基于LabVIEW 的燃料電池控制程序設計

于 朝，徐紀偉，李彬彬，張 煒

（1.中國船舶科學研究中心，無錫 214082；2.深海技術科學太湖實驗室，無錫 214082；3.深海載人裝備全國重點實驗室，無錫 214082）

近幾個世紀以來，工業(yè)發(fā)展及人類的生活主要依賴于煤、石油等傳統(tǒng)的化石能源。隨著工業(yè)的發(fā)展、人口數(shù)量的增長及人類生活水平的提高，有限的傳統(tǒng)能源及其帶來的環(huán)境污染問題，成為限制人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。而燃料電池是一種新型的電化學轉(zhuǎn)化器，只需將氫、氧燃料輸入到電池系統(tǒng)中，就能將燃料中的化學能源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能[2]。燃料電池作為一種新型的發(fā)電裝置，不受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化效率理論上可達90%。氫氧燃料電池能量轉(zhuǎn)化過程唯一產(chǎn)物是水，且可通過可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模制氫，能有效避免環(huán)境污染[3]。

但燃料電池系統(tǒng)較為復雜，為保證燃料電池正常運行，需解決氫氧供給、電堆氣密性、系統(tǒng)熱平衡、殘氣處理等問題[4]。因此，全面了解燃料電池運行狀態(tài)并對其運行過程實時控制，是燃料電池正常運行的一個重要保障條件。本文通過LabVIEW 搭建燃料電池上位機控制系統(tǒng)，通過與燃料電池控制器通信，實時顯示燃料電池運行狀態(tài)并對燃料電池運行實現(xiàn)精確控制[5]。

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 燃料電池組成

燃料電池主要由電堆模塊、二次電源模塊、尾氣處理模塊、熱管理模塊、DC/DC 模塊、生成物回收模塊等組成。各模塊組成關系如圖1 所示。

圖1 燃料電池各模塊組成框圖Fig.1 Block diagram of each fuel cell module

1.2 功能設計

燃料電池控制系統(tǒng)需對燃料電池進行狀態(tài)采集及實時控制，具體功能如下：①電堆及DC/DC 啟停控制；②尾氣處理模塊啟?？刂萍芭渲茫虎垭姸堰\行狀態(tài)參數(shù)采集；④尾氣處理模塊狀態(tài)采集；⑤DC/DC及二次電源狀態(tài)采集；⑥燃料電池故障信息采集。

1.3 控制原理

燃料電池系統(tǒng)控制原理如圖2 所示。燃料電池控制器與各組成單元內(nèi)傳感器及執(zhí)行機構通信，獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并接收上位機控制指令并傳輸控制信號到指定的執(zhí)行機構；上位機控制系統(tǒng)通過CAN 協(xié)議獲取燃料電池運行狀態(tài)信息并顯示，并將控制指令實時傳輸?shù)饺剂想姵乜刂破鲀?nèi)執(zhí)行。

圖2 燃料電池控制原理框圖Fig.2 Fuel cell control schematic diagram

1.4 硬件選型

燃料電池控制器采用常州易控產(chǎn)品，可實現(xiàn)溫度、壓力信號采集、故障識別、瓶閥控制等功能，配合上位機控制系統(tǒng)實現(xiàn)燃料電池運行監(jiān)測與控制。

上位機控制系統(tǒng)采用LabVIEW 編寫，運行于工控機內(nèi)，可實現(xiàn)狀態(tài)采集、指令下發(fā)、故障報警、事件記錄等功能。

工控機與燃料電池控制器之間通過廣成科技開發(fā)的USBCAN 分析儀，將CAN 信號轉(zhuǎn)化為USB信號。

2 控制程序設計

燃料電池控制系統(tǒng)運行時，首先需配置CAN 通信接口參數(shù)，如波特率、設備索引號等；其次，打開CAN 通信，檢查各組成單元自檢信號及其它狀態(tài)信號是否正常；然后，若各項數(shù)據(jù)正常，則啟動電堆、DC/DC 及尾氣處理模塊，燃料電池開始輸出電能；其中，若DC/DC 處于自動狀態(tài)，則根據(jù)負載狀態(tài)自動調(diào)整DC/DC 輸出功率，若處于手動狀態(tài)，則可手動調(diào)節(jié)燃料電池輸出電流；當燃料電池故障或下達停止指令時，關閉DC/DC 及氫氧進氣閥，并使用氮氣吹掃。燃料電池控制系統(tǒng)操作流程如圖3 所示。

圖3 燃料電池操作流程Fig.3 Fuel cell operation flow chart

2.1 CAN 初始化程序

CAN 初始化過程主要包括打開設備、初始化通道、啟動通道3 個過程。首先，設置USBCAN 分析儀的設備類型號及設備索引號，設置完成后，單擊CAN通信按鈕，執(zhí)行打開設備操作；若打開失敗則執(zhí)行關閉設備操作，若打開成功，則執(zhí)行初始化通道操作。初始化通道主要設置設備類型號、設備索引號、CAN 通道號、波特率、硬件濾波及CAN 工作模式等參數(shù)，若設置失敗，則執(zhí)行關閉設備操作，若執(zhí)行成功，則執(zhí)行啟動通道操作。啟動通道操作主要設置設備類型號、設備索引號及CAN 通道號等參數(shù)，若返回值為1，表示CAN 初始化程序完成，該通道已經(jīng)初始化完成，可正常接發(fā)CAN 總線數(shù)據(jù)。CAN 初始化程序如圖4 所示。

圖4 CAN 初始化程序Fig.4 CAN initializer

2.2 狀態(tài)采集程序

狀態(tài)采集程序即從指定USBCAN 分析儀通道的緩沖區(qū)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用數(shù)據(jù)接收動態(tài)鏈接庫后，返回數(shù)據(jù)類型為數(shù)據(jù)簇，其中數(shù)據(jù)簇主要包含報文幀ID、數(shù)據(jù)長度、報文數(shù)據(jù)等。為將CAN 報文數(shù)據(jù)與燃料電池各狀態(tài)數(shù)據(jù)對應，首先將數(shù)據(jù)簇進行解除捆綁操作，得到該數(shù)據(jù)簇包含的各類型數(shù)據(jù)；然后，將報文幀ID 數(shù)據(jù)與條件結構分支選擇器相連接；然后在該條件分支內(nèi)，根據(jù)燃料電池通信協(xié)議將報文數(shù)據(jù)與實際對應參數(shù)連接。具體狀態(tài)采集程序如圖5 所示。

圖5 狀態(tài)采集程序Fig.5 Status acquisition program

由于燃料電池控制器傳輸數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行拆分、轉(zhuǎn)換等操作，因此得到燃料電池各幀數(shù)據(jù)后，安裝通信協(xié)議對各幀內(nèi)數(shù)據(jù)組進行整數(shù)拼接、布爾數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)類型變換等操作，相應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序Fig.6 Data conversion program

2.3 指令下發(fā)程序

為保證控制指令可以實時從上位機下發(fā)到燃料電池控制器中，當操作指令數(shù)據(jù)改變時，通過調(diào)用事件結構程序，可實時將相應數(shù)據(jù)下發(fā)到燃料電池控制器中。

指令下發(fā)首先需將上位機中控制指令輸入控件與局部變量連接并將各變量數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為無符號單字節(jié)整型；其次，按照CAN 通信中幀的數(shù)據(jù)結構，完成CAN 數(shù)據(jù)幀的報文幀ID、發(fā)送幀類型、數(shù)據(jù)長度、報文數(shù)據(jù)等內(nèi)容的捆綁；最后，當控制指令數(shù)據(jù)變化后，控制程序自動調(diào)用相應的事件結構程序，將控制指令數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 總線，燃料電池控制器接收到指令后，控制相應執(zhí)行機構完成操作。指令下發(fā)程序如圖7 所示。

圖7 指令下發(fā)程序Fig.7 Instruction sender

3 上位機監(jiān)控界面設計

為能夠直觀顯示燃料電池狀態(tài)，上位機控制系統(tǒng)主要分為5 個區(qū)域：重要系統(tǒng)參數(shù)顯示區(qū)、報警區(qū)、控制指令區(qū)、系統(tǒng)設置區(qū)及分系統(tǒng)顯示區(qū)域。各分系統(tǒng)界面主要包括：主監(jiān)控界面、電堆監(jiān)控界面、輔助系統(tǒng)監(jiān)控界面、狀態(tài)監(jiān)測界面、故障報警界面及參數(shù)設置界面。

重要參數(shù)顯示區(qū)以儀表方式顯示燃料電池輸出電壓、電流等重要參數(shù)，并搭配數(shù)字顯示框，可顯示參數(shù)具體數(shù)值；報警區(qū)可顯示燃料電池三級報警指示燈，報警指示燈亮后可點擊故障報警界面查看具體故障原因；控制指令區(qū)主要包含燃料電池主要控制命令按鈕，如：電堆啟動、停止命令、DC/DC 啟動、復位命令、鋰電啟動命令等，可實現(xiàn)燃料電池的運行控制；系統(tǒng)設置區(qū)域主要實現(xiàn)尾排、氣泵自動運行等控制命令設置；分系統(tǒng)顯示區(qū)域通過左側(cè)系統(tǒng)切換按鈕，可直觀顯示燃料電池總體及各分系統(tǒng)具體運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。具體界面如圖8 所示。

圖8 燃料電池控制系統(tǒng)界面Fig.8 Fuel cell control system interface

4 程序調(diào)試

燃料電池上位機編寫完成后，開展燃料電池控制系統(tǒng)通信調(diào)試。調(diào)試筆記本2 個USB 串口分別連接1臺USBCAN 分析儀，2 臺分析儀的CAN1 接口彼此連接，模擬上位機控制系統(tǒng)與燃料電池控制器之間的通信。線路連接后，使用ECANTools 與LabVIEW 軟件各調(diào)用1 臺USBCAN 分析儀，結合燃料電池通信協(xié)議，逐一驗證通信是否正確，調(diào)試設備如圖9 所示。

圖9 燃料電池控制系統(tǒng)程序調(diào)試Fig.9 Fuel cell control system program debugging

調(diào)試修改后，按照燃料電池通信協(xié)議兩者之間可正常通信，無發(fā)送錯誤、接收異常等現(xiàn)象，燃料電池上位機控制系統(tǒng)可實時下發(fā)控制指令，上位機控制系統(tǒng)響應時間＜100 ms，信號傳輸延時＜10 ms。

5 結語

本文針對燃料電池安全運行問題進行控制系統(tǒng)設計，通過LabVIEW 編寫上位機控制系統(tǒng)對燃料電池的運行進行監(jiān)測與控制。本文主要設計LabVIEW 上位機控制程序與燃料電池控制器之間的通信程序；設計上位機控制界面，通過對燃料電池狀態(tài)參數(shù)功能梳理并分區(qū)顯示，方便操作者可快速、直觀了解燃料電池運行狀態(tài)。仿真調(diào)試結果表明，燃料電池控制指令可準確無誤發(fā)送到接收端，沒有數(shù)據(jù)錯發(fā)、漏發(fā)現(xiàn)象，信號傳輸延時＜10 ms，可滿足燃料電池控制需要。