CN105116339B - 一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，包括仿真单元、仿真控制单元、传感器测量单元。仿真单元包括PC和dSPACE及接口板。仿真控制单元包括电压可调电源、电堆热模拟系统以及负载。传感器测量单元包括电压测量模块、电流测量模块、K型热电偶以及PLC。其中电压可调电源输入是220V交流市电，输出为0‑30V可调，电堆热模拟系统通过均匀分布在电池片上的电热丝来模拟输入氢气的流量、空气流量、放电电流引起的电堆热效应。本发明调试方便，模拟效果好，能大幅度降低测试实验的物力以及时间成本，并且具有通用性和开放性，能够模拟大多数有热电耦合类型的燃料电池电堆。

Description

一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种在中高温条件下将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学发电装置。与以燃烧为基础的传统发电方式相比具有高能量转化效率、零污染、零噪声等突出特点，是一种非常有前景的发电方式。由于这些优点，国际上许多国家，特别是一些发达国家对SOFC技术的研发给予了高度重视，出台了各种相关政策。

就目前SOFC发电系统发展现状，都处于试验阶段，并没进入商业化。SOFC系统开发周期时间长，电堆成本高，热电耦合导致的控制难度大是掣肘该行业发展的几个关键因素。电堆在实际工作中热特性和电特性始终存在耦合影响，特别在电堆处于动态过程(外部负载变化时)的时候这种耦合现象会更复杂，用实际电堆来分析这种耦合现象会增加研究成本。

SOFC固体氧化物燃料电池运行的最适宜温度在750℃左右，温度过低会导致燃料电池内阻过大，电池的放电效率不高。温度过高会导致电池内部材料软化变形。固体氧化燃料电池片的厚度在毫米级，对电池片上最大温差有要求，如果局部温度过高或者过低都会导致电池片弯曲过度从而破裂。燃料电池的放电特性和燃料电池内部的温度有关联，温度场的波动会引起放电电压和电流的波动。而放电电流反过来会再电堆内部产生热量从而引起温度的变化，上述即为燃料电池热电耦合的过程。

实际运行中电堆温度场分布十分复杂，由于整体温度过高或者是局部温度过高会导致电堆运行效率不高，更严重的情况下会导致电堆内部结构受损。故很有必要去研究电堆温度场的分布，但是由于一个电堆的造价十分昂贵，循环次数有限，无法多次重复试验来验证控制算法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，能模拟电堆正常工作状态下的热特性、电特性，从而能为控制算法测试提供一个控制对象来检验算法的可行性。

本发明提供一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，包括仿真单元、仿真控制单元以及传感器测量单元，其中：

所述仿真单元包括工控机PC、dSPACE以及接口板，所述工控机PC用于显示参数以及设置参数，所述dSPACE用于将其运行的模型中的变量转换成现实的电信号，所述接口板用于将所述dSPACE中模型变量的电信号传出去以及将所述传感器测量单元的电信号采集进所述dSPACE中；

所述仿真控制单元包括电压可调电源、电堆热模拟系统以及负载，所述电压可调电源用于将所述dSPACE模型中的电压转换成现实中的物理意义上电压，所述电堆热模拟系统用于还原热模型中计算出的温度场，所述负载用于验证电堆模型下的运行状态；

所述传感器测量单元包括电压传感器、电流传感器以及PLC，所述电压测传感器用于测量所述电压可调电源输出电压，所述电流传感器用于测量所述电压可调电源的输出电流，所述电压传感器、电流传感器、所述电堆热模拟系统通过所述PLC将测量信号转换成标准信号通过所述接口板传输给所述dSPACE。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实验平台用一个电源和一组电热丝来模拟实物电堆电特性与热特性，成本比用实物电堆低。氢气量和空气量在模型中给定，所以现实中不需要用氢气来做实验，这大大节约了实验成本。由于采用dSPACE，则可以很容易将MATLAB中所编的控制算法用到实物中，并且还可以对电堆的数学模型进行验证，故本发明可以不用实物堆来进行对控制算法的检验，并且实验时间也会大大的缩减，不用额外开发控制器，既节省了物力成本又节省了时间成本。当在模拟状态中检验的算法成熟后，本发明还可以用于实物电堆的控制，可以达到最优控制、稳定控制。这对于提高电堆的使用寿命，提高电堆的发电效率，提高系统的安全性提供了有力的支撑。除此之外本发明是一个开放式系统，可以根据实验的目标要求，测试任意功率下有关热电耦合的控制算法。

附图说明

图1为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的原理框图；

图2为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的连接示意图；

图3为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的传感器与PLC的接线图；

图4为本发明电堆热模拟系统的原理框图；

图5为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟方法的工作原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的原理框图。包括仿真单元、仿真控制单元和传感器测量单元。其中，仿真单元包括工控机PC和dSPACE及接口板，用于模拟电堆的运行状态。仿真控制单元包含电压可调电源、电堆热模拟系统以及负载，用于将仿真单元中热和电的特性物理化。传感器测量单元包含若干电压传感器、电流传感器以及温度传感器，用于将仿真控制单元中所展现出来的热和电的特征参数转为电信号传回仿真单元。

图2所示为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的连接示意图，包括工控机PC、dSPACE、DS2211多路I/O接口板、电压可调电源、PLC、电流传感器、电压传感器、电堆热模拟系统及负载。其中工控机PC包括Control Desk(dSPACE附属软件，运行在PC上用来与dSPACE通信)，用于显示参数以及设置参数。在本发明实施例中，显示的参数包括：电堆温度、负载功率、电堆输出电流、电堆输出电压；设置的参数包括：氢气流量、空气流量。dSPACE用于将模型中的变量转换成现实的电信号，dSPACE中运行的模型包括电模型、热模型和控制模型，其中电模型用于模拟电堆的电特性、热模型用于模拟电堆的热特性、控制模型用于控制电堆稳定工作。利用PC上的MATLAB/sumlink建立电堆的电模型、热模型以及控制模型，通过RTI工具提供端口，将其封装成可以下载到dSPACE的程序，再通过ControlDesk将程序装载到dSPACE中。DS2211多路I/O接口板用于将dSPACE中模型变量的电信号传出去以及将外部传感器的电信号采集进dSPACE中。电压可调电源用于将电模型中的电压转换成现实中的物理意义上电压，电模型中的电压值和电压可调电源的值相等。PLC用于信号转换，将电压传感器和电流传感器的信号转换成DS2211多路I/O接口板上AD、DA的信号类型，PLC还将电堆热模拟系统中热电偶的电信号采集上来并传回DS2211多路I/O接口板。负载为可变负载，当负载在不同功率下工作时，用于验证电堆模型下的运行状态。电堆热模拟系统将热模型算出的电堆温度场，用物理意义上的温度场模拟出来。在本发明实施例中，通过均匀分布在电池片上的电热丝通电产热来模拟电堆输入氢气的流量、空气流量以及放电电流引起的电堆热效应。电堆热模拟系统包括9个热电偶，用于测量电热丝的温度。PWM占空比信号从DS2211多路I/O接口板传到电堆热模拟系统，用来控制电堆热模拟系统的电热丝功率。

在本发明实施例中，工控机PC通过光纤与dSPACE相连，dSPACE通过DS2211多路I/O接口板的模拟输出端与电压可调电源控制端以及电堆热模拟系统中的PWM波形发生器相连。电压传感器、电流传感器、电堆热模拟系统的9个热电偶采集的信号传入PLC，经过PLC处理后再传入DS2211多路I/O接口板的模拟输入端回传至dSPACE。电压可调电源输出与负载相连。电压传感器正负端子接在电压可调电源的输出用来测量电压可调电源的输出电压。电流传感器串联在电压可调电源和负载的回路中用来测量电压可调电源的输出电流。

其中装载到dSPACE的电模型输入为电堆的温度和电流，输出为电堆的电压。热模型的输入为氢气流量、空气流量、电源输出电流，输出为N路PWM波占空比信号。

上述的电模型按以下步骤建立：

步骤1由能斯特方程计算出单片电池的工作电压：

V_cell＝V_OCV-V_loss

其中，V_OCV为单片电池开路电压，是一个与电池结构相关的量；V_loss为电池片总的损耗电压；

步骤2V_loss与电堆温度T_PEN和电堆放电电流I有关，用如下公式表示：

V_loss＝IR(T_PEN)

步骤3用如下公式根据实验数据来拟合R(T_PEN)，R(T_PEN)为电堆在电堆温度为T_PEN时的等效总电阻：

其中，a₀、a₁、…、a_n分别表示多项式拟合系数；

步骤4由步骤1、2、3可以算出单片电池的电压，已知电池片数目为N，则可得电堆输出电压V_stack：

V_stack＝NV_cell

由步骤1、2、3、4建立了电堆温度T_PEN、电堆放电电流I和电堆输出电压V_stack的模型关系。

上述的热模型按以下步骤建立：

步骤1将实物电池片均等分成n×n(n＝3)个单元，用镍铬-镍硅热电偶测量每个单元中心位置的温度值可得出如下温度场阵列：

步骤2根据系统输入不同(FU，AR，I)达到稳态值时记录当下每个单元的温度值，将该温度阵列存入查询表中：

其中，FU表示氢气流量；AR表示空气流量，I表示电堆输出电流；

步骤3根据MATLAB中的拟合工具拟合温度阵列中每一个温度值可以得到一个拟合函数矩阵：

步骤4根据现实中电热丝的升温实验可以得出温度与占空比的关系：

T′＝f(D)

其中，T′表示占空比D下电热丝温度值；f(D)表示电热丝温度与占空比的函数；D表示电热丝通电PWM波占空比，在本发明实施例中，占空比D是由热模型算出，并输出到电堆热模拟系统中；

步骤5由于燃料电池正常工作范围为[650℃,850℃]，在实际模拟温度场变化时，由于电热丝最大功率限制，将实际的温度场统一减去一个基准值VT,该值根据实际所用电热丝最大功率来决定，一般选取600最合适(电堆工作温度600-850℃)：

步骤6根据步骤4和步骤5的结果可得电堆温度场与温度模拟单元占空比D对应函数矩阵关系：

其中，ΔT表示实际温度和模拟温度的偏移量；

步骤7根据步骤3和步骤6的结果建立起输入(FU,AR,I)与电堆热模拟系统输出占空D的关系，即为热模型：

上述控制模型可以根据热电特性模拟平台所模拟的电堆大小、种类来选取自己适宜的控制算法来搭建，在本发明实施例中，选取常见的专家系统方法来搭建，根据平时实验数据来搭建专家库，构建推理机。

图3所示为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的传感器与PLC的接线图，其中PLC包含四个模块，分别是CPU模块、电压模拟量输出模块、电流模拟量输入模块以及温度测量模块。在本发明实施例中，电压传感器输入为0-50V,输出为4-20mA。电流传感器输入为0-100A,输出为4-20mA。热电偶输入为0-1300℃，K型。电压传感器和电流传感器4-20mA的输出信号输入到PLC电流模拟量输入模块，通过CPU模块中的程序分别将其转换成0-10V的电压信号，再通过电压模拟量输出模块传递给DS2211多路I/O接口板的模拟输入端的两个端子上。电堆热模拟系统的9路热电偶通过PLC中的温度测量模块将温度信号通过CPU模块中的程序将其分别标定为0-10V的电压信号，通过电压模拟量输出模块的九对接线端子连接到DS2211多路I/O接口板的模拟输入端的九个端子上。

图4所示为本发明电堆热模拟系统的原理框图，包括：PWM发生器、9个热模拟单元、9根热电偶。其中，热模拟单元是模拟一个温度点的最小功能单元。每个热模拟单元包含一个电阻为R的电热丝、一个MOS管、一个电压为48V的直流电源。在本发明中实施例中，将测试电堆温度划分为9个节点，故选取了9个热模拟单元来模拟这9个点的温度，PWM波形发生器也选取了9个。PWM发生器将dSPACE输出的占空比模拟信号转换成PWM波，共有9路PWM波，PWM波控制热模拟单元中MOS管的开断。热电偶用来采集热模拟单元所模拟的温度点的温度，并将温度值传回dSPACE。每个PWM波形发生器中包含了MOS管的驱动电路，将输入的占空比(电压信号)转换成能驱动MOS管的PWM波。PWM发生器控制每个MOS管的开断达到控制电热丝的发热功率。电热丝的发热功率如下式：

其中，P_hw为电热丝发热功率；D为当前电热丝串联MOS管的PWM占空比；I_hw为电热丝电流；R_hw为电热丝内阻。

将实物电堆的温度场分布在不同的输入参数下，达到稳态的值记录下来。通过该记录的值还原一个模拟的温度场。影响该温度场的三个参数分别为氢气流量FU、空气流量AR、电堆输出电流I。

dSPACE通过DS2211多路I/O接口板的模拟输出端中的一个接线端连接电压可调电源的控制端，电压可调电源输入是220V交流市电，输出为0-V_MAX V可调(V_MAX大于所测试电堆型号的最大开路电压)，电压输出量根据电压可调电源控制端子上的外部给定控制信号大小来决定，调节信号为0-10V的电压信号，调节信号与输出电压呈线性关系。dSPACE通过模拟量输出板卡与该电源控制端子相连。

在本发明实施例中选取的电堆大小为1000W，最大输出电压为30V。电压可调电源的最大电压V_MAX选取30V。用DS2211多路I/O接口板模拟输出0-10V来控制电源在0到30V间变动(电压每增加0.1V，电源电压增加0.3V)，用来代替一个1000W实际电堆的输出电压。

dSPACE通过DS2211多路I/O接口板的模拟输出端的9个接线端连接电堆热模拟系统的9路占空比输入端，输出0-10V信号来控制占空比0-100％变化(信号每增加0.1V，占空比增加1％)。

图5所示为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的工作原理框图：

①：DC/DC将电源的输出电流采集信号I经过PLC转化后通过DS2211板卡模拟量输入端传递给dSPACE中的热模型中。

②：根据如下辨识出来的系统输入与占空比的关系得到每个占空比的值：

每个占空比的给定信号按如下公式给出：

③：电堆热模拟系统中，将每个热电偶测量的温度采集值通过DS2211板卡模拟输入端的九个接线端输入到dSPACE中的电模型中，将九个温度值求平均得出此时电堆的温度值T_PEN，电模型将通过电堆温度T_PEN和负载电流I根据电堆电模型中拟合的公式算出此时的单片电池的电压V_cell。

④：对于1000W，10cm×10cm大小的固体氧化物燃料电堆，需要25片电池，故整个电堆的电压为：

V_stack＝25V_cell

此时电源电压的设定信号为：

该电压信号通过DS2211板卡的模拟输出端传递给电源的电压输出控制端，使电源的输出电压为V_stack。

⑤⑥⑦⑧：控制模型根据电堆输出电流I和热模拟系统的输出温度T来设定氢气流量FU和空气流量AR，以保证系统稳定高效工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，包括仿真单元、仿真控制单元以及传感器测量单元，其中：

所述仿真单元包括工控机PC、dSPACE以及接口板，所述工控机PC用于显示参数以及设置参数，所述dSPACE用于将其运行的模型中的变量转换成现实的电信号，所述接口板用于将所述dSPACE中模型变量的电信号传出去以及将所述传感器测量单元的电信号采集进所述dSPACE中；

所述仿真控制单元包括电压可调电源、电堆热模拟系统以及负载，所述电压可调电源用于将所述dSPACE模型中的电压转换成现实中的物理意义上电压，所述电堆热模拟系统用于还原热模型中计算出的温度场，所述负载用于验证电堆模型下的运行状态；

所述传感器测量单元包括电压传感器、电流传感器以及PLC，所述电压传感器用于测量所述电压可调电源输出电压，所述电流传感器用于测量所述电压可调电源的输出电流，所述电压传感器、电流传感器及所述电堆热模拟系统各自均通过所述PLC将测量信号转换成标准信号通过所述接口板传输给所述dSPACE。

2.如权利要求1所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述dSPACE中运行的模型包括电模型、热模型和控制模型，其中所述电模型用于模拟电堆的电特性，所述热模型用于模拟电堆的热特性，所述控制模型用于控制电堆稳定工作。

3.如权利要求2所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述电模型根据电堆温度建立电阻拟合方程的方式来建立；所述热模型根据实验测量数据来求解拟合矩阵的方式来建立；所述控制模型采用专家控制系统。

4.如权利要求2或3所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述电模型按以下步骤建立：

步骤1、由能斯特方程计算出单片电池的工作电压：

V_cell＝V_OCV-V_loss

其中，V_OCV为单片电池开路电压，是一个与电池结构相关的量；V_loss为电池片总的损耗电压；

步骤2、V_loss与电堆温度T_PEN和电堆放电电流I有关，用如下公式表示：

V_loss＝IR(T_PEN)；

步骤3、用如下公式根据实验数据来拟合R(T_PEN)，R(T_PEN)为电堆在电堆温度为T_PEN时的等效总电阻：

其中，a₀、a₁、…、a_n分别表示多项式拟合系数；

步骤4、由步骤1、2、3可以算出单片电池的电压，已知电池片数目为N，则可得电堆输出电压V_stack：

V_stack＝NV_cell。

5.如权利要求2或3所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述热模型按以下步骤建立：

步骤1、将实物电池片均等分成n×n个单元，测量每个单元中心位置的温度值可得出如下温度场阵列：

步骤2、根据系统输入不同FU、AR、I达到稳态值时记录当下每个单元的温度值，将该温度场阵列存入查询表中：

其中，FU表示氢气流量；AR表示空气流量，I表示电堆输出电流；

步骤3、拟合所述温度场阵列中每一个温度值得到拟合函数矩阵：

步骤4、根据现实中电热丝的升温实验可以得出温度与占空比的关系：

T′＝f(D)

其中，T′表示电热丝温度值；f(D)表示电热丝温度与占空比的函数；D表示电热丝通电PWM波占空比；

步骤5、由于电热丝最大功率限制，将实际的温度场统一减去一个基准值VT：

步骤6、根据所述步骤4和所述步骤5的结果可得电堆温度场与电堆热模拟系统输出占空比D对应函数矩阵关系：

其中，ΔT表示实际温度和模拟温度的偏移量；

步骤7、根据所述步骤3和所述步骤6的结果建立起输入(FU,AR,I)与电堆热模拟系统输出占空比D的关系，即为所述热模型：

6.如权利要求1-3中任一项所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述电堆热模拟系统通过均匀分布在电池片上的电热丝通电产热来模拟电堆输入氢气的流量、空气流量以及放电电流引起的电堆热效应。

7.如权利要求6所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述电堆热模拟系统包括多个热电偶，用于测量所述电热丝的温度。

8.如权利要求1-3中任一项所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，所述电堆热模拟系统包括多个热模拟单元、多个热电偶以及多个PWM发生器，所述热模拟单元是模拟一个温度点的最小功能单元，所述热电偶用于采集所述热模拟单元所模拟的温度点的温度，并将温度值传回所述dSPACE，所述PWM发生器用于将所述dSPACE输出的占空比模拟信号转换成PWM波，控制所述热模拟单元中MOS管的开断。

9.如权利要求8所述的基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，其特征在于，每个热模拟单元包含一个电热丝、一个MOS管以及一个直流电源。