一种PEMFC发动机测试系统扩展接口

丁小松，雷枭, 张兴旺，潘铃

（1.广州擎天实业有限公司，广州 510860； 2.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510860）

引言

氢能作为一种高效、清洁的绿色能源，在百年未有之大变局的21世纪初期[1]，对中国国家能源安全意义非同一般，2019年，中国进口的相关产品，原油位列第二达2 800多亿美元。仅2019年底，中国汽车保有量就突破2.6亿辆之多，而每年中国汽车消耗的原油量为进口的1/3左右。中国的原油产量又无法有力支持汽车产业的爆发式增长，关乎国家能源安全、环境保护、技术创新发展等众多密切相关领域的发展新能源汽车[2,3]，经过20多年的发展，虽然使中国成为了全球最大的新能源汽车大市场，但PEMFC产业链中众多关键零部件及材料，装配工艺等均受国际科技巨头长期垄断，虽然近年来国内外企业合作频繁，但未有效改变国外采购国内组装的产业链实质。PEMFC零部件及材料与配套的测试系统昂贵，售后维护便捷性有待商榷，设备整体利用率偏低，时效性差，专用接口导致设备无法应用于其他类型发动机测试，占用设备及配套资源，导致折旧费率高，企业经营运行负担加大。针对PEMFC氢燃料电池发动机高度专业集成、接口排他专用的客观实际。在通用PEMFC氢燃料电池发动机测试系统基础台架基础上，开发扩展接口，将实现一对多，提高氢燃料电池发动机测试系统的适用性，及经济性。

1 应用需求

PEMFC发动机系统集成了加湿、流量控测、压力控制等功能单元[4,5]，如图1 所示对PEMFC发动机进行测试时，除了配置水、电、气单元，根据GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能测试方法》[6]，GB/T 28183-2011《客车用燃料电池发电系统测试方法》[7]，GB/T 23645-2009《乘用车用燃料电池发电系统测试方法》，要求被测燃料电池发电系统给测试平台提供和接收以下信息[8]：

图1 PEMFC发动机测试系统配置图

1）电池堆工作温度；

2）电池堆和燃料电池发电系统的电压和电流；

3）能接受起停信号；

4）能接受功率给定信号；

5）能够给出故障码。

PEMFC燃料电池的研究中国内外资料文献对接口的描述极少，均是各厂商及研究机构对自有研发产品进行性能测试验证的研究报道，对关键材料性能对比、流程结构设计的关注较多[9,10]。近年来随着国内外企业的合作，各种类型的PEMFC电池堆、发动机系统大量涌现，国内PEMFC发展日新月异，在PEMFC产品中，普遍采用专用排它接口，引脚定义不明确，如图2所示，使驱动控制及维护长期依附授权技术服务及支持。

图2 几种PEMFC发动机及其控制接口

2 实现方法

基于PEMFC氢燃料电池发动机测试配置，在通用台架基础上，兼顾测试配套装备联动及车载控制驱动需求，采用智能网关联通各种通讯协议。经模拟量及数字量电路的定向设计开发，使模、数信号传输兼具远、近混控方式，选用针式拔插盘结构，以匹配各类型接头。实现一对多驱动，如图3所示。

图3 扩展接口匹配示意图

2.1通讯

车用网络A、B、C和其它类型通讯中。CAN作为一种串行通信协议，其传输速率10~1 Mbit/s范围[11]，有效兼顾CAN B和CAN C区段，双胶线缠绕，两线电位相反，电压和恒定，防外界电磁波干扰和向外辐射能力强，有效地支持分布式实时控制站点扩展简便特性，使CAN总线被广泛应用于汽车环境中的微控制器通讯领域，如车辆信息中心、故障诊断与仪表信息显示、动力与传动系统的控制。当前现代化的汽车纷纷以工业CAN总线作为自己的控制通信系统，不同种类和品牌的汽车都拥有基于自身CAN总线的通信协议。

PEMFC发动机测试系统配置中，受涉氢安全规范影响，通常设置远程控制台，在偏离测试现场区域用台式电脑经专用配套测试软件对受测PEMFC发动机进行监视及控制。台式电脑的通讯，普遍采用工业以太网或板载通讯卡对外联络，如PORT RS232 多串口卡，PCI总线转4路CAN等。

PEMFC发动机测试系统配置网络中，电子负载、无油空气压缩机、去离子冷却设备的随动控制及联调，涉及以太网、RS232、RS485等工业设备通讯协议。通讯互联采用工业级通讯转换模块，将以太网装备与CAN网络设备联通，使以太网和CAN数据实时交互，形成宽泛的工业控制设备扩展型通讯网络。各种通讯协议接口的无障碍联通。如图4所示，通讯可编程智能网关，集成1路CAN接口、1路以太网接口、1路RS485接口、1路RS232接口的总线模拟控制器[12]，用于连接CAN总线、RS232/485总线、以太网总线，并支持常见的工业现场总线，如：CAN open、Modbus RTU、Modbus TCP等。如图5所示，充分运用通讯总线快速实现功能扩展与及时通信。

图4 通讯扩展接口单元

图5 智能网关通讯模块

2.2模拟量

模拟量单元如图6所示，选用高品质三隔离电量变送模块，搭配开发设计的整定电路板，提供直流电压母线，限压电阻R1及电压调整电位器WR1，为电量变送模块输入提供DC 0~5 V可调直流电压，经由变送器原/副边隔离电参量的线性映射，产生DC 0~5 V或4~20 mA动态响应，由串联或并联在线路上的显示表实时显示当前给定值。

图6 模拟量通道

2.3数字量

数字量单元如图7所示，DI开关量输出采用重联双位置开关，一路经3、4触点给出，一路经1、2触点和指示灯Lm1状态指示。D0开关量输入采用固态继电器，线圈经外部信号接口1A、1B形成回路，一路触点经3（1A’）、4（1B’）触点给出，一路经1、2触点和指示灯Lm1状态指示。

图7 数字量通道

2.4接口整合

参数调整旋钮、显示表计、投切开关等所有功能单元集成为一套含2路CAN总线、2路485、2路232、2路以太网、16路AI/O、16路DI/O的接口组件。模拟量、数字量输入/输出采用PEMFC发动机测试平台直联接口，并与扩展接口内置功能模拟并行方式。可手动给定及实时调整。经可拔插对接接头，各种新能源汽车连接器、航空插头，整合成一种可应用于PEMFC发动机测试系统的可扩展型接口，如图8所示。

图8 接口集成示意图

3 总结

在通用PEMFC氢燃料电池发动机测试系统基础台架基础上，开发扩展，兼顾测试配套装备联动及车载控制驱动需求，采用工业成熟的通讯转换模块，及电量变送器，开发适用测试PEMFC发动机测试电路板，快速集成一种扩展简易接口，能经济及高效的实现一对多驱动，在此基础上，可进一步智能化，如加入PLC可编程控制模块、模拟量、数字量输入/输出、上位监控等模块，扩展PEMFC发动机智能接口。