燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架的研發(fā)

摘 要：燃料電池技術(shù)作為氫能產(chǎn)業(yè)的核心組成部分，其關(guān)鍵零部件，如電堆、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵以及引射器等性能優(yōu)劣，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性。在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行中，電堆負(fù)責(zé)將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能，空壓機(jī)精準(zhǔn)調(diào)控反應(yīng)氣體的供應(yīng)，氫氣循環(huán)泵確保氫氣的穩(wěn)定循環(huán)，引射器則優(yōu)化氣體混合效果，任何一個(gè)部件出現(xiàn)性能短板，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。然而，傳統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架存在封閉性強(qiáng)、兼容性差、成本高等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了研發(fā)效率。研究提出一種基于模塊化設(shè)計(jì)的開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口、多協(xié)議通信支持及可擴(kuò)展軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多類型零部件的兼容性測(cè)試。

關(guān)鍵詞：燃料電池 模塊化設(shè)計(jì) 測(cè)試臺(tái)架 多協(xié)議通信

在全球積極推進(jìn)碳中和目標(biāo)的背景下，傳統(tǒng)以化石燃料為主的能源與交通模式，因高碳排放、資源有限等問(wèn)題，難以契合可持續(xù)發(fā)展需求。氫燃料電池技術(shù)憑借零排放、高能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢(shì)，成為交通、能源等領(lǐng)域深度脫碳的關(guān)鍵方案。

在汽車市場(chǎng)，燃料電池汽車?yán)m(xù)航長(zhǎng)、加氫快，有效解決了純電動(dòng)車的續(xù)航與充電難題，備受市場(chǎng)關(guān)注。截至 2024 年，全球燃料電池汽車保有量超9.6萬(wàn)輛，且穩(wěn)步增長(zhǎng)。中國(guó)憑借龐大市場(chǎng)與完善產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，燃料電池汽車數(shù)量增長(zhǎng)迅猛[1]；歐盟多國(guó)也積極布局，借助技術(shù)創(chuàng)新與政策引導(dǎo)，推動(dòng)其在公共交通和物流領(lǐng)域應(yīng)用。

為加速氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各國(guó)紛紛出臺(tái)扶持政策。中國(guó)制定涵蓋研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)的政策，給予企業(yè)資金支持，推進(jìn)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建完整氫能產(chǎn)業(yè)鏈；日本通過(guò)立法保障、補(bǔ)貼激勵(lì)，鼓勵(lì)企業(yè)開(kāi)展燃料電池技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品推廣；歐盟在區(qū)域?qū)用鎱f(xié)同推進(jìn)氫能項(xiàng)目，促進(jìn)成員國(guó)間技術(shù)交流與產(chǎn)業(yè)合作，推動(dòng)氫能商業(yè)化應(yīng)用。

燃料電池系統(tǒng)[2]由多個(gè)核心部件構(gòu)成，各部件性能對(duì)系統(tǒng)整體效率與壽命至關(guān)重要。電堆是核心，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將氫氧化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其性能直接影響系統(tǒng)輸出功率與效率；空氣壓縮機(jī)為電堆供應(yīng)適量有壓空氣，保障電化學(xué)反應(yīng)，其工作效率和能耗顯著影響系統(tǒng)性能；氫氣循環(huán)泵使未反應(yīng)的氫氣循環(huán)利用，提高氫氣利用率，降低運(yùn)行成本；增濕器調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體濕度，防止電堆內(nèi)干燥導(dǎo)致膜電極性能下降，延長(zhǎng)電堆使用壽命。這些核心部件協(xié)同運(yùn)作，保障燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1 燃料電池系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)狀與技術(shù)需求

1.1 氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)展及測(cè)試挑戰(zhàn)?

在全球?qū)η鍧嵞茉葱枨笕找嫫惹械漠?dāng)下，氫燃料電池系統(tǒng)憑借零排放、高能量密度等顯著優(yōu)勢(shì)，在交通運(yùn)輸、分布式發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的電堆、氫氣循環(huán)泵、引射器等關(guān)鍵零部件，其性能對(duì)系統(tǒng)整體的效率、穩(wěn)定性與壽命起著決定性作用。

然而，傳統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架存在諸多弊端。一方面，其封閉性強(qiáng)，僅能適配特定品牌和型號(hào)的零部件，難以滿足如今多樣化的測(cè)試需求；另一方面，建設(shè)與維護(hù)成本高昂，嚴(yán)重阻礙了燃料電池技術(shù)的快速更新迭代。所以，開(kāi)發(fā)具備高兼容性、高開(kāi)放性且成本低廉的測(cè)試臺(tái)架，已成為推動(dòng)燃料電池技術(shù)進(jìn)步的當(dāng)務(wù)之急。

1.2 開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架的必要性與研究現(xiàn)狀?

開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架以標(biāo)準(zhǔn)化接口和可擴(kuò)展架構(gòu)，直擊傳統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架適配性差、成本高的痛點(diǎn)。目前，國(guó)外企業(yè)雖已開(kāi)展相關(guān)研發(fā)并推出部分開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架，但仍存在標(biāo)準(zhǔn)化程度不足、系統(tǒng)集成水平較低等問(wèn)題。相比之下，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步滯后，大多聚焦單一零部件測(cè)試設(shè)備，缺乏覆蓋燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的開(kāi)放性測(cè)試方案?，F(xiàn)有測(cè)試臺(tái)架在硬件接口通用化、通信協(xié)議兼容適配、軟件功能拓展等方面存在明顯短板，亟須突破。因此，研發(fā)一套先進(jìn)的開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架，對(duì)推動(dòng)燃料電池技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。

2 開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架的設(shè)計(jì)思路

研究以燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為基礎(chǔ)，對(duì)電堆和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件開(kāi)展特性測(cè)試和研究，測(cè)試臺(tái)架主要包括燃料電池電堆、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)及相應(yīng)的負(fù)載回路控制與監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。其中，陽(yáng)極尾氣處理采用集成引射器和氫氣循環(huán)泵并聯(lián)結(jié)構(gòu)的再循環(huán)模式，并設(shè)置了多個(gè)壓力、流量傳感器負(fù)責(zé)采集信息；排氣模塊包括水分離器和排氫排水閥，負(fù)責(zé)從循環(huán)氣體中分離出液態(tài)水并調(diào)節(jié)氣體排放。

基于模塊化設(shè)計(jì)原則，將測(cè)試臺(tái)架劃分為硬件層、通信層和軟件層。硬件層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口，適配電堆、引射器等多種關(guān)鍵零部件，實(shí)現(xiàn)快速更換與測(cè)試；通信層支持 CAN、Modbus 等多種通信協(xié)議，確保設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效；軟件層采用分層架構(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性與兼容性，可根據(jù)測(cè)試需求靈活調(diào)整功能模塊。明確測(cè)試臺(tái)架須具備測(cè)試參數(shù)精準(zhǔn)控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與分析、測(cè)試流程自動(dòng)化等核心功能。?

2.1 硬件設(shè)計(jì)?

精心選型各類傳感器與執(zhí)行器，如壓力傳感器、流量傳感器、溫度控制器等，確保能夠精確采集與控制測(cè)試過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口，統(tǒng)一接口規(guī)格與電氣特性，使不同型號(hào)的零部件均可方便接入測(cè)試臺(tái)架。優(yōu)化硬件電路設(shè)計(jì)，采用低功耗芯片與節(jié)能電路，降低系統(tǒng)能耗，同時(shí)通過(guò)冗余設(shè)計(jì)與故障診斷機(jī)制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。?

2.2 通信設(shè)計(jì)?

分析測(cè)試臺(tái)架中各設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)與需求，選擇適配的通信協(xié)議，構(gòu)建多協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)通信接口電路，采用隔離技術(shù)與抗干擾措施，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。搭建星型或總線型通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，為測(cè)試臺(tái)架的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的通信保障。?

2.3 軟件設(shè)計(jì)?

采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)架軟件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和用戶交互層。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的濾波與校驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理層運(yùn)用數(shù)據(jù)分析算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與分析，生成測(cè)試報(bào)告；用戶交互層采用圖形化界面設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單直觀，方便用戶進(jìn)行測(cè)試參數(shù)設(shè)置、測(cè)試流程監(jiān)控與結(jié)果查看。選擇 LabVIEW、Matlab 等成熟的軟件開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。

3 測(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

3.1 監(jiān)控平臺(tái)的搭建

針對(duì)文章所研究的燃料電池系統(tǒng)，考慮到其工作環(huán)境復(fù)雜，為了保證燃料電池高效且平穩(wěn)地運(yùn)行，文章使用 LabVIEW 基于 CAN 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)了燃料電池系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)[3]，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析與存儲(chǔ)，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括。

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)控：實(shí)時(shí)獲取燃料電池工作過(guò)程中，氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，并監(jiān)測(cè)燃料電池的工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)回顧與本地存儲(chǔ)：對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與保存。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以通過(guò)該功能回顧歷史數(shù)據(jù)并可視化顯示其變化曲線，提高了數(shù)據(jù)記錄效率，降低了人力成本。

（3）安全預(yù)警：氫氣是易燃?xì)怏w，通過(guò)配置氫氣濃度安全閾值對(duì)氫氣實(shí)時(shí)濃度進(jìn)行監(jiān)控，檢測(cè)系統(tǒng)中是否存在氫氣泄漏情況，從而提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性。

3.2 測(cè)試平臺(tái)的搭建

基于模塊化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成原理，開(kāi)放式燃料電池系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)通過(guò)多模塊協(xié)同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效測(cè)試功能。平臺(tái)以燃料電池電堆為核心，構(gòu)建包含供氣子系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、負(fù)載控制子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的閉環(huán)體系。供氣子系統(tǒng)[4]采用質(zhì)量流量控制器精準(zhǔn)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流速與配比，配合壓力傳感器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力平衡；濕度調(diào)節(jié)模塊通過(guò)超聲波霧化器與氣體混配腔，模擬不同濕度工況；負(fù)載子系統(tǒng)采用可編程電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率多模式切換；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭載高精度傳感器與高速數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。各模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，依托 LabVIEW 開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，完成測(cè)試流程自動(dòng)化控制與多維度數(shù)據(jù)分析，確保平臺(tái)在開(kāi)放環(huán)境下具備測(cè)試精度與工況模擬的靈活性。?

3.3 應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)及功能拓展

針對(duì)燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的不同測(cè)試需求，開(kāi)發(fā)多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。如設(shè)計(jì)電堆耐久性測(cè)試場(chǎng)景，模擬實(shí)際工況下的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，評(píng)估電堆的壽命；搭建空壓機(jī)性能測(cè)試場(chǎng)景，測(cè)試不同工況下空壓機(jī)的壓力、流量等參數(shù)。通過(guò)這些應(yīng)用場(chǎng)景，充分發(fā)揮測(cè)試臺(tái)架的開(kāi)放性與兼容性優(yōu)勢(shì)。?

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用反饋，對(duì)測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行功能拓展與優(yōu)化。增加新的測(cè)試功能模塊，如氫氣純度檢測(cè)、系統(tǒng)故障診斷等，提升測(cè)試臺(tái)架的綜合性能。優(yōu)化測(cè)試流程，提高測(cè)試效率與自動(dòng)化程度，降低人工干預(yù)，進(jìn)一步發(fā)揮測(cè)試臺(tái)架在燃料電池技術(shù)研發(fā)中的支撐作用。

4 結(jié)語(yǔ)

研究成功設(shè)計(jì)并搭建了一套燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的開(kāi)放性測(cè)試臺(tái)架，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化、通信協(xié)議多元化與軟件架構(gòu)可擴(kuò)展。該測(cè)試臺(tái)架具備良好的兼容性與開(kāi)放性，能夠滿足多種零部件的測(cè)試需求，有效提升了測(cè)試效率，降低了研發(fā)成本，為燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的研發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。

盡管研究取得了一定成果，但測(cè)試臺(tái)架在智能化水平、復(fù)雜工況模擬能力等方面仍存在不足。未來(lái)研究可聚焦于引入人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的智能優(yōu)化與故障預(yù)測(cè)；進(jìn)一步拓展測(cè)試臺(tái)架的應(yīng)用場(chǎng)景，模擬更多復(fù)雜的實(shí)際工況，為燃料電池技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供更強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

基金項(xiàng)目：大流量長(zhǎng)壽命供氫部件及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目（2021YFB2500502）。

參考文獻(xiàn)：

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