CN114497610A - 一种pemfc发动机模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种PEMFC发动机模拟器，该发动机模拟器为燃料电池发动机测试***提供有效信号及状态回路，能模拟各功率等级的发动机，而且采用广义的接口集成方式，将数据定义、数据加载方式、故障编码等自定义及组合方式开放，以匹配各种测试***，从而解决宽范围应用的问题，实现一对多的增量运用，减低开发及运行成本，提高研发效率。

Description

一种PEMFC发动机模拟器
技术领域
本发明涉及一种用于验证PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，质子交换膜燃料电池)发动机测试***控制策略的PEMFC发动机模拟器。
背景技术
近年来随着国内外企业的合作，各种类型的PEMFC电池堆、发动机及测试***大量在国内涌现。国外的专业厂家如巴拉德、丰田、本田等为实行技术垄断，不仅采用独家授权模式，而且其提供的PEMFC产品，普遍具有唯一匹配性，如某型号燃料电池发动机只能用于与该型号匹配的发动机测试***的控制策略验证，验证其他发动机测试***则需要另外配置发动机。这是因为这些测试***、发动机普遍采用了专用的配套接口，而且控制驱动逻辑也存在差异。
所以，当前的燃料电池发动机测试***控制策略验证，依赖于配备相应型号的发动机实物产品。PEMFC发动机专业技术强、集成复杂，费用高，如一台60KW 发动机实物，预计得花费40万人民币。验证不同的测试***就需配置不同的发动机，除了昂贵的购买费用外，后续长期维护服务费用也是不小的开支，售后维护便捷性等还有待商榷。另外还存在配备的发动机由于无法应用于其他类型发动机测试***的验证，设备利用率低，折旧费率高。
上述种种均造成企业经营运行负担加大，也使得产品消化、吸收、升级难度加大，最终导致PEMFC测试产业设备链高度闭环。那些国外厂家在赚取丰厚的利润的同时，钳制了我们国内汽车燃料电池产业的发展，抑制了中国制造的崛起。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种PEMFC发动机模拟器，从而为燃料电池发动机测试***控制策略验证提供一种更为经济的策略。
不同于PEMFC电堆，PEMFC发动机是一种集成了加湿、流量控测、压力控制等功能单元的复杂终端应用器件。对PEMFC发动机进行测试的发动机测试***，如图1所示，除了配置水、电、气单元外，根据GB/T 24554-2009燃料电池发动机性能测试方法，GB/T 28183-2011客车用燃料电池发电***测试方法，GB/T 23645-2009乘用车用燃料电池发电***测试方法，还要求被测PEMFC发动机与测试***之间有如下信息交互：
a)发动机提供电池堆工作温度——发动机运行时，实际发热温度由温度传感器采集，传输至测试***，以便测试***进行监视，温度大于报警值时，进行提示；
b)发动机提供电池堆和发动机的输出电压和电流——实际运行时，发动机根据功率输出需求，匹配相应的电压和电流，经电压、电流传感器采集后传输至测试***，测试***对其进行监视，与输入发动机的反应气量进行量化对比，评价发动机的效率；
c)发动机能接受启停信号——每个厂家对发动机启停信号的定义可能不一样；
d)发动机能接受其测试***的功率给定信号；
e)发动机能够给出故障码——实际发动机内部有控制器，可以收集内部的故障信号，如过压、过流、超温、泄露等，并形成故障编码，如001代表超温， 011代表过流，经通讯传输至其发动机测试***，使测试***及时知晓发动机的当前状态。各厂家发动机的故障代码由其自行定义。
在匹配上述要求的前提下设计的PEMFC发动机模拟器具体方案如下：一种 PEMFC发动机模拟器，包括：
分别用于与发动机测试***的气、水输出管路连接成物料供给循环管路的气体回路和水回路，所述气体回路和水回路上均设有监控装置，所述监控装置包括压力传感器、温度传感器、流量控制器等；
用于与发动机测试***通讯互联的可编程智能网关；
电能变换单元，用于根据输入的脉冲信号产生直流电压、电流参量，并提供对应于其产生的直流电压、电流参量的电压、电流反馈信号；
模拟量单元，提供多路模拟信号的输入输出通路；
数字量单元，提供多路数字信号的输入输出通路；
触控屏，用于信号显示和设置；
集中控制器，其与所述监控装置、可编程智能网关、电能变换单元、模拟量单元、数字量单元和触控屏分别相连，其包括如下程序模块：
属性配置模块，用于根据触控屏上的输入对所述发动机模拟器的基本属性进行配置；
信号输入输出配置模块，用于根据触控屏上的输入指定和调整各信号的输入输出通路，这里的信号包括开关量信号和模拟量信号，并进一步包括了开停机开关量信号和功率给定信号；
电能生成模块，用于在接收到开停机开关量信号和功率给定信号后，根据所述功率给定信号输出脉冲信号控制所述电能变换单元产生与所述功率给定信号匹配的直流电压、电流参量；
信息反馈模块，用于获取反馈信息，然后通过设定的方式进行反馈，其中，获取反馈信息的方式包括根据所述触控屏上的输入获取，所述反馈信息包括发动机温度、单片巡检电压、发动机***电流、电压等，其中，包括所述单片巡检电压在内的部分反馈信息经由所述触控屏选定数据量大小及变化规律后，通过所述可编程智能网关反馈给所述测试***，且所述部分反馈信息具体包括的参量数量可通过所述触控屏进行调整；
故障代码自定义模块，获取用户在所述触控屏上自定义和组合的故障代码，通过所述可编程智能网关传输给所述测试***。
本发明还提供以下手段解决测试***与发动机模拟器之间的接口匹配问题：
增设扩展接口和扩展接头，所述扩展接口背面设有与所述发动机模拟器的模拟量单元、数字量单元、可编程智能网关的接口适配的可拔插接头，所述扩展接口的正面设有多个插孔，在所述模拟量单元、数字量单元、可编程智能网关的接口与所述扩展接口背面的接头对接后，所述模拟量单元、数字量单元、可编程智能网关的接口中的各连接端经过所述扩展接口背面的接头，与所述扩展接口正面的各插孔对应连通；
所述扩展接头包括插头、导线以及探针，所述导线一端连接用于***所述扩展接口正面插孔的所述插头，所述导线另一端连接用于***测试***各接口内触点的所述插针，该插针为公插或母插。
所述电能变换单元包括整流变压器、三相桥式全控整流电路和LC滤波电路，所述整流变压器的输出端与所述三相桥式全控整流电路的输入端相连，所述三相桥式全控整流电路的输出端与所述LC滤波电路相连，所述LC滤波电路的输出端即为所述电能变换单元的输出端，所述电能变换单元还包括分别用于检测所述电能变换单元的输出电压和电流的电压传感器和电流传感器。
所述整流变压器原边采用可通过调整原边接点，选择接入电路的绕组为单或双绕组的设计。该设计使副边可以直接输出两个不同等级的电压，在选择电压等级后，再进一步跟随测试***的输入指令，触发脉冲调节三相桥式全控整流电路的输出，可快速适应不同等级电压需求。
有益效果
本发明发动机模拟器为燃料电池发动机测试***提供有效信号及状态回路，能模拟各功率等级的发动机，而且采用广义的接口集成方式，将数据定义、数据加载方式、故障编码等自定义及组合方式开放，以匹配各种测试***，从而解决宽范围应用的问题，实现一对多的增量运用，减低开发及运行成本，提高研发效率。
附图说明
图1为实际测试时，PEMFC发动机测试***配置图；
图2为本发明较佳实施例的PEMFC发动机模拟器的物料配置管路示意图；
图3为本发明较佳实施例的PEMFC发动机模拟器的功能图；
图4为本发明较佳实施例的PEMFC发动机模拟器的控制逻辑图；
图5为本发明较佳实施例的PEMFC发动机模拟器的电能变换单元的电路原理图；
图6为本发明较佳实施例的PEMFC发动机模拟器的扩展接口的正面结构示意图；
图7为本发明较佳实施例的PEMFC发动机模拟器的扩展接头的结构示意图。
具体实施方式
本实施例PEMFC发动机模拟器包括：
分别用于与发动机测试***的气、水输出管路连接成物料供给循环管路的气体回路和水回路，所述气体回路和水回路上均设有监控装置；
用于与发动机测试***通讯互联的可编程智能网关，其通讯数据链中内置可扩展巡检信号区段，可根据发动机功率等级大小，自设定巡检信号长度；
电能变换单元，用于根据输入的脉冲信号产生匹配的直流电压、电流参量，并提供对应于其产生的直流电压、电流参量的电压、电流反馈信号；
模拟量单元，提供多路模拟信号的输入输出通路；
数字量单元，提供多路数字信号的输入输出通路；
触控屏，用于信号显示和设置；
以及集中控制器，其与所述监控装置、可编程智能网关、电能变换单元、模拟量单元、数字量单元和触控屏分别相连，其包括如下程序模块：
集中控制器，其与所述监控装置、可编程智能网关、电能变换单元、模拟量单元、数字量单元和触控屏分别相连，其包括如下程序模块：
属性配置模块，用于根据触控屏上的输入对所述发动机模拟器的基本属性进行配置；
信号输入输出配置模块，用于根据触控屏上的输入指定和调整各信号的输入输出通路，这里的信号包括开关量信号和模拟量信号，并进一步包括了开停机开关量信号和功率给定信号；
电能生成模块，用于在接收到开停机开关量信号和功率给定信号后，根据所述功率给定信号输出脉冲信号控制所述电能变换单元产生与所述功率给定信号匹配的直流电压、电流参量；
信息反馈模块，用于获取反馈信息，然后通过相应的通道进行反馈，其中，获取反馈信息的方式包括根据所述触控屏上的输入获取，所述反馈信息包括发动机温度、单片巡检电压、发动机***电流、电压等，其中，单片巡检电压、发动机***电流、电压等信息经由所述触控屏选定数据量大小及变化规律后，通过所述可编程智能网关反馈给所述测试***；
故障代码自定义模块，获取用户在所述触控屏上自定义和组合的故障代码，通过所述可编程智能网关传输给所述测试***。
本实施例PEMFC发动机模拟器中的反应物料气体回路、水回路具体如图2 所示，气体回路包括了氢气管路、空气管路、气动辅助管路(即压缩空气管路)、吹扫管路、尾气排放管路；水回路包括了排水管路、冷却水管路。各管路上设置的监控装置如图所示。这些物料管路为发动机测试***提供物料通道的同时，本身能调整流量大小，可模拟流量异常，压力异常等故障。
本实施例集中控制器的功能和控制逻辑如图3、4所示。
本实施例中用于与发动机测试***通讯互联的可编程智能网关的型号为GCAN410，生产厂家为沈阳广成科技有限公司。每个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，可用于连接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，可实现各种通讯协议接口的无障碍联通及有效响应。另外，在其通讯数据链中内置可扩展巡检信号区段，可根据发动机功率等级大小，自设定巡检信号长度。
电能变换单元主要由AC/DC转换电路构成，该电路以整流变压器带三相桥式全控整流、LC滤波的方式产生DC0～1000V/0～600A直流动态电压/电流参量。变压器原边采用双绕组设置，通过调整原边接点，使副边形成AC380V/AC760V交流电压，快速响应给定功率大小。
本单元的工作过程如下：跟随PEMFC发动机测试***的功率给定信号，集中控制器自动调节触发的脉冲信号的占空比，驱动三相桥式可控整流电路生成可控直流电能，并以电压、电流传感器Bv、Bi的输出(DC0～5V、DC4～20mA)作为反馈信号，如图5所示，该反馈信号表征了发动机***的电压和电流。
真实的发动机，内部氢和空气通过PEM膜作用，生成直流电压和电流，通过相关的传感器进行监测，传感器信号经采集后，通过通讯模块或直接传输至测试***。相应的，上述电压、电流传感器Bv、Bi的输出，可通过通讯方式反馈给测试***或直接传输至测试***，匹配被模拟的发动机的电能参量信号回路即可。
模拟量单元直接采用工业PLC中的AI/O模块，工业PLC中的AI/O模块接收 DC0～5V或DC4～20mA的输入信号，接收的信号实时上传集中控制器(PLC)，并在触控屏上动态显示。同时，本实施例发动机模拟器可通过模拟量单元对外提供DC0～5V或DC4～20mA的有效反馈输出，模拟发动机内置的温/湿度等传感器的输出。
数字量单元亦直接采用工业PLC中的I/O模块，工业PLC中的I/O模块接收 DI输入信号，并提供DO反馈，以模拟各种开关量的输入、输出。同时，集中控制器将接收的信息显示在触控屏上，反馈信息可在触控屏上进行给定或调整，从而满足各种类型发动机测试***的运行需求。
本实施例中所有功能单元的接口如图4所示，集成为一套含4路CAN总线、 4路485、4路232、4路以太网、32路AI/O、32路DI/O的接口组件。
为解决接口匹配问题，本实施例的模拟器还包括扩展接口，如图6所示，上述接口组件中的接口中的各连接端经过所述扩展接口背面适配的可拔插对接接头，与扩展接口图6所示正面的各插孔连通(图6还特意保留了两个RJ45插座，以便于与测试***的RJ45插头直接对接)。图7为扩展接头，其由插头2、导线3以及探针4组成，导线3一端连接用于***图6所示扩展接口正面插孔的插头2，另一端连接用于***PEMFC发动机测试***各接口内触点的插针4。如此即可实现本实施例发动机模拟器与不同接口的PEMFC发动机测试***的互连。图中的插针4为公插，实际可根据情况选择公插或母插，以应对不同类型之间的差异。
利用上述发动机模拟器的测试过程如下：
将测试***与发动机模拟器的管道匹配相连。
在发动机模拟器的触控屏上对该发动机的基本属性进行初始化，包括：
功率等级设定：对发动机的电压、电流、信号类型进行选择(匹配测试***的功率等级，测试***的功率等级通常呈系列变化，比如某系列包括：30KW(小叉车)，60KW，80KW(小轿车)，150KW(轻卡))；
单片巡检参量设定：对膜片通道数量、数据位大小、数据的修订位置、数据变化规律等进行设定；
反馈电参量设定：对氢气消耗量、辅助***电压、辅助***电流、信号类型等进行设定。
发动机模拟器的集中控制器分别通过其数字量单元和模拟量单元接收测试***的开停机开关量信号和功率给定信号(该信号通常为模拟信号)，然后控制电能变换单元生成对应上述功率等级的直流电压和电流，并通过电压、电流传感器Bv、Bi反馈给测试***。发动机模拟器具有多路DI/O和多路AI/O，具体信号的输入、输出路径和识别逻辑，可通过触控屏进行指定和调整。
测试过程中，发动机模拟器的集中控制器根据触控屏上的设定，通过模拟量单元对发动机温度、压力、泄露量等信号进行输出，反馈给测试***。
单片巡检电压等数据信息则经由触控屏选定后，并选定数据量大小及变化规律后，通过可编程智能网关反馈给测试***。
根据发动机的不同类型，用户还可以在触控屏中自定义组合故障代码，如超温、流量偏大、超压、巡检电压异常等，模拟各种故障，以匹配各种不同类型的发动机，经可编程智能网关传输给测试***，以观测测试***连锁保护逻辑，综合评价测试***及发动机操作及保护匹配程度。
本实施例发动机模拟器采用广义的接口集成方式，将数据定义、数据加载方式、故障编码等自定义及组合方式开放，以匹配各种测试***，从而解决宽范围应用的问题，实现一对多的增量运用，减低开发及运行成本，提高研发效率。

Claims (5)

1.一种PEMFC发动机模拟器，其特征在于，包括：
分别用于与发动机测试***的气、水输出管路连接成物料供给循环管路的气体回路和水回路，所述气体回路和水回路上均设有监控装置；
用于与发动机测试***通讯互联的可编程智能网关；
电能变换单元，用于根据输入的脉冲信号产生直流电压、电流参量，并提供对应于其产生的直流电压、电流参量的电压、电流反馈信号；
模拟量单元，提供多路模拟信号的输入输出通路；
数字量单元，提供多路数字信号的输入输出通路；
触控屏，用于信号显示和设置；
集中控制器，其与所述监控装置、可编程智能网关、电能变换单元、模拟量单元、数字量单元和触控屏分别相连，其包括如下程序模块：
属性配置模块，用于根据触控屏上的输入对所述发动机模拟器的基本属性进行配置；
信号输入输出配置模块，用于根据触控屏上的输入指定和调整各信号的输入输出通路，这里的信号包括开关量信号和模拟量信号，并进一步包括了开停机开关量信号和功率给定信号；
电能生成模块，用于在接收到开停机开关量信号和功率给定信号后，根据所述功率给定信号输出脉冲信号控制所述电能变换单元产生与所述功率给定信号匹配的直流电压、电流参量；
信息反馈模块，用于获取反馈信息，然后通过设定的方式进行反馈，其中，获取反馈信息的方式包括根据所述触控屏上的输入获取，所述反馈信息包括发动机温度、单片巡检电压、发动机***电流、电压，其中，包括所述单片巡检电压在内的部分反馈信息经由所述触控屏选定数据量大小及变化规律后，通过所述可编程智能网关反馈给所述测试***，且所述部分反馈信息具体包括的参量数量可通过所述触控屏进行调整；
故障代码自定义模块，获取用户在所述触控屏上自定义和组合的故障代码，通过所述可编程智能网关传输给所述测试***。
2.根据权利要求1所述的PEMFC发动机模拟器，其特征在于，增设扩展接口和扩展接头，所述扩展接口背面设有与所述发动机模拟器的模拟量单元、数字量单元、可编程智能网关的接口适配的可拔插接头，所述扩展接口的正面设有多个插孔，在所述模拟量单元、数字量单元、可编程智能网关的接口与所述扩展接口背面的接头对接后，所述模拟量单元、数字量单元、可编程智能网关的接口中的各连接端经过所述扩展接口背面的接头，与所述扩展接口正面的各插孔对应连通；
所述扩展接头包括插头、导线以及探针，所述导线一端连接用于***所述扩展接口正面插孔的所述插头，所述导线另一端连接用于***测试***各接口内触点的所述插针，该插针为公插或母插。
3.根据权利要求1所述的PEMFC发动机模拟器，其特征在于，所述电能变换单元包括整流变压器、三相桥式全控整流电路和LC滤波电路，所述整流变压器的输出端与所述三相桥式全控整流电路的输入端相连，所述三相桥式全控整流电路的输出端与所述LC滤波电路相连，所述LC滤波电路的输出端即为所述电能变换单元的输出端，所述电能变换单元还包括分别用于检测所述电能变换单元的输出电压和电流的电压传感器和电流传感器。
4.根据权利要求3所述的PEMFC发动机模拟器，其特征在于，所述整流变压器原边采用可通过调整原边接点，选择接入电路的绕组为单或双绕组的设计。
5.根据权利要求1所述的PEMFC发动机模拟器，其特征在于，所述监控装置包括压力传感器、温度传感器、流量控制器。
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