一種燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)智能測試平臺的設(shè)計(jì)

應(yīng)用領(lǐng)域：產(chǎn)品測試

使用的產(chǎn)品：

　　NI Developer Suite 2005 NI開發(fā)套件;

　　PXI-1042+ PXI-8186 PXI工控機(jī)箱和控制器;

　　PXI-6040E 12位500KS/s 多功能數(shù)據(jù)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(diào)理機(jī)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(zhàn)：

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

應(yīng)用方案：

　　使用NI開發(fā)套件的可視化界面以及其強(qiáng)大的圖形處理功能建立燃料電池測試平臺的用戶接口;利用NI軟硬件系統(tǒng)的高度集成性，在后臺直接完成數(shù)據(jù)采集、通信、控制等功能;利用NI開發(fā)套件的數(shù)據(jù)處理工具包完成數(shù)據(jù)在線分析處理，測試完成后生成測試報(bào)告;考慮到燃料電池測試的安全性，利用NI開發(fā)套件自帶的遠(yuǎn)程操作的功能，為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)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(jī)測試平臺。該平臺可以實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)的測試與控制、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)測量、為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供多種工況環(huán)境，甚至系統(tǒng)控制策略的評價(jià)的功能。利用NI開發(fā)套件建立了一個(gè)內(nèi)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(shí)也可以對系統(tǒng)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(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的準(zhǔn)確性得到保證，本系統(tǒng)利用這些參數(shù)自動(dòng)生成包括燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的測試報(bào)告。

正文

測試平臺功能要求

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的本質(zhì)是一個(gè)電化學(xué)的反應(yīng)堆，能夠?qū)ν廨敵鲭娔?，如圖1所示。燃料電池可分為4個(gè)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。

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(guī)律，建立或者驗(yàn)證其數(shù)學(xué)模型或控制模型。根據(jù)測試目的，燃料電池測試平臺應(yīng)具有控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及生成報(bào)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(jī)測試平臺。如圖2所示的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　按照工作性質(zhì)整個(gè)平臺的可分為執(zhí)行、測控以及數(shù)據(jù)處理三個(gè)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(shè)備，由冷凍機(jī)、換熱器、蒸汽鍋爐、循環(huán)水泵、閥門等組成。

　　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(shù)和燃料電池的工作狀態(tài)。主要由數(shù)據(jù)采集裝置、調(diào)節(jié)裝置、信號調(diào)理放大等部分組成。

　　為了實(shí)現(xiàn)平臺的功能，需要測量的量共計(jì)86個(gè)，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(gè)繁瑣的工作。在參數(shù)測量的同時(shí)，系統(tǒng)需要完成控制功能，由于控制對象的復(fù)雜性，要達(dá)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(diǎn)。

　　3，數(shù)據(jù)處理

　　在測試的過程中，系統(tǒng)需要為用戶提供相關(guān)的瞬時(shí)測試信息;測試結(jié)束后，系統(tǒng)必須為用戶生成完整的測試報(bào)告，以評價(jià)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)等方面的成熟的產(chǎn)品，該部分的內(nèi)容在本文中不屬于本文的重點(diǎn)，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(nèi)容進(jìn)行介紹。

　　為了實(shí)現(xiàn)平臺的功能，需要測量的量共計(jì)86個(gè)，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(gè)繁瑣的工作。在參數(shù)測量的同時(shí)，系統(tǒng)需要完成控制功能，由于控制對象的復(fù)雜性，要達(dá)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(diǎn)。

開發(fā)環(huán)境選擇

　　如測試平臺構(gòu)成部分所述，系統(tǒng)中傳感器信號和控制信號類型眾多，同時(shí)對于數(shù)據(jù)采樣速率要求很高，因而選用了NI公司的測試環(huán)境，之所以選擇該開發(fā)環(huán)境主要是因?yàn)椋?/p>

　　1. NI公司的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境操作簡便，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程變得簡單，尤其是其軟硬件系統(tǒng)的無縫結(jié)合，極大提高了編程效率與可靠性;

　　2. 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)配置方便，可靠性高。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)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(shí)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變得微不足道;

　　3. 功能強(qiáng)大。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(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)的圖形顯示、數(shù)據(jù)采集工作的實(shí)現(xiàn)、在線數(shù)據(jù)處理、測試報(bào)告的生成以及遠(yuǎn)程協(xié)作控制等變得只是工具包的調(diào)用和系統(tǒng)參數(shù)的配置。

測試平臺硬件系統(tǒng)構(gòu)建

　　本系統(tǒng)硬件采用了NI公司的DAQ系統(tǒng)來實(shí)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(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備;利用繼電器輸出單元來控制重要的開關(guān)器件;利用RS485和GPIB通信端口和外設(shè)裝置進(jìn)行通信;利用工控機(jī)箱的RS232端口和PLC通信，控制次要的設(shè)備和讀取相關(guān)設(shè)備的故障信息;如圖3所示系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　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(shè)計(jì)的繁重工作，尤其是NI內(nèi)嵌式的DAQ系統(tǒng)提供了自由的硬件配置以及測量數(shù)據(jù)校正的功能，大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給了用戶更多的自由空間，使得用戶可以將更多的精力投入到軟件設(shè)計(jì)的工作中。

測試平臺軟件設(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)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(shù)，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備控制以及用戶接口等四方面的工作并行的處理，通過調(diào)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(guān)參數(shù)的變化趨勢。使用NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺，非常方便的實(shí)現(xiàn)多線程的程序架構(gòu)以及良好的用戶界面。系統(tǒng)的軟件功能主要包括：壓縮機(jī)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(wù)，同時(shí)對于測試過程中的相關(guān)結(jié)果進(jìn)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(guān)程度的設(shè)定，顯示各種測量參數(shù)的數(shù)值與圖形顯示。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(shí)可以自由選擇控制算法，調(diào)整控制參數(shù)。如圖4所示。

圖4 用戶界面

　　控制系統(tǒng)的功能是本系統(tǒng)最有特點(diǎn)的模塊，不僅允許用戶對控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，同時(shí)可以自動(dòng)的對系統(tǒng)的模型進(jìn)行在線辨識，對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，在手動(dòng)控制的條件下為用戶做出在線提示。

結(jié)論

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是車載發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)的重點(diǎn) 。本文結(jié)合同濟(jì)大學(xué)所承擔(dān)的國家863燃料電池轎車重大專項(xiàng)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(xiàn)對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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)也為其它類型燃料電池測試平臺的設(shè)計(jì)提供了一種簡潔、高效、相對低成本的設(shè)計(jì)方法。