CN108169678B - 一种模拟燃料电池的电控开发测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟燃料电池的电控开发测试系统，包括：氢气通路、氧气通路和散热水路；采集模块一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路的传感器，另一端连接PC，采集氢气通路、氧气通路和散热水路的状态信息，反馈到PC；输出模块连接PC，接收PC的控制命令，另一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路，对氢气通路、氧气通路和散热水路进行状态控制；ECU连接输出模块的输出端，接收PC的输出命令；另一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路的传感器，采集氢气通路、氧气通路和散热水路的状态信息，并对其进行控制；PC通过串口通讯联接ECU，用于进行数据监视。本发明有助于快速、安全的开发电池系统，提高模块可靠性与稳定性。

Description

一种模拟燃料电池的电控开发测试系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统集成技术，具体地说是一种模拟燃料电池的电控开发测试系统。

背景技术

燃料电池系统的电控分系统由三层控制部件组成。第一层为控制核心ECU，即电子控制单元。他作为全模块的控制核心发挥着采集数据，控制模块内各类电子部件，数据发送等功能。第二层为数据采集，包括各种巡检、温度、压力、流量、绝缘性、电流、电压传感器。系统通过这些传感器采集信号并将之变送给ECU处理。系统通过这些数据分析可以判断电池系统的工作状态，并做出相应的反馈，由此形成一个控制闭环。第三层为执行部件，包括各种电磁阀、水泵、继电器，ECU通过这些执行部件的动作来适时调整系统内部的气压、水热循环的温度等参数，或者根据采集的数据判断模块是否工作正常，如出现安全故障则通过这些部件切断气源和对外供电，保护电池，避免出现安全故障。

通常情况下，开发一套新的燃料电池系统样机的流程是在电池设计制造好后，完成系统的机械管路部分的安装，包括固定框架、气瓶管路，阀件、传感器各个部件的安装。安装完毕后进行气路水路的测试。上述机械部分完成后才能进行电气安装，布线，上电测试，功能测试最后是软件测试。电控安装调试的一系列工作都是在实际系统上进行。虽然这是产品完成调试必不可少的步骤，但是完全可以将电控部件单独拿出来在一套独立的，专门做开发调试的设备上完成上述大部分工作，之后再移到真实系统上。这样做的好处是加快了开发进程的同时，也减少了在真实系统上调试所带来的风险。系统测试时要测试一些极端情况下的系统冗余能力，这些测试一旦出现意外，而且这些意外通常难以避免，就会损坏实际系统中的系统部件，甚至更严重的是损坏电池。所以开发一种燃料电池电控开发测试平台就显得很有必要了。

电控系统开发完成后，平台可以作为部件寿命考核，ECU软硬件考核之用。对于新部件，新程序都可以在该平台上长时间运行寿命考核。平台还可以针对系统容易出现的可靠性问题进行相应的考核，或者针对实际出现的问题进行测试或者模拟，找出问题所在并解决之。

专利US2005153180(A1)是一种燃料电池的测试与验证平台，这是一套真实的燃料电池系统，可以在平台上测试电池的性能。本发明不以考核电池性能为目的，也不使用真实电池。而是使用电池系统管路和系统设备来模拟燃料电池系统工作状态，用以开发和测试燃料电池系统ECU软硬件，同时也可以作为其他电控部件的功能性与可靠性测试平台。

专利CN201510229668是一种燃料电池控制器硬件在环实时测试平台，使用纯模拟的电子的故障注入装置模拟实际燃料电池故障来测试ECU。这种做法很难用于开发多路压力平衡程序，适合用于参数故障模拟，本发明针对上述需求，以多路电压发生器和真实机械、电控部件模拟真实的燃料电池系统，避免了纯电子模拟装置的局限性与复杂性，可以从实际运行的角度模拟复杂的工况和运行状态。这些都是只能模拟简单或者单项故障与运行状态的纯虚拟设备所无法完成的。

由上述可知，电控分系统包括ECU和其他电控部件可以不使用燃料电池而单独研发和测试完成基本的功能研发和测试，本发明的开发测试平台就是基于此设计的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模拟质子交换膜燃料电池系统的电控开发测试平台，用于开发、测试并考核燃料电池系统中的电控分系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种模拟燃料电池的电控开发测试系统，包括：氢气通路、氧气通路和散热水路；

采集模块一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路的传感器，另一端连接PC，采集氢气通路、氧气通路和散热水路的状态信息，反馈到PC；

输出模块连接PC，接收PC的控制命令，另一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路，对氢气通路、氧气通路和散热水路进行状态控制；

ECU连接输出模块的输出端，接收PC的输出命令；另一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路的传感器，采集氢气通路、氧气通路和散热水路的状态信息，并对其进行控制；

PC通过串口通讯联接ECU，用于进行数据监视。

所述氢气通路包括：模拟氢气减压阀、模拟氢气压力传感器、模拟氢进气电磁阀、氢气缓冲罐、氢出气压力传感器、氢出气电磁阀和排气口依次连接，在模拟氢气减压阀的输入端通入氮气源，经过模拟氢气减压阀减压、稳压至要求压力后，通过模拟氢进气电磁阀的控制输入到氢气缓冲罐，氢出气电磁阀控制氢气缓冲罐输出氢气，模拟氢气压力传感器和氢出气压力传感器分别采集氢进气端压力信号和氢出气端压力信号，发送至ECU和采集模块。

所述氧气通路包括：模拟氧气减压阀、模拟氧气压力传感器、模拟氧进气电磁阀、氧气缓冲罐、氧出气压力传感器、氧出气电磁阀和排气口依次连接，在模拟氧气减压阀的输入端通入氮气源，经过模拟氧气减压阀减压、稳压至要求压力后，通过模拟氧进气电磁阀的控制输入到氧气缓冲罐，氧出气电磁阀控制氧气缓冲罐输出氧气，模拟氧气压力传感器和氧出气压力传感器分别采集氧进气端压力信号和氧出气端压力信号，发送至ECU和采集模块。

在所述排气口处设置尾气处理装置。

所述ECU接收到氢出气压力传感器和氧出气压力传感器的压力信号，计算当前氢出气端和氧出气端的压力差，控制氢进气电磁阀和氧进气电磁阀调整，使氢出气端和氧出气端的压力差在合理范围内。

所述散热水路为水箱和水泵组成的循环水路，在水泵的输出端设置水压传感器，检测水泵输出端的压力值，反馈给ECU和采集模块。

所述水泵为多个，用于考核不同水泵的能力。

所述传感器包括压力传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器和巡检。

所述电压传感器连接多路电压发生器的正负极，用于测量总电压。

所述巡检连接多路电压发生器，用于测量多路电压发生器的每一路电压值，并将数据发送给ECU。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明用氮气代替氢气和氧气，模拟燃料电池的氢气通路和氧气通路，满足了安全性需求；

2.本发明有助于快速、安全的开发电池系统，提高模块可靠性与稳定性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的气路结构图；

图3是本发明的水路结构图；

其中，1为氮气源、2为模拟氢气减压阀、3为模拟氢气压力传感器、4为模拟氢进气电磁阀、5为氢气缓冲罐、6为氢出气压力传感器、7为氢出气电磁阀和8为排气口、9为模拟氧气减压阀、10为模拟氧气压力传感器、11为模拟氧进气电磁阀、12为氧气缓冲罐、13为氧出气压力传感器、14为氧出气电磁阀、15为水箱、16为水压传感器、17为第一水泵、18为第二水泵、19为第三水泵。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

测试台的机械管路完全是一套燃料电池系统的实际工作管路。不同的是采用缓冲罐模拟电池空腔体积。在气源方面统一使用空气源或者氮气源经过减压稳压后模拟氢、氧、氮气源。三个稳压阀可以将气源调节好模拟真实气源压力，ECU连接好管路压力控制电磁阀后就可以开发测试压力平衡程序了。调试好后移植到真实系统中会有偏差，但是偏差不会很大，稍作调整即可。安装多路电压发生器模拟电池输出电压，模拟电池设计为50节，每节0到2V电压，使用巡检检测后接入ECU。水箱安装多个接口，方便同时考核多部水泵。各种传感器部件安装好后就可以全系统开发调试了。

电控设计。底层传感器、电磁阀等使用真实系统中使用的部件。控制器采用两套，一套是PC和采集输出模块；另一套是由ECU控制。这样设计是考虑平台的灵活性。开发测试阶段，ECU的模拟量输入模块连接各电控部件传感器，用于接收各种参数，另外将PC和采集输出模块模拟的参数也接入ECU模拟量输入模块。与此同时PC作为上位机经过CAN或者其他串口通讯连接ECU用于数据监视使用。部件或者系统考核阶段就可以使用PC连接电控部件，也可以使用ECU连接电控部件，如此单点或者多点测试考核部件或系统，使用方便。

测试设备包括示波器、数字绝缘表、EMI测试接收机、静电测试仪等。这些设备是用于测试电控部件和系统的。通讯方式也是考核内容，包括串口，CAN2.0和以太网等，使用示波器查看通讯信号，从而诊断一些通讯故障。电池系统的电压往往有几百福特，功率由几百瓦到数十千瓦，因而模块的绝缘性就是很需要关注的，尤其是一些特殊的应用领域，绝缘性解决不好，对系统安全影响很大。使用数字绝缘表来测试绝缘性能，可以很好的测试系统的绝缘性。EMI测试接收机主要用于测试电源传导干扰和一定频率的空间传导干扰，对于分析系统内部各部件的电磁兼容性有一定的帮助作用。找出干扰源，祛除设备对外干扰。静电测试仪也是电磁兼容测试的一部分，他可以测试设备的静电抗干扰能力，保证部件在安装到真实系统上后能够抗静电干扰，更稳定可靠地工作。

采用多路电压发生器来模拟多节电池电压。发生器使用硅二极管串并联电路实现50路0-2V可调电压。该设备主要用于测试巡检的性能，巡检是系统上用于测试燃料电池的多节电池单节电压采集设备。一般燃料电池都是多节电池串联而成，每节电池电压在0-1V左右，每一节电池电压都需要采集。对于监控电池性能和提高安全性都有很大作用。使用电压发生器模拟可以测试巡检性能，以及模拟电池性能差或者单节短路、反极等故障。

如图1为本发明的系统结构框图。

框图分为两部分：上半部分为控制端；下半部分为被控制端。模拟燃料电池系统开发平台就是用于开发测试ECU控制软件，通过实际管路通气与通水，测试软件对管路压力平衡的控制以及安全保护的有效性。电磁阀，安装在管路上，电磁阀控制模拟电池的进气与排气。水泵与水箱组成了模拟电池的散热循环水路。传感器包括压力传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器、巡检。压力传感器用于感知管路上上模拟电池进出口的压力，ECU根据压力传感器数据判断压力平衡并输出命令控制电磁阀调节压力。电压传感器连接到多路电压发生器的正负极，用于测量总电压。巡检用于测量多路电压发生器的每一路电压值并通过串口或者CAN通讯将数据发送给ECU。

如图2所示为本发明的气路结构图。

1为氮气源，平台使用同一气源。氮气源1经过减压阀2减压稳压至要求压力。减压阀2后安装一个模拟氢进气压力传感器3，压力传感器3后安装模拟氢进气电磁阀4，模拟氢进气电磁阀4后安装缓冲罐5，用于模拟电池内部空腔。缓冲罐5后接模拟氢出口压力传感器6，再接模拟氢出口电磁阀7。电磁阀尾排管8接到尾气处理装置，上述为氢路管路。氧路管路流程与氢路基本一致，分别对应减压阀9、模拟氧进气传感器10、模拟氧进气电磁阀11、缓冲罐12、模拟氧出口传感器13、模拟氧出口阀14。

如图3所示为本发明的水路结构图。

水路包括水箱15和水压传感器16。另外安装三部水泵17、18、19用于考核不同水泵的能力。水泵实际参数不同，需要测试才能使用，包括实际流量、压头、寿命等。多路水泵的设计是同时考核多个水泵的以上参数。

测试电池增压过程中的ECU压力控制程序。ECU接收氢出气压力传感器6和氧出气压力传感器13两个压力传感器上传的数据，分析目前压力差后控制模拟氢进气电磁阀4和模拟氧进气电磁阀11两个进气电磁阀动作调节压力差。控制目的在于将两者的压力差控制在0.3bar以内。ECU此段程序的编写可以使用模拟台架，以实际进气来验证程序的控制效果。对于控制效果的影响因素很多，软件是一因素，相关硬件的影响也同样重要，如传感器的精度、电磁阀的口径以及响应灵敏度等等，这些影响因素都可以在平台上同一开发调试，互相配合达到一个最佳的控制效果。

Claims (8)

1.一种模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于，包括：氢气通路、氧气通路和散热水路；

氢气通路包括：模拟氢气减压阀、模拟氢气压力传感器、模拟氢进气电磁阀、氢气缓冲罐、氢出气压力传感器、氢出气电磁阀和排气口依次连接，在模拟氢气减压阀的输入端通入氮气源，经过模拟氢气减压阀减压、稳压至要求压力后，通过模拟氢进气电磁阀的控制输入到氢气缓冲罐，氢出气电磁阀控制氢气缓冲罐输出氢气，模拟氢气压力传感器和氢出气压力传感器分别采集氢进气端压力信号和氢出气端压力信号，发送至ECU和采集模块；

氧气通路包括：模拟氧气减压阀、模拟氧气压力传感器、模拟氧进气电磁阀、氧气缓冲罐、氧出气压力传感器、氧出气电磁阀和排气口依次连接，在模拟氧气减压阀的输入端通入氮气源，经过模拟氧气减压阀减压、稳压至要求压力后，通过模拟氧进气电磁阀的控制输入到氧气缓冲罐，氧出气电磁阀控制氧气缓冲罐输出氧气，模拟氧气压力传感器和氧出气压力传感器分别采集氧进气端压力信号和氧出气端压力信号，发送至ECU和采集模块；

采集模块一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路的传感器，另一端连接PC，采集氢气通路、氧气通路和散热水路的状态信息，反馈到PC；

输出模块连接PC，接收PC的控制命令，另一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路，对氢气通路、氧气通路和散热水路进行状态控制；

ECU连接输出模块的输出端，接收PC的输出命令；另一端连接氢气通路、氧气通路和散热水路的传感器，采集氢气通路、氧气通路和散热水路的状态信息，并对其进行控制；

PC通过串口通讯联接ECU，用于进行数据监视。

2.根据权利要求1所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：在所述排气口处设置尾气处理装置。

3.根据权利要求1所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：所述ECU接收到氢出气压力传感器和氧出气压力传感器的压力信号，计算当前氢出气端和氧出气端的压力差，控制氢进气电磁阀和氧进气电磁阀调整，使氢出气端和氧出气端的压力差在合理范围内。

4.根据权利要求1所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：所述散热水路为水箱和水泵组成的循环水路，在水泵的输出端设置水压传感器，检测水泵输出端的压力值，反馈给ECU和采集模块。

5.根据权利要求4所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：所述水泵为多个，用于考核不同水泵的能力。

6.根据权利要求1所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：所述传感器包括压力传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器和巡检。

7.根据权利要求6所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：所述电压传感器连接多路电压发生器的正负极，用于测量总电压。

8.根据权利要求6所述的模拟燃料电池的电控开发测试系统，其特征在于：所述巡检连接多路电压发生器，用于测量多路电压发生器的每一路电压值，并将数据发送给ECU。