zhí)行部件的操作按鈕以及開關程度的設定，顯示各種測量參數(shù)的數(shù)值與圖形。通過用戶界面，用戶不僅可以選擇測試平臺的不同測試功能，同時可以自由選擇控制算法，調整控制參數(shù)。如圖4所示為電堆供氣實驗的操作界面。

圖4 用戶界面

　　控制系統(tǒng)是本設計中最有特點的模塊，不僅允許用戶對控制參數(shù)進行在線調整，同時可以自動對系統(tǒng)的模型進行在線辨識，對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行預測，在手動控制的條件下為用戶做出在線提示。

　　本系統(tǒng)中，嵌入了專家控制系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)的操作以及控制進行監(jiān)督和協(xié)調。此外，專家系統(tǒng)內部包含了基于學習的預測控制算法，實時地對系統(tǒng)內部的特 性參數(shù)進行辨識，調整內部模型，不僅可以實現(xiàn)對潛在的故障進行預測，同時可以優(yōu)化內部的控制算法，保證該平臺的控制功能實時地優(yōu)化，成為一個有生命力的智 能性測試平臺。

結論

　　燃料電池發(fā)動機是車載發(fā)動機的研發(fā)的重點。智能化的100kW級燃料電池測試平臺不僅可以實現(xiàn)對燃料電池發(fā)動機的電堆和各輔助部件進行測試，同時還 可以對燃料電池發(fā)動機的性能、控制算法等進行綜合評價，為燃料電池的研究提供了充分的支持，同時也為其他類型燃料電池測試平臺的設計提供了一種簡潔、高 效、相對低成本的設計方法。