袁建润， 孙志宏

(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

基于LabVIEW的燃料电池硬件在环测试系统

袁建润， 孙志宏

(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

为了自动化测试燃料电池的电性能和效率，基于LabVIEW平台，应用硬件在环(HIL)技术研制了一套燃料电池仿真测试系统.首先根据测试要求设计和搭建了硬件系统；然后在LabVIEW中进行图形化编程，通过系统集成实现了实时信号处理，完成了HIL仿真测试；并将NEDC (new European driving cycle)测试应用于本测试系统.结果显示该系统能够实现不同功率下的仿真测试，并具有良好的操作性和安全性，为燃料电池的开发提供了一种测试手段.

燃料电池； 硬件在环； LabVIEW； NEDC

在大力发展新能源汽车的背景下，燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展的重要方向，是解决全球能源问题和气候变化的理想方案，被称为绿色的新型环保汽车[1].

燃料电池则是燃料电池汽车的核心部件.燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置[2]，其最常见的燃料为氢.燃料电池的主要构成组件为一个阳极、一个阴极以及电解质.电子由阳极传至阴极产生直流电，形成完整电路.反应产物除电能之外主要为水和热能，无污染.燃料电池的效率为40%～60%.燃料电池电性能主要由极化曲线来进行表征.

近年来，我国的燃料电池研究蓬勃兴起，然而，燃料电池测控系统的研究开发却没有得到相应的重视和同步发展.在整个电池行业研发出燃料电池测试系统的公司屈指可数，国外生产商业化燃料电池测试仪器的公司主要有ElectroChem、Hydrogenics以及NI等公司，他们开发的软硬件测试产品，能够兼容多种燃料电池并测得多项指标，但其价格昂贵、功率兼容性差、操作界面不友好.目前我国燃料电池行业还没有关于燃料电池测试的标准，更没有统一规范的测试平台供应商.国内参与研发燃料电池测试平台的单位主要是燃料电池技术研发单位，开发的燃料电池测试平台，大多仅能满足本单位在燃料电池系统研发过程中的测试需要，测试流程设计繁杂，功能单一[3].

LabVIEW软件是一种功能强大、方便快捷的开发虚拟系统的图形化编程软件，具有良好的实时性[4].本文采用LabVIEW软件及硬件在环(HIL)仿真测试技术，搭建一个实验测试系统，测试燃料电池在不同功率下的电性能和效率值.在此基础上，将NEDC (new European driving cycle)测试应用于本测试系统，实现硬件在环测试，获得相应的燃料电池电性能特征.

1　测试系统的设计

1.1测试系统硬件构成

所建立的HIL测试系统的结构图如图1所示，信号从测试平台采集到接口系统，即与下位机相配套的信号连接盒SCC-68，再输入到信号采集板卡PCI-6221，结果显示于PC机中.而控制信号则反向依次输出.

图1　仿真系统结构图Fig.1　Structure diagram of simulation system

测试平台的硬件系统主要考虑测试的功能性、可控性和安全性.功能模块包括燃料电池模块、供给模块、排气模块、冷却模块、负载模块以及测试模块.硬件系统选用德国schunk公司的FC-08/HLC型燃料电池，其最大输出功率为100 W，开路电压为7.5～9.0 V，最小允许电压为3.5 V，最大允许电流为30 A.氢气的供给可由液化罐提供，保证氢气的纯度≥99.99%.氧气由空气提供，可采用小型鼓风机直接输出.排气模块中，反应的产物为水，可与剩余空气直接排出到室外；未参加反应的剩余氢气需定时排出，每隔60 s打开排气口1 s排出剩余氢气.反应过程中需要严格控制反应温度，避免温度过高，损坏燃料电池.因此需配置冷却系统，实时控制反应温度.本系统采用水冷却系统进行温度控制.冷却系统的动力由小型水泵提供，散热量可通过散热器风扇进行控制.为了获得燃料电池的电性能特征，需要可调控功率大小的负载，本文选用EL 3000 A型电子负载，可实现电压、电流、电功率和电阻4种控制模式，以及两种或多种模式共同实现的控制模式，且可输出负载电压和电流值.测试模块中，为了计算系统化学能和热能，需获得氢气的消耗值、冷却水流量以及通过燃料电池前后气体、水的温度差值，可采用气体流量计、水流量计和热电偶传感器来测量.

根据燃料电池的工作原理，可得化学能为

(1)

考虑到系统的可控性，氢气的供给和排气均采用可控开关阀，通过继电器由LabVIEW进行控制.散热器风扇的开关也采用继电器控制，而负载的开关则由LabVIEW通过模拟信号直接控制.为了保证氢气供给的安全性，采用气动开关阀和手动开关阀双重开关；同时配置氢气检测设备，防止氢气侧漏.整体系统配置紧急切断电源开关，防止意外事故发生.仿真测试系统的硬件系统如图2所示.

图2　仿真测试物理系统Fig.2　Physical system of the simulation test

实验操作程序：为了保证燃料电池的安全性并提高其使用寿命，实验开始时，需要先打开冷却系统，保证实验温度不过高；之后打开空气供给系统；接着是氢气供给系统，并且打开氢气排气阀1 s，保证氢气能够充满燃料电池；检查开路电压是否为预期值，再打开电子负载，进行测试.关闭实验平台时，需先断开电子负载，再关闭氢气供给系统，打开氢气排气阀，排出电池中剩余氢气；接着关闭空气供给系统，最后关闭冷却系统.其中冷却系统散热器的风扇由LabVIEW根据电池温度是否过高自动控制开关.

1.2软件系统的设计

LabVIEW程序设计保证系统具有良好的可控性和安全性，实现信号的实时处理，包括I/O模块、控制模块、安全模块、计算模块、存储模块、显示模块以及人机界面设计，系统软件程序结构图如图3所示.

图3　软件程序结构图Fig.3　Structure diagram of software

I/O模块中，整个系统需测试氢气流量、水流量、电压、电流和4个温度值，共8个模拟信号，故需创建8个虚拟通道，分别进行参数设置，8个通道串联在同一个模拟信号采集任务中.电子负载可实现4种控制模式，控制信号为模拟信号，但考虑到信号采集板卡PCI-6221只有两个模拟输出信号端口，因此选择较为容易实现控制的电流和电功率控制模式.气动自动开关阀、继电器开关阀、电子负载开关以及风扇开关的控制信号为数字信号，需创建 4个数字输出信号通道.安全模块中，为了保证实验安全和提高燃料电池的使用寿命，需防止负载电压低于3.5 V或电流高于30 A；此外，应尽量避免处于开路电路(即输出功率过小，电流接近于零或电压处于开路电压)；同时，需监控电池的反应温度，避免温度过高，损坏电池.如以上任意情况发生，程序将反馈给控制器，自动采取相应保护措施.控制模块中，除了负载控制模式的选择，负载功率大小的控制需实现手动输入和自动读取两种模式，即可手动输入数值进行控制，也可读取一个excel文件自动连续输出一系列功率值，且间隔时间可自定义.当获取采集信号后，程序能够自动计算化学能、电能和热能，获得燃料电池的效率，并导出其电性能特征极化曲线，在人机界面中以数字或图表显示出来，同时可实现实时显示和连续显示，且能够重置连续显示结果.所获得的结果数据以数组形式存入缓存中，最终以excel文件形式导出和保存数据，且能够随时重置存储缓存.为了便于使用者操作控制，将上述各功能在一个良好的人机界面内进行交互.图4为LabVIEW程序的一个人机界面.

图4　人机界面Fig.4　Human-machine interface

1.3测试系统集成

本测试系统采用PCI-6221型信号采集板卡，以实现软件系统和实际硬件系统的连接.在信号采集板卡和传感器之间，由一个信号连接盒SCC-68连接.该信号连接盒具有和PCI-6221板卡相匹配的输入输出端口，便于信号的连接和采集，且有4个扩展槽针对模拟输入和数字I/O的信号调理模块，内置低成本热电偶测量的冷端补偿.

操作使用时，首先将数据采集卡插入PC机插槽中，然后打开NI的MAX(measurement & automation explorer，用于访问NI的软硬件)，在MAX的左侧信息栏显示其中安装的所有硬件.在主程序搭建前，可利用MAX 中的测试面板工具，对模拟信号和数字信号进行初步检测，观察各信号是否正常.

2　NEDC测试变量转换

在NEDC测试中，所知量为不同时间下的车速.本实验中，汽车动力完全由燃料电池供应，因此需将车速值转换为实验控制变量，即电池的功率值.

假定汽车是在平坦路面上进行测试，则阻力主要包括滚动阻力F滚和风阻F风，其计算公式分别为

F滚=kRmg

(2)

(3)

其中：kR为滚动阻力系数，kR=0.013；m为汽车质量，m=1 300 kg；ρ为空气密度，ρ=1.293 kg/m3；v为汽车速度；cd为空气风阻系数，cd=0.37；A为汽车迎风面积，A=2 m2.

则可计算出汽车的牵引力F牵为

(4)

其中：a为汽车的加速度.

牵引力完全由燃料电池提供，牵引力功率值P牵为

(5)

从燃料电池到汽车牵引轮之间的传动效率η为

η=η变η电η轮

(6)

其中：燃料电池到变频器的效率η变=0.90；变频器到电机的效率η电=0.95；电机到轮子的效率η轮=0.95.

此外，车载电控设备需消耗电能P载，由燃料电池提供，故综合式(2)～(6)，可得燃料电池的功率值P燃为

P燃=P牵/η+P载

(7)

其中：P载一般为平均牵引功率的20%.实验中，为了保证燃料电池处于最佳工作区间，假定P载=35 W.

当F牵<0时，燃料电池不再提供牵引力，反而需要增加阻力降低汽车速度，即踩下刹车，此部分能量可由特殊刹车系统回收利用，在本实验中，由LabVIEW自动累加获得总值.

3　仿真测试

利用上述所研制的HIL仿真测试系统，可进行燃料电池的测试.在测试前，需要对燃料电池进行预热，图5为预热阶段温度变化曲线.采用逐渐增加功率输出的方法，使反应温度快速达到合适范围.当温度过高时，LabVIEW接受温度传感器的温度信号，反馈给继电器打开风扇，直至温度下降到预设值，再关闭风扇.如此反复操作，使得温度能够保持在一定的范围内变化.

图5　预热阶段温度曲线Fig.5　Temperature curve during warming up

为了获得表征燃料电池电性能的极化曲线，需要测试允许范围内的一系列电流、电压值，可通过程序中自动控制模式下读取excel文件来实现.如图6所示为测试所得的燃料电池极化曲线.首先随着电流从零开始增大，输出电压有一段下降较快，这主要是因为电极表面的反应速度有限，有电流输出时，电极表面的带电状态改变，驱动电子输出阳极或输入阴极时，产生的部分电压会被损耗掉，这一段被称为电化学极化区(Ⅰ区).其次是输出电压呈线性下降区，称为欧姆极化区(Ⅱ区)，主要是电子通过电极材料及各种连接部件，离子通过电解质的阻力引起的，这种电压降与电流成比例.而理论的极化曲线[5]应包含第3部分，即当输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不再增加，这一段被称为浓差极化区(Ⅲ区)，在此区间由于电压下降过快，在本实验中，已低于燃料电池的允许最低电压3.5 V，将损坏燃料电池，故不做测试.此外，在实验过程中，燃料电池并未能够达到预期的最大功率值，且随着使用次数的增加，实际最大功率能够逐渐增大，这验证了新燃料电池存在一定的活化过程[6].

图6　燃料电池极化曲线Fig.6　Polarization curve of fuel cell

实验中燃料电池在不同功率输出下的效率值如图7所示.由图7可知，在25 W之前，效率随着功率的增加而快速增大，这是由于电池在低功率运行时，主要受活化极化的影响而使电压降低，效率受影响，这种影响在初始状态时最明显.在25 W左右效率达到最大点，之后随着功率的继续增加效率缓慢下降，此时电池受欧姆极化的影响，电压降不明显，因此效率变化也不大.

图7　燃料电池效率曲线Fig.7　Efficiency curve of fuel cell

在NEDC测试中，由式(5)可获得牵引功率的最大值为35 kW，而单个燃料电池提供的最大功率值为100 W.在实际应用中，燃料电池常以电池堆形式使用，故本实验中功率值为实际值的比例缩小值.通过LabVIEW程序控制负载的功率大小，获得相对应的电流、电压变化，其测试结果如图8所示.

(a) 功率

(b) 电流

(c) 电压图8　NEDC测试功率、电流及电压曲线Fig.8　Power, current and voltage curves in NEDC test

由图8可知，在连续测试过程中，电压的波动远比电流的波动要剧烈；此外，随着测试时间的增加，相同功率下，电压值逐渐降低，而电流值略有上升，说明燃料电池在长时间工作下电压存在一定衰减[7].

4　结　语

本文利用LabVIEW软件构建了燃料电池的硬件在环测试系统，实现了对整个测试过程的实时监测和控制，该系统能够自动进行安全保护和调试，获得了燃料电池的电性能特征和效率，且将NEDC测试应用于本系统中，对不同功率输出下长时间工作的燃料电池电性能进行了测试.结果显示：实验极化曲线符合电化学极化区和欧姆极化区变化规律；在低功率阶段，效率随着功率的增加而快速增大，达到最大效率点后，随着功率的增加而逐渐降低；在长时间工作下，燃料电池的电性能存在一定衰减，电压波动较大.此平台可以进一步应用于不同工作条件下对燃料电池电性能的测试，如控制反应气体压力和反应温度.整个测试平台为评价燃料电池系统的优劣和安全性提供了良好的参考.

[1] 毛宗强， 甘颖.氢燃料电池汽车新进展[J].太阳能，2012(8)：17-22.

[2] 侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[J].电化学，2012，18(1)：1-13.

[3] 陶诗涌，高建龙，汤浩.多功能燃料电池测试平台的设计与开发[J].东方电气评论，2011，25(4)：13-19.

[4] 高明，赵楠，张荣芸.基于LabVIEW 的ESP硬件在环仿真实验台开发及仿真研究[J].汽车零部件，2013(6)：53-61.

[5] 毛宗强.燃料电池[M].北京:化学工业出版社，2005.

[6] 李赏，潘牧，袁润章.燃料电池测试规范综述[J].武汉理工大学学报， 2006, 28(2): 539-542.

[7] 刘亚楠，王远远，黄刚，等.固定电站用燃料电池系统性能衰减的规律[J].电池，2013，43(4)：199-202.

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

袁建润(1988—)，男，浙江诸暨人，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论.E-mail:yuanjr88@gmail.com

TM 911.4; TP 391.9

A

孙志宏(联系人)，女，教授，zhsun@dhu.edu.cn