一種PEMFC發動機測試系統擴展接口

丁小松，雷梟, 張興旺，潘鈴

（1.廣州擎天實業有限公司，廣州 510860； 2.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

氫能作為一種高效、清潔的綠色能源，在百年未有之大變局的21世紀初期[1]，對中國國家能源安全意義非同一般，2019年，中國進口的相關產品，原油位列第二達2 800多億美元。僅2019年底，中國汽車保有量就突破2.6億輛之多，而每年中國汽車消耗的原油量為進口的1/3左右。中國的原油產量又無法有力支持汽車產業的爆發式增長，關乎國家能源安全、環境保護、技術創新發展等眾多密切相關領域的發展新能源汽車[2,3]，經過20多年的發展，雖然使中國成為了全球最大的新能源汽車大市場，但PEMFC產業鏈中眾多關鍵零部件及材料，裝配工藝等均受國際科技巨頭長期壟斷，雖然近年來國內外企業合作頻繁，但未有效改變國外采購國內組裝的產業鏈實質。PEMFC零部件及材料與配套的測試系統昂貴，售后維護便捷性有待商榷，設備整體利用率偏低，時效性差，專用接口導致設備無法應用于其他類型發動機測試，占用設備及配套資源，導致折舊費率高，企業經營運行負擔加大。針對PEMFC氫燃料電池發動機高度專業集成、接口排他專用的客觀實際。在通用PEMFC氫燃料電池發動機測試系統基礎臺架基礎上，開發擴展接口，將實現一對多，提高氫燃料電池發動機測試系統的適用性，及經濟性。

1 應用需求

PEMFC發動機系統集成了加濕、流量控測、壓力控制等功能單元[4,5]，如圖1 所示對PEMFC發動機進行測試時，除了配置水、電、氣單元，根據GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能測試方法》[6]，GB/T 28183-2011《客車用燃料電池發電系統測試方法》[7]，GB/T 23645-2009《乘用車用燃料電池發電系統測試方法》，要求被測燃料電池發電系統給測試平臺提供和接收以下信息[8]：

圖1 PEMFC發動機測試系統配置圖

1）電池堆工作溫度；

2）電池堆和燃料電池發電系統的電壓和電流；

3）能接受起停信號；

4）能接受功率給定信號；

5）能夠給出故障碼。

PEMFC燃料電池的研究中國內外資料文獻對接口的描述極少，均是各廠商及研究機構對自有研發產品進行性能測試驗證的研究報道，對關鍵材料性能對比、流程結構設計的關注較多[9,10]。近年來隨著國內外企業的合作，各種類型的PEMFC電池堆、發動機系統大量涌現，國內PEMFC發展日新月異，在PEMFC產品中，普遍采用專用排它接口，引腳定義不明確，如圖2所示，使驅動控制及維護長期依附授權技術服務及支持。

圖2 幾種PEMFC發動機及其控制接口

2 實現方法

基于PEMFC氫燃料電池發動機測試配置，在通用臺架基礎上，兼顧測試配套裝備聯動及車載控制驅動需求，采用智能網關聯通各種通訊協議。經模擬量及數字量電路的定向設計開發，使模、數信號傳輸兼具遠、近混控方式，選用針式拔插盤結構，以匹配各類型接頭。實現一對多驅動，如圖3所示。

圖3 擴展接口匹配示意圖

2.1通訊

車用網絡A、B、C和其它類型通訊中。CAN作為一種串行通信協議，其傳輸速率10~1 Mbit/s范圍[11]，有效兼顧CAN B和CAN C區段，雙膠線纏繞，兩線電位相反，電壓和恒定，防外界電磁波干擾和向外輻射能力強，有效地支持分布式實時控制站點擴展簡便特性，使CAN總線被廣泛應用于汽車環境中的微控制器通訊領域，如車輛信息中心、故障診斷與儀表信息顯示、動力與傳動系統的控制。當前現代化的汽車紛紛以工業CAN總線作為自己的控制通信系統，不同種類和品牌的汽車都擁有基于自身CAN總線的通信協議。

PEMFC發動機測試系統配置中，受涉氫安全規范影響，通常設置遠程控制臺，在偏離測試現場區域用臺式電腦經專用配套測試軟件對受測PEMFC發動機進行監視及控制。臺式電腦的通訊，普遍采用工業以太網或板載通訊卡對外聯絡，如PORT RS232 多串口卡，PCI總線轉4路CAN等。

PEMFC發動機測試系統配置網絡中，電子負載、無油空氣壓縮機、去離子冷卻設備的隨動控制及聯調，涉及以太網、RS232、RS485等工業設備通訊協議。通訊互聯采用工業級通訊轉換模塊，將以太網裝備與CAN網絡設備聯通，使以太網和CAN數據實時交互，形成寬泛的工業控制設備擴展型通訊網絡。各種通訊協議接口的無障礙聯通。如圖4所示，通訊可編程智能網關，集成1路CAN接口、1路以太網接口、1路RS485接口、1路RS232接口的總線模擬控制器[12]，用于連接CAN總線、RS232/485總線、以太網總線，并支持常見的工業現場總線，如：CAN open、Modbus RTU、Modbus TCP等。如圖5所示，充分運用通訊總線快速實現功能擴展與及時通信。

圖4 通訊擴展接口單元

圖5 智能網關通訊模塊

2.2模擬量

模擬量單元如圖6所示，選用高品質三隔離電量變送模塊，搭配開發設計的整定電路板，提供直流電壓母線，限壓電阻R1及電壓調整電位器WR1，為電量變送模塊輸入提供DC 0~5 V可調直流電壓，經由變送器原/副邊隔離電參量的線性映射，產生DC 0~5 V或4~20 mA動態響應，由串聯或并聯在線路上的顯示表實時顯示當前給定值。

圖6 模擬量通道

2.3數字量

數字量單元如圖7所示，DI開關量輸出采用重聯雙位置開關，一路經3、4觸點給出，一路經1、2觸點和指示燈Lm1狀態指示。D0開關量輸入采用固態繼電器，線圈經外部信號接口1A、1B形成回路，一路觸點經3（1A’）、4（1B’）觸點給出，一路經1、2觸點和指示燈Lm1狀態指示。

圖7 數字量通道

2.4接口整合

參數調整旋鈕、顯示表計、投切開關等所有功能單元集成為一套含2路CAN總線、2路485、2路232、2路以太網、16路AI/O、16路DI/O的接口組件。模擬量、數字量輸入/輸出采用PEMFC發動機測試平臺直聯接口，并與擴展接口內置功能模擬并行方式。可手動給定及實時調整。經可拔插對接接頭，各種新能源汽車連接器、航空插頭，整合成一種可應用于PEMFC發動機測試系統的可擴展型接口，如圖8所示。

圖8 接口集成示意圖

3 總結

在通用PEMFC氫燃料電池發動機測試系統基礎臺架基礎上，開發擴展，兼顧測試配套裝備聯動及車載控制驅動需求，采用工業成熟的通訊轉換模塊，及電量變送器，開發適用測試PEMFC發動機測試電路板，快速集成一種擴展簡易接口，能經濟及高效的實現一對多驅動，在此基礎上，可進一步智能化，如加入PLC可編程控制模塊、模擬量、數字量輸入/輸出、上位監控等模塊，擴展PEMFC發動機智能接口。