燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)智能測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　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(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)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(cè)試與控制、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)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(píng)價(jià)。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(tái)，不僅確保了測(cè)試平臺(tái)的工作安全性， 同時(shí)也可以對(duì)系統(tǒng)的潛在故障進(jìn)行診斷。此外，由于該測(cè)試平臺(tái)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(cè)試報(bào)告。

測(cè)試平臺(tái)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。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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。一個(gè)完整的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)需要為測(cè)試對(duì)象提供參數(shù)可調(diào)的燃料和溫度控制，以及合適的負(fù)載；并且能夠?qū)y(cè)試過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，為 測(cè)試對(duì)象做出評(píng)價(jià)，以及為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出合理化的建議。

圖1 燃料電池工作原理示意圖

　　對(duì)燃料電池進(jìn)行的測(cè)試主要有三個(gè)：測(cè)試燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的功率輸出特性，以達(dá)到優(yōu)化整車動(dòng)力系統(tǒng)配置的目的；通過測(cè)量燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工 作參數(shù)，建立和驗(yàn)證其數(shù)學(xué)模型或控制模型，用來優(yōu)化燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略；通過測(cè)試不同的輔助系統(tǒng)對(duì)燃料電池的影響，達(dá)到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳匹配。

測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)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(jī)測(cè)試平臺(tái)。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(tái)可分為執(zhí)行、測(cè)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(cè)量與控制部分

　　該部分主要為了測(cè)量和控制平臺(tái)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(hào)調(diào)理放大等部分組成。

　　3、數(shù)據(jù)處理部分

　　在測(cè)試的過程中，系統(tǒng)需要為用戶提供相關(guān)的瞬時(shí)測(cè)試信息；測(cè)試結(jié)束后，系統(tǒng)必須為用戶生成完整的測(cè)試報(bào)告，以評(píng)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)容不屬于本文的重點(diǎn)，故本文主要就系統(tǒng)的測(cè)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(tái)的功能，需要測(cè)量的量共計(jì)86個(gè)，類型各有不同，并且信號(hào)類型眾多，顯然快速、精確、可靠的測(cè)量是一個(gè)繁瑣的工作。在參數(shù)測(cè)量的同時(shí)，系統(tǒng)需要完成控制功能，由于控制對(duì)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(cè)試平臺(tái)開發(fā)的難點(diǎn)。

開發(fā)環(huán)境選擇

　　鑒于系統(tǒng)中傳感器信號(hào)和控制信號(hào)類型眾多，同時(shí)為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)試平臺(tái)的編程過程變得簡(jiǎn)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。

　　其次，數(shù)據(jù)測(cè)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(jiǎn)單的外圍傳感器信號(hào)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(hào)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(cè)試平臺(tái)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(cè)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。

　　基于上述的優(yōu)點(diǎn)，以及考慮到開發(fā)時(shí)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(cè)試平臺(tái)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。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　上述的硬件結(jié)構(gòu)，在測(cè)試的過程中完全達(dá)到了預(yù)期的要求。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)對(duì)相關(guān)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(jìn)行數(shù)據(jù) 濾波處理，完成一次掃描的時(shí)間僅為80ms，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)要求；豐富的外圍資源保證了系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性；同時(shí)采用遠(yuǎn)程終端和本地控制相結(jié)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(xiàn)意外情況下的人員和數(shù)據(jù)的安全性。

測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

　　由于該平臺(tái)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(shì)。使用NI公司的LabView開發(fā)平臺(tái)，非常方便地實(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(cè)試、電堆性能測(cè)試、輔助系統(tǒng)匹配測(cè)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(duì)于測(cè)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(cè)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(cè)試平臺(tái)的不同測(cè)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所示為電堆供氣實(shí)驗(yàn)的操作界面。

圖4 用戶界面

　　控制系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)中最有特點(diǎn)的模塊，不僅允許用戶對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，同時(shí)可以自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行在線辨識(shí)，對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在手動(dòng)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作以及控制進(jìn)行監(jiān)督和協(xié)調(diào)。此外，專家系統(tǒng)內(nèi)部包含了基于學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)時(shí)地對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的特 性參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，調(diào)整內(nèi)部模型，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)可以優(yōu)化內(nèi)部的控制算法，保證該平臺(tái)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(cè)試平臺(tái)。

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)。智能化的100kW級(jí)燃料電池測(cè)試平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆和各輔助部件進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)還 可以對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、控制算法等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為燃料電池的研究提供了充分的支持，同時(shí)也為其他類型燃料電池測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)潔、高 效、相對(duì)低成本的設(shè)計(jì)方法。