使用LabVIEW設(shè)計(jì)、搭建以及測(cè)試賽車的燃料電池系統(tǒng)

我們(北京瀚文網(wǎng)星)搭建了氫動(dòng)力的卡丁車并參加了Formula Zero比賽。該比賽的組織者會(huì)提供卡丁車使用的燃燒電池。三年以后，團(tuán)隊(duì)希望擴(kuò)充并轉(zhuǎn)型為學(xué)生型的方程式賽車。當(dāng)然，這就需要設(shè)計(jì)和制造一個(gè)燃燒電池系統(tǒng)。去年，我們(北京瀚文網(wǎng)星)搭建了我們(北京瀚文網(wǎng)星)團(tuán)隊(duì)的第二臺(tái)學(xué)生型方程式賽車：Forze V。

堆棧操作

在創(chuàng)建燃料電池系統(tǒng)的時(shí)候，zui大的挑戰(zhàn)就是設(shè)備平衡系統(tǒng)（balance of plant - BOP）設(shè)計(jì)。BOP是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括了泵、閥和傳感器來(lái)確保燃料電池的堆棧操作處于很好狀態(tài)。傳感器可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)并保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。BOP控制器則負(fù)責(zé)控制和通訊，同時(shí)也需要管理流往堆棧中反應(yīng)物的流量。

為了產(chǎn)生能量，堆棧需要?dú)錃夂脱鯕?。氧氣從周圍空氣中獲取，由增加器壓入堆棧中。堆棧中的空氣壓力從0bar到0.8bar。氫氣從儲(chǔ)氣缸中獲取，其壓力為350bar。堆棧不可能在這個(gè)壓力下工作，所以會(huì)通過(guò)一個(gè)比例閥來(lái)將壓力調(diào)節(jié)到比大氣壓力高0.2bar。這樣的壓力差可以確保反應(yīng)流從陽(yáng)極到陰極流動(dòng)而不是其它方向。

空氣泵和比例閥都是使用BOP控制器上的比例積分微分(PID)控制算法來(lái)管理流量的。根據(jù)所需功率的大小，空氣流量可以計(jì)算出來(lái)。一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)監(jiān)視該流量，該過(guò)程變量是PID控制器的過(guò)程參數(shù)。PID控制器可以控制與增壓器相連的無(wú)線遙控直升機(jī)電機(jī)。氫氣壓力由一個(gè)位于低壓箱中的壓力傳感器監(jiān)視，該壓力傳感器的數(shù)值即為氫氣側(cè)PID控制器的過(guò)程參數(shù)。該P(yáng)ID控制比例閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓力。

在反應(yīng)物入口旁邊，氫氣側(cè)還有一個(gè)再循環(huán)泵。該再循環(huán)泵可以將從堆棧中出來(lái)氫氣再回送到入口處。這樣可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的反應(yīng)配比，對(duì)于延長(zhǎng)堆棧生命周期和維持其穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)這是非常重要的。反應(yīng)配比是用實(shí)際的流量除以維持反應(yīng)所需要的流量，受產(chǎn)生電流大小的影響，所以這個(gè)再循環(huán)泵也需要通過(guò)BOP控制器來(lái)控制。

通過(guò)LabVIEW進(jìn)行控制

之前，只有當(dāng)電氣連接都完成以后才能對(duì)BOP控制器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試相對(duì)來(lái)很困難，因?yàn)樵陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中，電氣系統(tǒng)不可能在任何時(shí)候都是正常工作的，并且要對(duì)參數(shù)進(jìn)行快速的響應(yīng)也相當(dāng)困難（要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的更改，需要更改控制器上的軟件）。今年，我們(北京瀚文網(wǎng)星)開(kāi)始使用LabVIEW和NI CompactDAQ模塊來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這樣一旦BOP控制器中的某個(gè)單個(gè)部件完成以后，我們(北京瀚文網(wǎng)星)就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和控制。我們(北京瀚文網(wǎng)星)還可以使用NI LabVIEW PID和模糊邏輯工具包來(lái)控制比例閥和空氣泵。

LabVIEW的基礎(chǔ)知識(shí)很容易理解，而且非常直觀。即使不會(huì)編寫程序的人也可以掌握如何對(duì)代碼進(jìn)行修改，因此，當(dāng)BOP安裝了新的部件時(shí)，我們(北京瀚文網(wǎng)星)可以方便地對(duì)程序進(jìn)行快速地調(diào)整和擴(kuò)充。我們(北京瀚文網(wǎng)星)計(jì)劃在LabVIEW中先創(chuàng)建整個(gè)控制器，然后，等到代碼都可以運(yùn)行并且電氣系統(tǒng)都完成以后，我們(北京瀚文網(wǎng)星)可以將所有的任務(wù)一個(gè)個(gè)移動(dòng)到BOP控制器上。首先，當(dāng)LabVIEW還在對(duì)所有的其它任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)的時(shí)候，BOP控制器就需要完成兩個(gè)PID的控制任務(wù)。逐漸地，將轉(zhuǎn)變?yōu)閮H需要在LabVIEW上輸入電流的設(shè)定值并通過(guò)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)消息傳輸?shù)紹OP控制器上進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，我們(北京瀚文網(wǎng)星)使用了NI 9862 XNET高速一端口CAN模塊。BOP控制器將所有的傳感器讀數(shù)傳送給LabVIEW來(lái)顯示到前面板上。