基于vc的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)及建立方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)及建立方法，該系統(tǒng)包括一臺(tái)工控機(jī)、16路模數(shù)A/D采集卡、16路數(shù)模D/A采集卡以及32路數(shù)字I/O板卡，本發(fā)明利用VC軟件開發(fā)模型代替實(shí)際空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆各模塊的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況。用A/D采集卡、D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡建立燃料電池控制器與仿真模型之間的聯(lián)系，模擬整個(gè)燃料電池測(cè)試系統(tǒng)。本發(fā)明模型輸入輸出參量均通過A/D采集卡、D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡傳遞給燃料電池控制器，實(shí)際的控制器、各種信號(hào)轉(zhuǎn)換板卡以及用來代替真實(shí)燃料電池的仿真模型一起組成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。
【專利說明】基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)及建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車測(cè)試與試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是一種基于VC (Visual C++)的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)及建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池具有低噪音、無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高和工作溫度低等良好性能，特別適合做電動(dòng)汽車動(dòng)力能源。各國(guó)政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都著重致力于研究質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車，而燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池電動(dòng)汽車的心臟目前處于新的突破期，正在成為新的研發(fā)熱點(diǎn)。
[0003]燃料電池控制器研制過程中需要大量的測(cè)試，尤其需要?jiǎng)討B(tài)環(huán)境下的測(cè)試。目前在實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)測(cè)試難以發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境中存在的軟硬件問題，另外直接在燃料電池上測(cè)試存在成本高、周期長(zhǎng)、過程復(fù)雜等問題，而且不當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)降低燃料電池壽命。因此構(gòu)建燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)是燃料電池控制器研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的工作特性，采用軟件工程方法建立模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)和接口板卡組成集成化的基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)及建立方法，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和測(cè)試。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括工控機(jī)、模數(shù)A/D采集卡、數(shù)模D/A采集卡、數(shù)字I/O板卡以及利用VC開發(fā)代替實(shí)際空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆各單元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)行狀況的燃料電池仿真模型，燃料電池控制器通過所述A/D采集卡、D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡與所述仿真模型連接，構(gòu)成閉環(huán)的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)；所述燃料電池控制器包括采集單元和主控單元，采集單元連接到工控機(jī)的D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡上，用于接收工控機(jī)的輸出信號(hào)；主控單元一方面利用CAN通信從采集單元獲取數(shù)據(jù)，然后通過USB與上位機(jī)通信，將燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓、電流值以及燃料電池系統(tǒng)的其它運(yùn)行信息反饋給上位機(jī)，上位機(jī)保存數(shù)據(jù)，以便分析判斷燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電性能。另一方面，主控單元連接到所述A/D采集卡和數(shù)字I/O板卡上，給工控機(jī)輸出控制信號(hào)。
[0007]所述仿真模型的具體建立方法如下:
[0008]打開VC應(yīng)用程序，進(jìn)入仿真界面，設(shè)置仿真周期t_max、狀態(tài)更新時(shí)間h和微分方程組初值，運(yùn)用四階一龍格庫塔法求解微分方程組，利用模型計(jì)算公式得到各參數(shù)的變化值，比如進(jìn)、出堆氫氣壓力、電堆電壓、電堆溫度等，通過這些參數(shù)值判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，比如空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)工作狀態(tài)是否異常等，通過C++接口程序，將這些值分別寫到與采集單元相連的D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡的相應(yīng)端口，對(duì)t進(jìn)行更新t+=h，通過C++接口程序分別讀取與主控單元相連的A/D采集卡和數(shù)字I/O板卡相應(yīng)模擬輸入量端口和數(shù)字量端口，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次計(jì)算，重復(fù)以上操作，直到當(dāng)前時(shí)間t大于t_max，則結(jié)束本次仿真；所述空氣供給系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng)模型是根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)擬合而來，而冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆模型則是根據(jù)機(jī)理模型建立的。
[0009]本發(fā)明利用VC建模實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性好，能夠很好的反映燃料電池運(yùn)行過程中各參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，利用四階龍格一庫塔算法解微分方程具有較高的精確度，是一種優(yōu)先選取的算法。
[0010]本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
[0011]I)仿真試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)在界面上可設(shè)置參數(shù)。
[0012]2)仿真試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)具有模擬輸入輸出量和數(shù)字量信號(hào)顯示界面。
[0013]本發(fā)明基于VC建立燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，在半實(shí)物仿真中，將由主控板和采集板所組成的燃料電池控制器實(shí)物直接引入仿真回路，進(jìn)一步校準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。構(gòu)成的半實(shí)物仿真，對(duì)于檢驗(yàn)系統(tǒng)各設(shè)備的性能將更加直接和有效。控制器能夠直接連接該仿真平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，可以提高系統(tǒng)研制質(zhì)量、縮短研制周期和節(jié)省研制成本，有利于更好地研究影響燃料電池及其系統(tǒng)性能的因素，為燃料電池的研發(fā)工作創(chuàng)造更有利的條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖。
[0015]圖2為本發(fā)明仿真模型工作流程圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中D/A采集卡連接關(guān)系及引腳定義圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中A/D采集卡連接關(guān)系及引腳定義圖。
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中數(shù)字I/O板卡連接關(guān)系及引腳定義圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0020]一種基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括工控機(jī)、模數(shù)A/D采集卡、數(shù)模D/A采集卡、數(shù)字I/O板卡以及利用VC開發(fā)代替實(shí)際空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆各單元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)行狀況的燃料電池仿真模型(工控機(jī))，燃料電池控制器通過所述A/D采集卡、D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡與所述仿真模型連接，構(gòu)成閉環(huán)的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)；所述燃料電池控制器包括采集單元和主控單元，采集單元連接到工控機(jī)的D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡上，用于接收工控機(jī)的輸出信號(hào)；主控單元一方面利用CAN通信從采集單元獲取數(shù)據(jù)，然后通過USB與上位機(jī)通信，將燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓、電流值以及燃料電池系統(tǒng)的其它運(yùn)行信息反饋給上位機(jī)，上位機(jī)保存數(shù)據(jù)，以便分析判斷燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電性能。另一方面，主控單元連接到所述A/D采集卡和數(shù)字I/O板卡上，給工控機(jī)輸出控制信號(hào)。
[0021]實(shí)施例:
[0022]以一臺(tái)工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，16路模數(shù)A/D采集卡、16路數(shù)模D/A采集卡以及32路數(shù)字I/o板卡作為硬件支持。軟件開發(fā)平臺(tái)是Visual C++。
[0023]本發(fā)明燃料電池仿真模型主要包括空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆(圖1)。燃料電池通過氫氣和氧氣的電化反應(yīng)產(chǎn)生直流電能，純粹的燃料電池反應(yīng)堆不能直接用來作為電源，需要燃料電池堆的各個(gè)子系統(tǒng)及控制器配合工作才能向外安全、穩(wěn)定地輸出功率:氫氣供給系統(tǒng)負(fù)責(zé)連續(xù)地向燃料電池堆提供一定壓力、一定流量的高純度的氫氣，以保證燃料電池堆中的電化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，氮?dú)獾拇嬖谑菫榱吮ＷC反應(yīng)的安全進(jìn)行，當(dāng)燃料電池堆發(fā)電前或不工作時(shí)，為了避免殘存在氣路的氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)造成危險(xiǎn)，所以要充入惰性氣體；空氣供給系統(tǒng)負(fù)責(zé)連續(xù)地向燃料電池堆提供與氫氣系統(tǒng)相同壓力、一定流量、良好濾清的空氣，通入空氣加濕器的空氣可以選擇由轉(zhuǎn)速快、出口空氣壓力大的高速風(fēng)機(jī)吹進(jìn)燃料電池堆，以滿足燃料電池對(duì)大量氧氣的需求；冷卻水系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制燃料電池堆的溫度，以保證燃料電池堆中電化學(xué)反應(yīng)的正常、高效進(jìn)行。
[0024]本發(fā)明以空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、燃料電池堆的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型代替實(shí)際燃料電池的運(yùn)行，對(duì)燃料電池控制系統(tǒng)的控制信號(hào)及控制軟件進(jìn)行測(cè)試。燃料電池控制器實(shí)物與仿真試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)連接后如圖1所示。
[0025]I)本發(fā)明用以下四個(gè)表來表示控制參數(shù)
[0026]①工作狀態(tài)信號(hào)表(輸入)
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，包括工控機(jī)、模數(shù)A/D采集卡、數(shù)模D/A采集卡、數(shù)字I/O板卡以及利用VC開發(fā)代替實(shí)際空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆各單元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)行狀況的燃料電池仿真模型，燃料電池控制器通過所述A/D采集卡、D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡與所述仿真模型連接，構(gòu)成閉環(huán)的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)；所述燃料電池控制器包括采集單元和主控單元，采集單元連接到工控機(jī)的D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡上，用于接收工控機(jī)的輸出信號(hào)；主控單元一方面利用CAN通信從采集單元獲取數(shù)據(jù)，然后通過USB與上位機(jī)通信，將燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓、電流值以及燃料電池系統(tǒng)的其它運(yùn)行信息反饋給上位機(jī)，上位機(jī)保存數(shù)據(jù)，以便分析判斷燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電性能；另一方面，主控單元連接到所述A/D采集卡和數(shù)字I/O板卡上，給工控機(jī)輸出控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于VC的燃料電池半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于:所述仿真模型的具體建立方法如下: 打開VC應(yīng)用程序，進(jìn)入仿真界面，設(shè)置仿真周期t_max、狀態(tài)更新時(shí)間h和微分方程組初值，運(yùn)用四階一龍格庫塔法求解微分方程組，利用模型計(jì)算公式得到進(jìn)、出堆氫氣壓力、電堆電壓以及電堆溫度等各參數(shù)的變化值，通過這些參數(shù)值判斷系統(tǒng)中空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及燃料電池堆的工作狀態(tài)，通過C++接口程序，將這些值分別寫到與采集單元相連的D/A采集卡和數(shù)字I/O板卡的相應(yīng)端口，對(duì)t進(jìn)行更新t+=h，通過C++接口程序分別讀取與主控單元相連的A/D采集卡和數(shù)字I/O板卡相應(yīng)模擬輸入量端口和數(shù)字量端口，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次計(jì)算，重復(fù)以上操作，直到當(dāng)前時(shí)間t大于t_max，則結(jié)束本次仿真；所述空氣供給系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng)模型是根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)擬合而來，而冷卻水系統(tǒng)和燃料電池堆模型則是根據(jù)機(jī)理模型建立的。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103676668SQ201310653437
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】張立炎, 全書海, 葉歡, 龍容, 陳啟宏, 謝長(zhǎng)君, 黃亮, 李潔, 段林峰, 答蕓 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)