盧靜，彭暉，楊杰，王俊

(1. 中國地質(zhì)大學( 武漢) 機械與電子信息學院，湖北武漢430074;2. 北京第二外國語學院教育技術(shù)中心，北京100024)

燃料電池是將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有效率高、無污染、質(zhì)量輕等優(yōu)點，可作為便攜式電子產(chǎn)品的小型電池，也可應(yīng)用于小型集中供電或分散式供電系統(tǒng)，極具有發(fā)展?jié)摿?。目前深受世界各國的重視，被列為未來世界十大科技之首?/p>

燃料電池的性能受多種因素影響，需要監(jiān)控的對象較多，包括溫度、流量、壓力和氣體組分等。傳統(tǒng)的方法是采用設(shè)備組態(tài)的方式來建立監(jiān)控系統(tǒng)。蒙奎君［1］的SOFC (Solid Oxide Fuel Cells，固體氧化物燃料電池)系統(tǒng)由工程師站、通訊網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備組態(tài)三部分組成，涉及的主要設(shè)備有電子負載、流量積算儀，流量計以及溫控儀，它們分別對加熱爐的溫度、燃料與空氣的流量等進行測控。由于采用的是半自動式控制，控制量和監(jiān)測量有限，同時監(jiān)測也不方便，需要熟練的技術(shù)人員。此外，燃料電池反應(yīng)過程對人員操作造成的誤差十分敏感，難以確保所獲數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。因此，自主開發(fā)新型的燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)對于燃料電池商業(yè)化的發(fā)展具有重要的意義，可以為燃料電池提供可靠的運行環(huán)境，使其更高效率地工作。

作者分析了測試需求，根據(jù)影響性能的主要因素制定了測試的總體方案。燃料電池的監(jiān)控系統(tǒng)以LabVIEW 為軟件開發(fā)工具和設(shè)計平臺，利用軟件模擬儀器部分硬件功能，并結(jié)合通用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)真正儀器的功能［2］。用戶可以通過友好的圖形界面來操作計算機，從而完成對被測對象的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲等工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計

燃料電池系統(tǒng)的最終目標是在合適的時間為合適的對象提供合適的動力。為達到這個目標，一個燃料電池系統(tǒng)通常分為4 個子系統(tǒng):燃料電池堆，熱管理子系統(tǒng)，燃料傳輸處理子系統(tǒng)，電子電力子系統(tǒng)。燃料經(jīng)過一定的處理(過濾、重整預(yù)熱等)后經(jīng)過反應(yīng)堆進行反應(yīng)，反應(yīng)生成的電供外部使用，反應(yīng)生成的熱既可循環(huán)利用也可供外部使用。燃料電池的控制系統(tǒng)通常由3 個獨立的部分組成:一個是系統(tǒng)監(jiān)測部分，用計量器、感應(yīng)器等監(jiān)測SOFC 的運行條件;一個是系統(tǒng)驅(qū)動部分，用閥門、泵、開關(guān)等來調(diào)節(jié)并控制系統(tǒng)內(nèi)部的變化;還有一個是中心控制單元，它能調(diào)節(jié)監(jiān)測感應(yīng)器與控制驅(qū)動器間的相互關(guān)系［3］。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案

系統(tǒng)采用NI 公司的LabVIEW 軟件和相應(yīng)的硬件搭建監(jiān)控平臺。方案如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

系統(tǒng)首先通過前端的傳感器獲取信號，再經(jīng)過一系列信號調(diào)理后將信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀粩?shù)據(jù)采集卡接收的標準信號，在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入計算機內(nèi)。在PC 機內(nèi)，利用已經(jīng)安裝的Lab-VIEW 軟件對采集的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲和邏輯控制等。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)所要獲取的有溫度、壓力、流量等信號，它們所對應(yīng)的傳感器和信號調(diào)節(jié)方式如表1 所示。

表1 系統(tǒng)采用的傳感器及其對應(yīng)的信號調(diào)節(jié)方式

監(jiān)控系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是NI 公司的PCI6112。PCI6112 有12 位模擬輸入，A/D 采樣速率最高至100 kHz，16 路單端或差分輸入雙極性輸入信號;芯片帶采樣/保持。2 個12 位單片集成電路多通道模擬輸出，16 路數(shù)字輸入/輸出通道。3 個獨立的可編程16 位遞減計數(shù)器，3 種A/D 觸發(fā)模式:軟件觸發(fā)，可編程定時觸發(fā)和外部緩沖觸發(fā)。DC-DC 積分轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的模擬電源，轉(zhuǎn)化時間為8 μs。它的各種參數(shù)均能滿足系統(tǒng)需要。

由于系統(tǒng)要獲取的信號參數(shù)較多，所需要的信號調(diào)節(jié)方式又各不相同，而采用一般的電路處理較為繁瑣且性能不能保證滿足實際要求，因此系統(tǒng)中采用專用的信號調(diào)理設(shè)備SCXI 卡。它是信號調(diào)理可擴展系統(tǒng)，可以獲取溫度、壓力、流量等信號的組合并將這些信號進行前期處理后輸入數(shù)據(jù)采集卡中。系統(tǒng)中熱電偶的溫度信號輸入選擇模塊組SCXI-1125 和SCXI-1328 以實現(xiàn)300 Vrms 的隔離、1 ～2 000 的增益、4 Hz 或10 kHz 的可編程模擬濾波器、冷端補償?shù)裙δ?。壓力和流量輸入使用SCXI-1125 隔離模塊對信號進行隔離、放大和濾波。

系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架圖

監(jiān)控系統(tǒng)的溫度控制主要由光電耦合器和雙向晶閘管完成。系統(tǒng)發(fā)出脈沖調(diào)制(PWM)信號，經(jīng)過驅(qū)動器控制光電耦合器中發(fā)光二極管的狀態(tài)，從而控制雙向晶閘管的通斷，進而控制加熱棒的加熱時間。使用光電耦合器可以有效地降低外界對系統(tǒng)的影響，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性［4－5］。為了使雙向晶閘管正常工作，在雙向晶閘管的兩個主極之間加上了RC 電路［6］。

壓力控制的目的是實現(xiàn)氣體壓力的實時連續(xù)控制并且產(chǎn)生高精度、快速響應(yīng)的氣體壓力信號。由于氣體壓力具有非線性和不確定性的特點，在壓力控制器中，采用了減壓閥、電磁比例閥和壓力伺服閥組成的氣體回路。電磁比例閥是一種通過電信號控制氣體壓力的裝置，它只能適用于低壓的場合，因此需要先將氣體減壓到它所能承受的范圍內(nèi)。工作時，電磁比例閥根據(jù)PC 機發(fā)出的控制信號將通過減壓閥的低壓氣體送到壓力伺服閥中，壓力伺服閥為氣體先導(dǎo)式伺服閥，根據(jù)低壓氣體來控制閥芯的開合，進而控制輸出氣體的壓力高低［7］。

系統(tǒng)通過一個電磁閥來控制流量的輸入，當流量的反饋值偏大時根據(jù)輸出信號的大小設(shè)置電磁閥的開合比，以此來增加流量或者減小流量，直到測得的流量是所需要的值為止。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW 軟件編程，主要由用戶管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制器模塊組成，完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，并為用戶提供一個方便的操作界面。

1.3.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊包括對系統(tǒng)日期進行顯示、實行密碼保護以及數(shù)據(jù)共享等。其中，系統(tǒng)的日期顯示是直接利用“格式化日期/時間字符串”函數(shù)來獲取計算機系統(tǒng)的當前時間，并根據(jù)設(shè)置的固定格式進行顯示。密碼保護包括登陸系統(tǒng)的密碼和修改后面板程序的密碼，后者是通過設(shè)置文件的VI 屬性實現(xiàn)的。創(chuàng)建一個網(wǎng)站服務(wù)器，并使它指向包含VI 的目錄，遠程用戶就可通過訪問這個服務(wù)器打開目錄下的VI，甚至可以對其進行操作，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。在“登陸”選項卡中，設(shè)計了“使用步驟”按鈕，點擊此按鈕，就會顯示操作步驟及注意事項。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)報警三個部分。其中數(shù)據(jù)顯示包括數(shù)值實時顯示和圖表顯示。數(shù)值溫度分別以攝氏溫度和華氏溫度表示。圖形顯示中將設(shè)置的最高溫度、最低溫度以及測量溫度以不同的顏色進行實時顯示。由于在“監(jiān)控”選項卡中，要顯示的數(shù)據(jù)曲線較多，故對其“可見”屬性節(jié)點進行了相關(guān)設(shè)置，使其曲線可以根據(jù)需要進行顯示(圖3)。

圖3 系統(tǒng)的監(jiān)控選項界面

數(shù)據(jù)存取模塊可將實時數(shù)據(jù)以日期為文件夾名保存到“測量數(shù)據(jù)”文件夾中。當需要查看某個文件(包括實時數(shù)據(jù)，錯誤事件等)時，可通過在前面板中選擇對應(yīng)路徑，即可將數(shù)據(jù)調(diào)入“查看內(nèi)容”區(qū)域。

數(shù)據(jù)報警模塊是軟件設(shè)計的重要組成部分。它包括超限報警和錯誤報警。對于超限報警，數(shù)據(jù)報警模塊會將采集到的數(shù)值與報警設(shè)定值進行比較。當數(shù)據(jù)超限時，模塊會將報警信息以及報警點的信息發(fā)送給人機交互層，操作人員會根據(jù)實際情況進行確認操作［8］。在D 盤的“測量數(shù)據(jù)”文件夾中，新建“Erroevent”文本文件，記錄超限的事件。報警模塊中涉及的最高和最低值綜合考慮了燃料電池材料和傳感器的耐受力、最佳反應(yīng)溫度等因素。

1.3.3 控制模塊

系統(tǒng)采用PID 算法來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。PID 算法具有一定的魯棒性，容易實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無靜差，控制精度高，能滿足大多數(shù)工業(yè)過程的要求［9］。它是通過調(diào)用LabVIEW 軟件中附加的PID 工具包(PID-Tooltik)實現(xiàn)的。利用該工具包中的PID 子VI，可在人機界面中直觀地進行控制環(huán)節(jié)的設(shè)計。在該VI 中，設(shè)置PID 的3 個參數(shù)值(PID Gains)、系統(tǒng)反饋值 (Process Variable)、期望值(Setpoint)以及微分時間(dt)，便能得到需要的輸出值(Output)。該VI 還能設(shè)置輸出值的范圍(Output High and Output Low)。

PID 控制中參數(shù)的整定可參照以下PID 參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)［7］:

溫度T:P =20% ～60%，t =180 ～600 s，D =3～180 s;

壓力P:P=30% ～70%，t=24 ～180 s;

液位L:P=20% ～80%，t=60 ～300 s;

流量L:P=40% ～100%，t=6 ～60 s。

圖4 所示為LabVIEW 編寫的后面板程序。

圖4 LabVIEW 編寫的后面板程序

2 系統(tǒng)測試

由于燃料電池堆還在試制階段，根據(jù)系統(tǒng)測試的需要，數(shù)據(jù)來源于隨機數(shù)據(jù)。運行程序發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)一切運行良好，能夠正常顯示數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、報警正常等，設(shè)計的各項功能均能實現(xiàn)。如圖5 所示，左邊顯示的是打開保存數(shù)據(jù)的結(jié)果，右邊顯示的是流速的歷史曲線。

圖5 查看歷史數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

基于LabVIEW 設(shè)計的固體氧化物燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)集成了多種設(shè)備的功能，它可在計算機上完成多種數(shù)據(jù)的同時顯示、保存、報警以及PID 控制等功能;數(shù)據(jù)查找十分方便，減少了傳統(tǒng)人工監(jiān)控和記錄的失誤和繁瑣，達到了集中監(jiān)控的目的。在研發(fā)應(yīng)用中，可以借助它來確定和優(yōu)化能量輸出的特性，延長電堆的使用壽命;在驗證階段，可以優(yōu)化設(shè)計以備大規(guī)模生產(chǎn)，以及在不降低效率的情況下降低電堆的總成本;對于制造應(yīng)用，可以確保它們符合設(shè)計規(guī)范?？傊?，系統(tǒng)能夠為研究、開發(fā)或制造燃料電池提供測量、控制、分析及可視化工具。

【1】蒙奎君.固體氧化物燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)［D］.大連:大連理工大學，2008.

【2】姜風國，王燕濤，朱彬. 基于LabVIEW 的軸線直線度誤差測量系統(tǒng)開發(fā)［J］. 機床與液壓，2012，40(7):86 －88.

【3】RYAN O’Hayre，車碩源，WHITNEY Colella，等. 燃料電池基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

【4】蘇新兵，胡良謀，曹克強，等.基于虛擬儀器的空中加油吊艙聯(lián)調(diào)測控系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2012，40(3):99 －102.

【5】江偉，袁芳.LabVIEW 環(huán)境下溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.國外電子測量技術(shù)，2004(3):8 －10.

【6】張偉，劉紅麗.基于LabVIEW 的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計［J］.國外電子元器件，2008(12):19 －21.

【7】李娟，劉鴻飛.高壓氣體壓力及流量控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(5):35 －36.

【8】劉義成.燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)［D］.上海:上海交通大學，2009.

【9】劉懷印，龔國芳，施虎，等.基于LabVIEW 的盾構(gòu)推進系統(tǒng)模糊PID 控制［J］.機床與液壓，2011，39(9):1 －4.