面向用户自定义的燃料电池发动机综合性能评价软件★

佟亚楠，张建杰，侯永平，郝冬

（1.同济大学 新能源工程中心，上海 201804；2.中国汽车技术研究中心，天津 100070）

面向用户自定义的燃料电池发动机综合性能评价软件★

佟亚楠1，张建杰2，侯永平1，郝冬1

（1.同济大学 新能源工程中心，上海 201804；2.中国汽车技术研究中心，天津 100070）

介绍了一款基于C#开发，允许用户根据实际需要自定义评价方案并对燃料电池发动机进行综合性能评价的软件，详细阐述了评价方案建立的理论基础、软件开发工具，并结合实例说明了软件功能及其实现形式。结果表明用户可以利用该软件确定评价方案，并且将燃料电池发动机的综合性能及各指标性能以具体的分数定量的表示，同时数据表格和图片使评价结果简单明了。

C#；用户自定义；燃料电池发动机；性能评价

佟亚楠

同济大学汽车学院在读硕士研究生，研究方向：汽车试验。

目前，能源与环境保护问题是全世界关注的焦点。因主要排放物是水而被称为绿色新型环保汽车的燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）是未来汽车的一大发展方向。作为燃料电池汽车的核心元件，燃料电池发动机（Fuel Cell Engine，FCE）性能的好坏直接影响到整个车辆的性能［1］。

燃料电池发动机的性能涉及方面很广，性能指标繁多。由于用户的需求不同，他们关注的焦点也不尽相同。对燃料电池发动机的性能进行综合评价，需要根据用户关注的焦点，在试验项目的基础上，自主的建立评价体系，最终能够对一台燃料电池发动机进行定量分析，做出科学的、系统的、客观的评价。

为此，我们基于C#.NET Framework4.0开发了一款软件，用于自主的建立燃料电池发动机的综合性能评价方案及对其性能进行定量评价，并可把复杂的数据转化为简单直观的图形和表格保存于文档中。

1　软件开发基础

1.1理论基础

由于FCE的性能涉及到很多指标且它们之间具有一定的层次关系，因此，我们选取层次分析法来建立燃料电池发动机的评价体系。

层次分析法［2］-［3］（Analytic Hierarchy Process，AHP）是1971年美国匹兹堡大学数学教授T.L.Saaty首先提出来的。AHP是一种能综合进行定性和定量分析的决策方法，其核心是把复杂的决策问题层次化。AHP把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构。通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性。然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总的排序。

根据AHP的应用方法，选取燃料电池发动机性能评价的指标，构造各项指标的判断矩阵、层次单排序、层次总排序以及各个指标值的评分函数，构成燃料电池发动机的综合性能评价方案。

1.2开发工具

Visual Studio是微软公司推出的Windows平台应用程序开发环境。Visual Studio 2010带来了NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP。它支持Microsoft Office Access、Microsoft SQL Server和Oracle数据库［4］。考虑到数据量不大以及软件易用性的问题，本软件选用的是Microsoft Office Access数据库。

2　软件功能实现

该软件的功能主要包括：1）建立评价体系：在FCE试验项目的基础上，自定义燃料电池发动机的评价方案，计算其综合性能及各指标得分，并将评价结果保存；2）多台发动机的对比：调用已存档的发动机的得分数据，进行多台发动机的综合性能的比较；3）评价方案的查询修改：对于已输入的评价方案，可以随时查询其具体结构及各参数情况，并作适当的修改。

该软件通过评价体系建立、性能评价、评价方案修改、界面设置等模块实现其完整的功能。图1所示为软件的主界面。在主界面的工具栏中，有六个部分，分别为“新建”、“编辑”、“评价”、“用户”、“皮肤”以及“清屏”。

2.1自定义评价体系

在试验数据的基础上，确定燃料电池发动机性能评价涉及到的指标，根据AHP的思想，确定指标的层次关系。利用该软件自主建立燃料电池发动机的评价体系树状结构，确定评价系统各个指标的权重和评分函数。

2.1.1新建发动机标签信息

运用该软件对特定的某台燃料电池发动机进行评价，首先需要建立该发动机的标签信息，包括发动机的型号、生产厂家等参数。其中，“发动机型号”为必填项，其余可根据实际情况选择输入或留下空白，以具体的一台发动机为例，如图2所示。点击“保存”按钮，该发动机的信息即保存到数据库中，可以供以后调用查看。

2.1.2新建评价方案

燃料电池发动机测试平台的测试项目主要包括：稳态性能测试、起动性能测试、动态性能测试、安全性能测试以及散热量测试。其中，稳态性能测试主要考核在不同工况条件下FCE的功率输出能力及效率、噪声等指标的表现情况，可以用发动在各工况平稳运行条件下取得的电流、功率、效率、氢气利用率等指标值表示；起动性能测试主要包括了怠速起动时间、额定功率起动时间和怠速稳定性测试；动态性能测试主要包括了动态响应时间测试以及动态循环加载性能测试，动态响应时间可以考察发动机的动态表现，动态循环加载可以模拟FCE实际运行工况，检验各性能指标在动态运行时有无问题；安全性能测试主要包含了发动机气密性测试和绝缘性测试，检测FCE中氢气的泄露情况，测试燃料电池堆正负极输出端相对于发动机箱的绝缘电阻。

我们选取FCE测试试验中测得的一些关键性指标作为燃料电池发动机性能评价的依据，首先确定FCE的四个基本性能—稳态性能、起动性能、动态性能和安全性能，每一个基本性能都包含几个分性能指标。根据指标相关性，构成评价方案的结构，图3显示的是一套具有4层及20个评价指标（Comprehension Performance Evaluation Tool，CPET-4-20）［5］的体系。

在该软件中，为了方便保存及之后调用，我们把评价方案的第一层定义为评价方案的结构名称。通过输入评价方案名称，点击“确定”即可构建评价方案的第一层。在建立评价方案第二层时，首先在添加节点模块输入节点名称，以安全性能为例，然后在左侧的方案树状结构图中（图4）选择其上一层次的节点，在此即为评价方案的名称，以此为标准，安全性能作为评价方案第一层的子节点，可通过点击“添加为子节点”按钮来实现。也可以选择与安全性能属于同一层次的指标为依据，此时，通过点击“添加为兄弟节点”即可。评价方案的第三、四层的建立以同样的方式完成，即可构建出如图3中所示的树状结构图。

根据AHP方法，权重的确定首先要得到各层次的判断矩阵。在建立递进层次结构后，上下层元素间的隶属度关系就被确定了，就可以在各层元素中进行两两比较，构造出比较判断矩阵。层次分析法主要是人们对每一层次中各个元素相对重要性给出的判断，这些判断通过引入合适的标度（常用的为1-9比例标度）用数值表示出来，写成判断矩阵。计算判断矩阵最大特征值对应的特征向量得到各层指标的相对权重值。第二层相对于第一层的判断矩阵为：

求解判断矩阵A的最大特征值和对应的特征向量，再将特征向量归一化，得到：λmax=4，x=［0.3509 0.1091 0.1891 0.3509］。 图5、6分别为在软件中构建四个基本性能的判断矩阵和其相对于第一层的权重。

建立每个指标的评分函数，将试验得到的指标值转化为统一的得分值。这里，评价函数的选取参考了模糊理论中隶属度函数的概念，选用smf（S-shaped built-in membership function）函数作为评分函数。以CPET-4-20评价方案中的指标—电堆怠速效率为例，在评价体系结构树状图中选择需要建立评分函数的指标，图7为输入指标的评分函数，点击“添加”即可保存。

至此，一套完整的燃料电池发动机综合性能评价体系即建立完成。

2.2性能评价

选择燃料电池发动机评价方案，导入.xls格式的输入文件，计算得到燃料电池发动机各项指标的得分以及综合性能得分，并且生成得分的柱状图；同时将综合性能评价的结果对应的数据导出为.xls或者.doc文件。

调用已存档的发动机模型的得分数据，进行多个发动机之间综合性能优劣的对比。比较的结果以柱状图的形式显示。

2.2.1单台发动机性能评价

在软件的“评价”模块，选择在前文中建立的4层次20评价指标的评价方案。打开评价方案后，导入所需评价的发动机的数据文件，该输入文件是.xls格式，包括燃料电池发动机各项性能的试验数据。导入数据后的界面，软件左侧界面显示了评价方案的结构树状图，右侧则显示导入数据的内容以及发动机的标签信息，如图8所示：

点击“分析”按钮，即可根据评价方案各个指标的评分函数以及相对权重对输入数据进行分析处理，从而得到评价结果。FCE综合性能得分由各指标的得分值与其总排序权值的乘积相加得到。第一、二层的评价结果以柱状图的形式表示，图9为第一层得分图。第三、四层结果则通过显示评分函数曲线以及指标得分表示，如图10所示。

点击“分析”按钮后，按钮的内容变为“保存”。分析完成后，点击“保存”按钮，则系统会自动将结果保存为.xls或点击“导出Word”按钮，分析结果则保存为.doc格式并自动关闭。

2.2.2多台发动机对比

在“评价”模块中还有一个多台发动机对比的功能。燃料电池发动机性能涉及很多方面，在同一个评价方案下对不同型号的发动机进行性能对比，可以帮助用户更好地了解多台发动机的性能优劣。

打开“评价”模块，点击“对比”选项，选择在4层次20评价指标的评价方案下进行比较。打开评价方案后，界面上会显示已经得出评价结果的各台发动机的输出文件的名称，选择需要对比的发动机（最多可选择8个），选择后的发动机则会在右侧显示，如图11所示：

对比结果均以柱状图的形式表示，比较各个发动机各个指标得分及综合性能得分。以4台发动机的指标层“电堆怠速效率”比较结果为例，点击左侧树状图节点，显示结果如图12所示：

2.3评价方案查询修改

评价方案包括多个层次。该模块可查询各个层次所包含的其下一层的各指标的权重；可查询每个指标的评价函数，包括函数表达式以及函数曲线。同时，可对原有方案进行局部修改，增强软件的易用度。

在软件主界面的“编辑”模块，选择“已有评价方案”，界面左侧则会显示已有评价方案的结构树状图，在右侧可以通过选择“增减节点”和“修改评分矩阵及方法”按钮对评价方案的结构以及各指标的相对权重和评分函数进行修改。图13对发动机效率包含的指标之间的判断矩阵以及权重进行修改，可以直接在表格上输入替换的值，点击“确定更新”按钮即可。

3　结论

本软件的创新之处在于可以允许用户根据不同的燃料电池发动机测试方案自主的定义燃料电池发动机评价体系，使评价范围不受某个固定评价方案体系的限制。同时，本软件将使用过的评价方案自动保存在数据库中，可减少后续不必要的工作量。总之，该软件大幅提高了通过试验数据对燃料电池发动机进行性能评价的效率，而且评价方法可靠，评价结果清晰直观，是燃料电池发动机研发中的一个高效得力的工具。

［1］Ryan O’Hayre 等，《燃料电池基础》［M］.王晓红，黄宏等译，北京：电子工业出版社，2007.

［2］Bai Hanbin， Wang Nuanchen， Research on the Selection of Scale in AHP， 20103rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering（ICACTE 2010）［C］，2010：108-111.

［3］张炳江等，《层次分析法及其应用案例》［M］.北京：北京工业出版社，2014.

［4］Scott Dormant，《Visual C#2010入门经典》［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［5］王博文，基于AHP的燃料电池发动机性能评价方法的研究［D］.同济大学，2010，3.

［6］YongpingHou， Bowen Wang， Zhihua Yang. A Method for Evaluating the Efficiency of PEM Fuel Cell Engine， Applied Energy［J］， 2011，（88）：1181-1186.

［7］张志强等，基于AHP评价方法的发动机性能评价［J］.兵工学报，2008，（5）：625-628.

专家推荐

罗马吉：

论文介绍了一款自行开发的燃料电池发动机综合性能评价软件，该软件可根据用户需要自定义评价方案。论文研究对燃料电池发动机测试评价及其开发具有借鉴意义。

Customizable Method-Oriented Fuel Cell Engine Comprehensive Performance Evaluation Software

TONG Ya-nan1， ZHANG Jian-jie2， HOU Yong-ping1， HAO Dong1
（1.Clean Energy Automotive Engineering Center， Tongji University， Shanghai 201804， China； 2. China Automotive and Technolgoy Research Center， Tianjin）

A user-defined software based on C# which allows the users to define a project for evaluating the comprehensive performance of fuel cell engine is introduced in this paper， inculding its theoretical foundation， programming tool and features with realized form. The results show that this software can help the users to decide the evaluation scheme for the fuel cell engine and represent the comprehensive and index performance in quantitative form using the scores. And tables and histograms make the evaluation results simple and straightforward.

C#； user-defined； fuel cell engine； performance evaluation

U467.2+1

A

1005-2550（2015）04-0050-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.011

2015-01-09

国家自然科学基金（51275357）