基于LabVIEW的儲氫材料循環(huán)壽命測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 志， 程宏輝， 陳東雷

（揚(yáng)州大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引 言

氫能是一種來源廣泛、清潔高效的新型可再生能源。積極發(fā)展氫能技術(shù)對促進(jìn)能源社會(huì)良性轉(zhuǎn)型有重大戰(zhàn)略意義［1］。固態(tài)儲氫技術(shù)由于其儲氫密度大、安全性高、制備技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究［2-5］。儲氫材料的長期吸放氫循環(huán)特性是評價(jià)其是否具備工程應(yīng)用價(jià)值的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。針對目前儲氫循環(huán)壽命測試設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴、測試效率低、數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重等問題，本文基于LabVIEW［6］軟件構(gòu)建了優(yōu)化的循環(huán)壽命測試系統(tǒng)。依據(jù)循環(huán)壽命測試數(shù)據(jù)處理辦法，從測試速度和精度兩個(gè)方面考慮，分別設(shè)計(jì)了“直充法”與“緩沖法”。通過編寫LabVIEW程序?qū)@兩種方法進(jìn)行組合，僅對用戶定義的目標(biāo)區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和顯示。改善傳統(tǒng)循環(huán)壽命測試設(shè)備由于采集模式單一引起的數(shù)據(jù)冗余、顯示卡頓等問題，提升測試系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

循環(huán)壽命測試系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 循環(huán)壽命測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)主要包括以下模塊。

1.1 供電模塊

采用220 V交流電為溫控儀、上位機(jī)、空壓機(jī)以及真空泵等高功率負(fù)載供電。采用24 V直流電源與UK2.5B接線端子為測試系統(tǒng)內(nèi)部各傳感器、變送器以及閥門驅(qū)動(dòng)模組等低功率負(fù)載供電。

1.2 維持模塊

選用AI-518P溫度控制器，通過模糊PID調(diào)節(jié)算法分別對加熱爐與填充有儲氫材料的增壓罐進(jìn)行溫度控制，從而維持實(shí)驗(yàn)所需的溫度與壓力。

1.3 測試模塊

選用揚(yáng)州大學(xué)新能源材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的H2PCT-2101型儲氫材料測試裝置。該裝置已經(jīng)在LabVIEW環(huán)境下集成了泄漏率測試［7］、循環(huán)活化測試［8］、PCT測試［9］、動(dòng)力學(xué)測試等多種測試功能。測試壓力為0～10 MPa，測試溫度為0～600℃，自定義報(bào)警下限溫度為400℃。配備一塊USB-6002數(shù)據(jù)采集卡，輸入量程為±10 V，配有8個(gè)模擬輸入通道，13條數(shù)字線，可選差分（DIFF）與單端（RSE）兩種信號連接方式，最大采樣率為50 kS/s。

1.4 抽真空模塊

選用EDWARDS RV8型雙極旋片真空泵，峰值抽速為8.5 m3/h，電動(dòng)機(jī)額定功率為450 W，額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min。

2 壽命測試方法設(shè)計(jì)與選擇

2.1 測試方法的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)循環(huán)壽命測試可以視為由若干個(gè)獨(dú)立的吸/放氫測試構(gòu)成，測試過程中需要連續(xù)采集與存儲數(shù)據(jù)，造成資源累積占用。為解決此問題。結(jié)合圖2所示的氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)了兩種壽命測試方法。

圖2 氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1.1 直充法

直充法是指在充氫階段打開閥門V1、V4，直接向樣品室內(nèi)充入氫氣，等待壓力平穩(wěn)，即表明樣品吸氫飽和。只需設(shè)定合適的吸/放氫時(shí)間，直充法便能實(shí)現(xiàn)吸/放氫循環(huán)功能，且步驟少，耗時(shí)短。但是涉及計(jì)算方面［9］，儲氫合金的吸/放氫量等效于整個(gè)氣路內(nèi)部氣態(tài)氫的損失/增加量之和，即

其中，wti的主要計(jì)算參數(shù)為各部分氣路的容積、壓力與溫度。在實(shí)際操作中：①由于多數(shù)儲氫材料在活化后性質(zhì)十分活潑，在室溫下與氫氣接觸即可迅速產(chǎn)生氫吸附效應(yīng)，腔體內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生明顯的壓力降，難以確定充氫的初始壓力；②充氫時(shí)，氫氣經(jīng)閥門V1迅速流入干燥的密封氣路，無法及時(shí)與外界進(jìn)行熱交換，將會(huì)產(chǎn)生顯著的溫升，即負(fù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)［10］。此時(shí)，計(jì)算所需的3個(gè)參數(shù)中有兩個(gè)是不準(zhǔn)確的，可知直充法雖然耗時(shí)短，但是無法精確計(jì)算氫摩爾量及其他循環(huán)壽命表征參數(shù)。

2.1.2 緩沖法

緩沖法是指在充氫時(shí)打開V1、V3，將儲氣室及擴(kuò)容鋼瓶GB1作為緩沖區(qū)，設(shè)定足夠長的時(shí)間，以獲取緩沖區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定的初始壓力，并削弱負(fù)焦-湯效應(yīng)的影響。再打開閥門V4連通緩沖區(qū)與樣品室。在涉及氫摩爾量計(jì)算的步驟前后，例如抽真空后、充氫后、打開閥門V4后，都需要足夠的等待時(shí)間，以滿足氫摩爾量的計(jì)算精度要求。對比直充法更加耗時(shí)，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)與內(nèi)存占用。

圖3、4所示為兩種方法對應(yīng)的吸氫流程圖。放氫 為吸氫的逆過程，在此不再贅述。

圖3 直充法的吸氫流程圖

圖4 緩沖法的吸氫流程圖

2.2 測試方法的選擇

陳健等［11］提出循環(huán)壽命數(shù)據(jù)的處理辦法：從上千次的循環(huán)壽命區(qū)間內(nèi)選取若干離散的特征數(shù)據(jù)片段（S1，S2，…，Sn），從這些特征片段中提取壓力，溫度、儲氫容量等表征信息，進(jìn)一步分析儲氫材料的長期使役行為和衰退機(jī)制。根據(jù)此辦法，本文在特征區(qū)間段（S1，S2，…，Sn）選用緩沖法，以精確計(jì)算儲氫容量、吸/放氫容量保持比等循環(huán)性能表征數(shù)據(jù)；在其他非特征區(qū)間選用直充法，以減少測試時(shí)間和內(nèi)存占用。兩種方法自由組合實(shí)現(xiàn)分段測試功能，可以在不影響測試效果的前提下大幅縮短測試周期，將數(shù)據(jù)量減少90%以上，消除圖表顯示控件的卡頓現(xiàn)象。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這些優(yōu)勢將被擴(kuò)大。

3 循環(huán)壽命測試的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件框架設(shè)計(jì)

選用LabVIEW軟件編寫循環(huán)壽命測試程序，采用狀態(tài)機(jī)［12］編程架構(gòu)，依次編寫初始化、閥門控制、延遲等待、數(shù)據(jù)處理、壽命計(jì)算、圖形顯示、狀態(tài)選擇、報(bào)表生成等狀態(tài)分支代碼。通過“枚舉變量”函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)分支的切換。利用“枚舉變量”將不同值分配給各狀態(tài)分支，并創(chuàng)建帶初始化的移位寄存器連接至狀態(tài)機(jī)。程序運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前狀態(tài)分支的代碼全部執(zhí)行后，枚舉變量的值將順著LabVIEW數(shù)據(jù)流［13］流入移位寄存器的輸入端口，并從下一個(gè)目標(biāo)狀態(tài)分支的移位寄存器輸出端口流出，完成狀態(tài)分支的切換，執(zhí)行不同的功能代碼，繼而實(shí)現(xiàn)循環(huán)壽命測試的全部流程。

此外，程序運(yùn)行期間有一部分代碼需要始終執(zhí)行。例如“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”［14］中消費(fèi)者模塊需要實(shí)時(shí)運(yùn)行以生產(chǎn)數(shù)據(jù)；“While循環(huán)”嵌套的“事件結(jié)構(gòu)”需要實(shí)時(shí)偵聽和響應(yīng)前面板用戶事件等等。這些代碼應(yīng)放在狀態(tài)機(jī)框圖之外，并保持循環(huán)狀態(tài)。

3.2 分段測試功能設(shè)計(jì)

本文詳細(xì)介紹分段測試功能的設(shè)計(jì)過程，目的是提高系統(tǒng)測試效率。主要介紹“直充法”與“緩沖法”之間的切換邏輯。

首先在前面板創(chuàng)建相關(guān)控件并進(jìn)行功能定義：

（1）創(chuàng)建列數(shù)為2，名為“測試區(qū)間”的數(shù)組控件“Array”，向“Array”輸入數(shù)據(jù)集合（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），（0，0），定義xα/yα為任意采集區(qū)間的起點(diǎn)/終點(diǎn)，定義0為采集終止符。

（2）創(chuàng)建一個(gè)名為“采集？”的布爾輸入控件“Boolean”。創(chuàng)建帶初始化的移位寄存器記錄程序進(jìn)入初始化狀態(tài)分支的次數(shù)，并將該值作為當(dāng)前循環(huán)次數(shù)m。

（3）創(chuàng)建名為“循環(huán)次數(shù)”以及“放氫容量保持比”的數(shù)值輸入控件，設(shè)定值為t與γde，用于程序終止判定。

（4）利用“Index Array”函數(shù)索引“Array”數(shù)組，將m與（xα，yα）做邏輯比較，根據(jù)邏輯比較的結(jié)果選擇執(zhí)行直充法或緩沖法的相關(guān)代碼，并進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)、終止判斷等操作。

根據(jù)上述定義方法設(shè)計(jì)程序，圖5為分段測試方法邏輯判定模塊的LabVIEW程序框圖，圖6為程序運(yùn)行流程圖。

圖5 分段測試方法邏輯判定框圖

圖6 程序運(yùn)行流程圖

3.3 用戶界面設(shè)計(jì)

在前面板劃分若干功能區(qū)域，如圖7所示，包括了參數(shù)設(shè)定、通道配置以及多個(gè)實(shí)時(shí)顯示模塊：閥門狀態(tài)、溫度、壓力、循環(huán)動(dòng)力學(xué)曲線、循環(huán)壽命曲線、吸/放氫量、吸/放氫容量保持比等。實(shí)驗(yàn)人員可通過前面板顯示的各項(xiàng)指標(biāo)綜合分析儲氫合金的循環(huán)壽命性能。

圖7 測試系統(tǒng)前面板

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，稱取1.674 3 g的La0.5Ce0.5Ni4Co標(biāo)準(zhǔn)樣品，在298 K、5 MPa環(huán)境下每隔10次切換1次測試方法，共進(jìn)行121次循環(huán)壽命測試。前面板包含循環(huán)壽命曲線顯示模塊，如圖8所示?？梢钥闯?，程序僅在實(shí)驗(yàn)人員規(guī)定的7個(gè)區(qū)間內(nèi)部進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與計(jì)算。實(shí)驗(yàn)人員可以通過觀察曲線走向來評價(jià)合金的循環(huán)壽命性能。

圖8 循環(huán)壽命曲線

La0.5Ce0.5Ni4Co合金的吸/放氫容量保持比γab/de隨測試次數(shù)m的變化關(guān)系如圖9所示。隨著m不斷增加，合金的吸/放氫容量整體呈現(xiàn)緩慢衰減的趨勢，在經(jīng)歷121次循環(huán)后，其放氫容量保持比在0.99以上。對比常規(guī)的AB5合金［15］，該合金具備更好的循環(huán)穩(wěn)定性。離散化的測試形式并未造成合金的循環(huán)壽命性能表征失真或其他不良影響。121次循環(huán)所產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件分別占用204 KB和3.78 KB的內(nèi)存，與常規(guī)壽命測試動(dòng)輒數(shù)十兆的數(shù)據(jù)量相比，大幅降低了內(nèi)存占用，足以應(yīng)對更高次數(shù)的循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)。

圖9 吸/放氫循環(huán)容量保持比

經(jīng)過分析可知，所設(shè)計(jì)的分段測試功能較好地兼顧了循環(huán)壽命測試準(zhǔn)確性與高效性兩方面的要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種儲氫材料循環(huán)壽命測試系統(tǒng)，優(yōu)化了測試方法，利用LabVIEW軟件編寫了測試程序。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以有效分析儲氫合金的循環(huán)壽命性能，采用分段測試模式節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間與數(shù)據(jù)空間，提高程序的魯棒性。