一種PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)擴(kuò)展接口

丁小松，雷梟, 張興旺，潘鈴

（1.廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司，廣州 510860； 2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510860）

引言

氫能作為一種高效、清潔的綠色能源，在百年未有之大變局的21世紀(jì)初期[1]，對(duì)中國(guó)國(guó)家能源安全意義非同一般，2019年，中國(guó)進(jìn)口的相關(guān)產(chǎn)品，原油位列第二達(dá)2 800多億美元。僅2019年底，中國(guó)汽車(chē)保有量就突破2.6億輛之多，而每年中國(guó)汽車(chē)消耗的原油量為進(jìn)口的1/3左右。中國(guó)的原油產(chǎn)量又無(wú)法有力支持汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，關(guān)乎國(guó)家能源安全、環(huán)境保護(hù)、技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展等眾多密切相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展新能源汽車(chē)[2,3]，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，雖然使中國(guó)成為了全球最大的新能源汽車(chē)大市場(chǎng)，但PEMFC產(chǎn)業(yè)鏈中眾多關(guān)鍵零部件及材料，裝配工藝等均受?chē)?guó)際科技巨頭長(zhǎng)期壟斷，雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外企業(yè)合作頻繁，但未有效改變國(guó)外采購(gòu)國(guó)內(nèi)組裝的產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)質(zhì)。PEMFC零部件及材料與配套的測(cè)試系統(tǒng)昂貴，售后維護(hù)便捷性有待商榷，設(shè)備整體利用率偏低，時(shí)效性差，專(zhuān)用接口導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法應(yīng)用于其他類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，占用設(shè)備及配套資源，導(dǎo)致折舊費(fèi)率高，企業(yè)經(jīng)營(yíng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)加大。針對(duì)PEMFC氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)高度專(zhuān)業(yè)集成、接口排他專(zhuān)用的客觀實(shí)際。在通用PEMFC氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)臺(tái)架基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)擴(kuò)展接口，將實(shí)現(xiàn)一對(duì)多，提高氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的適用性，及經(jīng)濟(jì)性。

1 應(yīng)用需求

PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成了加濕、流量控測(cè)、壓力控制等功能單元[4,5]，如圖1 所示對(duì)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，除了配置水、電、氣單元，根據(jù)GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試方法》[6]，GB/T 28183-2011《客車(chē)用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法》[7]，GB/T 23645-2009《乘用車(chē)用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法》，要求被測(cè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)給測(cè)試平臺(tái)提供和接收以下信息[8]：

圖1 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)配置圖

1）電池堆工作溫度；

2）電池堆和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流；

3）能接受起停信號(hào)；

4）能接受功率給定信號(hào)；

5）能夠給出故障碼。

PEMFC燃料電池的研究中國(guó)內(nèi)外資料文獻(xiàn)對(duì)接口的描述極少，均是各廠(chǎng)商及研究機(jī)構(gòu)對(duì)自有研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試驗(yàn)證的研究報(bào)道，對(duì)關(guān)鍵材料性能對(duì)比、流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注較多[9,10]。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外企業(yè)的合作，各種類(lèi)型的PEMFC電池堆、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，國(guó)內(nèi)PEMFC發(fā)展日新月異，在PEMFC產(chǎn)品中，普遍采用專(zhuān)用排它接口，引腳定義不明確，如圖2所示，使驅(qū)動(dòng)控制及維護(hù)長(zhǎng)期依附授權(quán)技術(shù)服務(wù)及支持。

圖2 幾種PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制接口

2 實(shí)現(xiàn)方法

基于PEMFC氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試配置，在通用臺(tái)架基礎(chǔ)上，兼顧測(cè)試配套裝備聯(lián)動(dòng)及車(chē)載控制驅(qū)動(dòng)需求，采用智能網(wǎng)關(guān)聯(lián)通各種通訊協(xié)議。經(jīng)模擬量及數(shù)字量電路的定向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使模、數(shù)信號(hào)傳輸兼具遠(yuǎn)、近混控方式，選用針式拔插盤(pán)結(jié)構(gòu)，以匹配各類(lèi)型接頭。實(shí)現(xiàn)一對(duì)多驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 擴(kuò)展接口匹配示意圖

2.1通訊

車(chē)用網(wǎng)絡(luò)A、B、C和其它類(lèi)型通訊中。CAN作為一種串行通信協(xié)議，其傳輸速率10~1 Mbit/s范圍[11]，有效兼顧C(jī)AN B和CAN C區(qū)段，雙膠線(xiàn)纏繞，兩線(xiàn)電位相反，電壓和恒定，防外界電磁波干擾和向外輻射能力強(qiáng)，有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制站點(diǎn)擴(kuò)展簡(jiǎn)便特性，使CAN總線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊領(lǐng)域，如車(chē)輛信息中心、故障診斷與儀表信息顯示、動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的控制。當(dāng)前現(xiàn)代化的汽車(chē)紛紛以工業(yè)CAN總線(xiàn)作為自己的控制通信系統(tǒng)，不同種類(lèi)和品牌的汽車(chē)都擁有基于自身CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議。

PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)配置中，受涉氫安全規(guī)范影響，通常設(shè)置遠(yuǎn)程控制臺(tái)，在偏離測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域用臺(tái)式電腦經(jīng)專(zhuān)用配套測(cè)試軟件對(duì)受測(cè)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)視及控制。臺(tái)式電腦的通訊，普遍采用工業(yè)以太網(wǎng)或板載通訊卡對(duì)外聯(lián)絡(luò)，如PORT RS232 多串口卡，PCI總線(xiàn)轉(zhuǎn)4路CAN等。

PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)中，電子負(fù)載、無(wú)油空氣壓縮機(jī)、去離子冷卻設(shè)備的隨動(dòng)控制及聯(lián)調(diào)，涉及以太網(wǎng)、RS232、RS485等工業(yè)設(shè)備通訊協(xié)議。通訊互聯(lián)采用工業(yè)級(jí)通訊轉(zhuǎn)換模塊，將以太網(wǎng)裝備與CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)通，使以太網(wǎng)和CAN數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，形成寬泛的工業(yè)控制設(shè)備擴(kuò)展型通訊網(wǎng)絡(luò)。各種通訊協(xié)議接口的無(wú)障礙聯(lián)通。如圖4所示，通訊可編程智能網(wǎng)關(guān)，集成1路CAN接口、1路以太網(wǎng)接口、1路RS485接口、1路RS232接口的總線(xiàn)模擬控制器[12]，用于連接CAN總線(xiàn)、RS232/485總線(xiàn)、以太網(wǎng)總線(xiàn)，并支持常見(jiàn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，如：CAN open、Modbus RTU、Modbus TCP等。如圖5所示，充分運(yùn)用通訊總線(xiàn)快速實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展與及時(shí)通信。

圖4 通訊擴(kuò)展接口單元

圖5 智能網(wǎng)關(guān)通訊模塊

2.2模擬量

模擬量單元如圖6所示，選用高品質(zhì)三隔離電量變送模塊，搭配開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的整定電路板，提供直流電壓母線(xiàn)，限壓電阻R1及電壓調(diào)整電位器WR1，為電量變送模塊輸入提供DC 0~5 V可調(diào)直流電壓，經(jīng)由變送器原/副邊隔離電參量的線(xiàn)性映射，產(chǎn)生DC 0~5 V或4~20 mA動(dòng)態(tài)響應(yīng)，由串聯(lián)或并聯(lián)在線(xiàn)路上的顯示表實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前給定值。

圖6 模擬量通道

2.3數(shù)字量

數(shù)字量單元如圖7所示，DI開(kāi)關(guān)量輸出采用重聯(lián)雙位置開(kāi)關(guān)，一路經(jīng)3、4觸點(diǎn)給出，一路經(jīng)1、2觸點(diǎn)和指示燈Lm1狀態(tài)指示。D0開(kāi)關(guān)量輸入采用固態(tài)繼電器，線(xiàn)圈經(jīng)外部信號(hào)接口1A、1B形成回路，一路觸點(diǎn)經(jīng)3（1A’）、4（1B’）觸點(diǎn)給出，一路經(jīng)1、2觸點(diǎn)和指示燈Lm1狀態(tài)指示。

圖7 數(shù)字量通道

2.4接口整合

參數(shù)調(diào)整旋鈕、顯示表計(jì)、投切開(kāi)關(guān)等所有功能單元集成為一套含2路CAN總線(xiàn)、2路485、2路232、2路以太網(wǎng)、16路AI/O、16路DI/O的接口組件。模擬量、數(shù)字量輸入/輸出采用PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)直聯(lián)接口，并與擴(kuò)展接口內(nèi)置功能模擬并行方式?？墒謩?dòng)給定及實(shí)時(shí)調(diào)整。經(jīng)可拔插對(duì)接接頭，各種新能源汽車(chē)連接器、航空插頭，整合成一種可應(yīng)用于PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的可擴(kuò)展型接口，如圖8所示。

圖8 接口集成示意圖

3 總結(jié)

在通用PEMFC氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)臺(tái)架基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)擴(kuò)展，兼顧測(cè)試配套裝備聯(lián)動(dòng)及車(chē)載控制驅(qū)動(dòng)需求，采用工業(yè)成熟的通訊轉(zhuǎn)換模塊，及電量變送器，開(kāi)發(fā)適用測(cè)試PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試電路板，快速集成一種擴(kuò)展簡(jiǎn)易接口，能經(jīng)濟(jì)及高效的實(shí)現(xiàn)一對(duì)多驅(qū)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步智能化，如加入PLC可編程控制模塊、模擬量、數(shù)字量輸入/輸出、上位監(jiān)控等模塊，擴(kuò)展PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)智能接口。