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

但燃料電池系統較為復雜，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，通過與燃料電池控制器通信，實時顯示燃料電池運行狀態并對燃料電池運行實現精確控制[5]。

1 控制系統設計

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

燃料電池控制系統需對燃料電池進行狀態采集及實時控制，具體功能如下：①電堆及DC/DC 啟?？刂?；②尾氣處理模塊啟?？刂萍芭渲?；③電堆運行狀態參數采集；④尾氣處理模塊狀態采集；⑤DC/DC及二次電源狀態采集；⑥燃料電池故障信息采集。

1.3 控制原理

燃料電池系統控制原理如圖2 所示。燃料電池控制器與各組成單元內傳感器及執行機構通信，獲取系統運行狀態數據并接收上位機控制指令并傳輸控制信號到指定的執行機構；上位機控制系統通過CAN 協議獲取燃料電池運行狀態信息并顯示，并將控制指令實時傳輸到燃料電池控制器內執行。

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品，可實現溫度、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實現燃料電池運行監測與控制。

上位機控制系統采用LabVIEW 編寫，運行于工控機內，可實現狀態采集、指令下發、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的USBCAN 分析儀，將CAN 信號轉化為USB信號。

2 控制程序設計

燃料電池控制系統運行時，首先需配置CAN 通信接口參數，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信號是否正常；然后，若各項數據正常，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，則根據負載狀態自動調整DC/DC 輸出功率，若處于手動狀態，則可手動調節燃料電池輸出電流；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，執行打開設備操作；若打開失敗則執行關閉設備操作，若打開成功，則執行初始化通道操作。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，若設置失敗，則執行關閉設備操作，若執行成功，則執行啟動通道操作。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，若返回值為1，表示CAN 初始化程序完成，該通道已經初始化完成，可正常接發CAN 總線數據。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 狀態采集程序

狀態采集程序即從指定USBCAN 分析儀通道的緩沖區內讀取數據。調用數據接收動態鏈接庫后，返回數據類型為數據簇，其中數據簇主要包含報文幀ID、數據長度、報文數據等。為將CAN 報文數據與燃料電池各狀態數據對應，首先將數據簇進行解除捆綁操作，得到該數據簇包含的各類型數據；然后，將報文幀ID 數據與條件結構分支選擇器相連接；然后在該條件分支內，根據燃料電池通信協議將報文數據與實際對應參數連接。具體狀態采集程序如圖5 所示。

圖5 狀態采集程序Fig.5 Status acquisition program

由于燃料電池控制器傳輸數據時，對數據進行拆分、轉換等操作，因此得到燃料電池各幀數據后，安裝通信協議對各幀內數據組進行整數拼接、布爾數據提取、數據類型變換等操作，相應數據轉換程序如圖6 所示。

圖6 數據轉換程序Fig.6 Data conversion program

2.3 指令下發程序

為保證控制指令可以實時從上位機下發到燃料電池控制器中，當操作指令數據改變時，通過調用事件結構程序，可實時將相應數據下發到燃料電池控制器中。

指令下發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據類型轉換為無符號單字節整型；其次，按照CAN 通信中幀的數據結構，完成CAN 數據幀的報文幀ID、發送幀類型、數據長度、報文數據等內容的捆綁；最后，當控制指令數據變化后，控制程序自動調用相應的事件結構程序，將控制指令數據發送到CAN 總線，燃料電池控制器接收到指令后，控制相應執行機構完成操作。指令下發程序如圖7 所示。

圖7 指令下發程序Fig.7 Instruction sender

3 上位機監控界面設計

為能夠直觀顯示燃料電池狀態，上位機控制系統主要分為5 個區域：重要系統參數顯示區、報警區、控制指令區、系統設置區及分系統顯示區域。各分系統界面主要包括：主監控界面、電堆監控界面、輔助系統監控界面、狀態監測界面、故障報警界面及參數設置界面。

重要參數顯示區以儀表方式顯示燃料電池輸出電壓、電流等重要參數，并搭配數字顯示框，可顯示參數具體數值；報警區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，可實現燃料電池的運行控制；系統設置區域主要實現尾排、氣泵自動運行等控制命令設置；分系統顯示區域通過左側系統切換按鈕，可直觀顯示燃料電池總體及各分系統具體運行狀態數據。具體界面如圖8 所示。

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

4 程序調試

燃料電池上位機編寫完成后，開展燃料電池控制系統通信調試。調試筆記本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 軟件各調用1 臺USBCAN 分析儀，結合燃料電池通信協議，逐一驗證通信是否正確，調試設備如圖9 所示。

圖9 燃料電池控制系統程序調試Fig.9 Fuel cell control system program debugging

調試修改后，按照燃料電池通信協議兩者之間可正常通信，無發送錯誤、接收異常等現象，燃料電池上位機控制系統可實時下發控制指令，上位機控制系統響應時間＜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設計，通過LabVIEW 編寫上位機控制系統對燃料電池的運行進行監測與控制。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參數功能梳理并分區顯示，方便操作者可快速、直觀了解燃料電池運行狀態。仿真調試結果表明，燃料電池控制指令可準確無誤發送到接收端，沒有數據錯發、漏發現象，信號傳輸延時＜10 ms，可滿足燃料電池控制需要。