CN219201859U - 一种海水燃料电池放电服役性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，包括模拟水洞、水洞电气控制单元和数据采集控制系统，模拟水洞包括供实验体置于其中进行实验的实验段，水洞电气控制单元包括水洞参数检测元件和执行元件。数据采集控制系统，包括电池信号检测元件和控制器，执行元件连接在控制器的输出端口以受控动作。本实用新型通过模拟水洞提供一个高来流速度的环境。通过水洞电气控制单元实时测量和调节水洞中的相关参数。将待测试的海水燃料电池置于实验段中即可模拟其用于水下潜航器时的实际服役工况。通过电池信号检测元件测量待测试海水燃料电池运行过程的相关参数，即可完成海水燃料电池在某一具体股役工况下的放电服役性能。

Description

一种海水燃料电池放电服役性能测试装置

技术领域

本实用新型涉及电性能测试装置领域，具体涉及一种海水燃料电池放电服役性能装置。

背景技术

海水燃料电池是直接利用海水，将金属镁或铝等的化学能转化为电能的电化学装置，它以镁或铝为负极材料并以海水为电解质，其最突出的特点就是不需要另外携带电解质，并且具有能量密度高、安全性好、可全海深工作的优点，在水下潜航器、深海着陆器、深海原位实验站等海洋装备领域具有很好的应用前景。

海水燃料电池的放电性能与其所处的服役工况关系密切，海水的温度、盐度、流速等均会对电池放电性能产生显著影响。水下装备服役的海洋环境复杂多变，不同海域的海水温度以及盐度等水文特征差异较大。以我国南海为例，夏季海水表层水温约为28℃，冬季为18℃～26℃，水深1000m处的水温约为4℃～5℃。我国黄海海域平均盐度为30‰，东海和黄海盐度为31～32‰，而南海盐度则为35‰。此外，水下装备的航速变化范围也比较大，其最高航速约为50kn。由此导致海水燃料电池的进排液流速和流量出现较大差别，使得实际服役工况下海水燃料电池的电化学性能变化极为复杂。

在复杂海洋环境下应用的水下装备，会对海水燃料电池提出各种特定应用场景下的放电服役性能要求。构建与真实应用场景一致的放电服役工况条件，制定相应的技术评价标准和质量衡量体系，开展各种服役条件下电池放电性能的表征、测试和评价，确保多因素共同作用下海水燃料电池的环境适应性能，对于验证海水燃料电池用于水下装备的理论正确性和技术可行性至关重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种海水燃料电池放电服役性能测试装置。

为实现上述目的，本实用新型的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置采用以下技术方案：

一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，包括模拟水洞，模拟水洞包括供实验体置于其中进行实验的一体化工作段，

和水洞电气控制单元，用于实现对模拟水洞中相关物理量的实时监测及控制，包括水洞参数检测元件和执行元件，所述水洞参数检测元件包括用于检测水流温度的温度传感器、用于检测来流速度的速度传感器、用于检测水压的压力传感器、用于检测盐度的盐度计和用于检测液位的液位计，所述执行元件用于受控执行动作以调节实验段内水流温度、来流速度、压力、盐度和液位，包括制冷器、换热器、水洞水泵、调压泵、真空泵、加盐阀和电磁阀；

和数据采集控制系统，用于测量海水燃料电池的相关信号并向水洞电气控制单元发出控制指令，包括电池信号检测元件和控制器，所述电池信号检测元件包括用于测量待测试海水燃料电池的放电电压的电压计、用于测量放电电流的电流计、用于测量放电功率的功率计、用于测量激活时间的计时器、用于测量电芯温度的温度计和用于测量电池内阻的电阻仪，所述执行元件连接在所述控制器的输出端口以受控动作。

进一步地，所述水洞电气控制单元包括控制元件，控制元件包括变频器、温度控制器和压力控制器，水洞水泵与调压泵连接在变频器的输出端口以受控运动，制冷器和换热器连接在温度控制器的输出端口以受控运转，真空泵连接在压力控制器的输出端口以受控运转，变频器、温度控制器和压力控制器连接在所述控制器的不同输出端口以接收用于控制相应执行元件动作的控制指令。

进一步地，所述数据采集控制系统包括数据采集卡，所述数据采集卡连接在所述控制器的输入端口以向其传递采集的信号，所述水洞参数检测元件与电池信号检测元件连接在所述数据采集卡的输入端口以向其传递采集到的相关信号。

进一步地，包括负载功率加载系统，负载功率加载系统用于对实验体添加负载以模拟实验体的不同使用工况。

进一步地，所述负载功率加载系统包括电子式功率加载模块，所述数据采集控制系统包括电子负载信号检测元件，电子负载信号检测元件包括用于检测加载电压的电压计、用于检测加载电流的电流计、用于检测在线功率的功率计，所述电子负载信号检测元件连接在所述数据采集卡的一个输入端口以向其传递采集的相关信号。

进一步地，所述负载功率加载系统包括机械式功率加载模块，机械式功率加载模块包括工作电机及加载电机，所述数据采集控制系统包括机械负载信号检测元件，机械负载信号检测元件包括用于测量工作电机转速的转速传感器、用于测量加载电机加载转矩的转矩传感器和用于测量加载电机加载功率的功率计，所述机械负载信号检测元件连接在所述数据采集卡的一个输入端口以向其传递采集的相关信号。

进一步地，所述控制器与所述电子式功率加载模块、机械式功率加载模块通过串口形式进行数据交互以实现测量数据的实时采集和控制指令的实时发送。

进一步地，所述控制器包括工控主机和PLC控制器，PLC控制器与工控主机进行双向信号传输。

进一步地，所述一体化工作段中设置有试验体，一体化工作段为内径均一的圆柱段，所述试验体由前向后依次包括头部整流罩段、实验段和尾椎段，一体化工作段的前端与后端均超出试验体，头部整流罩段与一体化工作段之间形成了流通面积逐渐减小的收缩段、实验段与一体化工作段之间形成了狭窄的环形通道、尾椎段与一体化工作段之间形成了流通面积逐渐增大的扩张段。

本实用新型的有益效果如下：本实用新型通过模拟水洞提供一个高来流速度的环境，以模拟水下潜航器高速运行的工况。通过水洞电气控制单元实时测量水洞中的水流温度、来流速度、压力、盐度和液位并将其传递至数据采集控制系统，再根据数据采集控制系统发出的指令控制执行元件执行相应动作以受控地调节水洞中参数。将待测试的海水燃料电池置于实验段中即可模拟海水燃料电池用于水下潜航器时的实际服役工况。通过电池信号检测元件测量待测试海水燃料电池的放电电压、放电电流、放电功率、激活时间、电芯温度和电池内阻，即可模拟海水燃料电池在某一具体服役工况下的放电性能，实现对海水燃料电池放电服役性能的测试。

进一步地，海水燃料电池放电服役性能测试装置通过电子式功率加载模块向海水燃料电池施加电子式功率负载以模拟不同使用工况下水下潜航器所搭载的用电仪器设备等阻性负载的功率特性。

进一步地，海水燃料电池放电服役性能测试装置通过机械式功率加载模块向海水燃料电池施加机械式功率负载以模拟不同使用工况下水下潜航器所搭载的直流工作电机(感性负载)通过螺旋桨克服水中阻力向前航行过程中的负载功率特性。

附图说明

图1为本实用新型的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置的一个实施例的结构框图；

图2是图1中的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置的结构示意图；

图3是图2中机械式功率加载模块的结构示意图；

图4是图1中数据采集控制系统的结构框图；

图5是图1中水洞电气控制单元的结构框图；

图6是图2中模拟水洞的结构示意图；

图7是图6中A处的局部放大示意图。

具体实施方式

本实用新型的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置的实施例：

一种海水燃料电池放电服役性能测试装置的具体结构如图1至图7所示，包括模拟水洞100、水洞电气控制单元200、负载功率加载系统300和数据采集控制系统400。模拟水洞100用于形成水洞环境，水洞电气控制单元200用于实现模拟水洞100中的注水泄水控制、水质控制、温度控制和压力控制，负载功率加载系统300用于模拟不同使用工况下水下潜航器所搭载的用电仪器设备等阻性负载的功率特性以及水下潜航器所搭载的直流工作电机通过螺旋桨克服水中阻力向前航行过程中的负载功率特性，数据采集控制系统400用于实时采集模拟水洞100中的相应数据并生成控制指令以使模拟水洞100按需运行。

模拟水洞100包括通过管道依次串联的水泵11、一次辅助扩张段12、辅助收缩段13、一体化工作段14和二次辅助扩张段15，管道的各个拐弯处使用弯管16连接，弯管16中设置用于平顺流场的导流叶片17。每个弯管16处的导流叶片17均包括多组叶片单元，弯管16的外轮廓弧度线、多个叶片单元、弯管16的内轮廓弧度线形成了一组直径依次减小的同心圆弧。水泵11为水洞提供动力，一次辅助扩张段12、辅助收缩段13和二次辅助扩张段15是为了补偿一体化工作段14的内径与水泵11进出水处内径的差值。模拟水洞100还包括同心置于一体化工作段14中的扰流体500。

一次辅助扩张段12为锥台形状，辅助收缩段13为薄壁管状结构，一次辅助扩张段12的出口端内径与辅助收缩段13的入口端内径相同，因此两者之间的连接管段在任意横截面处的直径均相同。一体化工作段14为直径均一的圆柱管段，其前端插入辅助收缩段13中。一体化工作段14与二次辅助扩张段15入口端之间的连接管段在任意横截面处的直径均相同。

扰流体500置于一体化工作段14中，由前向后依次包括头部整流罩段51、实验段52和尾椎段53。头部整流罩段51、实验段52和尾椎段53同心设置，实验段52为直径均一的圆柱段，实验段52任意截面处的直径、头部整流罩段51的后端直径、尾椎段53前端直径相同，形成尾椎段53外轮廓的圆锥面母线在最后端聚集而形成锥顶。

扰流体500同心置于一体化工作段14的中部，一体化工作段14的前、后端均超出扰流体500。因此在一体化工作段14的入口为一段圆柱段，利用头部整流罩段51与洞段的内壁面构成流通面积逐渐减小的收缩段使流场增压提速，进而在实验段52的外壁面和洞段内壁面构成的较窄环形流道内获得稳定的高流速，最后利用尾椎段53与洞段的内壁面构成的流通面积逐渐增大的锥形面进行流场扩散和能量恢复。待测试的海水燃料电池置于实验段52中，因此在实验段52的外壁面和洞段内壁面构成的较窄环形流道内获得的稳定高流速流场可满足海水燃料电池的放电服役性能测试需求。

实验段52的外周面上沿周向均匀布置有三组弧形的勒条(图中未示出)，勒条的尺寸与一体化工作段14的尺寸吻合以使扰流体500恰好可置于一体化工作段14中。一体化工作段14的内周面上固定有挡止片(图中未示出)，挡止片位于勒条的后方以挡止扰流体500使其在向后水流的冲击作用下可保持位置而不向后运动。

本实施例中，扰流体500实际上就是实验体鱼雷，只是通过对鱼雷的结构优化使其既可以作为扰流体500使用、又可以满足对实验体的要求。头部整流罩段51的外轮廓线型方程为(x-560)^2/560^2+y^2/162^2＝1，头部整流罩段51的长度为560mm，前端半径为0，后端半径为162mm。实验段52的外轮廓线型方程为y＝162，实验段52的长度为940mm，半径为162mm。尾椎段53前端的半径为162mm，后端的半径为0，长度为920mm，外轮廓线的拟合方程式为y＝-0.0001917x^2+0.5753x-268.9。其中，以扰流体500的轴向为X轴、以扰流体500的径向方向为Y轴，以扰流体500的最前端为坐标原点建立参考坐标系，x为参数坐标系中的横轴坐标，y为参考坐标系中的纵轴坐标。由此可知，扰流体500的最大外径为324mm，一体化工作段14的内径为350mm。

采用计算流体力学软件ANSYS，针对本实施例模拟水洞中置入上述扰流体500后的一体化工作段14进行了初步仿真计算(即设实验体最大直径为324mm，一体化工作段14内径为350mm条件下)。另设定入口流速为4.5m/s，环境压力为2atm。

仿真计算结果表明：对于直径324mm的圆柱形实验体，如采用内径为350mm的一体化工作段14，在入口流速为4.5m/s时，中间与实验段52对应位置处的环形流道段可获得32m/s的稳定高流速，流道厚度为13mm。在头部整流罩段51和尾椎段53处存在局部高压区和低压区，并有流动分离现象，但无漩涡产生，整个实验段流场稳定。将实验体置于一体化工作段14内即可模拟潜航器在水中的高速航行工况。

水洞电气控制单元200包括水洞参数检测元件、执行元件和控制元件，水洞参数检测元件包括用于检测水洞狭窄环形流道内水流温度的温度传感器21、用于检测来流速度的速度传感器22、用于检测确定高度处水压的压力传感器23、用于检测盐度的盐度计24和用于检测液位的液位计25。执行元件包括制冷器26、换热器27、水泵11、调压泵29、真空泵210、加盐阀211和电磁阀212。控制元件包括变频器213、温度控制器214和压力控制器215，模拟水洞100中的水泵11与调压泵29分别连接在两组变频器213的输出端口以受控运动，制冷器26和换热器27连接在温度控制器214的输出端口以受控运转，真空泵210连接在压力控制器215的输出端口以受控运转，变频器213、温度控制器214和压力控制器215连接在控制器45的不同输出端口以接收用于控制相应执行元件动作的控制指令。

加盐阀211安装在储盐罐下端的开口处，储盐罐的开口通过管道与模拟水洞100连接，加盐阀211打开时即可增加模拟水洞100中的含盐量。调压泵29连接在调压罐的进水口，通过调压泵29向调压罐内泵入高压水，调压罐内出水口与模拟水洞100连接，通过调压罐内水压来增大模拟水洞100中的水压。真空泵210的抽吸口连接在模拟水洞100中以抽取模拟水洞100内的气体并优化流场品质。

电磁阀110有两个，分别安装在模拟水洞100的进水口与出水口位置处，相应电磁阀110打开时可实现向模拟水洞100内补水功能以及将模拟水洞中的水排出的功能，以保证模拟水洞100内的液位满足设定要求。

每个控制元件对应地完成模拟水洞100中一个需要实际模拟量的独立控制，使得水洞电气控制单元200集成度更高，需要与数据采集控制系统400相连接的接口数量更少。

负载功率加载系统300包括电子式功率加载模块31和机械式功率加载模块32。电子式功率加载模块31，主要用于模拟不同使用工况下水下潜航器所搭载的用电仪器设备等阻性负载的功率特性，包括可编程直流电子负载311和配套的测控软件312。可编程直流电子负载311，可以模拟用电负载的功率特性，按照恒压、恒流、恒阻、恒功率以及编程等多种模式输出，以评价海水燃料电池对电阻、电容类负载的功率跟随性能。现有技术中可以模拟用电负载功率特性的可编程直流电子负载311为现有技术，相配套的测控软件312也是现有技术，本申请中不再对其进行详细说明。

机械式功率加载模块32主要用于模拟水下潜航器所搭载的直流工作电机(感性负载)通过螺旋桨克服水中阻力向前航行过程中的负载功率特性。机械式功率加载模块32包括工作电机321、工作电机控制器322、伺服加载电机323、加载电机驱动器324、联轴器325、转矩传感器326和平台327。平台327为其他零部件的安装基础。工作电机321及工作电机控制器322为动力单元，由待测试海水燃料电池提供直流电力输入；伺服加载电机323及加载电机驱动器324为负载单元，接220V交流市电。工作电机321连接在工作电机控制器322的输出端口以受控运动，伺服加载电机323连接在加载电机驱动器324的输出端口以产生受控的负载。

工作电机321与伺服加载电机323经联轴器325及转矩传感器326联结后形成对拖系统。伺服加载电机323具有转矩模式，该模式下可以根据设定值以特定的输出转矩特性曲线运行，从而实现对工作电机321按预定规律稳定加载。伺服加载电机323的输出转矩由转矩模拟电压信号调节，该模拟电压信号由工控主机451通过数据采集卡44或PLC控制器452的模拟输出端发出，由加载电机驱动器324执行控制指令。

数据采集控制系统400用于测量海水燃料电池的放电参数，用于控制模拟水洞100的运行参数和负载功率，用于测量加载系统300的功率加载参数，包括电池信号检测元件41、电子负载信号检测元件42、机械负载信号检测元件43、数据采集卡44、控制器45和数据采集控制程序46。电池信号检测元件41包括用于测量海水燃料电池放电电压的电压计411、用于测量放电电流的电流计412、用于测量放电功率的功率计413、用于测量激活时间的计时器414、用于测量电芯温度的温度计415和用于测量电池内阻的电阻仪416。电子负载信号检测元件42包括用于测量负载电压的负载电压计421、用于测量负载电流的负载电流计422、用于测量负载功率的负载功率计423。机械负载信号检测元件43包括用于测量交流伺服加载电机323转速的测速器431、用于测量交流伺服加载电机323加载转矩的转矩测量仪432、用于测量交流伺服加载电机323加载功率的功率测量仪433。

电池信号检测元件41和水洞参数检测元件均连接在数据采集卡44的输入端口。控制器包括工控主机451和PLC控制器452，PLC控制器452与工控主机451进行信号传输以双向传递信息。数据采集卡44连接在工控主机451的一个输入端口，各检测元件以数字形式测量相应物理量后将其转化为模拟电压量，数据采集卡44采集上述模拟电压量并将其传输至工控主机451。数据采集控制程序46集成在PLC控制器452中，通过工控主机451持续地将采集信号送至PLC控制器452，PLC控制器452中的数据采集控制程序46将采集值与目标值相比较，并生成下一步的控制指令。用于控制模拟水洞101的控制指令由PLC控制器452以数字形式输出至水洞电气控制单元200。在其他实施例中，用于控制模拟水洞101的控制指令还可以由数据采集卡44以数字形式输出至水洞电气控制单元200。

机械式功率加载模块32中直流工作电机321的转速、转矩和功率信号，既是测量信号又是控制信号。电子负载信号检测元件42、机械负载信号检测元件43以虚拟串口通信形式与工控主机451进行数据交互实现采集信号的传输，可编程直流电子负载311、工作电机控制器322、加载电机驱动器324也是通过虚拟串口通信形式与工控主机451进行数据交互实现控制信号的传输。

当然，在其他实施例中，电池信号检测元件41和水洞参数检测元件均可以选用无线传感器，无线传感器在测量上述相应物理量之后可以利用虚拟串口将测量数据无线传输至工控主机451。

工控主机451性能稳定，可长时间持续运行以存储海水燃料电池放电服役性能测试过程中的数据，为后期实验结果的研究提供依据。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：包括模拟水洞，模拟水洞包括供实验体置于其中进行实验的一体化工作段，

和水洞电气控制单元，用于实现对模拟水洞中相关物理量的实时监测及控制，包括水洞参数检测元件和执行元件，所述水洞参数检测元件包括用于检测水流温度的温度传感器、用于检测来流速度的速度传感器、用于检测水压的压力传感器、用于检测盐度的盐度计和用于检测液位的液位计，所述执行元件用于受控执行动作以调节实验段内水流温度、来流速度、压力、盐度和液位，包括制冷器、换热器、水洞水泵、调压泵、真空泵、加盐阀和电磁阀；

和数据采集控制系统，用于测量海水燃料电池的相关信号并向水洞电气控制单元发出控制指令，包括电池信号检测元件和控制器，所述电池信号检测元件包括用于测量待测试海水燃料电池的放电电压的电压计、用于测量放电电流的电流计、用于测量放电功率的功率计、用于测量激活时间的计时器、用于测量电芯温度的温度计和用于测量电池内阻的电阻仪，所述执行元件连接在所述控制器的输出端口以受控动作。

2.根据权利要求1所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述水洞电气控制单元包括控制元件，控制元件包括变频器、温度控制器和压力控制器，水洞水泵与调压泵连接在变频器的输出端口以受控运动，制冷器和换热器连接在温度控制器的输出端口以受控运转，真空泵连接在压力控制器的输出端口以受控运转，变频器、温度控制器和压力控制器连接在所述控制器的不同输出端口以接收用于控制相应执行元件动作的控制指令。

3.根据权利要求1所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述数据采集控制系统包括数据采集卡，所述数据采集卡连接在所述控制器的输入端口以向其传递采集的信号，所述水洞参数检测元件与电池信号检测元件连接在所述数据采集卡的输入端口以向其传递采集到的相关信号。

4.根据权利要求3所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：包括负载功率加载系统，负载功率加载系统用于对实验体添加负载以模拟实验体的不同使用工况。

5.根据权利要求4所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述负载功率加载系统包括电子式功率加载模块，所述数据采集控制系统包括电子负载信号检测元件，电子负载信号检测元件包括用于检测加载电压的电压计、用于检测加载电流的电流计、用于检测在线功率的功率计，所述电子负载信号检测元件连接在所述数据采集卡的一个输入端口以向其传递采集的相关信号。

6.根据权利要求5所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述负载功率加载系统包括机械式功率加载模块，机械式功率加载模块包括工作电机及加载电机，所述数据采集控制系统包括机械负载信号检测元件，机械负载信号检测元件包括用于测量工作电机转速的转速传感器、用于测量加载电机加载转矩的转矩传感器和用于测量加载电机加载功率的功率计，所述机械负载信号检测元件连接在所述数据采集卡的一个输入端口以向其传递采集的相关信号。

7.根据权利要求6所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述控制器与所述电子式功率加载模块、机械式功率加载模块通过串口形式进行数据交互以实现测量数据的实时采集和控制指令的实时发送。

8.根据权利要求7所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述控制器包括工控主机和PLC控制器，PLC控制器与工控主机进行双向信号传输。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种海水燃料电池放电服役性能测试装置，其特征在于：所述一体化工作段中设置有试验体，一体化工作段为内径均一的圆柱段，所述试验体由前向后依次包括头部整流罩段、实验段和尾椎段，一体化工作段的前端与后端均超出试验体，头部整流罩段与一体化工作段之间形成了流通面积逐渐减小的收缩段、实验段与一体化工作段之间形成了狭窄的环形通道、尾椎段与一体化工作段之间形成了流通面积逐渐增大的扩张段。

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