CN112924876A - 一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：包括试验箱、灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统、控制系统，灭火联动系统包括火警探测系统、人工智能‑机器视觉系统、火警中央控制系统、警示系统、灭火系统；控制系统为分布式I/O控制系统，所述灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统均由控制系统联动控制，本发明的有益效果包括：可以模拟多种环境下氢燃料电池的检测，同时满足氢燃料电池发动机检测的安全性、可靠性要求，综合控制能力强。
Description
技术领域
本发明涉及环境试验设备领域，具体涉及一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备。
背景技术
氢燃料电池是一种通过将氢气和氧气进行电化学反应直接转换为电能的发电装置。因其过程不涉及到燃烧、无机械损耗、能量转换率高、产物只有电、热量和水、运行平稳、噪音低等特点，受到国内外研究者的广泛关注。氢燃料电池汽车也作为一种环保新能源汽车备受瞩目，大汽车厂商相继投入大量的经费进行研发。任何一个新产品的开发必然涉及到可靠性的检测，所以环测行业也会对用于燃料电池汽车的环境模拟设备进行研发。
国内外针对氢燃料电池的环境模拟试验设备均在探索阶段，因此提供一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备是亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其包含多种环境试验系统，且联动控制，自动化程度高，技术先进。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：包括试验箱、灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统、控制系统，
灭火联动系统包括火警探测系统、人工智能-机器视觉系统、火警中央控制系统、警示系统、灭火系统；
所述火警探测系统包括设置在试验箱内的烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器，所述烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器将信号传递至所述火警中央控制系统；
所述人工智能-机器视觉系统用于捕捉电池包或电芯的视觉图像变化，并将该图像变化转换为数字信号传递给火警中央控制系统，
所述火警中央控制系统用于监测试验箱火灾报警状态，并自动根据火警探测系统和人工智能-机器视觉系统反馈的实时信号对灭火系统进行自动启停控制；
所述警示系统包括警铃和声光报警器，当试验箱出现火灾预警时，声光报警器开启，提示用户设备出现异常情况，此时灭火系统不动作；当灭火系统开启后，警铃开启，灭火动作开始，立即执行灭火喷淋动作；
所述灭火系统为设置在试验箱顶部的水喷淋头和七氟丙烷喷淋头；
气压平衡系统包括连接在氢燃料电池发动机上的进气管道和尾气排放管道，所述进气管道和尾气排放管道均连接至试验箱外，用于模拟正常大气压情况下，燃料电池发动机的尾气情况；所述氢燃料电池发动机尾气排放管道还配有第一压力控制装置，氢燃料电池发动机新风进气管道，配有第二压力控制装置和新风控制通道，用于模拟高原气候情况下，燃料电池发动机的尾气情况；
制冷系统包括制冷压缩机、蒸发器、节流装置、冷凝器、蒸发冷凝器、制冷剂、油分离器、蒸发压力调节阀、电磁阀、视液镜、压力传感器、回排气温度传感器，用于根据设定自动调节试验箱内的温度；
流体载热升温系统包括通过设置在试验箱内的油热交换器、循环风机，其中循环风机将油热交换器的热量代入试验箱内循环，实现试验箱内环境加热；
控制系统为分布式I/O控制系统，所述灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统均由控制系统联动控制，其中控制系统包括多个SIMATIC ET 200SP模块，多个所述SIMATIC ET 200SP模块分为一个中央处理器和多个基站，通过网络交换机将多个所述基站与中央处理器连接，从而实现中央处理单元与基站之间的数据传输，达到设备整体联动控制；
控制系统采用模糊PID控制，所述模糊PID控制包括以下步骤：模糊化、确定模糊规则、解模糊。
进一步地，所述气体检测仪包括CO探测仪、H2浓度探测仪、CHx浓度探测仪，所述CO探测仪、H2浓度探测仪、CHx浓度探测仪均为吸入式探测仪。
进一步地，所述多路温度传感器放置在电池上对电池表面温度进行监控。
进一步地，所述人工智能-机器视觉系统的图像采集装置设置在所述实验箱的大门上的观察窗上，并实时采集图像，同时将图像传输至图像处理系统，所述图像处理系统根据图像的像素分布、亮度、颜色变化信息转变成数字信号反馈给所述火警中央控制系统。
进一步地，所述火警中央控制系统在接收到所述烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器、人工智能-机器视觉系统任意一个报警信号后，作出火警预警输出，控制所述声光报警器动作，再由用户判断确认后手动开启灭火系统；所述火警中央控制系统在接收到所述烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器、人工智能-机器视觉系统任意一个报警信号后任意两个以上报警信号后，作出火警输出控制灭火系统延时启动，同时控制警铃和声光报警器工作，此时用户可以手动启动灭火系统和通过紧急灭火按钮启动灭火系统，如用户无动作则灭火系统延时启动生效。
进一步地，所述第一压力控制装置包括与所述排气管道连接的排放缓冲罐，所述排放缓冲罐还通过管路连接有真空泵，所述排放缓冲罐和所述真空泵之间的管路上设置有排放压力控制阀，所述排放缓冲罐上设置有压力检测装置。
进一步地，所述排放缓冲罐底部还连接有储水箱，所述储水箱底部连接有带有排水阀的排水管。
进一步地，所述第二压力控制装置包括与进气管道连接的抽气缓冲罐，所述抽气缓冲罐上设置有压力检测装置，所述抽气缓冲罐还分别通过管道连接有真空泵和新风系统，所述抽气缓冲罐与所述真空泵之间的管道上设置有压力控制阀，所述抽气缓冲罐与所述新风系统之间的管道上设置有新风进气调节阀，
进一步地，所述实验箱顶部还设置有抽风设备。
进一步地，所述流体载热升温系统还包括与所述油热交换器连通的高温油泵、油加热罐，其中所述油热交换器内的介质油通过高温油泵在所述油热交换器于油加热罐之间循环，所述油热交换器与所述高温油泵之间还连接有油加热膨胀罐。
本发明的有益效果包括：可以模拟多种环境下氢燃料电池的检测，同时满足氢燃料电池发动机检测的安全性、可靠性要求，综合控制能力强。
附图说明
图1是本发明中灭火联动系统工作流程图；
图2是本发明中气压平衡原理图；
图3是本发明中制冷系统的原理简图；
图4是本发明中流体载热升温系统的原理图；
图5是本发明中控制系统的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。
一种如图1-5所示的适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：包括试验箱、灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统、控制系统。
如图1所示，灭火联动系统包含：火警探测系统、人工智能-机器视觉系统、火警中央控制系统、警示系统、灭火系统五部分组成。
火警探测系统：探测系统选择性配备烟雾、CO、H 2、CHx气体探测仪，以及2-8路温度传感器。
烟雾探测仪：采用吸气式空气采样预处理烟雾探测的原理，能更加稳定可靠。
气体检测仪：一氧化碳探测器、CHX浓度探测器和H2浓度探测器采用吸气式空气采样预处理方式来探测试验箱内一氧化碳、CHX及氢气浓度。
多路温度传感器：通过温度传感器对电池表面温度进行监控，当温度达到报警设定值时自动切断试验箱电源和终止充放电状态,温度报警阀值可根据实际情况设定，并可多段设置温度报警阀值，即具有一次报警和二次报警的功能。
人工智能-机器视觉系统:设备大门观察窗外采用机器视觉系统，用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。利用该系统的目的是替代人工值守，当设备内部电池包或电芯在发生形变、颜色变化、冒烟等燃爆先期预兆后，及时将图像的变化情况转换成数字信号并将其传送至火警中央控制系统，从而起到预警以及辅助灭火的作用。
火警中央控制系统：该系统可监测试验箱火灾报警状态，可自动根据火警探测系统所反馈的实时信号对灭火系统进行自动启停控制。控制系统可设置各种传感器的逻辑控制关系，具有至少预警和灭火两种状态的设置和提示功能，并具有延时启动灭火功能，同时，该中央控制系统具备与用户现场消防警示系统进行联动，例如：当中央控制系统检测到箱内出现预警状态时，本地设备发出预警提示，同时将预警信号传输至用户现场消防警示系统中，从而达到双重保护的目的。
警示系统：包含警铃和声光报警器，当试验箱出现火灾预警时，声光报警器开启，提示用户设备出现异常情况，此时灭火系统不动作；当灭火系统开启后，警铃开启，灭火动作开始，立即执行灭火喷淋动作。两种警示器具有极强的可靠性，不会发生误报和漏报。
采用水喷淋和七氟丙烷两种方式配合进行，试验箱顶部设置有水喷淋头以及七氟丙烷喷淋头，当设备出现预警提示后，用户可提前手动开启水喷淋进行对电芯的降温抑制动作，从而提前防止电芯出现燃爆。当箱内已发生燃爆情形时，同时开启水喷淋和七氟丙烷进行灭火动作。
如图2所示，气压平衡系统配置：氢燃料电池发动机尾气排放管道(常压)：该管到用于模拟正常大气压情况下，燃料电池发动机的尾气排放情况，常压排放管道采用尺寸为DN100的不锈钢管制作，管道末端采用ISO100-K快速接头，该接头的应用便于用户在连接尾气管道时更加快捷方便。
氢燃料电池发动机尾气排放管道(高原)：配置1组高原气候排放管道，配有压力控制装置及排水装置，已确保高原气候排放时试验箱压力与排放同步；接口直径DN100，为ISO100-K快速接头。排水储水箱约200L，满足工作两小时的余量,安装位置在箱体左侧。
氢燃料电池发动机新风进气管道：配置1组高原气候进气口，安装在箱体右侧，配有压力控制装置和新风控制通道，做高原气候试验时，将进气管道连接发动机入口，通过真空抽气量和新风进气量实现进气管道的压力控制。
如图3所示，制冷系统的制冷压缩机配置：采用4台德国比泽尔44P半封闭压缩机及2台德国比泽尔75P螺杆压缩机，共3套复叠式制冷机组，最大制冷量约为175KW。制冷系统的其他配置还包括翅片式换热器作蒸发器，热力膨胀阀、毛细管作节流装置，壳管式冷凝器，钎焊板式换热器作蒸发冷凝器，制冷剂选用R404a(臭氧指数为0)、R23(臭氧指数为0)，油分离器，丹佛斯蒸发压力调节阀(保证低温高湿条件下长时间运行不结霜)，电磁阀，视液镜，压力传感器，回排气温度传感器，压缩机回气冷却回路，冷量调节回路。
本实施例中试验箱体全做到静电、无裸露电接头、无火花、任何一点温度出超过120℃(包括换热器)箱体与机组采用分体式，箱体通过制冷管道、热油管道与机组连接；箱体与电气柜之间的线缆均采用金属管进行保护。箱体上的电器元件采用防爆型元器件。
如图4所示，流体升温系统加热方式采用导热油加热方式。可绝对有效控制环境箱的换热器表面温度。即将导热油加热后，通过高温油泵将热油送入空气调节单元的热交换器，环境箱温度调节是通过PID控制油的加热实现。加热原理：通过高温油泵，把加热罐的油抽入试验箱油热交换器里，再通过循环风机把热量带入试验箱里循环，实现加热。该系统在整个加热过程中不产生火花，从而达到试验箱防爆的目的。还包括与油热交换器连通的高温油泵、油加热罐，其中油热交换器内的介质油通过高温油泵在油热交换器于油加热罐之间循环，油热交换器与高温油泵之间还连接有油加热膨胀罐，用于加油和缓冲油压。
实施例中的控制系统为分布式I/O控制系统，项目控制系统基于TIA Portal V15软件平台，采用SIMATIC ET 200SP(I/O,CPU,Open Controller)系列模块，SIMATIC ET200SP分布式I/O系统是一款高度灵活的可扩展分布式I/O系统，可以通过PROFINET将过程信号汇集到中央控制器。项目计划使用SIMATIC ET 200SP系列控制器，使用该系列控制器可将各配套设备作为一个独立的基站，在厂内将各配套设备(基站)安装布线完成，现场各配套系统安装完成后只需要使用一根标准网线将各配套设备(基站)通过网络交换机与中央控制器(CPU主站)连接，从而实现中央处理单元与基站之间的数据传输，达到设备整体联动控制的要求。采用该控制方式的实践应用可以有效的提高设备生产过程中的工作效率，减少物料成本，控制系统也更加灵活可靠。
如图5所示，控制系统的核心算法为模糊PID控制，模糊PID控制，是利用模糊逻辑并根据调试经验得出的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点。模糊PID控制包括模糊化，确定模糊规则，解模糊等组成部分。通过PT100温度传感器采集温度或湿度传感器采集湿度，确定当前温度偏差E以及当前偏差和上次偏差的变化ec，根据给定的模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制参数。得到了实时在优化的参数后，经过PID运算得出输出量，再转换为脉冲量，作用在被控对象上(制冷、加热、加湿、气压等)进行控制。
模糊PID控制算法主要是由模糊控制器和PID控制器结合而成，模糊控制器以测量值误差E(即待控制参数的测量值和期望值之间的差值)和误差变化率Ec(即当前误差和上一次计算得到的历史误差的差值)作为输入，利用模糊控制规则计算出PID控制器的输出参数Kp、Ki、Kd的值，实现PID控制器的自适应整定，从而可以使被控设备的各项待控制参数保持在稳定的状态。模糊PID控制算法与传统的PID控制相比更加灵活稳定，其中，Kp为PID控制器的比例系数，Ki为PID控制器的积分系数，Kd为PID控制器的微分系数。
模糊PID控制算法包括以下步骤：
步骤S201，实时获取被控设备的待控制参数的测量值及期望值。
步骤S202，计算实时获取的测量值和期望值的当前误差。
步骤S203，计算当前误差与上次计算得到的历史误差的偏差变化。
步骤S203，通过预设的模糊规则对当前误差与偏差变化进行运算，获得PID控制算法的参数Kp、Ki、Kd的值。
步骤S204，通过PID控制算法对Kp、Ki、Kd的值及当前误差进行运算，基于运算结果对被控设备的待控制参数进行调节。
上述步骤根据实时获取到的被控设备的待控制参数的测量值及期望值计算当前误差及当前误差与历史误差的偏差变化，通过预设的模糊规则对当前误差与历史误差的偏差变化进行运算，获得PID控制算法的参数Kp、Ki、Kd的值，从而实现对PID控制算法的参数进行实时优化调节，克服了传统的PID控制算法的参数无法实时调整的缺点，再根据Kp、Ki、Kd的值及当前误差对被控设备的待控制参数进行调节，使被控设备的各项待控制参数保持在稳定的状态。
以上算法由本公司在先申请专利号为CN202011063388.1基于模糊PID的控制方法、装置和PLC控制系统发明专利公开，在此不作赘述。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：包括试验箱、灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统、控制系统，
灭火联动系统包括火警探测系统、人工智能-机器视觉系统、火警中央控制系统、警示系统、灭火系统；
所述火警探测系统包括设置在试验箱内的烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器，所述烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器将信号传递至所述火警中央控制系统；
所述人工智能-机器视觉系统用于捕捉电池包或电芯的视觉图像变化，并将该图像变化转换为数字信号传递给火警中央控制系统，
所述火警中央控制系统用于监测试验箱火灾报警状态，并自动根据火警探测系统和人工智能-机器视觉系统反馈的实时信号对灭火系统进行自动启停控制；
所述警示系统包括警铃和声光报警器，当试验箱出现火灾预警时，声光报警器开启，提示用户设备出现异常情况，此时灭火系统不动作；当灭火系统开启后，警铃开启，灭火动作开始，立即执行灭火喷淋动作；
所述灭火系统为设置在试验箱顶部的水喷淋头和七氟丙烷喷淋头；
气压平衡系统包括连接在氢燃料电池发动机上的进气管道和尾气排放管道，所述进气管道和尾气排放管道均连接至试验箱外，用于模拟正常大气压情况下，燃料电池发动机的尾气情况；所述氢燃料电池发动机尾气排放管道还配有第一压力控制装置，氢燃料电池发动机新风进气管道，配有第二压力控制装置和新风控制通道，用于模拟高原气候情况下，燃料电池发动机的尾气情况；
制冷系统包括制冷压缩机、蒸发器、节流装置、冷凝器、蒸发冷凝器、制冷剂、油分离器、蒸发压力调节阀、电磁阀、视液镜、压力传感器、回排气温度传感器，用于根据设定自动调节试验箱内的温度；
流体载热升温系统包括通过设置在试验箱内的油热交换器、循环风机，其中循环风机将油热交换器的热量代入试验箱内循环，实现试验箱内环境加热；
控制系统为分布式I/O控制系统，所述灭火联动系统、气压平衡系统、制冷系统、流体载热升温系统均由控制系统联动控制，其中控制系统包括多个SIMATIC ET 200SP模块，多个所述SIMATIC ET 200SP模块分为一个中央处理器和多个基站，通过网络交换机将多个所述基站与中央处理器连接，从而实现中央处理单元与基站之间的数据传输，达到设备整体联动控制；
控制系统采用模糊PID控制，所述模糊PID控制包括以下步骤：模糊化、确定模糊规则、解模糊。
2.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述气体检测仪包括CO探测仪、H2浓度探测仪、CHx浓度探测仪，所述CO探测仪、H2浓度探测仪、CHx浓度探测仪均为吸入式探测仪。
3.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述多路温度传感器放置在电池上对电池表面温度进行监控。
4.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述人工智能-机器视觉系统的图像采集装置设置在所述实验箱的大门上的观察窗上，并实时采集图像，同时将图像传输至图像处理系统，所述图像处理系统根据图像的像素分布、亮度、颜色变化信息转变成数字信号反馈给所述火警中央控制系统。
5.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述火警中央控制系统在接收到所述烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器、人工智能-机器视觉系统任意一个报警信号后，作出火警预警输出，控制所述声光报警器动作，再由用户判断确认后手动开启灭火系统；所述火警中央控制系统在接收到所述烟雾探测仪、气体检测仪、多路温度传感器、人工智能-机器视觉系统任意一个报警信号后任意两个以上报警信号后，作出火警输出控制灭火系统延时启动，同时控制警铃和声光报警器工作，此时用户可以手动启动灭火系统和通过紧急灭火按钮启动灭火系统，如用户无动作则灭火系统延时启动生效。
6.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述第一压力控制装置包括与所述排气管道连接的排放缓冲罐，所述排放缓冲罐还通过管路连接有真空泵，所述排放缓冲罐和所述真空泵之间的管路上设置有排放压力控制阀，所述排放缓冲罐上设置有压力检测装置。
7.根据权利要求6所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述排放缓冲罐底部还连接有储水箱，所述储水箱底部连接有带有排水阀的排水管。
8.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述第二压力控制装置包括与进气管道连接的抽气缓冲罐，所述抽气缓冲罐上设置有压力检测装置，所述抽气缓冲罐还分别通过管道连接有真空泵和新风系统，所述抽气缓冲罐与所述真空泵之间的管道上设置有压力控制阀，所述抽气缓冲罐与所述新风系统之间的管道上设置有新风进气调节阀。
9.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述实验箱顶部还设置有抽风设备。
10.根据权利要求1所述的一种适用于氢燃料新能源汽车发动机的环境试验设备，其特征在于：所述流体载热升温系统还包括与所述油热交换器连通的高温油泵、油加热罐，其中所述油热交换器内的介质油通过高温油泵在所述油热交换器于油加热罐之间循环，所述油热交换器与所述高温油泵之间还连接有油加热膨胀罐。
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