CN103676668A

CN103676668A - 基于vc的燃料电池半实物仿真测试系统及建立方法

Info

Publication number: CN103676668A
Application number: CN201310653437.0A
Authority: CN
Inventors: 张立炎; 全书海; 叶欢; 龙容; 陈启宏; 谢长君; 黄亮; 李洁; 段林峰; 答芸
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统及建立方法，该系统包括一台工控机、16路模数A/D采集卡、16路数模D/A采集卡以及32路数字I/O板卡，本发明利用VC软件开发模型代替实际空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统和燃料电池堆各模块的动态运行状况。用A/D采集卡、D/A采集卡和数字I/O板卡建立燃料电池控制器与仿真模型之间的联系，模拟整个燃料电池测试系统。本发明模型输入输出参量均通过A/D采集卡、D/A采集卡和数字I/O板卡传递给燃料电池控制器，实际的控制器、各种信号转换板卡以及用来代替真实燃料电池的仿真模型一起组成闭环测试系统。

Description

基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统及建立方法

技术领域

本发明属于电动汽车测试与试验领域，特别是一种基于VC（Visual C++）的燃料电池半实物仿真测试系统及建立方法。

背景技术

燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池具有低噪音、无污染、能量转换效率高和工作温度低等良好性能，特别适合做电动汽车动力能源。各国政府、企业和科研机构都着重致力于研究质子交换膜燃料电池电动汽车,而燃料电池系统作为燃料电池电动汽车的心脏目前处于新的突破期，正在成为新的研发热点。

燃料电池控制器研制过程中需要大量的测试，尤其需要动态环境下的测试。目前在实验室的静态测试难以发现动态环境中存在的软硬件问题，另外直接在燃料电池上测试存在成本高、周期长、过程复杂等问题，而且不当的操作会降低燃料电池寿命。因此构建燃料电池半实物仿真测试系统是燃料电池控制器研发过程中的重要环节。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据燃料电池系统的工作特性，采用软件工程方法建立模型，结合计算机和接口板卡组成集成化的基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统及建立方法，进行实时仿真和测试。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统，包括工控机、模数A/D采集卡、数模D/A采集卡、数字I/O板卡以及利用VC开发代替实际空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统和燃料电池堆各单元动态运行状况的燃料电池仿真模型，燃料电池控制器通过所述A/D采集卡、D/A采集卡和数字I/O板卡与所述仿真模型连接，构成闭环的燃料电池测试系统；所述燃料电池控制器包括采集单元和主控单元，采集单元连接到工控机的D/A采集卡和数字I/O板卡上，用于接收工控机的输出信号；主控单元一方面利用CAN通信从采集单元获取数据，然后通过USB与上位机通信，将燃料电池系统的输出电压、电流值以及燃料电池系统的其它运行信息反馈给上位机，上位机保存数据，以便分析判断燃料电池系统的发电性能。另一方面，主控单元连接到所述A/D采集卡和数字I/O板卡上，给工控机输出控制信号。

所述仿真模型的具体建立方法如下：

打开VC应用程序，进入仿真界面，设置仿真周期t_max、状态更新时间h和微分方程组初值，运用四阶—龙格库塔法求解微分方程组，利用模型计算公式得到各参数的变化值，比如进、出堆氢气压力、电堆电压、电堆温度等，通过这些参数值判断系统的工作状态，比如空气供给系统、氢气供给系统工作状态是否异常等，通过C++接口程序，将这些值分别写到与采集单元相连的D/A采集卡和数字I/O板卡的相应端口，对t进行更新t+=h，通过C++接口程序分别读取与主控单元相连的A/D采集卡和数字I/O板卡相应模拟输入量端口和数字量端口，准备进入下一次计算，重复以上操作，直到当前时间t大于t_max，则结束本次仿真；所述空气供给系统和氢气供给系统模型是根据试验所得的数据拟合而来，而冷却水系统和燃料电池堆模型则是根据机理模型建立的。

本发明利用VC建模实现整个测试系统，运算速度快，实时性好，能够很好的反映燃料电池运行过程中各参数的动态变化，利用四阶龙格—库塔算法解微分方程具有较高的精确度，是一种优先选取的算法。

本发明具有如下特点：

1)仿真试验测试系统在界面上可设置参数。

2)仿真试验测试系统具有模拟输入输出量和数字量信号显示界面。

本发明基于VC建立燃料电池半实物仿真测试系统，在半实物仿真中，将由主控板和采集板所组成的燃料电池控制器实物直接引入仿真回路，进一步校准系统的数学模型。构成的半实物仿真，对于检验系统各设备的性能将更加直接和有效。控制器能够直接连接该仿真平台进行调试，可以提高系统研制质量、缩短研制周期和节省研制成本，有利于更好地研究影响燃料电池及其系统性能的因素，为燃料电池的研发工作创造更有利的条件。

附图说明

图1为本发明系统框图。

图2为本发明仿真模型工作流程图。

图3为本发明实施例中D/A采集卡连接关系及引脚定义图。

图4为本发明实施例中A/D采集卡连接关系及引脚定义图。

图5为本发明实施例中数字I/O板卡连接关系及引脚定义图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统，包括工控机、模数A/D采集卡、数模D/A采集卡、数字I/O板卡以及利用VC开发代替实际空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统和燃料电池堆各单元动态运行状况的燃料电池仿真模型（工控机），燃料电池控制器通过所述A/D采集卡、D/A采集卡和数字I/O板卡与所述仿真模型连接，构成闭环的燃料电池测试系统；所述燃料电池控制器包括采集单元和主控单元，采集单元连接到工控机的D/A采集卡和数字I/O板卡上，用于接收工控机的输出信号；主控单元一方面利用CAN通信从采集单元获取数据，然后通过USB与上位机通信，将燃料电池系统的输出电压、电流值以及燃料电池系统的其它运行信息反馈给上位机，上位机保存数据，以便分析判断燃料电池系统的发电性能。另一方面，主控单元连接到所述A/D采集卡和数字I/O板卡上，给工控机输出控制信号。

实施例：

以一台工控机作为硬件平台，16路模数A/D采集卡、16路数模D/A采集卡以及32路数字I/O板卡作为硬件支持。软件开发平台是Visual C++。

本发明燃料电池仿真模型主要包括空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统和燃料电池堆(图1）。燃料电池通过氢气和氧气的电化反应产生直流电能，纯粹的燃料电池反应堆不能直接用来作为电源，需要燃料电池堆的各个子系统及控制器配合工作才能向外安全、稳定地输出功率：氢气供给系统负责连续地向燃料电池堆提供一定压力、一定流量的高纯度的氢气，以保证燃料电池堆中的电化学反应的连续进行，氮气的存在是为了保证反应的安全进行，当燃料电池堆发电前或不工作时，为了避免残存在气路的氢气和氧气发生反应造成危险，所以要充入惰性气体；空气供给系统负责连续地向燃料电池堆提供与氢气系统相同压力、一定流量、良好滤清的空气，通入空气加湿器的空气可以选择由转速快、出口空气压力大的高速风机吹进燃料电池堆，以满足燃料电池对大量氧气的需求；冷却水系统负责控制燃料电池堆的温度，以保证燃料电池堆中电化学反应的正常、高效进行。

本发明以空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统、燃料电池堆的动态计算模型代替实际燃料电池的运行，对燃料电池控制系统的控制信号及控制软件进行测试。燃料电池控制器实物与仿真试验测试系统连接后如图1所示。

1）本发明用以下四个表来表示控制参数

①工作状态信号表(输入)

②工作状态信号表(输出)

③模拟输出量信号表

④模拟输入量信号表

组成	名称	端口	信号范围
				空气供给系统	风机转速	A/D1	0/5V

由燃料电池动态模型计算得到模型各参数值和系统工作状态信号，将这些值通过编程分别给定到D/A采集卡和数字I/O板卡相应端口，这些端口通过连线接到采集单元，主控单元一方面从采集单元获取数据，并通过连线分别给A/D采集卡和数字I/O板卡相应端口给定风机转速和各开关控制信号，燃料电池模型会通过编程读取模拟输入信号和各种开关控制信号，并根据此输入信号做下一次运算。主控单元另一方面通过USB通信，给上位机反馈多组燃料电池系统的输出电压、电流值以及燃料电池系统的其它运行信息。本发明仿真模型的工作流程图如图2所示；仿真测试系统中D/A采集卡、A/D采集卡以及数字I/O板卡与各单元连接和引脚定义如图3-图5所示。

2）仿真测试过程

①参数设置

用户启动工控机，选择“参数设置”，输入的参数包括单电池参数、燃料电池堆体积参数、其它参数、辅助系统设备型号和初始条件。参数设置完成之后点击“运行”，启动仿真测试系统。

②控制器工作

燃料电池堆开始工作，进堆空气压力、进堆空气流量、风机电流、风机出口压力、氢气高压压力、进堆氢气压力、进堆氢气流量、出堆氢气压力、进堆水温度、出堆水温度、循环水压力、循环水电流为电堆的输入量，控制单元根据电堆的输出电压特性分析判断，做出控制动作，控制风机、加湿器、氢气电磁阀、氮气电磁阀、尾气电磁阀、风扇、循环水泵及负载开关的开断。控制器和上位机通过USB通讯，可以在上位机上实时观测燃料电池各参数的变化，同时保存数据，以便分析判断燃料电池系统的发电性能。

3）测试效果

经与燃料电池半实物仿真系统进行联调，结果表明，本系统可以很好地考核控制器的信号接口和控制策略，大大节省了在实际试验台和燃料电池系统上的调试时间和成本。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统，包括工控机、模数A/D采集卡、数模D/A采集卡、数字I/O板卡以及利用VC开发代替实际空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统和燃料电池堆各单元动态运行状况的燃料电池仿真模型，燃料电池控制器通过所述A/D采集卡、D/A采集卡和数字I/O板卡与所述仿真模型连接，构成闭环的燃料电池测试系统；所述燃料电池控制器包括采集单元和主控单元，采集单元连接到工控机的D/A采集卡和数字I/O板卡上，用于接收工控机的输出信号；主控单元一方面利用CAN通信从采集单元获取数据，然后通过USB与上位机通信，将燃料电池系统的输出电压、电流值以及燃料电池系统的其它运行信息反馈给上位机，上位机保存数据，以便分析判断燃料电池系统的发电性能；另一方面，主控单元连接到所述A/D采集卡和数字I/O板卡上，给工控机输出控制信号。

2.如权利要求1所述的基于VC的燃料电池半实物仿真测试系统，其特征在于：所述仿真模型的具体建立方法如下：

打开VC应用程序，进入仿真界面，设置仿真周期t_max、状态更新时间h和微分方程组初值，运用四阶—龙格库塔法求解微分方程组，利用模型计算公式得到进、出堆氢气压力、电堆电压以及电堆温度等各参数的变化值，通过这些参数值判断系统中空气供给系统、氢气供给系统、冷却水系统以及燃料电池堆的工作状态，通过C++接口程序，将这些值分别写到与采集单元相连的D/A采集卡和数字I/O板卡的相应端口，对t进行更新t+=h，通过C++接口程序分别读取与主控单元相连的A/D采集卡和数字I/O板卡相应模拟输入量端口和数字量端口，准备进入下一次计算，重复以上操作，直到当前时间t大于t_max，则结束本次仿真；所述空气供给系统和氢气供给系统模型是根据试验所得的数据拟合而来，而冷却水系统和燃料电池堆模型则是根据机理模型建立的。