一種燃料電池發(fā)動機智能測試平臺的設(shè)計

應用領(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)動機測試平臺,為燃料電池發(fā)動機提供各種工況環(huán)境，采樣其各種重要參數(shù)，評價燃料電池發(fā)動機的動態(tài)特性，并且為燃料電池發(fā)動機匹配以及控制提供一個完整的試驗環(huán)境。

應用方案：

　　使用NI開發(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)控制策略的評價的功能。利用NI開發(fā)套件建立了一個內(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。

正文

測試平臺功能要求

　　燃料電池發(fā)動機的本質(zhì)是一個電化學的反應堆，能夠?qū)ν廨敵鲭娔埽鐖D1所示。燃料電池可分為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。

圖1 燃料電池工作原理示意圖

　　對燃料電池進行測試主要是有三個目的，功率輸出特性，不同工況工作規(guī)律，建立或者驗證其數(shù)學模型或控制模型。根據(jù)測試目的，燃料電池測試平臺應具有控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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)動機測試平臺。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)整個平臺的可分為執(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(shè)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

　　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。

　　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(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，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

　　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)境主要是因為：

　　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(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(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)裝置進行通信;利用工控機箱的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行測量，避免了硬件設(shè)計的繁重工作，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，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)計的工作中。

測試平臺軟件設(shè)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(shè)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(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)，同時對于測試過程中的相關(guān)結(jié)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(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)最有特點的模塊，不僅允許用戶對控制參數(shù)進行在線調(diào)整，同時可以自動的對系統(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。

結(jié)論

　　燃料電池發(fā)動機是車載發(fā)動機的研發(fā)的重點 。本文結(jié)合同濟大學所承擔的國家863燃料電池轎車重大專項的研發(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，同時也為其它類型燃料電池測試平臺的設(shè)計提供了一種簡潔、高效、相對低成本的設(shè)計方法。