燃料電池動機智能測試平臺的設計

僅供個人參考本文建立了基于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，如圖所示。燃料電池發(fā)動機可分為4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。如圖所示的系統(tǒng)的結構框圖。不得用于商業(yè)用途

僅供個人參考圖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)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)平臺的功能要測量的量共計6個型有不同且信號類型眾多，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，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)采集不得用于商業(yè)用途

僅供個人參考系統(tǒng)的使用只是簡單的外圍傳感器信號配置總線的優(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測試平臺開發(fā)中的控制算法的實現(xiàn)數(shù)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)溫度度力和流量等數(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RS485和GPIB通信端口和外設裝置進行通信工控機箱的端口和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。不得用于商業(yè)用途

僅供個人參考圖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，每次采組數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)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NI開發(fā)套件的控制工具包，為用戶提供了、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)。如圖示為電堆供氣實驗的操作界面。不得用于商業(yè)用途

僅供個人參考圖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。文轉自電子工程世界不得用于商業(yè)用途

僅供個人參考僅供個用學習、究不得用商業(yè)用。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.NurfürdenpersnlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwend