一種基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于dSPACE的固體氧化物燃 料電池熱電特性模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體氧化物燃料電池（SOFC)是一種在中高溫條件下將化石燃料中的化學能直接 轉(zhuǎn)換為電能的電化學發(fā)電裝置。與以燃燒為基礎的傳統(tǒng)發(fā)電方式相比具有高能量轉(zhuǎn)化效 率、零污染、零噪聲等突出特點，是一種非常有前景的發(fā)電方式。由于這些優(yōu)點，國際上許多 國家，特別是一些發(fā)達國家對SOFC技術(shù)的研發(fā)給予了高度重視，出臺了各種相關(guān)政策。
[0003] 就目前SOFC發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，都處于試驗階段，并沒進入商業(yè)化。SOFC系統(tǒng)開 發(fā)周期時間長，電堆成本高，熱電耦合導致的控制難度大是掣肘該行業(yè)發(fā)展的幾個關(guān)鍵因 素。電堆在實際工作中熱特性和電特性始終存在耦合影響，特別在電堆處于動態(tài)過程（外 部負載變化時）的時候這種耦合現(xiàn)象會更復雜，用實際電堆來分析這種耦合現(xiàn)象會增加研 究成本。
[0004] SOFC固體氧化物燃料電池運行的最適宜溫度在750°C左右，溫度過低會導致燃料 電池內(nèi)阻過大，電池的放電效率不高。溫度過高會導致電池內(nèi)部材料軟化變形。固體氧化 燃料電池片的厚度在毫米級，對電池片上最大溫差有要求，如果局部溫度過高或者過低都 會導致電池片彎曲過度從而破裂。燃料電池的放電特性和燃料電池內(nèi)部的溫度有關(guān)聯(lián)，溫 度場的波動會引起放電電壓和電流的波動。而放電電流反過來會再電堆內(nèi)部產(chǎn)生熱量從而 引起溫度的變化，上述即為燃料電池熱電耦合的過程。
[0005] 實際運行中電堆溫度場分布十分復雜，由于整體溫度過高或者是局部溫度過高會 導致電堆運行效率不高，更嚴重的情況下會導致電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損。故很有必要去研究電 堆溫度場的分布，但是由于一個電堆的造價十分昂貴，循環(huán)次數(shù)有限，無法多次重復試驗來 驗證控制算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種基于dSPACE的固體氧化 物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)，能模擬電堆正常工作狀態(tài)下的熱特性、電特性，從而能為控 制算法測試提供一個控制對象來檢驗算法的可行性。
[0007] 本發(fā)明提供一種基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)，包括仿 真單元、仿真控制單元以及傳感器測量單元，其中：
[0008] 所述仿真單元包括工控機PC、dSPACE以及接口板，所述工控機PC用于顯示參數(shù)以 及設置參數(shù)，所述dSPACE用于將其運行的模型中的變量轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實的電信號，所述接口板 用于將所述dSPACE中模型變量的電信號傳出去以及將所述傳感器測量單元的電信號采集 進所述dSPACE中；
[0009] 所述仿真控制單元包括電壓可調(diào)電源、電堆熱模擬系統(tǒng)以及負載，所述電壓可調(diào) 電源用于將所述dSPACE模型中的電壓轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實中的物理意義上電壓，所述電堆熱模擬 系統(tǒng)用于還原熱模型中計算出的溫度場，所述負載用于驗證電堆模型下的運行狀態(tài)；
[0010] 所述傳感器測量單元包括電壓傳感器、電流傳感器以及PLC，所述電壓測傳感器用 于測量所述電壓可調(diào)電源輸出電壓，所述電流傳感器用于測量所述電壓可調(diào)電源的輸出電 流，所述電壓傳感器、電流傳感器、所述電堆熱模擬系統(tǒng)通過所述PLC將測量信號轉(zhuǎn)換成標 準信號通過所述接口板傳輸給所述dSPACE。
[0011] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0012] 本實驗平臺用一個電源和一組電熱絲來模擬實物電堆電特性與熱特性，成本比用 實物電堆低。氫氣量和空氣量在模型中給定，所以現(xiàn)實中不需要用氫氣來做實驗，這大大節(jié) 約了實驗成本。由于采用dSPACE，則可以很容易將MTLAB中所編的控制算法用到實物中， 并且還可以對電堆的數(shù)學模型進行驗證，故本發(fā)明可以不用實物堆來進行對控制算法的檢 驗，并且實驗時間也會大大的縮減，不用額外開發(fā)控制器，既節(jié)省了物力成本又節(jié)省了時間 成本。當在模擬狀態(tài)中檢驗的算法成熟后，本發(fā)明還可以用于實物電堆的控制，可以達到最 優(yōu)控制、穩(wěn)定控制。這對于提尚電堆的使用壽命，提尚電堆的發(fā)電效率，提尚系統(tǒng)的安全性 提供了有力的支撐。除此之外本發(fā)明是一個開放式系統(tǒng)，可以根據(jù)實驗的目標要求，測試任 意功率下有關(guān)熱電耦合的控制算法。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)的原理框 圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)的連接示意 圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)的傳感器與 PLC的接線圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明電堆熱模擬系統(tǒng)的原理框圖；
[0017] 圖5為本發(fā)明基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬方法的工作原理 框圖。
【具體實施方式】
[0018] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0019] 圖1所示為本發(fā)明基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)的原理 框圖。包括仿真單元、仿真控制單元和傳感器測量單元。其中，仿真單元包括工控機PC和 dSPACE及接口板，用于模擬電堆的運行狀態(tài)。仿真控制單元包含電壓可調(diào)電源、電堆熱模擬 系統(tǒng)以及負載，用于將仿真單元中熱和電的特性物理化。傳感器測量單元包含若干電壓傳 感器、電流傳感器以及溫度傳感器，用于將仿真控制單元中所展現(xiàn)出來的熱和電的特征參 數(shù)轉(zhuǎn)為電信號傳回仿真單元。
[0020] 圖2所示為本發(fā)明基于dSPACE的固體氧化物燃料電池熱電特性模擬系統(tǒng)的連接 示意圖，包括工控機PC、dSPACE、DS2211多路I/O接口板、電壓可調(diào)電源、PLC、電流傳感器、 電壓傳感器、電堆熱模擬系統(tǒng)及負載。其中工控機PC包括Control Desk(dSPACE附屬軟件， 運行在PC上用來與dSPACE通信），用于顯示參數(shù)以及設置參數(shù)。在本發(fā)明實施例中，顯示 的參數(shù)包括：電堆溫度、負載功率、電堆輸出電流、電堆輸出電壓；設置的參數(shù)包括：氫氣流 量、空氣流量。dSPACE用于將模型中的變量轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實的電信號，dSPACE中運行的模型包 括電模型、熱模型和控制模型，其中電模型用于模擬電堆的電特性、熱模型用于模擬電堆的 熱特性、控制模型用于控制電堆穩(wěn)定工作。利用PC上的MATLAB/sumlink建立電堆的電模 型、熱模型以及控制模型，通過RTI工具提供端口，將其封裝成可以下載到dSPACE的程序， 再通過ControlDesk將程序裝載到dSPACE中。DS2211多路I/O接口板用于將dSPACE中 模型變量的電信號傳出去以及將外部傳感器的電信號采集進dSPACE中。電壓可調(diào)電源用 于將電模型中的電壓轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實中的物理意義上電壓，電模型中的電壓值和電壓可調(diào)電源 的值相等。PLC用于信號轉(zhuǎn)換，將電壓傳感器和電流傳感器的信號轉(zhuǎn)換成DS2211多路I/O 接口板上AD、DA的信號類型，PLC還將電堆熱模擬系統(tǒng)中熱電偶的電信號采集上來并傳回 DS2211多路I/O接口板。負載為可變負載，當負載在不同功率下工作時，用于驗證電堆模型 下的運行狀態(tài)。電堆熱模擬系統(tǒng)將熱模型算出的電堆溫度場，用物理意義上的溫度場模