丁 志， 程宏辉， 陈东雷

（扬州大学 a.机械工程学院；b.电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

0 引 言

氢能是一种来源广泛、清洁高效的新型可再生能源。积极发展氢能技术对促进能源社会良性转型有重大战略意义［1］。固态储氢技术由于其储氢密度大、安全性高、制备技术成熟等优点被广泛研究［2-5］。储氢材料的长期吸放氢循环特性是评价其是否具备工程应用价值的一项关键指标。针对目前储氢循环寿命测试设备普遍存在价格昂贵、测试效率低、数据冗余严重等问题，本文基于LabVIEW［6］软件构建了优化的循环寿命测试系统。依据循环寿命测试数据处理办法，从测试速度和精度两个方面考虑，分别设计了“直充法”与“缓冲法”。通过编写LabVIEW程序对这两种方法进行组合，仅对用户定义的目标区间进行数据的采集、计算和显示。改善传统循环寿命测试设备由于采集模式单一引起的数据冗余、显示卡顿等问题，提升测试系统的运行效率。

1 系统整体设计

循环寿命测试系统的整体设计如图1所示。

图1 循环寿命测试系统结构示意图

该系统主要包括以下模块。

1.1 供电模块

采用220 V交流电为温控仪、上位机、空压机以及真空泵等高功率负载供电。采用24 V直流电源与UK2.5B接线端子为测试系统内部各传感器、变送器以及阀门驱动模组等低功率负载供电。

1.2 维持模块

选用AI-518P温度控制器，通过模糊PID调节算法分别对加热炉与填充有储氢材料的增压罐进行温度控制，从而维持实验所需的温度与压力。

1.3 测试模块

选用扬州大学新能源材料与技术实验室研发的H2PCT-2101型储氢材料测试装置。该装置已经在LabVIEW环境下集成了泄漏率测试［7］、循环活化测试［8］、PCT测试［9］、动力学测试等多种测试功能。测试压力为0～10 MPa，测试温度为0～600℃，自定义报警下限温度为400℃。配备一块USB-6002数据采集卡，输入量程为±10 V，配有8个模拟输入通道，13条数字线，可选差分（DIFF）与单端（RSE）两种信号连接方式，最大采样率为50 kS/s。

1.4 抽真空模块

选用EDWARDS RV8型双极旋片真空泵，峰值抽速为8.5 m3/h，电动机额定功率为450 W，额定转速为1 470 r/min。

2 寿命测试方法设计与选择

2.1 测试方法的设计

传统循环寿命测试可以视为由若干个独立的吸/放氢测试构成，测试过程中需要连续采集与存储数据，造成资源累积占用。为解决此问题。结合图2所示的气路系统结构图设计了两种寿命测试方法。

图2 气路系统结构示意

2.1.1 直充法

直充法是指在充氢阶段打开阀门V1、V4，直接向样品室内充入氢气，等待压力平稳，即表明样品吸氢饱和。只需设定合适的吸/放氢时间，直充法便能实现吸/放氢循环功能，且步骤少，耗时短。但是涉及计算方面［9］，储氢合金的吸/放氢量等效于整个气路内部气态氢的损失/增加量之和，即

其中，wti的主要计算参数为各部分气路的容积、压力与温度。在实际操作中：①由于多数储氢材料在活化后性质十分活泼，在室温下与氢气接触即可迅速产生氢吸附效应，腔体内部将会产生明显的压力降，难以确定充氢的初始压力；②充氢时，氢气经阀门V1迅速流入干燥的密封气路，无法及时与外界进行热交换，将会产生显著的温升，即负焦耳-汤姆逊效应［10］。此时，计算所需的3个参数中有两个是不准确的，可知直充法虽然耗时短，但是无法精确计算氢摩尔量及其他循环寿命表征参数。

2.1.2 缓冲法

缓冲法是指在充氢时打开V1、V3，将储气室及扩容钢瓶GB1作为缓冲区，设定足够长的时间，以获取缓冲区内部稳定的初始压力，并削弱负焦-汤效应的影响。再打开阀门V4连通缓冲区与样品室。在涉及氢摩尔量计算的步骤前后，例如抽真空后、充氢后、打开阀门V4后，都需要足够的等待时间，以满足氢摩尔量的计算精度要求。对比直充法更加耗时，并产生数据与内存占用。

图3、4所示为两种方法对应的吸氢流程图。放氢 为吸氢的逆过程，在此不再赘述。

图3 直充法的吸氢流程图

图4 缓冲法的吸氢流程图

2.2 测试方法的选择

陈健等［11］提出循环寿命数据的处理办法：从上千次的循环寿命区间内选取若干离散的特征数据片段（S1，S2，…，Sn），从这些特征片段中提取压力，温度、储氢容量等表征信息，进一步分析储氢材料的长期使役行为和衰退机制。根据此办法，本文在特征区间段（S1，S2，…，Sn）选用缓冲法，以精确计算储氢容量、吸/放氢容量保持比等循环性能表征数据；在其他非特征区间选用直充法，以减少测试时间和内存占用。两种方法自由组合实现分段测试功能，可以在不影响测试效果的前提下大幅缩短测试周期，将数据量减少90%以上，消除图表显示控件的卡顿现象。随着循环次数的增加，这些优势将被扩大。

3 循环寿命测试的软件设计

3.1 软件框架设计

选用LabVIEW软件编写循环寿命测试程序，采用状态机［12］编程架构，依次编写初始化、阀门控制、延迟等待、数据处理、寿命计算、图形显示、状态选择、报表生成等状态分支代码。通过“枚举变量”函数可以实现各个状态分支的切换。利用“枚举变量”将不同值分配给各状态分支，并创建带初始化的移位寄存器连接至状态机。程序运行时，当前状态分支的代码全部执行后，枚举变量的值将顺着LabVIEW数据流［13］流入移位寄存器的输入端口，并从下一个目标状态分支的移位寄存器输出端口流出，完成状态分支的切换，执行不同的功能代码，继而实现循环寿命测试的全部流程。

此外，程序运行期间有一部分代码需要始终执行。例如“生产者-消费者”［14］中消费者模块需要实时运行以生产数据；“While循环”嵌套的“事件结构”需要实时侦听和响应前面板用户事件等等。这些代码应放在状态机框图之外，并保持循环状态。

3.2 分段测试功能设计

本文详细介绍分段测试功能的设计过程，目的是提高系统测试效率。主要介绍“直充法”与“缓冲法”之间的切换逻辑。

首先在前面板创建相关控件并进行功能定义：

（1）创建列数为2，名为“测试区间”的数组控件“Array”，向“Array”输入数据集合（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），（0，0），定义xα/yα为任意采集区间的起点/终点，定义0为采集终止符。

（2）创建一个名为“采集？”的布尔输入控件“Boolean”。创建带初始化的移位寄存器记录程序进入初始化状态分支的次数，并将该值作为当前循环次数m。

（3）创建名为“循环次数”以及“放氢容量保持比”的数值输入控件，设定值为t与γde，用于程序终止判定。

（4）利用“Index Array”函数索引“Array”数组，将m与（xα，yα）做逻辑比较，根据逻辑比较的结果选择执行直充法或缓冲法的相关代码，并进行循环计数、终止判断等操作。

根据上述定义方法设计程序，图5为分段测试方法逻辑判定模块的LabVIEW程序框图，图6为程序运行流程图。

图5 分段测试方法逻辑判定框图

图6 程序运行流程图

3.3 用户界面设计

在前面板划分若干功能区域，如图7所示，包括了参数设定、通道配置以及多个实时显示模块：阀门状态、温度、压力、循环动力学曲线、循环寿命曲线、吸/放氢量、吸/放氢容量保持比等。实验人员可通过前面板显示的各项指标综合分析储氢合金的循环寿命性能。

图7 测试系统前面板

4 实验与分析

为了验证系统的正确性，称取1.674 3 g的La0.5Ce0.5Ni4Co标准样品，在298 K、5 MPa环境下每隔10次切换1次测试方法，共进行121次循环寿命测试。前面板包含循环寿命曲线显示模块，如图8所示。可以看出，程序仅在实验人员规定的7个区间内部进行了数据采集与计算。实验人员可以通过观察曲线走向来评价合金的循环寿命性能。

图8 循环寿命曲线

La0.5Ce0.5Ni4Co合金的吸/放氢容量保持比γab/de随测试次数m的变化关系如图9所示。随着m不断增加，合金的吸/放氢容量整体呈现缓慢衰减的趋势，在经历121次循环后，其放氢容量保持比在0.99以上。对比常规的AB5合金［15］，该合金具备更好的循环稳定性。离散化的测试形式并未造成合金的循环寿命性能表征失真或其他不良影响。121次循环所产生数据文件分别占用204 KB和3.78 KB的内存，与常规寿命测试动辄数十兆的数据量相比，大幅降低了内存占用，足以应对更高次数的循环寿命实验。

图9 吸/放氢循环容量保持比

经过分析可知，所设计的分段测试功能较好地兼顾了循环寿命测试准确性与高效性两方面的要求。

5 结 语

本文设计了一种储氢材料循环寿命测试系统，优化了测试方法，利用LabVIEW软件编写了测试程序。实验证明，该系统可以有效分析储氢合金的循环寿命性能，采用分段测试模式节省了大量的实验时间与数据空间，提高程序的鲁棒性。