一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种基于dSPACE的固体氧化物燃 料电池热电特性模拟系统。
【背景技术】
[0002] 固体氧化物燃料电池（SOFC)是一种在中高温条件下将化石燃料中的化学能直接 转换为电能的电化学发电装置。与以燃烧为基础的传统发电方式相比具有高能量转化效 率、零污染、零噪声等突出特点，是一种非常有前景的发电方式。由于这些优点，国际上许多 国家，特别是一些发达国家对SOFC技术的研发给予了高度重视，出台了各种相关政策。
[0003] 就目前SOFC发电系统发展现状，都处于试验阶段，并没进入商业化。SOFC系统开 发周期时间长，电堆成本高，热电耦合导致的控制难度大是掣肘该行业发展的几个关键因 素。电堆在实际工作中热特性和电特性始终存在耦合影响，特别在电堆处于动态过程（外 部负载变化时）的时候这种耦合现象会更复杂，用实际电堆来分析这种耦合现象会增加研 究成本。
[0004] SOFC固体氧化物燃料电池运行的最适宜温度在750°C左右，温度过低会导致燃料 电池内阻过大，电池的放电效率不高。温度过高会导致电池内部材料软化变形。固体氧化 燃料电池片的厚度在毫米级，对电池片上最大温差有要求，如果局部温度过高或者过低都 会导致电池片弯曲过度从而破裂。燃料电池的放电特性和燃料电池内部的温度有关联，温 度场的波动会引起放电电压和电流的波动。而放电电流反过来会再电堆内部产生热量从而 引起温度的变化，上述即为燃料电池热电耦合的过程。
[0005] 实际运行中电堆温度场分布十分复杂，由于整体温度过高或者是局部温度过高会 导致电堆运行效率不高，更严重的情况下会导致电堆内部结构受损。故很有必要去研究电 堆温度场的分布，但是由于一个电堆的造价十分昂贵，循环次数有限，无法多次重复试验来 验证控制算法。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于dSPACE的固体氧化 物燃料电池热电特性模拟系统，能模拟电堆正常工作状态下的热特性、电特性，从而能为控 制算法测试提供一个控制对象来检验算法的可行性。
[0007] 本发明提供一种基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统，包括仿 真单元、仿真控制单元以及传感器测量单元，其中：
[0008] 所述仿真单元包括工控机PC、dSPACE以及接口板，所述工控机PC用于显示参数以 及设置参数，所述dSPACE用于将其运行的模型中的变量转换成现实的电信号，所述接口板 用于将所述dSPACE中模型变量的电信号传出去以及将所述传感器测量单元的电信号采集 进所述dSPACE中；
[0009] 所述仿真控制单元包括电压可调电源、电堆热模拟系统以及负载，所述电压可调 电源用于将所述dSPACE模型中的电压转换成现实中的物理意义上电压，所述电堆热模拟 系统用于还原热模型中计算出的温度场，所述负载用于验证电堆模型下的运行状态；
[0010] 所述传感器测量单元包括电压传感器、电流传感器以及PLC，所述电压测传感器用 于测量所述电压可调电源输出电压，所述电流传感器用于测量所述电压可调电源的输出电 流，所述电压传感器、电流传感器、所述电堆热模拟系统通过所述PLC将测量信号转换成标 准信号通过所述接口板传输给所述dSPACE。
[0011] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0012] 本实验平台用一个电源和一组电热丝来模拟实物电堆电特性与热特性，成本比用 实物电堆低。氢气量和空气量在模型中给定，所以现实中不需要用氢气来做实验，这大大节 约了实验成本。由于采用dSPACE，则可以很容易将MTLAB中所编的控制算法用到实物中， 并且还可以对电堆的数学模型进行验证，故本发明可以不用实物堆来进行对控制算法的检 验，并且实验时间也会大大的缩减，不用额外开发控制器，既节省了物力成本又节省了时间 成本。当在模拟状态中检验的算法成熟后，本发明还可以用于实物电堆的控制，可以达到最 优控制、稳定控制。这对于提尚电堆的使用寿命，提尚电堆的发电效率，提尚系统的安全性 提供了有力的支撑。除此之外本发明是一个开放式系统，可以根据实验的目标要求，测试任 意功率下有关热电耦合的控制算法。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的原理框 图；
[0014] 图2为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的连接示意 图；
[0015] 图3为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的传感器与 PLC的接线图；
[0016] 图4为本发明电堆热模拟系统的原理框图；
[0017] 图5为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟方法的工作原理 框图。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0019] 图1所示为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的原理 框图。包括仿真单元、仿真控制单元和传感器测量单元。其中，仿真单元包括工控机PC和 dSPACE及接口板，用于模拟电堆的运行状态。仿真控制单元包含电压可调电源、电堆热模拟 系统以及负载，用于将仿真单元中热和电的特性物理化。传感器测量单元包含若干电压传 感器、电流传感器以及温度传感器，用于将仿真控制单元中所展现出来的热和电的特征参 数转为电信号传回仿真单元。
[0020] 图2所示为本发明基于dSPACE的固体氧化物燃料电池热电特性模拟系统的连接 示意图，包括工控机PC、dSPACE、DS2211多路I/O接口板、电压可调电源、PLC、电流传感器、 电压传感器、电堆热模拟系统及负载。其中工控机PC包括Control Desk(dSPACE附属软件， 运行在PC上用来与dSPACE通信），用于显示参数以及设置参数。在本发明实施例中，显示 的参数包括：电堆温度、负载功率、电堆输出电流、电堆输出电压；设置的参数包括：氢气流 量、空气流量。dSPACE用于将模型中的变量转换成现实的电信号，dSPACE中运行的模型包 括电模型、热模型和控制模型，其中电模型用于模拟电堆的电特性、热模型用于模拟电堆的 热特性、控制模型用于控制电堆稳定工作。利用PC上的MATLAB/sumlink建立电堆的电模 型、热模型以及控制模型，通过RTI工具提供端口，将其封装成可以下载到dSPACE的程序， 再通过ControlDesk将程序装载到dSPACE中。DS2211多路I/O接口板用于将dSPACE中 模型变量的电信号传出去以及将外部传感器的电信号采集进dSPACE中。电压可调电源用 于将电模型中的电压转换成现实中的物理意义上电压，电模型中的电压值和电压可调电源 的值相等。PLC用于信号转换，将电压传感器和电流传感器的信号转换成DS2211多路I/O 接口板上AD、DA的信号类型，PLC还将电堆热模拟系统中热电偶的电信号采集上来并传回 DS2211多路I/O接口板。负载为可变负载，当负载在不同功率下工作时，用于验证电堆模型 下的运行状态。电堆热模拟系统将热模型算出的电堆温度场，用物理意义上的温度场模