高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法及系统

1.本发明涉及一种燃料电池硬件在环测试技术，尤其涉及一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法及系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装置，其具有发电率高，污染小的优点。其中甲醇燃料电池是新能源领域的崭新技术，常温下甲醇为液态，具有方便储存、运输、加注的优点，同时其单位体积的能量密度优势明显，作为燃料可以放出较多的能量，因此甲醇重整燃料电池开始受到关注。
3.但是，甲醇燃料电池的开发测试成本较高，在测试电堆的过程中容易对电池的膜电极造成损害。为了可以更好的开发甲醇燃料电池的控制管理策略，保持变工况下系统的瞬态响应及时、燃料电池的工作状态稳定，非常有必要开发建立一个可以在硬件在环测试实验中代替燃料电池的实时模型。
4.目前应用于硬件在环系统的燃料电池主体绝大多数为低温pemfc，在使用时，其nafion膜在湿润状态下才具有质子传导能力。除此之外，低温pemfc制备的氢气中含有的co会毒化其催化剂，使其丧失催化能力。而高温pemfc则很好的解决了水管理和co中毒问题，同时更高的工作温度也提升了电化学反应活性，从而弥补了高温膜中质子传导率的降低带来的性能损失。在结构方面，由于高温pemfc中重整得到的气体无需去除co装置，可直接通入电堆，因此相比于低温pemfc，结构更加简化。故急需采用高温pemfc建立的燃料电池系统本体。
5.同时由于真实测试设备比较昂贵，相对于高精度的实时仿真机造价更高。因此在产品开发和测试阶段，使用hil仿真机比真实设备更加经济。硬件在环仿真测试系统是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过i/o接口与被测的ecu连接，对被测ecu进行全方面的、系统的测试。从安全性、可行性和合理的成本上考虑，硬件在环仿真测试已经成为ecu开发流程中非常重要的一环，缩短开发时间和降低成本的同时提高ecu的软件质量。故需要一种基于仿真的高温pemfc硬件在环测试方法及系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，能有效反馈燃料电池模型的实际运行情况，提高燃料电池特性仿真测试与控制器策略开发效率，降低开发成本。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，包括以下步骤：
8.s1、基于matlab/simulink构建高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型；
9.s2、对应待测模型部署硬件设备，并利用appdesigner进行上位机子系统测试平台开发，而后连接上位机子系统、硬件设备和燃料电池控制器；
10.s3、待测模型在硬件中进行仿真并输出信号值，上位机子系统实时观测模型运行情况进行硬件在环测试；
11.s4、通过上位机子系统进行相应数据的观察，并通过上位机子系统向燃料电池控制器发送工况指令，燃料电池控制器通过开环控制对实时仿真模型进行实时控制，通过闭环控制进行模型反馈测试，根据测试结果对模型进行改进；
12.s5、导出数据，并对导出的信号进行分析，辅助加快模型开发；
13.s6、重新进行硬件在环测试。
14.优选的，在步骤s1中，高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型包括燃烧室模块、重整室模块、阴极模块、阳极模块以及电堆模块。
15.优选的，在步骤s1中，高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型的具体建模步骤包括：
16.s10、输入不同工况下各模块的工质参数；
17.工质参数包括燃烧室入口空气体积流量、重整室入口甲醇流量、重整室入口水流量、电堆阴极进气处空气体积流量和电流；
18.s11、计算各部件出口处的温度和压力；
19.s12、计算电堆的开路电压和温度。
20.优选的，在步骤s11具体包括以下步骤：
21.s110、通过公式(1)、(2)计算燃烧室出口温度和压力：
[0022][0023][0024]
式中，t
cc
为燃烧室出口温度；p
cc
为燃烧室出口压力；r为气体常数；cv为气体定容比热容；v为工质体积；为燃烧室净质量的焓与燃烧室进出口内能项；为燃烧室燃料内能变化项；为燃烧室壁面向外传热；为燃烧放热项；为燃烧室向重整室的传热量；
[0025]
s111、通过公式(3)、(4)计算重整室出口温度和压力：
[0026][0027][0028]
式中，t
rr
为重整室出口温度；p
rr
为重整室出口压力；为重整室净质量的焓与重整室进出口内能项；为重整室内部内能变化项；为重整室甲醇
溶液的汽化潜热项；为重整反应的吸热量；为燃烧室向重整室的传热量；
[0029]
s112、通过公式(5)计算阴阳极前侧供气管道的温度：
[0030][0031]
式中，t
pipe,an
为阳极出口温度；p
pipe,an
为阳极出口压力；为进入阳极前侧管道的焓值与管道进口处内能项；为离开阳极前侧管道的焓值与管道出口处内能项；为电堆和阴阳极前侧管道交换的热量；
[0032]
s113、通过公式(6)、(7)计算阴阳极模块的温度和压力：
[0033][0034][0035]
式中，t
an
为阳极温度；p
an
为阳极压力；为进入阳极的焓值与阳极进口处内能项；为流出阳极的焓值与阳极出口处内能项；为电堆与阴阳极的传热。
[0036]
优选的，在步骤s12中，通过公式(8)至(14)计算电堆的开路电压和温度：
[0037]ecell
＝e
th-η
act-η
ohm-η
con
ꢀꢀ
(8)
[0038]qan,cell
＝n*h
gas
*a
cell
*(t
stack-t
an
)
ꢀꢀ
(9)
[0039]qca,cell
＝n*h
gas
*a
cell
*(t
stack-t
ca
)
ꢀꢀ
(10)
[0040]
p
el
＝n*u
cell
*i
ꢀꢀ
(11)
[0041][0042]qcooling
＝n*h
cl
*a
cl
*(t
stack-t
cl
)
ꢀꢀ
(13)
[0043][0044]
式中，e
ce
ll为电堆开路电压；e
th
为热力学电动势；η
act
为激活电压；η
ohm
为欧姆电压；η
con
为浓度差电压；q
an,cell
为电堆传递给阳极气槽的能量；q
ca,cell
为电堆传递给阴极气槽的能量；p
el
为电堆输出的电能；q
created
为氢气和水的反应热；q
cooling
为电堆内置冷却油带走的热量；mc为电堆的热力学能。
[0045]
优选的，在步骤s110中，燃烧室壁面向外传热、燃烧放热项、燃烧室向重整室的传热量计算表达式如下：
[0046]qwall
＝h
cc
·acc
·
(t
cc-t
env
)
ꢀꢀ
(15)
[0047][0048]qc2r
＝h
rr
·acell
·
(t
cc-t
rr
)
ꢀꢀ
(17)
[0049]
式中，h
cc
为燃烧室传热系数；a
cc
为燃烧室面积；t
env
为环境温度；为燃烧室氢气的质量流速；h
rr
为重整室传热系数；a
cell
为单体截面积。
[0050]
优选的，在步骤s111中重整室甲醇溶液汽化潜热项、重整反应的吸热量、燃烧室向重整室的传热量计算表达式如下：
[0051][0052][0053]qc2r
＝h
rr
·acell
·
(t
cc-t
rr
)
ꢀꢀ
(20)
[0054]
式中，为进入重整室水的质量流量；为水的汽化潜热；为进入重整室甲醇的质量流量；为甲醇的汽化潜热；为重整反应消耗甲醇的质量流量；为逆水汽变换消耗二氧化碳的质量流量；为自分解反应消耗甲醇的质量流量。
[0055]
优选的，在步骤s12中，热力学电动势、激活电压、欧姆电压、浓度差电压的计算表达式如下：
[0056][0057][0058]
η
ohm
＝j*r
ohm
ꢀꢀ
(23)
[0059][0060]
式中，δg为自由能变化；δs为熵的变化量；α为电荷传递系数；j为放电电流系数；j0为交换电流密度；j
leak
为渗透电流密度为r
ohm
为燃料电池内阻；j
l
为燃料电池极限电流密度。
[0061]
优选的，在步骤s4中，换运用燃料电池控制器对模型进行控制与测试，具体包括开环控制、闭环控制两部分，具体步骤如下：
[0062]
s40、开环对模型实时控制：通过向燃料电池控制器输入设计参数，直接调整实时仿真机中通过代码直接绑定的模型设计参数；
[0063]
设计参数具体包括：甲醇质量流量、水质量流量、燃烧室氢气进料估计、燃烧室空气进料估计、电堆氢气进料估计、电堆空气进料估计；
[0064]
s41、闭环进行模型反馈控制:通过燃料电池控制器绑定模型中的功率目标值，进行调整目标功率，测试模型反馈性能：
[0065]
通过pid控制器调节，通过进入燃烧室的空气扫气量控制重整室温度，通过控制进入重整室甲醇水溶液的流量控制电堆电压以及通过负载控制电流来达到闭环控制的目的；同时由确定功率得到目标重整室温度、目标电压、目标负载通过反馈得到二者差值调控控制器。
[0066]
基于高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法的系统，包括硬件在环仿真系统和上位机子系统；
[0067]
硬件在环仿真系统包括实时仿真机和燃料电池模型；
[0068]
上位机子系统包括镶嵌有自动化测试与数据管理软件的上位机，上位机软件由appdesigner开发并可独立运行；
[0069]
所述上位机经tcp/ip通讯协议与所述实时仿真机相通讯，上位机进行模型部署及参数设置，所述实时仿真机接收并应答相应信号值，同时在上位机上通过曲线、数值显示实时观测模型运行情况。
[0070]
本发明的有益效果如下：
[0071]
1、本发明中的高温甲醇重整燃料电池模型系统由控制端和被控端组成，被控端以高温甲醇重整燃料电池为本体，不同于低温pemfc需要co等有毒物质的去除结构，可将重整端产生的气体直接通入电堆，模型的结构更加简化。
[0072]
2、本发明包括speedgoat、上位机子系统、高温甲醇重整燃料电池系统(燃料电池系统和控制器)，为燃料电池系统控制器提供了验证平台，可用于控制算法验证，更加切合实际，尽可能地保留了真实系统的特性，较为真实地反应零部件匹配以及控制算法设计对电堆性能影响。
[0073]
3、本发明所使用hil仿真机比真实设备更加经济，且面向speedgoat实时仿真硬件的上位机子系统自动化测试与数据管理软件，可以更好地节省开发成本。
[0074]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0075]
图1为本发明的模型构建流程图；
[0076]
图2为本发明的逻辑图；
[0077]
图3为本发明的操作示意图；
[0078]
图4为本发明的结构框图；
[0079]
图5为本发明的燃料电池模型结构图；
[0080]
图6为本发明的燃料电池模型的电堆结构图；
[0081]
图7为本发明的上位机开环控制界面图；
[0082]
图8为本发明的上位机闭环控制界面图；
[0083]
图9为本发明的上位机数据输出界面图。
具体实施方式
[0084]
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方
案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
[0085]
图1为本发明的模型构建流程图；图2为本发明的逻辑图；图3为本发明的操作示意图；图4为本发明的结构框图；图5为本发明的燃料电池模型结构图；图6为本发明的燃料电池模型的电堆结构图；图7为本发明的上位机开环控制界面图；图8为本发明的上位机闭环控制界面图；图9为本发明的上位机数据输出界面图，如图1-图9所示，本发明包括以下步骤：
[0086]
包括以下步骤：
[0087]
s1、基于matlab/simulink构建高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型；
[0088]
优选的，在步骤s1中，高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型包括燃烧室模块、重整室模块、阴极模块、阳极模块以及电堆模块优选的，在步骤s1中，高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型的具体建模步骤包括：
[0089]
s10、输入不同工况下各模块的工质参数；
[0090]
工质参数包括燃烧室入口空气体积流量、重整室入口甲醇流量、重整室入口水流量、电堆阴极进气处空气体积流量和电流；
[0091]
s11、计算各部件出口处的温度和压力；
[0092]
优选的，在步骤s11具体包括以下步骤：
[0093]
s110、通过公式(1)、(2)计算燃烧室出口温度和压力：
[0094][0095][0096]
式中，t
cc
为燃烧室出口温度；p
cc
为燃烧室出口压力；r为气体常数；cv为气体定容比热容；v为工质体积；为燃烧室净质量的焓与燃烧室进出口内能项；为燃烧室燃料内能变化项；为燃烧室壁面向外传热；为燃烧放热项；为燃烧室向重整室的传热量；
[0097]
优选的，在步骤s110中，燃烧室壁面向外传热、燃烧放热项、燃烧室向重整室的传热量计算表达式如下：
[0098]qwall
＝h
cc
·acc
·
(t
cc-t
env
)
ꢀꢀ
(15)
[0099][0100]qc2r
＝h
rr
·acell
·
(t
cc-t
rr
)
ꢀꢀ
(17)
[0101]
式中，h
cc
为燃烧室传热系数；a
cc
为燃烧室面积；t
env
为环境温度；为燃烧室氢气的质量流速；h
rr
为重整室传热系数；a
cell
为单体截面积。
[0102]
s111、通过公式(3)、(4)计算重整室出口温度和压力：
[0103][0104][0105]
式中，t
rr
为重整室出口温度；p
rr
为重整室出口压力；为重整室净质量的焓与重整室进出口内能项；为重整室内部内能变化项；为重整室甲醇溶液的汽化潜热项；为重整反应的吸热量；为燃烧室向重整室的传热量；
[0106]
优选的，在步骤s111中重整室甲醇溶液汽化潜热项、重整反应的吸热量、燃烧室向重整室的传热量计算表达式如下：
[0107][0108][0109]qc2r
＝h
rr
·acell
·
(t
cc-t
rr
)
ꢀꢀ
(20)
[0110]
式中，为进入重整室水的质量流量；为水的汽化潜热；为进入重整室甲醇的质量流量；为甲醇的汽化潜热；为重整反应消耗甲醇的质量流量；为逆水汽变换消耗二氧化碳的质量流量；为自分解反应消耗甲醇的质量流量。
[0111]
s112、通过公式(5)计算阴阳极前侧供气管道的温度：
[0112][0113]
式中，t
pipe,an
为阳极出口温度；p
pipe,an
为阳极出口压力；为进入阳极前侧管道的焓值与管道进口处内能项；为离开阳极前侧管道的焓值与管道出口处内能项；为电堆和阴阳极前侧管道交换的热量；
[0114]
s113、通过公式(6)、(7)计算阴阳极模块的温度和压力：
[0115]
[0116][0117]
式中，t
an
为阳极温度；p
an
为阳极压力；为进入阳极的焓值与阳极进口处内能项；为流出阳极的焓值与阳极出口处内能项；为电堆与阴阳极的传热。
[0118]
s12、计算电堆的开路电压和温度。
[0119]
优选的，在步骤s12中，通过公式(8)至(14)计算电堆的开路电压和温度：
[0120]ecell
＝e
th-η
act-η
ohm-η
con
ꢀꢀ
(8)
[0121]qan,cell
＝n*h
gas
*a
cell
*(t
stack-t
an
)
ꢀꢀ
(9)
[0122]qca,cell
＝n*h
gas
*a
cell
*(t
stack-t
ca
)
ꢀꢀ
(10)
[0123]
p
el
＝n*u
cell
*i
ꢀꢀ
(11)
[0124][0125]qcooling
＝n*h
cl
*a
cl
*(t
stack-t
cl
)
ꢀꢀ
(13)
[0126][0127]
式中，e
cell
为电堆开路电压；e
th
为热力学电动势；η
act
为激活电压；η
ohm
为欧姆电压；η
con
为浓度差电压；q
an,cell
为电堆传递给阳极气槽的能量；q
ca,cell
为电堆传递给阴极气槽的能量；p
el
为电堆输出的电能；q
created
为氢气和水的反应热；q
cooling
为电堆内置冷却油带走的热量；mc为电堆的热力学能。
[0128]
优选的，由于燃料电池的开路电压受到激活电压、欧姆电压和浓度差电压的影响，电堆温度计算由传递给阴阳极气槽的热量、输出电能、氢气和水反应热、电堆内置冷却油带走热量五部分组成，故在步骤s12中，热力学电动势、激活电压、欧姆电压、浓度差电压的计算表达式如下：
[0129][0130][0131]
η
ohm
＝j*r
ohm
ꢀꢀ
(23)
[0132][0133]
式中，δg为自由能变化；δs为熵的变化量；α为电荷传递系数；j为放电电流系数；j0为交换电流密度；j
leak
为渗透电流密度为r
ohm
为燃料电池内阻；j
l
为燃料电池极限电流密度。
[0134]
s2、对应待测模型部署硬件设备，并利用appdesigner进行上位机子系统测试平台
开发，而后连接上位机子系统、硬件设备和燃料电池控制器；
[0135]
s3、待测模型在硬件中进行仿真并输出信号值，上位机子系统实时观测模型运行情况进行硬件在环测试；
[0136]
s4、通过上位机子系统进行相应数据的观察，并通过上位机子系统向燃料电池控制器发送工况指令，燃料电池控制器通过开环控制对实时仿真模型进行实时控制，通过闭环控制进行模型反馈测试，根据测试结果对模型进行改进；
[0137]
优选的，在步骤s4中，换运用燃料电池控制器对模型进行控制与测试，具体包括开环控制、闭环控制两部分，具体步骤如下：
[0138]
s40、开环对模型实时控制：通过向燃料电池控制器输入设计参数，直接调整实时仿真机中通过代码直接绑定的模型设计参数；
[0139]
设计参数具体包括：甲醇质量流量、水质量流量、燃烧室氢气进料估计、燃烧室空气进料估计、电堆氢气进料估计、电堆空气进料估计；
[0140]
s41、闭环进行模型反馈控制:通过燃料电池控制器绑定模型中的功率目标值，进行调整目标功率，测试模型反馈性能：
[0141]
通过pid控制器调节，通过进入燃烧室的空气扫气量控制重整室温度，通过控制进入重整室甲醇水溶液的流量控制电堆电压以及通过负载控制电流来达到闭环控制的目的；同时由确定功率得到目标重整室温度、目标电压、目标负载通过反馈得到二者差值调控控制器。
[0142]
在本实施例中高温甲醇重整燃料电池开环控制基于实验数据，共有典型五个工况，当五个工况之间进行功率切换时，即可得到五个端口数据的响应,当五个工况之间进行功率切换时，即可得到五个端口数据的响应,例如设置模型输入功率为5kw和3kw时，模型五个端口响应数据如下表：
[0143][0144]
s41、闭环进行模型反馈控制:通过绑定模型中的功率目标值，进行调整目标功率，测试模型反馈性能。具体包括：通过pid控制器调节，通过进入燃烧室的空气扫气量控制重整室温度、通过进入重整室甲醇水溶液的流量控制电堆电压以及通过负载控制电流来达到闭环控制的目的；同时由确定功率得到目标重整室温度、目标电压、目标负载通过反馈得到二者差值调控控制器。
[0145]
s5、导出数据，并对导出的信号进行分析，辅助加快模型开发；
[0146]
s6、重新进行硬件在环测试。
[0147]
基于高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法的系统，包括硬件在环仿真系统和上位机子系统；
[0148]
硬件在环仿真系统包括实时仿真机和燃料电池模型；
[0149]
上位机子系统包括镶嵌有自动化测试与数据管理软件的上位机，上位机软件由appdesigner开发并可独立运行；
[0150]
所述上位机经tcp/ip通讯协议与所述实时仿真机相通讯，上位机进行模型部署及参数设置，所述实时仿真机接收并应答相应信号值，同时在上位机上通过曲线、数值显示实时观测模型运行情况。
[0151]
其中，上位机包括参数修改板块以及信号显示板块。信号显示板块根据数据的观察重要性进行分类显示，可以通过表盘显示，动态曲线显示以及直接数值显示。参数修改板块又分为开环控制部分、闭环控制部分以及数据导出部分。其中通过数据导出功能可以截取某一时间段实时仿真数据，对先前数据进行检测观察。同时增加了开始/停止记录数据的功能，能降低对无用数据的记录。增添离线绘图模式，既保证了数据存储功能，同时能降低通信压力，提高软件运行稳定性。
[0152]
燃料电池模型包括：重整器，完成燃烧传热以及重整制氢的功能，具备燃烧室和重整室两部分；阴阳极前供气管道，负责电池外部的进气工作，阳极前供气管道还有冷却重整室出口气体温度的功能，在此部分无化学反应产生；电堆阴阳极气槽模块，主要完成氢气与氧气对交换膜的扩散；电堆模型(交换膜)，主要完成输出电压以及电池综合温度计算；开环控制下稳态功率控制器，用于模型运行过程中切换工况点；闭环控制器，用于燃料电池功率切换过程实现快速响应，维持燃料电池系统的稳定。
[0153]
因此，本发明采用上述高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，能有效反馈燃料电池模型的实际运行情况，提高燃料电池特性仿真测试与控制器策略开发效率，降低开发成本。
[0154]
最后应说明的是为以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解为其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。