氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台及搭建方法

1.本技术涉及无人机控制领域，具体而言，涉及一种氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台及搭建方法。


背景技术：

2.氢燃料电池动力系统方案是燃料电池无人机的核心关键技术之一，是航空工业领域实现“双碳”战略的重要发展方向，也是国内外绿色航空发展的必争技术。
3.氢燃料电池是一种利用氢氧电化学反应的发电装置，其发电过程需要适宜的温度控制和水管理，这是决定燃料电池稳定可靠工作的前提，直接决定着燃料电池动力系统的工作性能。
4.当前对于燃料电池控制方面的研究，例如：
5.[1]郭朋彦,宗贺辉,王一博,等.氢燃料电池混合动力汽车能量管理系统建模与仿真分析[j].汽车电器,2020(1):4；
[0006]
[2]张立炎,潘牧,全书海.质子交换膜燃料电池系统建模和控制的综述[j].武汉理工大学学报：信息与管理工程版,2007,29(4):6；
[0007]
[3]赵冬冬,赵国胜,夏磊,等.无人机用燃料电池阴极供气系统建模与控制[j].航空学报,2021；
[0008]
上述研究主要是依靠软件建立数学模型进行仿真和设计控制器进行硬件测试，缺少从数学模型到实物测试的过渡环节，导致其控制方案的修改需要在软硬件之间反复地调试。针对以上问题，申请一种适用于小型无人机的氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台是必要的。
[0009]
而目前主流的控制器开发平台是单片机和开发板。这种传统的控制开发技术需要反复在软硬件之间进行修正，同时会受到控制器本身硬件条件的制约，其后期升级优化方法有限，集成电路设计、打样、测试时间长，存在固有成本高、开发周期长等缺点，难以满足日趋多样的控制策略的实物测试需要，更不能满足日益增长的燃料电池控制需求。因此，需要采用现代化的快速控制原型技术。


技术实现要素：

[0010]
本技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种氢燃料电池快速控制设计试验平台及搭建方法。
[0011]
本技术搭建一种适用于小型无人机的氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台，以实现高效稳定的控制方法研究、测试、部署，加快氢燃料电池控制器的研制进程，便于控制器软硬件的升级优化，有效缩短研发时间，提高燃料电池系统控制的可靠性。
[0012]
本技术的技术方案如下：
[0013]
一种氢燃料电池快速控制设计试验平台，包括：实时仿真系统，状态信息采集系统，附件驱动系统；
[0014]
所述状态信息采集系统的输出端与所述实时仿真系统的输入端电信连接；
[0015]
所述实时仿真系统的输出端与附件驱动系统的输入端电信连接；
[0016]
所述状态信息采集系统用于监测燃料电池的状态；
[0017]
所述实时仿真系统用于根据所述状态信息采集系统传递的状态信息，给附件驱动系统发出控制指令。
[0018]
进一步，所述状态信息采集系统包括：温度传感器、电流传感器和电压传感器，用于监测燃料电池的温度、电流、电压。
[0019]
进一步，所述的氢燃料电池快速控制设计试验平台还包括：燃料输出系统；所述燃料输出系统用于为燃料电池提供氢气。
[0020]
进一步，所述的氢燃料电池快速控制设计试验平台还包括：负载模拟系统；所述负载模拟系统用于消耗燃料电池输出的电能，能够通过设置负载电流和电压模拟具体的负载工况；设置负载模拟系统，能够控制燃料电池的输出电流、电压和功率，以测试燃料电池实际运行时的性能。
[0021]
一种氢燃料电池快速控制设计试验平台的搭建方法，包括如下步骤：
[0022]
步骤1：rtdb的构建与测试
[0023]
步骤1-1，建立rtdb模型：直接建立rtdb模型或通过simulink数学模型编译映射到rtdb模型(针对燃料电池控制需求，使用pid控制方法对温度进行控制和基于安时积分门限法的排水策略，利用matlab/simulink建立燃料电池电/热/水耦合仿真模型，通过simulink数学模型编译映射到rtdb模型，也可以直接建立rtdb模型；所述rtdb模型加载于实时仿真系统中)；
[0024]
步骤1-2，创建相关变量：分别选择模拟量和数字量，依次进行命名、选择输入/输出、选择数据类型，模型所需的中间变量和其他变量均可定义；
[0025]
步骤1-3，变量通道映射：将定义好的变量，选择合适的板卡通道进行映射，模型运行时，通道引脚将根据规则进行数据发送和采集；
[0026]
步骤1-4，编写驱动文件：驱动文件是整个rtdb模型的核心部分，相关控制算法都在驱动文件中完成，驱动文件可以使用多种编程语言；
[0027]
步骤1-5，建立模型测试：通过建立模型测试，将驱动文件与rtdb实时模型连接在一起；
[0028]
步骤1-6，运行测试：建立test sessions并运行，即可使rtdb模型运转，按照定义的通道进行状态信息采集和附件驱动管理。通过该平台的rt viewer模块可以实时监测各参数的变化情况；
[0029]
步骤2：传感器选型与设计
[0030]
步骤2-1，温度传感器采用k型热电偶进行温度测量，针对其存在的冷端补偿问题，配备串行k型热电偶模数转换器max6675，该模块通过spi通信与开发系统进行数据传输；
[0031]
步骤2-2，电流传感器采用acs712电流传感器进行电流测量，并通过实时仿真机的lcaio板卡实时采集电流传感器的输出信号；
[0032]
步骤2-3，电压传感器采用自制的电压传感器进行电压测量，利用不同电阻对应的分压比例，采用adc模式输出电压值模拟量，经过校正检验，代入计算公式即可计算出电压值，并采用实时仿真机lcaio板卡的模拟量输入端口作为数据读取的通道；
[0033]
步骤3：附件驱动模块设计
[0034]
步骤3-1，风扇驱动设计：采用ffb0612ehe型风扇，其控制器内部的开关通过pwm波进行控制，pwm波的占空比采用pid控制计算得出。在仿真计算机中，pwm波通过6602时钟板卡输出；
[0035]
步骤3-2，电磁阀驱动设计：采用微型电磁阀0520a，针对其电感特性，配备光电隔离继电器以保证电路稳定。本发明采用实时仿真机lcaio板卡提供该继电器的电源，由6602时钟板卡输出pwm波，实现对继电器的控制指令发送，确保电磁阀在通电时打开，在开路时闭合。此外，由于电磁阀电阻很小，采取并联电阻的方式保护电路，防止大电流造成损害；
[0036]
步骤4：快速控制原型系统集成
[0037]
根据系统硬件的连接要求和各组成模块的线路连接方式，设计整体系统的连接线路。
[0038]
一种氢燃料电池快速控制设计试验平台的搭建方法，包括如下步骤：
[0039]
步骤1：rtdb的构建与测试
[0040]
步骤1-1，建立rtdb模型：针对燃料电池控制需求，使用pid控制方法对温度进行控制和基于安时积分门限法的排水策略，利用matlab/simulink建立燃料电池电/热/水耦合仿真模型，通过simulink数学模型编译映射到rtdb模型，也可以直接建立rtdb模型；所述rtdb模型加载于实时仿真系统中；
[0041]
步骤1-2，创建变量：
[0042]
在完成rtdb的创建后，首先要定义运行实时模型所需要的相关变量。由于传感器和附件在实际使用时，需要额外的变量参数作为参考，因此实时模型中的变量参数需要满足实际需求。经过整理，在氢燃料电池快速原型系统实时模型中，所有的变量定义如表1所示。
[0043]
表1实时模型各变量定义
[0044][0045]
步骤1-3，变量通道映射：将定义好的变量，选择合适的通道进行映射，模型运行
时，通道引脚将根据规则进行数据发送和采集。6602时钟板卡主要进行spi通信、风扇和电磁阀的控制驱动，相关变量与通道的映射关系如表2所示。lcaio板卡主要发挥adc通信、给部分模块供电和输出状态信息数值的作用，相关变量与通道的映射关系如表3所示。
[0046]
表2 6602时钟板卡变量映射关系
[0047][0048]
表3 lcaio板卡变量映射关系
[0049][0050][0051]
步骤1-4，编写驱动文件；
[0052]
步骤1-5，建立模型测试：通过建立模型测试，将驱动文件与rtdb实时模型连接在一起；
[0053]
步骤1-6，运行测试：建立test sessions并运行，即可使rtdb模型运转，按照定义的通道进行状态信息采集和附件驱动管理。通过该平台的rt viewer模块可以实时监测各参数的变化情况；
[0054]
步骤2：传感器选型与设计
[0055]
步骤2-1，温度传感器采用k型热电偶进行温度测量；
[0056]
步骤2-2，电流传感器采用acs712电流传感器进行电流测量，并通过实时仿真机的lcaio板卡实时采集电流传感器的输出信号；
[0057]
步骤2-3，电压传感器利用不同电阻对应的分压比例，采用adc模式输出电压值模拟量，经过校正检验，并采用实时仿真机lcaio板卡的模拟量输入端口作为数据读取的通道；
[0058]
步骤3：附件驱动模块设计：风扇驱动、电磁阀进行驱动设计；
[0059]
步骤4：快速控制原型系统集成
[0060]
完成氢燃料电池快速控制设计试验平台的连接线路。
[0061]
本技术的有益效果在于：
[0062]
第一，本技术的基础发明构思为：用于小型无人机的氢燃料电池快速控制原型技术，是指在燃料电池控制器开发初期，将所研究的控制算法直接载入到实时仿真计算机的硬件平台中。实时仿真机具备与控制器一致的接口，可代替控制器与燃料电池的相关系统模块接口进行对接，从而控制驱动氢燃料电池系统，测试控制算法在实物系统中的性能。若出现控制问题，可直接在实时仿真机中修改控制方案，直到满足方案设计要求。得到控制方案后，实时仿真机可自动生成代码，将其下载到硬件系统上，即可获得满足设计要求的控制
器产品。
[0063]
第二，本技术提出了一种氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台的基本设计思路：状态信息采集系统2的各种传感器来监测氢燃料电池的温度、电流、电压等状态信息，所述状态信息采集系统2采集到的信息实时传递给实时仿真系统1中的实时仿真机，实时仿真机基于实时模型rtdb中加载的控制算法，处理状态信息，并发出控制指令；所述控制指令通过通信接口传递给附件驱动系统3，实现对附件的驱动，从而达到控制目的。
[0064]
第三，本技术使用pid控制方法对温度进行控制和基于安时积分门限法的排水策略，利用matlab/simulink建立了燃料电池电/热/水耦合仿真模型。
附图说明
[0065]
下面结合附图中的实施例对本技术作进一步的详细说明，但并不构成对本技术的任何限制。
[0066]
图1为本技术的氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台。
[0067]
图2(a)为本技术的温度信息采集线路图。
[0068]
图2(b)为本技术的电流信号采集连接线路图。
[0069]
图2(c)为本技术的电压信号采集连接线路图。
[0070]
图3为本技术的附件驱动线路图。
[0071]
图4为本技术的燃料电池仿真试验平台搭建流程图。
[0072]
图5为本技术的快速控制原型系统线路连接图。
[0073]
图6为本技术的温度传感器测试状态信息实时曲线。
[0074]
图7为电流/电压传感器测量值与理论值对比图。
[0075]
图8为示波器测量pwm波形。
[0076]
图9为电磁阀驱动信号曲线。
[0077]
图10(a)为燃料电池半实物仿真电流参数曲线。
[0078]
图10(b)为燃料电池半实物仿真电压参数曲线。
[0079]
图10(c)为燃料电池半实物仿真输出功率曲线。
[0080]
图11为半实物仿真温度曲线对比图。
[0081]
图1-图11中的附图标记说明如下：
[0082]
1-实时仿真系统；
[0083]
2-状态信息采集系统；
[0084]
3-附件驱动系统；
[0085]
4-燃料输出系统；
[0086]
5-负载模拟系统。
具体实施方式
[0087]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整的描述，显然，所述实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，所述实施例仅提供一种实施所提创新点的一种途径，并非唯一，不排除采用其它途径实现上述已经提到的发明。
[0088]
实施例1：氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台
[0089]
参见图1，本技术提供了一种氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台。所述氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台包括以下五部分：
[0090]
1)实时仿真系统1。实时仿真系统1包括：实时仿真机和仿真机上位机系统，所述实时仿真机与仿真机上位机系统通过串口通信实现控制指令与状态信息的互相传递。
[0091]
实时仿真系统是整个快速控制原型系统的核心。通过仿真机上位机，实时仿真系统1在simbox实时仿真机上建立实时模型rtdb并将控制算法加载到模型中，利用板卡将状态信息采集系统2的各种传感器传递的状态信息进行读取、编译和分析，并发送控制指令到附件驱动系统，从而实现整个系统的实时监测和控制，验证控制策略的可行性。
[0092]
2)状态信息采集系统2。所述状态信息采集系统包括温度传感器、电流传感器和电压传感器，放置在燃料电池处，用于监测燃料电池出气口的温度、电流、电压。
[0093]
状态信息采集系统2与实时仿真系统1的实时仿真机通过spi通信或adc通信进行数据传输。
[0094]
所述温度传感器：采用k型热电偶进行温度测量，并配备max6675模块，温度分辨率为0.25℃，冷端补偿范围-20℃-80℃，工作电压3.0v-5.5v，可以满足燃料电池工作需要。温度对氢燃料电池的性能至关重要，通过控制氢燃料电池系统的内部温度，使得其功率输出能稳在一定范围内，以满足负载工作和安全运行的需求。图2(a)所示为温度信息采集线路图，max6675模块读取k型热电偶的模拟信号，并处理为16位的数字信号，再与实时仿真机通过spi通信传输数据。
[0095]
所述电流传感器：采用acs712电流传感器，由芯片、电流通路和霍尔传感器电路等组成，量程为-20a-20a，工作电压5v。电流是研究燃料电池性能的核心指标之一，直接反映氢燃料电池的化学反应速率和稳定性。图2(b)所示为电流信号采集连接线路图，实时仿真机的lcaio板卡具有模拟量输入功能，可实时采集电流传感器的输出信号。acs712电流传感器的测量值和实际值之间有稳定的线性关系，传感器通过adc通信协议输出测量值后，可通过转换计算，检验校正得出流经电流传感器的实际值。
[0096]
所述电压传感器：利用电阻分压原理，自制电压传感器，其测量精度为
±
0.1v。
[0097]
3)附件驱动系统3。所述附件驱动系统3包括：电磁阀、风扇以及为附件供电的直流电源，用以控制燃料电池的温度和含水量。
[0098]
所述风扇采用ffb0612ehe型风扇，该风扇的温度控制信号为一个占空比不断变化的pwm波；所述风扇用于吸入空气，以保证内部反应进行，同时起到散热作用。风扇在氢燃料电池系统中具有两项功能：吸入阴极气体，保证内部反应进行；排出阴极废气和部分水，起到散热作用。图3(a)所示为风扇驱动线路图，实时仿真机通过pid控制算法计算得出pwm波的占空比，通过6602时钟板卡对应的ctr通道输出符合要求的pwm波，进而控制风扇的运行。
[0099]
所述电磁阀用于排出燃料电池反应生成的水和未参与反应的氢气废气。所述电磁阀采用微型电磁阀0520a，配备光电隔离继电器以保持电路稳定，并利用pwm波实现对继电器的控制指令发送。电磁阀作为阳极气体的出口开关，具有排放水和未反应氢气的功能，电磁阀的周期性开闭能够保持氢燃料电池内部的湿度。为了防止意外情况，电磁阀应该选择常闭模式，即在未通电时处于闭合状态，防止氢气泄露。图3(b)所示为电磁阀驱动线路图，由于电磁阀本身具有电感特性，为了保证电路稳定，将电磁阀与1路光电隔离继电器相连
接，同时由于本身电阻很小，因此并联一个75ω电阻，起到限流和保护电路的作用。光电隔离继电器的电源由lcaio板卡提供，利用6602时钟板卡的counters模式，通过设置占空比为0和1的pwm信号，实现对继电器的控制指令发送，确保电磁阀在通电时打开，在开路时闭合。
[0100]
所述直流电源用于为附件供电，即为电磁阀、风扇和光电耦合继电器供电。
[0101]
4)燃料输出系统4。所述燃料输出系统包括储氢瓶、减压阀和开关，负责对燃料电池提供合适压强的氢气；利用减压阀将储氢瓶中的高压氢气减压到0.5bar，通过开关可以控制其进入燃料电池的速率和流量。
[0102]
5)负载模拟系统5。所述负载模拟系统包括负载上位机和可编程电子负载，可通过设置负载电流和电压模拟具体的负载工况。需要说明的是：负载模拟系统可以看作是独立的，虽然电子负载及其上位机上可以看到电压电流情况，但实时仿真系统接收到的状态信息是由传感器提供的，没有与负载模拟系统产生数据关联。
[0103]
一种氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台，状态信息采集系统2的各种传感器来监测氢燃料电池的温度、电流、电压等状态信息，所述状态信息采集系统2采集到的信息实时传递给实时仿真系统1中的实时仿真机，实时仿真机基于实时模型rtdb中加载的控制算法，处理状态信息，并发出控制指令；所述控制指令通过通信接口传递给附件驱动系统3，实现对附件的驱动，从而达到控制目的。
[0104]
燃料电池的输出电压可以直观体现燃料电池工作时的状态，通过测量实际输出电压，并与理想状态下的理论电压值对比，可以及早发现燃料电池内部质子交换膜、催化剂活性降低的程度和功率衰减的状况。电压与电流的乘积，是氢燃料电池工作时的总输出功率，直接反映当前燃料电池的整体工作效能。图2(c)所示为电压信号采集连接线路图，利用大小电阻对应的分压比例，采用adc通信读取电压传感器输出信号值。近似认为传感器输出的模拟电压值与实际电压呈线性关系，经过校正检验，转换计算即可计算出电压值，并采用实时仿真机lcaio板卡的模拟量输入端口进行数据读取。
[0105]
实施例2：一种氢燃料电池快速控制设计试验平台搭建方法
[0106]
如图4所示，本发明还公开了一种氢燃料电池快速控制设计试验平台搭建方法，以便于控制器软硬件的升级优化，缩短研发时间，包括如下步骤：
[0107]
步骤1：rtdb构建与测试
[0108]
实时仿真机通过建立实时模型rtdb、模拟控制器与相关硬件进行连接通信，其主要通过simulation workbench仿真工作平台建立系统测试。
[0109]
点击simbox仿真机操作界面的new/select rtdb模块，通过simulink数学模型编译映射到rtdb模型。由于传感器和附件在实际使用时，需要额外的变量参数作为参考，因此实时模型中的变量参数需要满足实际需求，为下一步映射到板卡通道奠定基础。分别选择模拟量和数字量，对所需变量依次进行命名、选择输入/输出、选择数据类型。完成对相关变量的定义之后，需要结合变量定义的内容和要求，将其映射到对应的板卡通道中，为后续根据硬件连接方案进行的实物平台搭建奠定基础。6602时钟板卡主要进行spi通信、风扇和电磁阀的控制驱动，lcaio板卡主要发挥adc通信、给部分模块供电和输出状态信息数值的作用，本发明针对上述两个板卡通道进行映射。完成变量对通道映射后，依次进行驱动文件编程，测试建立，测试执行等步骤，完成对rtdb的构建与测试。
[0110]
步骤2：传感器模块设计
[0111]
步骤2-1：温度传感器设计。采用k型热电偶进行温度测量，针对其存在的冷端补偿问题，配备max6675模块，该模块与实时仿真机通过spi通信传输数据，温度信号采集连接线路如图2(a)所示。根据max6675工作原理，spi通信需要实时仿真机提供时钟信号sck和片选信号cs，同时接收max6675模块的温度信号so。利用6602时钟板卡的ctr通道，发出时钟信号和片选信号，同时采用line通道采集spi的三个数学信号数值。
[0112]
步骤2-2：电流传感器设计。本专利采用acs712电流传感器，通过实时仿真机的lcaio板卡实时采集电流传感器的输出信号，电流信号采集连接线路如图2(b)所示。
[0113]
步骤2-3：电压传感器设计。电压信号采集连接线路如图2(c)所示，利用电阻r1和r2对应的分压比例，采用实时仿真机lcaio板卡的adc模式读取电压测量值，经过校正检验，转换计算即可计算出实际电压值。
[0114]
步骤3：附件驱动模块设计
[0115]
步骤3-1：风扇驱动设计。风扇驱动线路图如图3(a)所示。实时仿真机通过pid控制算法计算得出pwm波的占空比，通过6602时钟板在counters模式下设置频率和占空比变量后，对应ctr通道输出符合要求的pwm波，实现对ffb0612ehe型风扇的转速控制，以达到控制氢燃料电池温度的目的。同时，考虑到风扇还具有吸入阴极气体，保证电化学反应的作用，需要对占空比数值进行限幅，使得pwm占空比维持在15％到90％之间。
[0116]
步骤3-2：电磁阀驱动设计。电磁阀驱动线路图如图3(b)所示。根据继电器接口功能，使用6602时钟板卡的counters模式，通过设置占空比为0和1的pwm信号，实现对继电器的控制指令发送。电磁阀与光电隔离继电器的no端连接，当控制信号为1时，no端与com端短接，nc端开路，电磁阀通电打开；当控制信号为0时，no端开路，nc端与com端短接，电磁阀开路闭合。
[0117]
步骤4：快速控制原型系统集成
[0118]
在进行整体系统搭建前，需要按照半实物仿真系统试验方案，对相关器件的引脚和连接要求进行梳理，以更好得对各通道进行资源分配和调整。整体系统的连接线路如图5所示。
[0119]
实施例3：一种氢燃料电池快速控制设计试验平台的校准判断方法
[0120]
在解决状态信息采集和附件驱动控制问题后，需要针对实时仿真机与各模块建立的连接方案，进行实物测试，以检验实时仿真机对传感器、附件的通信、驱动效果。主要测试步骤如下：
[0121]
步骤1：温度传感器测试
[0122]
为验证k型热电偶的测温效果，将其放入水杯中，对水进行温度测量。运行实时仿真机，通过lcaio板卡提供电源，时钟板卡发送时钟信号和片选信号，得到温度信号，经处理后得到温度值。利用实时仿真机对信号进行实时监测，相关数据信号曲线如图6所示，左上方为时钟信号的输出曲线，右上方为片选信号的输出曲线，左下方是温度传感器输出的16位温度值数字量，右下方为经过实时模型计算解析后的温度值。利用红外线测温仪进行辅助校验，结果证明测量值基本保持在36℃附近，说明测温效果良好，满足使用要求。
[0123]
步骤2：电流/电压传感器测试
[0124]
对于电流和电压传感器的实物测试，采用直流电源代替燃料电池，通过电子负载进行电流值和电压值的设置，将电子负载的数值视为理论值，传感器测量到的数据为测量
值，两者进行比较，可以直接检验传感器工作效果，便于对传感器进行校正。在实际测量时，电流传感器和电压传感器由于采用adc通信，属于模拟信号输出，存在一定的波动。由于电流和电压值会按照固定时间0.1s间隔读取，为减小偶然误差，采用20个步长内数据的平均值作为测量数据值。
[0125]
传感器实物测试时，电流传感器接入3a和5a的直流电源，各持续5s；电压传感器接入3v和6v的直流电源，分别持续5s。图7(a)、(b)所示分别为经过转换计算，校正检验得到的电流和电压测量值与电子负载的理论值对比图。从图中可以看出，经过校正后的电流传感器和电压传感器的测量值，能够显示比较准确的电流值和电压值，与实际的理论值之间误差很小，可以满足实物试验条件下状态参量测量的需要。
[0126]
步骤3：风扇实物测试
[0127]
对于风扇的实物测试，采用通过实时仿真机建立实时模型，输出pwm波，观察风扇转速变化的方式进行。为方便测试和观察，pwm波的占空比设置为正弦波，周期5秒，最小值0.07，最大值0.12，频率100hz。利用直流电源提供电能，通过6602时钟板卡的ctr通道提供控制信号。在进行风扇驱动前，利用示波器对输出的pwm信号进行测量，检验6602时钟板卡的ctr通道能否进行pwm波的输出，具体结果如图8所示。从图中可以看出，输出的pwm信号呈现周期性变化。将pwm信号接入风扇，启动电源，风扇正常工作。根据声音和风速判断，风扇可以正常工作，其转速随控制信号的变化而变化。
[0128]
步骤4：电磁阀实物测试
[0129]
利用实时仿真机对电磁阀的开闭进行测试，电磁阀控制信号如图9所示，当控制信号为1时，电磁阀打开并保持0.25s，控制信号为0时关闭。经过测试，控制信号可以实现对电磁阀开关的控制，电磁阀周期性的开闭，可以实现对氢燃料电池含水量的控制。
[0130]
实施例4：一种氢燃料电池快速控制设计试验平台的测试方法
[0131]
在氢燃料电池快速控制原型系统设计试验平台搭建完成后，接入100w氢燃料电池，通过电子负载上位机软件设置负载电流和电压，控制燃料电池的输出电流、电压和功率，对本平台进行各项测试，主要测试步骤如下：
[0132]
步骤1：燃料电池性能测试
[0133]
设置燃料电池电流剖面，即图10(a)中的理论值，测量燃料电池实际运行时的电流、电压和功率曲线，如图10(b)、(c)所示。
[0134]
从电流曲线可以看出，电流传感器的测量值与理论值十分接近，电池本身状态良好，能够满足电子负载大电流的需求。
[0135]
从图10(b)中可以看出，电流与电压存在反比关系，电压随电流上升(下降)而下降(上升)。在电流值出现阶梯性的变化时，电压会产生较大的波动，再逐渐恢复平稳，这是因为电流变化直接影响电池内部催化层的反应速率，引起电压的迅速变动。
[0136]
从图10(c)中可以看出，功率曲线符合实际情况，即电流越大，输出功率越大。在7a时，燃料电池的功率为80w，此时电压为11v，到达燃料电池安全下限，说明电池的功率达不到产品说明书上的理论功率100w。这是因为燃料电池在长期使用时，其催化剂会在空气中被氧化，逐渐丧失活性。此外，电池内部的水分不断挥发，使质子交换膜过于干燥，电导率下降，同样会引起电池工作性能的下降。
[0137]
步骤2：温度控制效果测试
[0138]
在仿真过程中，需要对pid的参数进行调整，以获得最佳状态的控制方案。经过调整检验，分别取k
p
＝20，ki＝3，kd＝0.02。温度曲线如图11所示。
[0139]
从图中可以看出，整个试验过程分为三个阶段：开始时电池处于低电流低功率模式，热量产生和积累较少，温度逐渐上升至接近目标温度；随着电流增大，电池功率逐渐上升至最大，此时产热较多，且温度已经达到目标温度，控制算法开始发挥作用，驱动风扇和电磁阀，使得整体温度控制在目标温度附近，其误差值在0.2％以内，满足控制要求；第三阶段逐渐停止电池工作，电流逐渐下降，电池产热逐步减少直至不再产热，温度逐渐降低，最终趋向室温。通过对温度曲线的分析，可以看出温度控制策略能够发挥作用，也说明实时仿真机能够随时调整优化控制方案。相较于传统控制开发流程，节约了大量时间，提高了生产效率。
[0140]
步骤3：水管理效果测试
[0141]
由于氢燃料电池结构相对简单，体积较小，无法直接使用湿度测量装置对水含量进行监测，因此对水管理效果的测试，主要从电池实际工作状态等侧面信息进行判断验证。
[0142]
首先是通过电磁阀能否正常开闭来判断，实时仿真机加载如图9所示的驱动信号，观测到电磁阀周期性的开闭，可以实现对电化学反应产物水的定期排放。其次是通过对燃料电池性能的分析，燃料电池输出功率正常，电压电流在合理范围内，说明电池工作状态良好。若水管理失效，会导致水淹故障，因此电池工作状态能够从侧面证明水管理的有效性。第三是结合温度控制分析，如图11的燃料电池温度曲线，在开始阶段通过降低电磁阀打开的频率，减少水排放，使得电池内部热量得以积累，温度上升，这同样说明了水管理的有效性。
[0143]
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。