使用LabVIEW设计、构建和测试赛车燃料电池系统

项目背景

Forze Hydrogen Racing Team Delft (Forze)是代尔夫特理工大学的一个学生项目。我们的团队由大约70名学生组成，​所有人​都在​研究​同一​台​汽车。团队每年都会制造一辆新的氢动力赛车。我们将赛车的观赏性与可持续技术的发展和推广巧妙地结合起来。

团队成立于2007年，我们的愿景是推广氢能技术。在最初的三年里，我们制造了氢动力卡丁车，并参加了零级方程式比赛。当时，比赛主办方提供了卡丁车使用的燃料电池。三年后，团队希望扩大研究范围，于是转为制造学生方程式赛车。显然，这需要我们自己设计和构建燃料电池系统。去年，我们制造了第二辆学生方程式赛车：Forze V。

电池堆运行

创建燃料电池系统的主要挑战是电厂辅助设施(BOP)的设计、开发和测试。BOP是一个由气泵、阀门和传感器组成的复杂系统，用于确保燃料电池堆能够在理想条件下运行。传感器用于监测系统，并保证系统的安全运行。BOP控制器负责控制和通信，同时还必须管理流向电池堆的反应物。

要产生动力，电池堆需要氢气和氧气。氧气​来自于周围​空气，由增压器抽入电池堆。电池堆中的空气压力介于0到0.8巴之间。氢气​来自于​储​气缸，其压力为350巴。电池堆无法在此压力下运行，所以会​通过​一个​比例​阀​​将​压力​调节​到​比​空气​压力​高​0.2巴。这一压力​差​可以​确保​反应​物​从​阳极​向阴极​流动，​而不是​从阴极​向​阳极流动。​

气泵和比例阀均使用BOP控制器上的比例积分导数(PID)控制器来管理流量。它可以根据所需的功率大小计算出空气流量。质量流量传感器负责监测这一流量，它是PID控制器的过程变量。​PID​控制器​可以​控制​与​增​压​器​相连​的​无线​遥控​直升机​电机。氢气​压力​由​低​压​箱中​的​压力传感器进行监测。该压力传感器是氢气侧PID的过程变量。PID控制器负责控制比例阀，可以调节压力。

在​反应​物​入口​旁边，​氢气​侧​有​一个​再​循环​泵。此泵可以将来自电池堆的氢气再循环至入口处。这会生成一个化学计量比，该计量比对于​更大限度地延长电池堆生命​周期​和维持稳定​运行​​非常​重要​。化学计量比是实际流量除以维持反应所需流量而得出的比率，它取决于产生的电流，因此，再​循环​泵​也需要通过BOP控制器来控制。

通过LabVIEW进行控制

以前，只有​当电子设备​设置​完成​后，我们才能对BOP进行测试。测试比较困难，因为电子设备并不总是正常运行，而且​对​参数​进行​快速更改​也很​困难（此处是需要​更改​控制器​上​的​软件）。今年，我们开始使用LabVIEW和NI CompactDAQ模块。​这样一来​，我们就可以在​BOP​控制器​的各个​部件可用后立即对其进行​测试​和​控制。我们还使用了NI LabVIEW PID and Fuzzy Logic工具包来控制比例阀和气泵。

LabVIEW的基础知识易于理解，而且相当直观。即使非编程人员​也能了解如何修改代码，因此，当​BOP​安装​了​新部件​时，​我们​可以轻松地快速修改和扩展程序。我们打算在LabVIEW中创建整个控制器。在​代码​正常运行​且电子设备​设置​完成后，我们可以将每项任务逐一转移到BOP控制器上。BOP控制器先接管了两个PID任务，而LabVIEW仍然负责所有其他任务。最终，只有当前设定值会在LabVIEW中给出，并通过控制器区域网络(CAN)消息发送到BOP控制器。为此，我们使用了NI 9862 XNET高速单端口CAN模块。BOP控制器会传递所有传感器值，这些值会显示在LabVIEW的前面板上。

LabVIEW和NI硬件的优势

我们利用了LabVIEW和NI CompactDAQ模块的以下优势：

• 所有部件均可由一个硬件控制
• 部件可用后即可进行组装和测试，从而节省时间
• LabVIEW让逐个部件测试更加轻松
• 非编程人员也可以使用该软件并进行更改

总而言之，NI产品为我们提供了巨大的便利。

作者信息：

Matthijs Damen
Forze Hydrogen Racing Team Delft
Delft
Netherlands
m.damen@forze-delft.nl

在LabVIEW 2014及之后的版本中，PID and Fuzzy Logic工具包以原生方式内置在LabVIEW完整版和专业版开发系统中，不需要单独的许可证、安装或激活。