高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法及系统

技术特征：
1.一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、基于matlab/simulink构建高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型；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；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；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；s5、导出数据，并对导出的信号进行分析，辅助加快模型开发；s6、重新进行硬件在环测试。2.根据权利要求1所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：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：s10、输入不同工况下各模块的工质参数；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；s11、计算各部件出口处的温度和压力；s12、计算电堆的开路电压和温度。4.根据权利要求3所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：在步骤s11具体包括以下步骤：s110、通过公式(1)、(2)计算燃烧室出口温度和压力：s110、通过公式(1)、(2)计算燃烧室出口温度和压力：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；c
v
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；s111、通过公式(3)、(4)计算重整室出口温度和压力：
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；s112、通过公式(5)计算阴阳极前侧供气管道的温度：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；s113、通过公式(6)、(7)计算阴阳极模块的温度和压力：3、通过公式(6)、(7)计算阴阳极模块的温度和压力：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。5.根据权利要求4所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：在步骤s12中，通过公式(8)至(14)计算电堆的开路电压和温度：e
cell
＝e
th-η
act-η
ohm-η
con
ꢀꢀꢀꢀ
(8)q
an,cell
＝n*h
gas
*a
cell
*(t
stack-t
an
)
ꢀꢀꢀꢀ
(9)q
ca,cell
＝n*h
gas
*a
cell
*(t
stack-t
ca
)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)p
el
＝n*u
cell
*i
ꢀꢀꢀꢀ
(11)q
cooling
＝n*h
cl
*a
cl
*(t
stack-t
cl
)
ꢀꢀꢀꢀ
(13)
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；m
c
为电堆的热力学能。6.根据权利要求5所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：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：q
wall
＝h
cc
·
a
cc
·
(t
cc-t
env
)
ꢀꢀꢀꢀ
(15)q
c2r
＝h
rr
·
a
cell
·
(t
cc-t
rr
)
ꢀꢀꢀꢀ
(17)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。7.根据权利要求5所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：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：传热量计算表达式如下：q
c2r
＝h
rr
·
a
cell
·
(t
cc-t
rr
)
ꢀꢀꢀꢀ
(20)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。8.根据权利要求5所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：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：征在于：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：η
ohm
＝j*r
ohm
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
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。9.根据权利要求1所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法，其特征在于：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：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；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；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：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。10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述的一种高温甲醇重整燃料电池的实时硬件在环测试方法的系统，其特征在于:包括硬件在环仿真系统和上位机子系统；硬件在环仿真系统包括实时仿真机和燃料电池模型；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；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。

技术总结
本发明公开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：基于MATLAB/Simulink构建高温甲醇重整燃料电池实时仿真模型-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-硬件在环测试-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-导出数据，并对导出的信号进行分析，辅助加快模型开发-重新进行硬件在环测试。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。降低开发成本。降低开发成本。


技术研发人员：朱晶宇 薛梓昕 杨庆汉 仉曜
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/11/18