基于LabVIEW的燃料電池硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

袁建潤(rùn)， 孫志宏

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

基于LabVIEW的燃料電池硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

袁建潤(rùn)， 孫志宏

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

為了自動(dòng)化測(cè)試燃料電池的電性能和效率，基于LabVIEW平臺(tái)，應(yīng)用硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)研制了一套燃料電池仿真測(cè)試系統(tǒng).首先根據(jù)測(cè)試要求設(shè)計(jì)和搭建了硬件系統(tǒng)；然后在LabVIEW中進(jìn)行圖形化編程，通過(guò)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信號(hào)處理，完成了HIL仿真測(cè)試；并將NEDC (new European driving cycle)測(cè)試應(yīng)用于本測(cè)試系統(tǒng).結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同功率下的仿真測(cè)試，并具有良好的操作性和安全性，為燃料電池的開(kāi)發(fā)提供了一種測(cè)試手段.

燃料電池； 硬件在環(huán)； LabVIEW； NEDC

在大力發(fā)展新能源汽車(chē)的背景下，燃料電池汽車(chē)因其具有零排放、效率高、燃料來(lái)源多元化、能源可再生等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，是解決全球能源問(wèn)題和氣候變化的理想方案，被稱為綠色的新型環(huán)保汽車(chē)[1].

燃料電池則是燃料電池汽車(chē)的核心部件.燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[2]，其最常見(jiàn)的燃料為氫.燃料電池的主要構(gòu)成組件為一個(gè)陽(yáng)極、一個(gè)陰極以及電解質(zhì).電子由陽(yáng)極傳至陰極產(chǎn)生直流電，形成完整電路.反應(yīng)產(chǎn)物除電能之外主要為水和熱能，無(wú)污染.燃料電池的效率為40%～60%.燃料電池電性能主要由極化曲線來(lái)進(jìn)行表征.

近年來(lái)，我國(guó)的燃料電池研究蓬勃興起，然而，燃料電池測(cè)控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)卻沒(méi)有得到相應(yīng)的重視和同步發(fā)展.在整個(gè)電池行業(yè)研發(fā)出燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的公司屈指可數(shù)，國(guó)外生產(chǎn)商業(yè)化燃料電池測(cè)試儀器的公司主要有ElectroChem、Hydrogenics以及NI等公司，他們開(kāi)發(fā)的軟硬件測(cè)試產(chǎn)品，能夠兼容多種燃料電池并測(cè)得多項(xiàng)指標(biāo)，但其價(jià)格昂貴、功率兼容性差、操作界面不友好.目前我國(guó)燃料電池行業(yè)還沒(méi)有關(guān)于燃料電池測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，更沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范的測(cè)試平臺(tái)供應(yīng)商.國(guó)內(nèi)參與研發(fā)燃料電池測(cè)試平臺(tái)的單位主要是燃料電池技術(shù)研發(fā)單位，開(kāi)發(fā)的燃料電池測(cè)試平臺(tái)，大多僅能滿足本單位在燃料電池系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的測(cè)試需要，測(cè)試流程設(shè)計(jì)繁雜，功能單一[3].

LabVIEW軟件是一種功能強(qiáng)大、方便快捷的開(kāi)發(fā)虛擬系統(tǒng)的圖形化編程軟件，具有良好的實(shí)時(shí)性[4].本文采用LabVIEW軟件及硬件在環(huán)(HIL)仿真測(cè)試技術(shù)，搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試燃料電池在不同功率下的電性能和效率值.在此基礎(chǔ)上，將NEDC (new European driving cycle)測(cè)試應(yīng)用于本測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試，獲得相應(yīng)的燃料電池電性能特征.

1　測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

所建立的HIL測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，信號(hào)從測(cè)試平臺(tái)采集到接口系統(tǒng)，即與下位機(jī)相配套的信號(hào)連接盒SCC-68，再輸入到信號(hào)采集板卡PCI-6221，結(jié)果顯示于PC機(jī)中.而控制信號(hào)則反向依次輸出.

圖1　仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of simulation system

測(cè)試平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要考慮測(cè)試的功能性、可控性和安全性.功能模塊包括燃料電池模塊、供給模塊、排氣模塊、冷卻模塊、負(fù)載模塊以及測(cè)試模塊.硬件系統(tǒng)選用德國(guó)schunk公司的FC-08/HLC型燃料電池，其最大輸出功率為100 W，開(kāi)路電壓為7.5～9.0 V，最小允許電壓為3.5 V，最大允許電流為30 A.氫氣的供給可由液化罐提供，保證氫氣的純度≥99.99%.氧氣由空氣提供，可采用小型鼓風(fēng)機(jī)直接輸出.排氣模塊中，反應(yīng)的產(chǎn)物為水，可與剩余空氣直接排出到室外；未參加反應(yīng)的剩余氫氣需定時(shí)排出，每隔60 s打開(kāi)排氣口1 s排出剩余氫氣.反應(yīng)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度，避免溫度過(guò)高，損壞燃料電池.因此需配置冷卻系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制反應(yīng)溫度.本系統(tǒng)采用水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制.冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力由小型水泵提供，散熱量可通過(guò)散熱器風(fēng)扇進(jìn)行控制.為了獲得燃料電池的電性能特征，需要可調(diào)控功率大小的負(fù)載，本文選用EL 3000 A型電子負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流、電功率和電阻4種控制模式，以及兩種或多種模式共同實(shí)現(xiàn)的控制模式，且可輸出負(fù)載電壓和電流值.測(cè)試模塊中，為了計(jì)算系統(tǒng)化學(xué)能和熱能，需獲得氫氣的消耗值、冷卻水流量以及通過(guò)燃料電池前后氣體、水的溫度差值，可采用氣體流量計(jì)、水流量計(jì)和熱電偶傳感器來(lái)測(cè)量.

根據(jù)燃料電池的工作原理，可得化學(xué)能為

(1)

考慮到系統(tǒng)的可控性，氫氣的供給和排氣均采用可控開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)繼電器由LabVIEW進(jìn)行控制.散熱器風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)也采用繼電器控制，而負(fù)載的開(kāi)關(guān)則由LabVIEW通過(guò)模擬信號(hào)直接控制.為了保證氫氣供給的安全性，采用氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥和手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥雙重開(kāi)關(guān)；同時(shí)配置氫氣檢測(cè)設(shè)備，防止氫氣側(cè)漏.整體系統(tǒng)配置緊急切斷電源開(kāi)關(guān)，防止意外事故發(fā)生.仿真測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖2所示.

圖2　仿真測(cè)試物理系統(tǒng)Fig.2　Physical system of the simulation test

實(shí)驗(yàn)操作程序：為了保證燃料電池的安全性并提高其使用壽命，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，需要先打開(kāi)冷卻系統(tǒng)，保證實(shí)驗(yàn)溫度不過(guò)高；之后打開(kāi)空氣供給系統(tǒng)；接著是氫氣供給系統(tǒng)，并且打開(kāi)氫氣排氣閥1 s，保證氫氣能夠充滿燃料電池；檢查開(kāi)路電壓是否為預(yù)期值，再打開(kāi)電子負(fù)載，進(jìn)行測(cè)試.關(guān)閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，需先斷開(kāi)電子負(fù)載，再關(guān)閉氫氣供給系統(tǒng)，打開(kāi)氫氣排氣閥，排出電池中剩余氫氣；接著關(guān)閉空氣供給系統(tǒng)，最后關(guān)閉冷卻系統(tǒng).其中冷卻系統(tǒng)散熱器的風(fēng)扇由LabVIEW根據(jù)電池溫度是否過(guò)高自動(dòng)控制開(kāi)關(guān).

1.2軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LabVIEW程序設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)具有良好的可控性和安全性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，包括I/O模塊、控制模塊、安全模塊、計(jì)算模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊以及人機(jī)界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3　軟件程序結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure diagram of software

I/O模塊中，整個(gè)系統(tǒng)需測(cè)試氫氣流量、水流量、電壓、電流和4個(gè)溫度值，共8個(gè)模擬信號(hào)，故需創(chuàng)建8個(gè)虛擬通道，分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，8個(gè)通道串聯(lián)在同一個(gè)模擬信號(hào)采集任務(wù)中.電子負(fù)載可實(shí)現(xiàn)4種控制模式，控制信號(hào)為模擬信號(hào)，但考慮到信號(hào)采集板卡PCI-6221只有兩個(gè)模擬輸出信號(hào)端口，因此選擇較為容易實(shí)現(xiàn)控制的電流和電功率控制模式.氣動(dòng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥、繼電器開(kāi)關(guān)閥、電子負(fù)載開(kāi)關(guān)以及風(fēng)扇開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，需創(chuàng)建 4個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)通道.安全模塊中，為了保證實(shí)驗(yàn)安全和提高燃料電池的使用壽命，需防止負(fù)載電壓低于3.5 V或電流高于30 A；此外，應(yīng)盡量避免處于開(kāi)路電路(即輸出功率過(guò)小，電流接近于零或電壓處于開(kāi)路電壓)；同時(shí)，需監(jiān)控電池的反應(yīng)溫度，避免溫度過(guò)高，損壞電池.如以上任意情況發(fā)生，程序?qū)⒎答伣o控制器，自動(dòng)采取相應(yīng)保護(hù)措施.控制模塊中，除了負(fù)載控制模式的選擇，負(fù)載功率大小的控制需實(shí)現(xiàn)手動(dòng)輸入和自動(dòng)讀取兩種模式，即可手動(dòng)輸入數(shù)值進(jìn)行控制，也可讀取一個(gè)excel文件自動(dòng)連續(xù)輸出一系列功率值，且間隔時(shí)間可自定義.當(dāng)獲取采集信號(hào)后，程序能夠自動(dòng)計(jì)算化學(xué)能、電能和熱能，獲得燃料電池的效率，并導(dǎo)出其電性能特征極化曲線，在人機(jī)界面中以數(shù)字或圖表顯示出來(lái)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和連續(xù)顯示，且能夠重置連續(xù)顯示結(jié)果.所獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)以數(shù)組形式存入緩存中，最終以excel文件形式導(dǎo)出和保存數(shù)據(jù)，且能夠隨時(shí)重置存儲(chǔ)緩存.為了便于使用者操作控制，將上述各功能在一個(gè)良好的人機(jī)界面內(nèi)進(jìn)行交互.圖4為L(zhǎng)abVIEW程序的一個(gè)人機(jī)界面.

圖4　人機(jī)界面Fig.4　Human-machine interface

1.3測(cè)試系統(tǒng)集成

本測(cè)試系統(tǒng)采用PCI-6221型信號(hào)采集板卡，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)和實(shí)際硬件系統(tǒng)的連接.在信號(hào)采集板卡和傳感器之間，由一個(gè)信號(hào)連接盒SCC-68連接.該信號(hào)連接盒具有和PCI-6221板卡相匹配的輸入輸出端口，便于信號(hào)的連接和采集，且有4個(gè)擴(kuò)展槽針對(duì)模擬輸入和數(shù)字I/O的信號(hào)調(diào)理模塊，內(nèi)置低成本熱電偶測(cè)量的冷端補(bǔ)償.

操作使用時(shí)，首先將數(shù)據(jù)采集卡插入PC機(jī)插槽中，然后打開(kāi)NI的MAX(measurement & automation explorer，用于訪問(wèn)NI的軟硬件)，在MAX的左側(cè)信息欄顯示其中安裝的所有硬件.在主程序搭建前，可利用MAX 中的測(cè)試面板工具，對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行初步檢測(cè)，觀察各信號(hào)是否正常.

2　NEDC測(cè)試變量轉(zhuǎn)換

在NEDC測(cè)試中，所知量為不同時(shí)間下的車(chē)速.本實(shí)驗(yàn)中，汽車(chē)動(dòng)力完全由燃料電池供應(yīng)，因此需將車(chē)速值轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)控制變量，即電池的功率值.

假定汽車(chē)是在平坦路面上進(jìn)行測(cè)試，則阻力主要包括滾動(dòng)阻力F滾和風(fēng)阻F風(fēng)，其計(jì)算公式分別為

F滾=kRmg

(2)

(3)

其中：kR為滾動(dòng)阻力系數(shù)，kR=0.013；m為汽車(chē)質(zhì)量，m=1 300 kg；ρ為空氣密度，ρ=1.293 kg/m3；v為汽車(chē)速度；cd為空氣風(fēng)阻系數(shù)，cd=0.37；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積，A=2 m2.

則可計(jì)算出汽車(chē)的牽引力F牽為

(4)

其中：a為汽車(chē)的加速度.

牽引力完全由燃料電池提供，牽引力功率值P牽為

(5)

從燃料電池到汽車(chē)牽引輪之間的傳動(dòng)效率η為

η=η變?chǔ)请姦禽?/p>

(6)

其中：燃料電池到變頻器的效率η變=0.90；變頻器到電機(jī)的效率η電=0.95；電機(jī)到輪子的效率η輪=0.95.

此外，車(chē)載電控設(shè)備需消耗電能P載，由燃料電池提供，故綜合式(2)～(6)，可得燃料電池的功率值P燃為

P燃=P牽/η+P載

(7)

其中：P載一般為平均牽引功率的20%.實(shí)驗(yàn)中，為了保證燃料電池處于最佳工作區(qū)間，假定P載=35 W.

當(dāng)F牽<0時(shí)，燃料電池不再提供牽引力，反而需要增加阻力降低汽車(chē)速度，即踩下剎車(chē)，此部分能量可由特殊剎車(chē)系統(tǒng)回收利用，在本實(shí)驗(yàn)中，由LabVIEW自動(dòng)累加獲得總值.

3　仿真測(cè)試

利用上述所研制的HIL仿真測(cè)試系統(tǒng)，可進(jìn)行燃料電池的測(cè)試.在測(cè)試前，需要對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱，圖5為預(yù)熱階段溫度變化曲線.采用逐漸增加功率輸出的方法，使反應(yīng)溫度快速達(dá)到合適范圍.當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，LabVIEW接受溫度傳感器的溫度信號(hào)，反饋給繼電器打開(kāi)風(fēng)扇，直至溫度下降到預(yù)設(shè)值，再關(guān)閉風(fēng)扇.如此反復(fù)操作，使得溫度能夠保持在一定的范圍內(nèi)變化.

圖5　預(yù)熱階段溫度曲線Fig.5　Temperature curve during warming up

為了獲得表征燃料電池電性能的極化曲線，需要測(cè)試允許范圍內(nèi)的一系列電流、電壓值，可通過(guò)程序中自動(dòng)控制模式下讀取excel文件來(lái)實(shí)現(xiàn).如圖6所示為測(cè)試所得的燃料電池極化曲線.首先隨著電流從零開(kāi)始增大，輸出電壓有一段下降較快，這主要是因?yàn)殡姌O表面的反應(yīng)速度有限，有電流輸出時(shí)，電極表面的帶電狀態(tài)改變，驅(qū)動(dòng)電子輸出陽(yáng)極或輸入陰極時(shí)，產(chǎn)生的部分電壓會(huì)被損耗掉，這一段被稱為電化學(xué)極化區(qū)(Ⅰ區(qū)).其次是輸出電壓呈線性下降區(qū)，稱為歐姆極化區(qū)(Ⅱ區(qū))，主要是電子通過(guò)電極材料及各種連接部件，離子通過(guò)電解質(zhì)的阻力引起的，這種電壓降與電流成比例.而理論的極化曲線[5]應(yīng)包含第3部分，即當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)，燃料供應(yīng)不足，電極表面的反應(yīng)物濃度下降，使輸出電壓迅速降低，而輸出電流基本不再增加，這一段被稱為濃差極化區(qū)(Ⅲ區(qū))，在此區(qū)間由于電壓下降過(guò)快，在本實(shí)驗(yàn)中，已低于燃料電池的允許最低電壓3.5 V，將損壞燃料電池，故不做測(cè)試.此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，燃料電池并未能夠達(dá)到預(yù)期的最大功率值，且隨著使用次數(shù)的增加，實(shí)際最大功率能夠逐漸增大，這驗(yàn)證了新燃料電池存在一定的活化過(guò)程[6].

圖6　燃料電池極化曲線Fig.6　Polarization curve of fuel cell

實(shí)驗(yàn)中燃料電池在不同功率輸出下的效率值如圖7所示.由圖7可知，在25 W之前，效率隨著功率的增加而快速增大，這是由于電池在低功率運(yùn)行時(shí)，主要受活化極化的影響而使電壓降低，效率受影響，這種影響在初始狀態(tài)時(shí)最明顯.在25 W左右效率達(dá)到最大點(diǎn)，之后隨著功率的繼續(xù)增加效率緩慢下降，此時(shí)電池受歐姆極化的影響，電壓降不明顯，因此效率變化也不大.

圖7　燃料電池效率曲線Fig.7　Efficiency curve of fuel cell

在NEDC測(cè)試中，由式(5)可獲得牽引功率的最大值為35 kW，而單個(gè)燃料電池提供的最大功率值為100 W.在實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池常以電池堆形式使用，故本實(shí)驗(yàn)中功率值為實(shí)際值的比例縮小值.通過(guò)LabVIEW程序控制負(fù)載的功率大小，獲得相對(duì)應(yīng)的電流、電壓變化，其測(cè)試結(jié)果如圖8所示.

(a) 功率

(b) 電流

(c) 電壓圖8　NEDC測(cè)試功率、電流及電壓曲線Fig.8　Power, current and voltage curves in NEDC test

由圖8可知，在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中，電壓的波動(dòng)遠(yuǎn)比電流的波動(dòng)要?jiǎng)×遥淮送猓S著測(cè)試時(shí)間的增加，相同功率下，電壓值逐漸降低，而電流值略有上升，說(shuō)明燃料電池在長(zhǎng)時(shí)間工作下電壓存在一定衰減[7].

4　結(jié)　語(yǔ)

本文利用LabVIEW軟件構(gòu)建了燃料電池的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行安全保護(hù)和調(diào)試，獲得了燃料電池的電性能特征和效率，且將NEDC測(cè)試應(yīng)用于本系統(tǒng)中，對(duì)不同功率輸出下長(zhǎng)時(shí)間工作的燃料電池電性能進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果顯示：實(shí)驗(yàn)極化曲線符合電化學(xué)極化區(qū)和歐姆極化區(qū)變化規(guī)律；在低功率階段，效率隨著功率的增加而快速增大，達(dá)到最大效率點(diǎn)后，隨著功率的增加而逐漸降低；在長(zhǎng)時(shí)間工作下，燃料電池的電性能存在一定衰減，電壓波動(dòng)較大.此平臺(tái)可以進(jìn)一步應(yīng)用于不同工作條件下對(duì)燃料電池電性能的測(cè)試，如控制反應(yīng)氣體壓力和反應(yīng)溫度.整個(gè)測(cè)試平臺(tái)為評(píng)價(jià)燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)劣和安全性提供了良好的參考.

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Hardware-in-the-Loop Test System of Fuel Cell Based on LabVIEW

YUANJian-run,SUNZhi-hong

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Aimed at getting the electrical properties and efficiency of fuel cell automatically, hardware-in-the-loop (HIL) technology is applied to develop a fuel cell simulation test system based on LabVIEW. A hardware system is designed and built for testing. Graphical programs are presented in LabVIEW. Real-time signal processing is achieved through system integration to complete HIL test, then NEDC(new European driving cycle) test is used in this test system. The results indicate that this system can test the fuel cell under several different loads with a good operability and safety, providing a testing means for fuel cell development.

fuel cell； hardware-in-the-loop； LabVIEW； NEDC (new European driving cycle)

1671-0444(2015)03-0348-06

2014-03-26

袁建潤(rùn)(1988—)，男，浙江諸暨人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論.E-mail:yuanjr88@gmail.com

TM 911.4; TP 391.9

A

孫志宏(聯(lián)系人)，女，教授，zhsun@dhu.edu.cn