燃料电池发动机智能测试平台的设计

本文建立了基于NI集成软硬件环境燃料电池发动机测试平台。该平台可以实现燃料电池发动机及其辅助系统的测试与控制、燃料电池发动机系统参数测量、 为燃料电池发动机提供多种工况环境，甚至系统控制策略的评价。利用NI开发套件建立了一个内嵌专家系统的智能软件平台，不仅确保了测试平台的工作安全性， 同时也可以对系统的潜在故障进行诊断。此外，由于该测试平台的高速采样，使得燃料电池发动机动态特性参数的准确性得到保证，本系统利用这些参数自动生成包 括燃料电池发动机动态模型的测试报告。

测试平台功能要求

燃料电池发动机的本质是一个电化学的反应堆，能够对外输出电能，如图1所示。燃料电池发动机可分为4个部分：空气系统、氢气系统、循环水系统和燃料 电池堆。一个完整的燃料电池发动机测试平台需要为测试对象提供参数可调的燃料和温度控制，以及合适的负载；并且能够对测试过程中的数据进行相应的处理，为 测试对象做出评价，以及为进一步的优化设计提出合理化的建议。

图1 燃料电池工作原理示意图

对燃料电池进行的测试主要有三个：测试燃料电池发动机在不同工况下的功率输出特性，以达到优化整车动力系统配置的目的；通过测量燃料电池发动机的工 作参数，建立和验证其数学模型或控制模型，用来优化燃料电池发动机的控制策略；通过测试不同的辅助系统对燃料电池的影响，达到燃料电池发动机的最佳匹配。

测试平台的构成

基于上述的功能要求，本文建立了智能化的燃料电池发动机测试平台。如图2所示的系统的结构框图。

图2 系统结构

按照工作性质整个平台可分为执行、测控以及数据处理三个部分：

1、执行部分

该部分主要为了满足系统功能的需要配置的各种制冷、加热、加湿、水处理等大型设备，由冷冻机、换热器、蒸汽锅炉、循环水泵、阀门等组成。

2、测量与控制部分

该部分主要为了测量和控制平台的特性参数和燃料电池的工作状态。主要由数据采集装置、调节装置、信号调理放大等部分组成。

3、数据处理部分

在测试的过程中，系统需要为用户提供相关的瞬时测试信息；测试结束后，系统必须为用户生成完整的测试报告，以评价燃 料电池发动机的性能。由于系统中执行部分主要利用化工工业和制冷技术等方面的成熟的产品，该部分的内容不属于本文的重点，故本文主要就系统的测量、控制和 数据处理方面的内容进行介绍。

为了实现平台的功能，需要测量的量共计86个，类型各有不同，并且信号类型众多，显然快速、精确、可靠的测量是一个繁琐的工作。在参数测量的同时，系统需要完成控制功能，由于控制对象的复杂性，要达到良好的控制效果一直都是燃料电池测试平台开发的难点。

开发环境选择

鉴于系统中传感器信号和控制信号类型众多，同时为了达到系统设计的目的，必须采用高速率的数据采样，因而选用了NI公司的测试环境。

首先，NI公司的硬件环境和软件环境操作简便，LabView的图形化编程界面及其优异的图形控件使得测试平台的编程过程变得简单，尤其是其软硬件系统的无缝结合，极大提高了编程效率与可靠性。

其次，数据测试系统配置方便，可靠性高。数据采集结构的开放性，使得数据采集系统的使用只是简单的外围传感器信号配置，同时PXI总线的优越性能使得数据采集的信号多样性、速度和精度要求高等难题能够迎刃而解。

再次，NI开发套件工具包配置齐全，使得测试平台开发中的控制算法的实现、数据的图形显示、数据采集工作的实现、在线数据处理、测试报告的生成以及远程协作控制等变得只是工具包的调用和系统参数的配置。

基于上述的优点，以及考虑到开发时间以及人力等综合成本的因素，本系统中采用了NI公司的数据采集系统以及软件开发环境。

测试平台硬件系统构建

本系统硬件采用了NI公司的DAQ系统来实现温度、湿度、压力和流量等数据的采集；利用模拟量输出单元来控制相应的调节设备；利用继电器输出单元来 控制重要的开关器件；利用RS485和GPIB通信端口和外设装置进行通信；利用工控机箱的RS232端口和PLC通信，控制次要的设备和读取相关设备的 故障信息。系统的硬件结构如图3所示。

图3 系统硬件结构

上述的硬件结构，在测试的过程中完全达到了预期的要求。实验证明，系统对相关的数据采集采用1kHz的采样速率，每次采集10组数据，然后进行数据 滤波处理，完成一次扫描的时间仅为80ms，满足了系统设计的动态要求；丰富的外围资源保证了系统良好的扩展性；同时采用远程终端和本地控制相结合的方式 不仅保证了操作的方便性，同时可以保证在出现意外情况下的人员和数据的安全性。

测试平台软件设计

由于该平台可以提供多种功能，要充分利用其各种功能，为系统设计和理论分析提供更多的帮助，则主要依赖于软件系统的开发。

本系统利用该开发环境提供的多线程技术，将系统的数据采集、数据处理、设备控制以及用户接口等四方面的工作并行的处理，通过调用NI开发套件的控制 工具包，为用户提供了PID、模糊等多种控制算法。并且通过图形显示各相关参数的变化趋势。使用NI公司的LabView开发平台，非常方便地实现多线程 的程序架构以及良好的用户界面。系统的软件功能主要包括：压缩机测试、电堆性能测试、辅助系统匹配测试、历史数据分析、电堆性能仿真以及辅助系统仿真等功 能。软件系统中嵌入了专家系统，根据用户执行不同的操作分配系统的任务，同时对于测试过程中的相关结果进行了分类处理，供用户备用。

在用户界面中，系统提供了各执行部件的操作按钮以及开关程度的设定，显示各种测量参数的数值与图形。通过用户界面，用户不仅可以选择测试平台的不同测试功能，同时可以自由选择控制算法，调整控制参数。如图4所示为电堆供气实验的操作界面。

图4 用户界面

控制系统是本设计中最有特点的模块，不仅允许用户对控制参数进行在线调整，同时可以自动对系统的模型进行在线辨识，对系统的工作状态进行预测，在手动控制的条件下为用户做出在线提示。

本系统中，嵌入了专家控制系统，对整个系统的操作以及控制进行监督和协调。此外，专家系统内部包含了基于学习的预测控制算法，实时地对系统内部的特 性参数进行辨识，调整内部模型，不仅可以实现对潜在的故障进行预测，同时可以优化内部的控制算法，保证该平台的控制功能实时地优化，成为一个有生命力的智 能性测试平台。

结论

燃料电池发动机是车载发动机的研发的重点。智能化的100kW级燃料电池测试平台不仅可以实现对燃料电池发动机的电堆和各辅助部件进行测试，同时还 可以对燃料电池发动机的性能、控制算法等进行综合评价，为燃料电池的研究提供了充分的支持，同时也为其他类型燃料电池测试平台的设计提供了一种简洁、高 效、相对低成本的设计方法。

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