本發(fā)明涉及燃料電池測(cè)試自動(dòng)化
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種涵蓋燃料電池堆控制、電池堆狀態(tài)巡檢和電池堆性能分析3個(gè)方面的自動(dòng)化測(cè)試分析系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
：燃料電池(FuelCell)是一種以氫氣或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧氣為氧化劑，帶有氣體流動(dòng)通道的雙極板發(fā)電裝置，具有高效率、無(wú)污染的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于便攜式設(shè)備、固定式燃料電池發(fā)電設(shè)備和車輛用燃料電池等領(lǐng)域。燃料電池系統(tǒng)通常由以下6個(gè)部分組成：(1)電池組，其功能是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向外輸送給負(fù)載；(2)氫氣與氧氣供給裝置，其功能是向電池提供燃料和氧化劑，保持電池陰/陽(yáng)極壓力平衡，循環(huán)回收未完全反應(yīng)的氣體；(3)水熱管理系統(tǒng)，其功能是保證電池內(nèi)部的水/熱平衡狀態(tài)，控制燃料電池溫度與濕度在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，使電池具有較高的電能轉(zhuǎn)換效率；(4)電能轉(zhuǎn)換裝置包括DC/DC變換器或DC/AC變換器，在本燃料電池系統(tǒng)中電池堆輸出連接到遠(yuǎn)程電子負(fù)載上；(5)燃料電池巡檢系統(tǒng)，其功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控燃料電池的工作狀態(tài)，向控制系統(tǒng)傳送電池狀態(tài)數(shù)據(jù)；(6)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其功能是對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，確保燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)涉及電化學(xué)，電工學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)。傳統(tǒng)測(cè)試方式是燃料電池堆控制、巡檢和負(fù)載調(diào)節(jié)分開(kāi)，分別由操作者控制電堆燃料輸入、功率輸出和負(fù)載大小，根據(jù)電池巡檢數(shù)據(jù)來(lái)判斷電池當(dāng)前工作狀態(tài)，這樣的測(cè)試方式低效且控制精度低，因此有必要設(shè)計(jì)一種能夠克服此種問(wèn)題的燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種將燃料電池控制、巡檢和負(fù)載調(diào)節(jié)相結(jié)合的燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成燃料電池的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，減少測(cè)試工作量和提高測(cè)試精度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用以下的技術(shù)方案：本發(fā)明提供的燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，主要由燃料電池測(cè)試主控制器、電池巡檢子系統(tǒng)、電池堆發(fā)電子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電子負(fù)載組成。其中，所述燃料電池測(cè)試主控制器采用現(xiàn)場(chǎng)總線接收電池巡檢子系統(tǒng)發(fā)送電池堆發(fā)電子系統(tǒng)的電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集/模擬量發(fā)送板卡來(lái)調(diào)節(jié)、監(jiān)控電池堆發(fā)電子系統(tǒng)的電池堆狀態(tài)和電池堆參數(shù)，使用通用接口總線控制器與遠(yuǎn)程電子負(fù)載通信。所述的燃料電池測(cè)試主控制器，用于實(shí)現(xiàn)燃料電池堆狀態(tài)控制和檢測(cè)、遠(yuǎn)程電子負(fù)載控制、接收電池巡檢數(shù)據(jù)和進(jìn)行燃料電池性能分析，其硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和通過(guò)數(shù)據(jù)線與該工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集板卡、數(shù)據(jù)模擬量發(fā)送板卡、現(xiàn)場(chǎng)總線適配器和通用接口總線控制器組成。所述的數(shù)據(jù)采集板卡，其用于接收多路氫氣、空氣、熱水端和冷水端流量信號(hào)、多路氫氣進(jìn)堆、空氣進(jìn)堆、冷數(shù)端、熱水端、進(jìn)堆水和出堆氫氣壓力信號(hào)、多路冷數(shù)端、進(jìn)堆水和出堆水溫度信號(hào)、以及1路氫氣泄漏報(bào)警信號(hào)。所述的數(shù)據(jù)模擬量發(fā)送板卡，其用于輸出包括氫氣、氮?dú)?、冷卻水、熱水端電磁閥開(kāi)度信號(hào)，減壓閥壓力信號(hào)，水泵頻率信號(hào)，空壓機(jī)空氣開(kāi)度信號(hào)，尾氣閥開(kāi)度信號(hào)。所述的燃料電池測(cè)試主控制器，其軟件是由數(shù)據(jù)流信號(hào)相連的數(shù)據(jù)分析及管理模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、控制模塊和故障處理模塊組成。其中，數(shù)據(jù)分析及管理模塊負(fù)責(zé)分析電池堆測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制極化特性參數(shù)曲線，生成報(bào)表；通信模塊接收電池巡檢子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電子負(fù)載數(shù)據(jù)，通過(guò)控制模塊的數(shù)據(jù)采集卡獲取電池堆工作參數(shù)；通信模塊和控制模塊將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)顯示模塊，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析后顯示在交互界面上，同時(shí)接收到的數(shù)據(jù)也傳遞至數(shù)據(jù)記錄模塊，由數(shù)據(jù)庫(kù)保存；故障處理模塊始終監(jiān)視總線及采集卡采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)燃料電池測(cè)試主控子系統(tǒng)故障時(shí)，發(fā)出停止命令到通信模塊和控制模塊，停止燃料電池工作，關(guān)閉各子系統(tǒng)；控制模塊主要負(fù)責(zé)借助模擬量輸出板卡控制電堆進(jìn)氣量、溫度和壓力，從而調(diào)節(jié)電池堆輸出狀態(tài)，憑借GPIB總線完成電堆與電子負(fù)載相配合，測(cè)試電堆輸出性能。所述的電池巡檢子系統(tǒng)，用于燃料電池電壓巡檢，其采用高精度高共模電壓差積分輸入電壓測(cè)量模塊KPJ01，以及一只主機(jī)和五只擴(kuò)展從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)結(jié)構(gòu)相同、編號(hào)不同。所述的電池堆發(fā)電子系統(tǒng)，主要由氫氣供氣裝置、空氣供氣裝置、水熱管理裝置、電池堆組成，其中，氫氣、空氣、水熱管理裝置由燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；所述氫氣供氣裝置設(shè)有氫氣儲(chǔ)氣罐和輸氣管道，氫氣儲(chǔ)氣罐經(jīng)過(guò)輸氣管道和管道上的電磁閥、減壓閥和穩(wěn)壓閥向電池堆負(fù)極提供恒壓氫氣；所述空氣供氣裝置設(shè)有空氣壓縮機(jī)、加濕器和輸氣管道，空氣壓縮機(jī)將經(jīng)過(guò)凈化的低壓空氣提升為高壓空氣，通過(guò)輸氣管道流經(jīng)加濕器之后通入電池堆正極；水熱管理裝置由氮?dú)鈨?chǔ)氣罐、冷水機(jī)組、散熱板、水泵、加熱水箱、電池堆內(nèi)部循環(huán)回路以及若干電磁閥組成，構(gòu)成內(nèi)/外循環(huán)回路，以此保持電池堆工作在合適溫度下；氮?dú)鈨?chǔ)氣罐用來(lái)在電池啟停時(shí)清洗電池堆。所述的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)有電磁閥、穩(wěn)壓閥、流量控制器、加濕器、循環(huán)水泵、傳感器和加熱器，用于控制燃料電池供氣系統(tǒng)的進(jìn)氣量、壓力、濕度和燃料電池堆的溫度，其響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度決定了電池堆的穩(wěn)定性和負(fù)載響應(yīng)速度的性能。所述的傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器，分別用于測(cè)量燃料電池系統(tǒng)各部分的壓力、溫度和流量等數(shù)據(jù)，其中：壓力傳感器采用MIK-P300擴(kuò)散硅壓力變動(dòng)器，溫度傳感器采用FST600-100，流量傳感器采用LWGY渦輪流量計(jì)。所述的遠(yuǎn)程電子負(fù)載，由多臺(tái)串聯(lián)方式的負(fù)載WCL488SeriesWaterCooledElectronicLoads組成，設(shè)置為恒電流工作模式：遠(yuǎn)程電子負(fù)載與燃料電池測(cè)試主控制器之間使用通用接口總線GPIB進(jìn)行通信，或者采用基于IEEE488的并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)和可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI進(jìn)行通信。本發(fā)明提供的上述的燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，其應(yīng)用是：首先，設(shè)置燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)工作的必要參數(shù)，包括輸出電流密度范圍、電子負(fù)載負(fù)荷范圍、負(fù)載初始值、測(cè)試負(fù)荷間隔、電堆有效膜面積、單個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)和故障保護(hù)值，將燃料電池加熱至工作溫度；然后，開(kāi)啟陰/陽(yáng)極供氣系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)；接著，按照設(shè)置的初始負(fù)荷及電流密度-進(jìn)氣量函數(shù)關(guān)系，自動(dòng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的氫氣、空氣氣體流量和電子負(fù)載負(fù)荷大小，按照設(shè)置的燃料電池工作點(diǎn)進(jìn)行電池堆自動(dòng)化測(cè)試，記錄完整燃料電池工作極化特性曲線；最后，測(cè)試完畢，關(guān)閉各子系統(tǒng)。本發(fā)明與現(xiàn)有的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)相比有如下主要的優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)燃料電池測(cè)試自動(dòng)化，自動(dòng)進(jìn)行燃料電池堆控制、遠(yuǎn)程電子負(fù)載控制、數(shù)據(jù)分析、故障處理及報(bào)表生成一系列步驟，提高了測(cè)試效率和精度，系統(tǒng)運(yùn)行不受操作人員經(jīng)驗(yàn)影響，安全可靠。(2)燃料電池堆溫度控制系統(tǒng)采用模糊控制策略，相比傳統(tǒng)的PID控制具有更高的智能，可以修正參數(shù)使輸出值無(wú)限接近設(shè)定值。而相比于其他高維模糊溫度控制策略，本系統(tǒng)使用一維模糊控制策略，簡(jiǎn)單可靠，響應(yīng)速度快。(3)通過(guò)擬合燃料電池電流密度-氫氣空氣流量關(guān)系多項(xiàng)式來(lái)確定需求電流密度下的氫氣/空氣流量，多項(xiàng)式采用三階多項(xiàng)式，在保證精度的情況下使計(jì)算速度盡量快，從而實(shí)現(xiàn)電流密度控制自動(dòng)化。(4)燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用面向組件軟件設(shè)計(jì)方式，模塊化設(shè)計(jì)軟件，從而方便程序修改和增添新功能。(5)燃料電池測(cè)試數(shù)據(jù)量龐大，傳統(tǒng)人工尋找有效數(shù)據(jù)并且記錄的方式效率低，制表簡(jiǎn)陋。本系統(tǒng)使用專用數(shù)據(jù)處理和管理軟件DIAdem來(lái)完成測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和制作報(bào)表功能，提高了效率。相比于傳統(tǒng)的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)燃料電池溫度控制所使用的模糊控制器維度為一維，模糊控制器維數(shù)越高控制越精確，但是維數(shù)過(guò)高控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)性差。本發(fā)明采用一維模糊控制器，在滿足運(yùn)算精度的條件下，運(yùn)算快速。(2)傳統(tǒng)測(cè)試采用人工控制的測(cè)試方法，人員需要較為熟悉燃料電池以及測(cè)試設(shè)備，24小時(shí)輪班測(cè)試，人員記錄收集數(shù)據(jù)量大，效率低下，采用關(guān)系數(shù)據(jù)擬合自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，可以極大減小人工和錯(cuò)誤率，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和安全。(3)傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備編程控制使用文本編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，模塊化設(shè)計(jì)困難，采用NILabVIEW提高了開(kāi)發(fā)速度，配合NI硬件設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性和模塊化程度，便于后續(xù)修改添加模塊。(4)使用NIDIAdem分析數(shù)據(jù)、生成報(bào)表，可以方便提取有效數(shù)據(jù)和生成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)：1.設(shè)計(jì)一種新的燃料電池測(cè)試自動(dòng)化方法，從燃料電池堆、遠(yuǎn)程電子負(fù)載控制和燃料電池巡檢三方面的自動(dòng)化入手，以虛擬儀器軟硬件平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一種燃料電池控制分析自動(dòng)化系統(tǒng)。2.燃料電池堆溫度控制使用一維模糊邏輯控制策略，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，工作可靠。3.傳統(tǒng)的燃料電池?cái)?shù)據(jù)分析由人工完成，由于數(shù)據(jù)量龐大，效率低錯(cuò)誤多，因此使用專門數(shù)據(jù)分析管理軟件NIDIAdem進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，極大提升效率。4.通過(guò)已有典型的燃料電池電流密度-進(jìn)氣量關(guān)系數(shù)據(jù)擬合得到關(guān)系多項(xiàng)式，作為自動(dòng)測(cè)試的控制依據(jù)。5.自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)軟件采用面向組件的設(shè)計(jì)方式，軟件結(jié)構(gòu)模塊化，從而得到易用、高效、可讀、可維護(hù)、健壯、簡(jiǎn)單的高性能應(yīng)用程序。6.使用階躍法測(cè)試燃料電池歐姆內(nèi)阻，傳統(tǒng)的斷電流法測(cè)試需要停止電池輸出，頻繁啟停燃料電池減少了電池壽命，這里使用電子負(fù)載電流改變時(shí)瞬間產(chǎn)生的電流變化，以階躍法實(shí)現(xiàn)歐姆內(nèi)阻測(cè)試。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的燃料電池測(cè)試主控制器的軟件結(jié)構(gòu)圖。圖3為燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的電池堆發(fā)電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為燃料電池自動(dòng)化測(cè)試流程。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但不限定本發(fā)明。本發(fā)明提供的燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由燃料電池測(cè)試主控制器101、電池巡檢子系統(tǒng)102、電池堆發(fā)電子系統(tǒng)103和遠(yuǎn)程電子負(fù)載104組成，其中：燃料電池測(cè)試主控制器101采用現(xiàn)場(chǎng)總線接收電池巡檢子系統(tǒng)102發(fā)送的電池堆發(fā)電子系統(tǒng)的電壓數(shù)據(jù)；通過(guò)數(shù)據(jù)采集/模擬量發(fā)送板卡，調(diào)節(jié)和監(jiān)控電池堆發(fā)電子系統(tǒng)103的電池堆狀態(tài)和電池堆參數(shù)；使用通用接口總線控制器與遠(yuǎn)程電子負(fù)載104通信。所述的燃料電池測(cè)試主控制器101，用于實(shí)現(xiàn)燃料電池堆狀態(tài)控制和檢測(cè)、遠(yuǎn)程電子負(fù)載控制、接收電池巡檢數(shù)據(jù)和進(jìn)行燃料電池性能分析，其硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和通過(guò)數(shù)據(jù)線與該工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集板卡、數(shù)據(jù)模擬量發(fā)送板卡、現(xiàn)場(chǎng)總線適配器和通用接口總線控制器組成。所述的數(shù)據(jù)采集板卡，采用NIM系列PCI-6221，其具有2路16位模擬輸出、16路模擬輸入、24路數(shù)字I/O線以及32位計(jì)數(shù)器，分辨率為16bits，采樣率為250kS/k，擁有NIDAQmx測(cè)試軟件和硬件配置程序支持；其接線關(guān)系參見(jiàn)表1。該數(shù)據(jù)采集板卡接收4路氫氣、空氣、熱水端、冷水端流量信號(hào)，6路氫氣進(jìn)堆、空氣進(jìn)堆、冷數(shù)端、熱水端、進(jìn)堆水、出堆氫氣壓力信號(hào)，3路冷數(shù)端、進(jìn)堆水、出堆水溫度信號(hào)，1路氫氣泄漏報(bào)警信號(hào)。所述的數(shù)據(jù)模擬量發(fā)送板卡，采用NIPCI-6704，其是一款16位靜態(tài)更新模擬輸出模塊，可以分別提供16路模擬電壓和電流輸出，具有8條數(shù)字I/O線，根據(jù)實(shí)際需要可以分開(kāi)使用，每路輸出通道可以在±10V或0-20mA范圍內(nèi)分別設(shè)定；其接線關(guān)系參見(jiàn)表2。該模擬量發(fā)送板卡可以輸出氫氣、氮?dú)?、冷卻水、熱水端電磁閥開(kāi)度信號(hào)，減壓閥壓力信號(hào)，水泵頻率信號(hào)，空壓機(jī)空氣開(kāi)度信號(hào)，尾氣閥開(kāi)度信號(hào)。使用NIUSB-6211進(jìn)行電池堆電壓快速采樣，記錄電池堆在輸出電流變化10ns內(nèi)的輸出電壓變化。所述的通用接口總線控制器，采用的是一種使用USB接口的即插即用IEEE488.2控制器NIGPIB-USB-HS，其，最多可以控制14臺(tái)可編程GPIB儀器，數(shù)據(jù)傳輸速度1.8MB/s。所述的現(xiàn)場(chǎng)總線適配器，采用ZLGUSBCAN2A，該適配器集成2路獨(dú)立CAN接口，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)PC與CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。所述的燃料電池測(cè)試主控制器101，其軟件構(gòu)成采用面向組件的設(shè)計(jì)方案，具體如圖2所示，由數(shù)據(jù)流信號(hào)相連的數(shù)據(jù)分析及管理模塊201、數(shù)據(jù)記錄模塊202、通信模塊203、數(shù)據(jù)顯示模塊204、控制模塊205和故障處理模塊206組成。其中，數(shù)據(jù)分析及管理模塊201負(fù)責(zé)分析電池堆測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制極化特性參數(shù)曲線，生成報(bào)表等功能。通信模塊203接收電池巡檢子系統(tǒng)102和遠(yuǎn)程電子負(fù)載104數(shù)據(jù)，通過(guò)控制模塊205的數(shù)據(jù)采集卡獲取電池堆工作參數(shù)；通信模塊203和控制模塊205將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)顯示模塊204，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析后顯示在交互界面上，同時(shí)接收到的數(shù)據(jù)也傳遞至數(shù)據(jù)記錄模塊202，由數(shù)據(jù)庫(kù)保存；故障處理模塊206始終監(jiān)視總線及采集卡采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)燃料電池測(cè)試主控子系統(tǒng)故障時(shí)，發(fā)出停止命令到通信模塊203和控制模塊205，停止燃料電池工作，關(guān)閉各子系統(tǒng)；控制模塊205主要負(fù)責(zé)借助模擬量輸出板卡控制電堆進(jìn)氣量、溫度和壓力，從而調(diào)節(jié)電池堆輸出狀態(tài)，憑借GPIB總線完成電堆與電子負(fù)載相配合，測(cè)試電堆輸出性能。上述燃料電池測(cè)試主控制器101的軟件構(gòu)成中，所述數(shù)據(jù)分析及管理模塊201，其中數(shù)據(jù)分析包括極化特性曲線繪制和歐姆極化內(nèi)阻計(jì)算，數(shù)據(jù)管理使用NIDIAdem數(shù)據(jù)管理軟件繪制燃料電池參數(shù)曲線，制作報(bào)表。數(shù)據(jù)記錄模塊202調(diào)用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。通信模塊203包括CAN和GPIB通信部分。數(shù)據(jù)顯示模塊204將電池巡檢系統(tǒng)接收到的電池電壓、電流、電流密度、功率以及各傳感器采集數(shù)據(jù)等顯示在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的界面上?？刂颇K205主要由溫度、壓力、流量控制、自動(dòng)化測(cè)試以及階躍法電流測(cè)試組成；故障處理模塊206包括氫氣泄漏處理、電池電壓異常處理、電池過(guò)溫處理、負(fù)荷過(guò)載處理和氣體供給壓力異常處理。所述的電池巡檢子系統(tǒng)102，用于燃料電池電壓巡檢，其可以采用高精度高共模電壓差積分輸入電壓測(cè)量模塊KPJ01，以及一只主機(jī)M1和五只擴(kuò)展從機(jī)S1、S2、S3、S4、S5；按照實(shí)際測(cè)試單電池?cái)?shù)量，可以使用少于6只巡檢裝置組成一個(gè)系統(tǒng)。KPJ01適用于高壓、電勢(shì)累計(jì)系統(tǒng)的差分電壓測(cè)量，尤其適合于燃料電池單片電壓巡檢電壓測(cè)量，并且采用了高性能車用微處理器進(jìn)行運(yùn)算，包含72路高壓隔離通道，能夠提供準(zhǔn)確的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，可級(jí)聯(lián)使用。主機(jī)和從機(jī)結(jié)構(gòu)相同、編號(hào)不同。在對(duì)燃料電池巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行解析時(shí)，需要從中獲取最大電壓值Vmax、最小電壓值Vmin、電壓平均值Vaverg。主機(jī)編號(hào)M1，從機(jī)編號(hào)S1-S3，前12幀數(shù)據(jù)表示單節(jié)電池電壓，最后一幀表示電池組信息。解析CAN總線數(shù)據(jù)需要使用LabVIEWMGI工具包，求單節(jié)電池電壓最值使用MGIRunningMaximum、MGIRunningMinimum、MGIRunningAverage。所述的電池堆發(fā)電子系統(tǒng)103，如圖3所示，由氫氣供氣裝置、空氣供氣裝置、水熱管理裝置、電池堆(發(fā)電系統(tǒng)無(wú)負(fù)載，負(fù)載位于測(cè)試裝置中)組成，其中氫氣、空氣和水熱管理裝置由測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。所述氫氣供氣裝置設(shè)有氫氣儲(chǔ)氣罐和輸氣管道，氫氣儲(chǔ)氣罐經(jīng)過(guò)輸氣管道和管道上的電磁閥、減壓閥和穩(wěn)壓閥向電池堆負(fù)極提供恒壓氫氣。所述空氣供氣裝置設(shè)有空氣壓縮機(jī)、加濕器和輸氣管道，空氣壓縮機(jī)將經(jīng)過(guò)凈化的低壓空氣提升為高壓空氣，通過(guò)輸氣管道流經(jīng)加濕器之后通入電池堆正極。水熱管理裝置由氮?dú)鈨?chǔ)氣罐、冷水機(jī)組、散熱板、水泵、加熱水箱、電池堆內(nèi)部循環(huán)回路以及若干電磁閥組成，構(gòu)成內(nèi)/外循環(huán)回路，以此保持電池堆工作在合適溫度下；氮?dú)鈨?chǔ)氣罐用于在電池啟停時(shí)清洗電池堆。圖3中數(shù)字標(biāo)號(hào)代表裝置名稱為：尾氣閥1.1，電磁閥1.2～1.5，減壓閥1.6，壓力計(jì)2.1～2.6，流量計(jì)3.1～3.5，溫度計(jì)4.1～4.3，加濕器5，加熱器6，水箱7，水泵8，空壓機(jī)9。所述燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電磁閥、穩(wěn)壓閥、流量控制器、加濕器、循環(huán)水泵和加熱器等，這些控制器負(fù)責(zé)控制燃料電池供氣系統(tǒng)的進(jìn)氣量、壓力、濕度和燃料電池堆的溫度，其響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度決定了電池堆的穩(wěn)定性和負(fù)載響應(yīng)速度等性能。所述的傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器，分別用于測(cè)量燃料電池系統(tǒng)各部分的壓力、溫度和流量等數(shù)據(jù)，其中：壓力傳感器可以采用MIK-P300擴(kuò)散硅壓力變動(dòng)器，24V供電，壓力量程-0.1～100Mpa，輸出信號(hào)4～20Ma或0～5V；溫度傳感器可以采用FST600-100，測(cè)量范圍0～200℃；流量傳感器可以采用LWGY渦輪流量計(jì)，輸出信號(hào)4～20mA，測(cè)量范圍0.04～800m3/h。所述的遠(yuǎn)程電子負(fù)載104，由9臺(tái)串聯(lián)方式的負(fù)載WCL488SeriesWaterCooledElectronicLoads組成，總功率達(dá)108KW，設(shè)置為恒電流工作模式：遠(yuǎn)程電子負(fù)載使用通用接口總線GPIB與燃料電池測(cè)試主控制器101進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程電子負(fù)載作為被控對(duì)象，承擔(dān)“聽(tīng)者”角色；燃料電池測(cè)試主控子系統(tǒng)作為主控制器，承擔(dān)“控制者”角色；而當(dāng)主控制器需要獲取遠(yuǎn)程電子負(fù)載工作狀態(tài)時(shí)，遠(yuǎn)程電子負(fù)載變?yōu)椤爸v者”角色，主控制器變?yōu)椤奥?tīng)者”角色。所述的遠(yuǎn)程電子負(fù)載104和燃料電池測(cè)試主控制器101之間采用基于IEEE488的并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)和可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI進(jìn)行通信，其中：SCPI定義了儀器的程控消息、響應(yīng)消息、狀態(tài)報(bào)告結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式。本發(fā)明提供的燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，參見(jiàn)圖4，其測(cè)試過(guò)程如下：首先，設(shè)置燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)工作的必要參數(shù)S101：輸出電流密度范圍、電子負(fù)載負(fù)荷范圍、負(fù)載初始值、測(cè)試負(fù)荷間隔、電堆有效膜面積、單個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)和故障保護(hù)值等；將燃料電池加熱至工作溫度S102；然后開(kāi)啟陰/陽(yáng)極供氣系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)S103；接著按照設(shè)置的初始負(fù)荷及電流密度-進(jìn)氣量函數(shù)關(guān)系，自動(dòng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的氫氣、空氣氣體流量和電子負(fù)載負(fù)荷大小，按照設(shè)置的燃料電池工作點(diǎn)進(jìn)行電池堆自動(dòng)化測(cè)試，記錄完整燃料電池工作極化特性曲線S104；最后測(cè)試完畢，關(guān)閉各子系統(tǒng)S105。例如：設(shè)置電流密度測(cè)試范圍0-1000mA/cm2，電子負(fù)載負(fù)荷范圍1-100KW，負(fù)荷初始值為100W，測(cè)試負(fù)荷間隔50W，電堆有效膜面積300cm2，單點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)120s，過(guò)溫設(shè)置85℃，過(guò)壓設(shè)置50KPa等。第一步，打開(kāi)內(nèi)循環(huán)加熱器和電磁閥，設(shè)置循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速為最大值，迅速加熱內(nèi)循環(huán)回路，充分與電池堆熱交換，使電堆溫度快速上升，直至到達(dá)設(shè)置溫度值；第二步，開(kāi)啟陰/陽(yáng)極供氣系統(tǒng)，主控制器流量控制程序擬合指定路徑下電池進(jìn)氣量-電流密度關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)如表3所示。采用多項(xiàng)式擬合，設(shè)置多項(xiàng)式階數(shù)為3，得到各階系數(shù)，若設(shè)氫氣進(jìn)氣量為x，空氣進(jìn)氣量為y，電流密度為z，任意測(cè)試工作點(diǎn)電流密度zi，氫氣進(jìn)氣量xi，空氣進(jìn)氣量yi，電池堆輸出功率為pi，電壓為vi，電堆有效膜面積為AE，則該工作點(diǎn)為：zi＝pi/(vi*AE)xi＝-0.0079+0.0233ziyi＝0.0099+0.0973zi實(shí)際擬合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)二階和三階系數(shù)均為0，因此簡(jiǎn)化為一階多項(xiàng)式。初始負(fù)荷100W下，初始電流密度值為(開(kāi)路電壓v0為8V，AE為300cm2)：z1＝100÷8×1000÷300＝41.7mA/cm2相應(yīng)的，初始?xì)錃膺M(jìn)氣量x1為：x1＝-0.0079+0.0233z1＝0.96371m3/h初始空氣進(jìn)氣量y1為：y1＝0.0099+0.0973z1＝4.06731m3/h氫氣進(jìn)氣量(X)范圍：0-34m3/h；空氣進(jìn)氣量(Y)范圍：0-140m3/h；對(duì)應(yīng)模擬量輸出(Q)0-20mA轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為m1和m2。對(duì)應(yīng)公式計(jì)算如下：m1＝ΔX/ΔQ＝1.7m3/mA·hm2＝ΔY/ΔQ＝7m3/mA·h以此根據(jù)測(cè)試負(fù)荷間隔類推下一工作點(diǎn)電流密度和進(jìn)氣量值。每一工作點(diǎn)進(jìn)氣量穩(wěn)定后，發(fā)送SCPI命令設(shè)置電子負(fù)載參數(shù)。同時(shí)開(kāi)啟溫度控制程序控制電池堆溫度。燃料電池堆測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)啟后，首先設(shè)置電池堆工作溫度S101，系統(tǒng)自檢完成后，電池堆開(kāi)始加熱，到達(dá)工作溫度S102后，先按照初始負(fù)荷電流對(duì)應(yīng)的電流密度，給定氫氣、空氣電磁閥開(kāi)度S103，活化極化完成，開(kāi)始測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中需要始終以模糊控制策略保持電池堆溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值。模糊控制策略是以電池堆設(shè)置工作溫度為目標(biāo)值，測(cè)試電池堆實(shí)際工作溫度，設(shè)主控制器監(jiān)控單元設(shè)定溫度為T,電池堆溫度為t使用的模糊控制器的控制規(guī)則按照操作人員經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟：Z(yǔ)言描述，建立溫度偏差精確值e和模糊值E論域，e的論域?yàn)閇-10℃，+10℃]，E的論域?yàn)閇-5,-4,…,0,…,+4,+5]，因此量化因子ke為1/2，為語(yǔ)言變量E選取7個(gè)語(yǔ)言值：NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB，分別表示相較于設(shè)定值負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大，分別對(duì)應(yīng)操作Op1～Op7，其模糊邏輯關(guān)系見(jiàn)表4，其中：Op1對(duì)應(yīng)操作為關(guān)閉外循環(huán)，加熱水箱處于加熱狀態(tài)，循環(huán)泵頻率K＝255；Op2對(duì)應(yīng)操作為關(guān)閉外循環(huán)，加熱水箱處于加熱狀態(tài)，循環(huán)泵頻率K＝200；Op3對(duì)應(yīng)操作為關(guān)閉外循環(huán)，加熱水箱不加熱，循環(huán)泵頻率K＝150；Op4對(duì)應(yīng)操作為關(guān)閉內(nèi)、外循環(huán)，加熱水箱不加熱，循環(huán)泵頻率K＝0；Op5對(duì)應(yīng)操作為打開(kāi)內(nèi)、外循環(huán)，加熱水箱不加熱，循環(huán)泵頻率K＝150；Op6對(duì)應(yīng)操作為打開(kāi)內(nèi)、外循環(huán)，加熱水箱不加熱，循環(huán)泵頻率K＝200；Op7對(duì)應(yīng)操作為打開(kāi)內(nèi)、外循環(huán)，加熱水箱不加熱，循環(huán)泵頻率K＝255。壓力控制程序始終以陰極壓力為基準(zhǔn)，陽(yáng)極壓力側(cè)壓力使用數(shù)字PID算法快速跟蹤陰極壓力。通信模塊203完成實(shí)時(shí)監(jiān)控電池堆和電子負(fù)載狀態(tài)以及向電子負(fù)載發(fā)送控制命令的功能。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境通過(guò)調(diào)用ZLGUSBCANLabVIEW子vi庫(kù)，完成打開(kāi)設(shè)備、初始化總線、讀取設(shè)備信息、讀取總線狀態(tài)、讀取出錯(cuò)信息、清空接收緩沖區(qū)、啟動(dòng)CAN總線、讀取接收緩沖區(qū)幀數(shù)、讀取CAN幀和關(guān)閉設(shè)備等功能，實(shí)現(xiàn)與電池巡檢系統(tǒng)通信功能。電池巡檢子系統(tǒng)102使用KPJ01單片電壓巡檢系統(tǒng)，單塊巡檢系統(tǒng)可以巡檢72節(jié)單節(jié)燃料電池，KPJ01單片電壓巡檢系統(tǒng)與燃料電池測(cè)試主控制101之間通訊使用ZLGUSB-CAN2ACAN轉(zhuǎn)USB通信卡。按照協(xié)議，數(shù)據(jù)顯示模塊204將接收到的數(shù)據(jù)解析為每節(jié)電池的電壓數(shù)據(jù)，顯示在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主界面上。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)幀為：則M1任意單節(jié)電池電壓為：Vi＝[(M100i(highbyte))*256+(M100i(lowbyte))]*0.001GPIB總線使用LabVIEWGPIBVI進(jìn)行編程，本系統(tǒng)中使用USB接口，首先配置控制器，建立相應(yīng)的控件資源，進(jìn)行GPIB初始化、讀取狀態(tài)、GPIB發(fā)送和讀取，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程電子負(fù)載通行功能。在測(cè)試過(guò)程中，設(shè)置負(fù)荷電流時(shí)需要使用GPIB總線向遠(yuǎn)程電子負(fù)載104發(fā)送SCPI控制命令，其流程是：本發(fā)明燃料電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)啟后，先向遠(yuǎn)程電子負(fù)載104發(fā)送測(cè)試命令，測(cè)試遠(yuǎn)程電子負(fù)載是否能夠接受指令，通信線路是否正常；若一切正常，主控制器設(shè)置遠(yuǎn)程電子負(fù)載工作模式以及初始參數(shù)，首先設(shè)置遠(yuǎn)程電子負(fù)載工作在恒流模式，工作電流值為用戶設(shè)置的初始值；當(dāng)電池完成活化極化后，主控制器發(fā)送命令，開(kāi)啟電子負(fù)載；隨著測(cè)試進(jìn)行，按照測(cè)試極化特性曲線要求，每隔指定測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，發(fā)送一個(gè)新的電流命令給遠(yuǎn)程電子負(fù)載，同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求命令，回傳電子負(fù)載工作電流、電壓、功率值；測(cè)試完成，設(shè)置電子負(fù)載電流值減小至初始值，停止工作，關(guān)閉電子負(fù)載。概括為：其中參數(shù)NR2為設(shè)置的負(fù)荷電流值。按照上述流程繼續(xù)測(cè)試直至設(shè)置值邊界，完成計(jì)劃特性曲線測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，故障處理模塊206始終檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，一旦檢測(cè)到系統(tǒng)故障，發(fā)送命令給通信模塊203和控制模塊205，開(kāi)啟掃氣系統(tǒng)，停止燃料電池系統(tǒng)工作，并發(fā)送故障狀態(tài)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)顯示模塊204告知用戶故障類型。測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)記錄模塊202使用LabSQL工具包來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，首先使用自動(dòng)化引用句柄創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)引用，使用ADOConnectionCreate創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，使用ADOConnectionExecute向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。使用ADOConnectionDestroy關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)操作。測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)分析及管理模塊201(NIDIAdem)讀取存儲(chǔ)的電池測(cè)試數(shù)據(jù)，由于處理的數(shù)據(jù)量大，采用交互式數(shù)據(jù)分析和報(bào)告生成軟件NIDIAdem，從中獲取有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合、高級(jí)代數(shù)和數(shù)字濾波等功能，分別使用NAVIGATOR選項(xiàng)、ANALYSIS選項(xiàng)、VIEW選項(xiàng)和REPORT選項(xiàng)依次選中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)、讀取數(shù)據(jù)庫(kù)并將數(shù)據(jù)、篩選電池測(cè)試數(shù)據(jù)、使用數(shù)字濾波工具剔除干擾數(shù)據(jù)和以曲線形式顯示，最終選擇報(bào)表中需要顯示的曲線、文字、坐標(biāo)和表格，生成報(bào)表保存在用戶指定路徑下。表1數(shù)據(jù)采集板卡接線關(guān)系輸入信號(hào)量名稱板卡引腳氫氣流量信號(hào)AI0空氣流量信號(hào)AI1熱水端流量信號(hào)AI2冷水端流量信號(hào)AI3氫氣進(jìn)堆壓力信號(hào)AI4空氣進(jìn)堆壓力信號(hào)AI5冷水端壓力信號(hào)AI6熱水端壓力信號(hào)AI7進(jìn)堆水壓力信號(hào)AI8出堆氫氣壓力信號(hào)AI9冷水端溫度信號(hào)AI10進(jìn)堆水溫度信號(hào)AI11出堆水溫度信號(hào)AI12氫氣泄漏報(bào)警信號(hào)P0.0表2模擬量輸出板卡接線關(guān)系輸出信號(hào)量名稱板卡引腳氫氣電磁閥開(kāi)度信號(hào)AO0氮?dú)怆姶砰y開(kāi)度信號(hào)AO1冷卻水電磁閥開(kāi)度信號(hào)AO2熱水端電磁閥開(kāi)度信號(hào)AO3減壓閥壓力信號(hào)AO4水泵頻率信號(hào)AO5空壓機(jī)空氣開(kāi)度信號(hào)AO6尾氣閥開(kāi)度信號(hào)AO7表3燃料電池進(jìn)氣量-電流密度關(guān)系表表4模糊邏輯關(guān)系表語(yǔ)言值NBNMNSZPSPMPB操作Op1Op2Op3Op4Op5Op6Op7當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3