基于LabVIEW 的固体氧化物燃料电池监控系统开发

卢静，彭晖，杨杰，王俊

(1. 中国地质大学( 武汉) 机械与电子信息学院，湖北武汉430074;2. 北京第二外国语学院教育技术中心，北京100024)

燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的装置。它具有效率高、无污染、质量轻等优点，可作为便携式电子产品的小型电池，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统，极具有发展潜力。目前深受世界各国的重视，被列为未来世界十大科技之首。

燃料电池的性能受多种因素影响，需要监控的对象较多，包括温度、流量、压力和气体组分等。传统的方法是采用设备组态的方式来建立监控系统。蒙奎君［1］的SOFC (Solid Oxide Fuel Cells，固体氧化物燃料电池)系统由工程师站、通讯网络和设备组态三部分组成，涉及的主要设备有电子负载、流量积算仪，流量计以及温控仪，它们分别对加热炉的温度、燃料与空气的流量等进行测控。由于采用的是半自动式控制，控制量和监测量有限，同时监测也不方便，需要熟练的技术人员。此外，燃料电池反应过程对人员操作造成的误差十分敏感，难以确保所获数据的数量和质量。因此，自主开发新型的燃料电池监控系统对于燃料电池商业化的发展具有重要的意义，可以为燃料电池提供可靠的运行环境，使其更高效率地工作。

作者分析了测试需求，根据影响性能的主要因素制定了测试的总体方案。燃料电池的监控系统以LabVIEW 为软件开发工具和设计平台，利用软件模拟仪器部分硬件功能，并结合通用的数据采集设备实现真正仪器的功能［2］。用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，从而完成对被测对象的数据采集、分析、显示和存储等工作。

1 系统设计

燃料电池系统的最终目标是在合适的时间为合适的对象提供合适的动力。为达到这个目标，一个燃料电池系统通常分为4 个子系统:燃料电池堆，热管理子系统，燃料传输处理子系统，电子电力子系统。燃料经过一定的处理(过滤、重整预热等)后经过反应堆进行反应，反应生成的电供外部使用，反应生成的热既可循环利用也可供外部使用。燃料电池的控制系统通常由3 个独立的部分组成:一个是系统监测部分，用计量器、感应器等监测SOFC 的运行条件;一个是系统驱动部分，用阀门、泵、开关等来调节并控制系统内部的变化;还有一个是中心控制单元，它能调节监测感应器与控制驱动器间的相互关系［3］。

1.1 监控系统的总体方案

系统采用NI 公司的LabVIEW 软件和相应的硬件搭建监控平台。方案如图1 所示。

图1 监控系统方案图

系统首先通过前端的传感器获取信号，再经过一系列信号调理后将信号转变为可被数据采集卡接收的标准信号，在数据采集卡内将模拟信号转化为数字信号送入计算机内。在PC 机内，利用已经安装的Lab-VIEW 软件对采集的数据进行后续处理，包括数据显示、数据分析、数据存储和逻辑控制等。

1.2 监控系统的硬件设计

系统所要获取的有温度、压力、流量等信号，它们所对应的传感器和信号调节方式如表1 所示。

表1 系统采用的传感器及其对应的信号调节方式

监控系统采用的数据采集卡是NI 公司的PCI6112。PCI6112 有12 位模拟输入，A/D 采样速率最高至100 kHz，16 路单端或差分输入双极性输入信号;芯片带采样/保持。2 个12 位单片集成电路多通道模拟输出，16 路数字输入/输出通道。3 个独立的可编程16 位递减计数器，3 种A/D 触发模式:软件触发，可编程定时触发和外部缓冲触发。DC-DC 积分转换器提供稳定的模拟电源，转化时间为8 μs。它的各种参数均能满足系统需要。

由于系统要获取的信号参数较多，所需要的信号调节方式又各不相同，而采用一般的电路处理较为繁琐且性能不能保证满足实际要求，因此系统中采用专用的信号调理设备SCXI 卡。它是信号调理可扩展系统，可以获取温度、压力、流量等信号的组合并将这些信号进行前期处理后输入数据采集卡中。系统中热电偶的温度信号输入选择模块组SCXI-1125 和SCXI-1328 以实现300 Vrms 的隔离、1 ～2 000 的增益、4 Hz 或10 kHz 的可编程模拟滤波器、冷端补偿等功能。压力和流量输入使用SCXI-1125 隔离模块对信号进行隔离、放大和滤波。

系统硬件框图如图2 所示。

图2 监控系统硬件框架图

监控系统的温度控制主要由光电耦合器和双向晶闸管完成。系统发出脉冲调制(PWM)信号，经过驱动器控制光电耦合器中发光二极管的状态，从而控制双向晶闸管的通断，进而控制加热棒的加热时间。使用光电耦合器可以有效地降低外界对系统的影响，增强系统的稳定性［4－5］。为了使双向晶闸管正常工作，在双向晶闸管的两个主极之间加上了RC 电路［6］。

压力控制的目的是实现气体压力的实时连续控制并且产生高精度、快速响应的气体压力信号。由于气体压力具有非线性和不确定性的特点，在压力控制器中，采用了减压阀、电磁比例阀和压力伺服阀组成的气体回路。电磁比例阀是一种通过电信号控制气体压力的装置，它只能适用于低压的场合，因此需要先将气体减压到它所能承受的范围内。工作时，电磁比例阀根据PC 机发出的控制信号将通过减压阀的低压气体送到压力伺服阀中，压力伺服阀为气体先导式伺服阀，根据低压气体来控制阀芯的开合，进而控制输出气体的压力高低［7］。

系统通过一个电磁阀来控制流量的输入，当流量的反馈值偏大时根据输出信号的大小设置电磁阀的开合比，以此来增加流量或者减小流量，直到测得的流量是所需要的值为止。

1.3 监控系统的软件设计

该监控系统采用LabVIEW 软件编程，主要由用户管理模块、数据处理模块、控制器模块组成，完成数据的后续处理，并为用户提供一个方便的操作界面。

1.3.1 用户管理模块

用户管理模块包括对系统日期进行显示、实行密码保护以及数据共享等。其中，系统的日期显示是直接利用“格式化日期/时间字符串”函数来获取计算机系统的当前时间，并根据设置的固定格式进行显示。密码保护包括登陆系统的密码和修改后面板程序的密码，后者是通过设置文件的VI 属性实现的。创建一个网站服务器，并使它指向包含VI 的目录，远程用户就可通过访问这个服务器打开目录下的VI，甚至可以对其进行操作，从而实现了数据的共享。在“登陆”选项卡中，设计了“使用步骤”按钮，点击此按钮，就会显示操作步骤及注意事项。

1.3.2 数据处理模块

数据处理模块包括数据显示、数据存取、数据报警三个部分。其中数据显示包括数值实时显示和图表显示。数值温度分别以摄氏温度和华氏温度表示。图形显示中将设置的最高温度、最低温度以及测量温度以不同的颜色进行实时显示。由于在“监控”选项卡中，要显示的数据曲线较多，故对其“可见”属性节点进行了相关设置，使其曲线可以根据需要进行显示(图3)。

图3 系统的监控选项界面

数据存取模块可将实时数据以日期为文件夹名保存到“测量数据”文件夹中。当需要查看某个文件(包括实时数据，错误事件等)时，可通过在前面板中选择对应路径，即可将数据调入“查看内容”区域。

数据报警模块是软件设计的重要组成部分。它包括超限报警和错误报警。对于超限报警，数据报警模块会将采集到的数值与报警设定值进行比较。当数据超限时，模块会将报警信息以及报警点的信息发送给人机交互层，操作人员会根据实际情况进行确认操作［8］。在D 盘的“测量数据”文件夹中，新建“Erroevent”文本文件，记录超限的事件。报警模块中涉及的最高和最低值综合考虑了燃料电池材料和传感器的耐受力、最佳反应温度等因素。

1.3.3 控制模块

系统采用PID 算法来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量。PID 算法具有一定的鲁棒性，容易实现，稳态无静差，控制精度高，能满足大多数工业过程的要求［9］。它是通过调用LabVIEW 软件中附加的PID 工具包(PID-Tooltik)实现的。利用该工具包中的PID 子VI，可在人机界面中直观地进行控制环节的设计。在该VI 中，设置PID 的3 个参数值(PID Gains)、系统反馈值 (Process Variable)、期望值(Setpoint)以及微分时间(dt)，便能得到需要的输出值(Output)。该VI 还能设置输出值的范围(Output High and Output Low)。

PID 控制中参数的整定可参照以下PID 参数经验数据［7］:

温度T:P =20% ～60%，t =180 ～600 s，D =3～180 s;

压力P:P=30% ～70%，t=24 ～180 s;

液位L:P=20% ～80%，t=60 ～300 s;

流量L:P=40% ～100%，t=6 ～60 s。

图4 所示为LabVIEW 编写的后面板程序。

图4 LabVIEW 编写的后面板程序

2 系统测试

由于燃料电池堆还在试制阶段，根据系统测试的需要，数据来源于随机数据。运行程序发现，系统一切运行良好，能够正常显示数据、保存数据、报警正常等，设计的各项功能均能实现。如图5 所示，左边显示的是打开保存数据的结果，右边显示的是流速的历史曲线。

图5 查看历史数据

3 总结

基于LabVIEW 设计的固体氧化物燃料电池监控系统集成了多种设备的功能，它可在计算机上完成多种数据的同时显示、保存、报警以及PID 控制等功能;数据查找十分方便，减少了传统人工监控和记录的失误和繁琐，达到了集中监控的目的。在研发应用中，可以借助它来确定和优化能量输出的特性，延长电堆的使用寿命;在验证阶段，可以优化设计以备大规模生产，以及在不降低效率的情况下降低电堆的总成本;对于制造应用，可以确保它们符合设计规范。总之，系统能够为研究、开发或制造燃料电池提供测量、控制、分析及可视化工具。

【1】蒙奎君.固体氧化物燃料电池监控系统［D］.大连:大连理工大学，2008.

【2】姜风国，王燕涛，朱彬. 基于LabVIEW 的轴线直线度误差测量系统开发［J］. 机床与液压，2012，40(7):86 －88.

【3】RYAN O’Hayre，车硕源，WHITNEY Colella，等. 燃料电池基础［M］.北京:电子工业出版社，2007.

【4】苏新兵，胡良谋，曹克强，等.基于虚拟仪器的空中加油吊舱联调测控系统设计［J］.机床与液压，2012，40(3):99 －102.

【5】江伟，袁芳.LabVIEW 环境下温度控制系统的设计［J］.国外电子测量技术，2004(3):8 －10.

【6】张伟，刘红丽.基于LabVIEW 的温度测控系统设计［J］.国外电子元器件，2008(12):19 －21.

【7】李娟，刘鸿飞.高压气体压力及流量控制系统［J］.仪表技术与传感器，2007(5):35 －36.

【8】刘义成.燃料电池监控系统的研究和开发［D］.上海:上海交通大学，2009.

【9】刘怀印，龚国芳，施虎，等.基于LabVIEW 的盾构推进系统模糊PID 控制［J］.机床与液压，2011，39(9):1 －4.