LightWave Computing entwickelt innovative Testsoftware für Brennstoffzellen

Author(s):
Rob Taylor - LightWave Computing Ltd.

Industry:
Automotive

Products:
GPIB, LabVIEW, FieldPoint, CAN

The Challenge:
Konstruktion eines äußerst reaktionsfähigen Testsystems für eine PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Niedertemperatur-Brennstoffzelle) für den Bereich Forschung und Entwicklung, das ausreichend Kapazität für verschiedene Stack-Anordnungen und I/O-Anforderungen bietet.

The Solution:
Integration von National Instruments LabVIEW, SCXI, GPIB, FieldPoint, NI-CAN und TCP/IP in eine konfigurierbare, leistungsfähige Testumgebung für Brennstoffzellen

Die Bereitstellung sofortiger Leistung
Überall auf der Welt führen Forscher Tests an Brennstoffzellen in Fahrzeugen durch, um die Fahrzeugleistung der nächsten Generation bereitzustellen. Eine entscheidende Anforderung an eine Brennstoffzelle im Fahrzeug besteht darin, dass sie in der Lage sein muss, unter Kaltstartbedingungen zu arbeiten und Leistung bei Bedarf sofort zur Verfügung stellt. Die Bereitstellung sofortiger Leistung erfordert eine Teststation mit entsprechend reagierendem Massenflussregler sowie Software, die schnell reagieren kann, um Druck unter diesen dynamischen Flussbedingungen auszugleichen.

Um die Wirkungsgrade von Brennstoffzellen richtig charakterisieren zu können, müssen Forscher die Zellspannung an jeder einzelnen Brennstoffzelle messen. Aufgrund der Anforderungen des Prüfsystems ist Software notwendig, die von einzelnen Zellen auf über 500 Zellen skaliert werden kann. Zudem ist, wie bei einigen Tests, nicht nur eine Prüfung des Stacks notwendig, sondern ein Test der gesamten in Serie geschalteten Brennstoffzellenmodule sowie der zusätzlichen NI-CAN- und TCP/IP-basierten Steuer- und Regelsysteme. Forscher benötigen eine einheitliche Testumgebung, um mit der erstellten Testsoftware unterschiedliche Stack-Größen und -Formate ansprechen zu können. Dafür sind eine anpassbare I/O-Architektur sowie ein Softwaremodell erforderlich, das Tests mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an Fluss, Druck und Belastung aufeinander abstimmt.

Erstellen eines Systems mit NI LabVIEW, dem PID Control Toolkit und SCXI
Wir sollten ein anwendungsspezifisches LabVIEW-Programm schreiben, das aus über 700 virtuellen Instrumenten besteht und die Anpassbarkeit der Teststation einsetzen, um diesen Testanforderungen zu entsprechen. Das Hauptprogramm umfasst zwei Hauptschleifen: die eine steuert die Testhardware und die andere die Benutzerschnittstelle. Zukünftig können Anwender mit dieser Struktur die Schleife für die Testhardware auf ein NI LabVIEW Real-Time-Zielgerät migrieren, damit eine bessere deterministische Reaktion erreicht wird. Durch Abspalten der Hardwaresteuerung und Umlegen auf eine hoch optimierte, zeitgesteuerte Schleife sowie durch Einsatz des PID Control Toolkits konnten wir die Anforderungen einer schnellen, stabilen Reaktion unter dynamischen Belastungsbedingungen erfüllen.

Wir entwickelten das System so, dass drei SCXI-Chassis mit zwölf und vier Steckplätzen satzweise angeordnet werden konnten, um Zugriff auf bis zu 512 Zellspannungsmessungen sowie auf weitere Signale zur Steuerung von Druckbelastungen und Probelasten zu erhalten. Zum Testen von Brennstoffzellenmodulen verbanden wir die Software mit einem unternehmensspezifischen NI-CAN- bzw. einem TCP/IP-basierten Modulsteuer- und -regelsystem, damit größere Zellspannungsbänke gelesen werden konnten und eine zusätzliche Steuerung über den CAN-Bus möglich wäre. Wir realisierten Steuer- und Regelungseinheiten für Kühlung, Heizung und Befeuchtung mithilfe von NI FieldPoint I/O und SCXI. Beim Start der Teststationssoftware wird vorab eine LabVIEW-Wartungsanwendung gestartet, welche die Hardware und deren Funktionalität abfragt und diese dann in einer INI-Datei abspeichert. Wir verwendeten das NI LabVIEW Enterprise Connectivity Toolkit, so dass die Datenbank den Verlauf des Prüflings und die Prüfparameter verfolgt.

Automatisierung und Simulation
Wir integrierten in die LabVIEW-Software die Funktion, während des Ablaufs Testmakros aufzuzeichnen, um so die Wiederholung wichtiger Testsequenzen anzuzeigen. Mithilfe einer Schaltfläche kann der Anwender spätere Änderungen der Bedienelemente auf der Benutzeroberfläche aufzeichnen und diese Teständerungen in einer Makrodatei speichern. Im Abspielmodus bewegen sich die Bedienelemente der Benutzeroberfläche in einer solchen zeitgesteuerten Sequenz als hätte sie ein Anwender festgelegt. Während ein Makro ausgeführt wird, hat der Anwender die Möglichkeit, den Test anzuhalten und Anpassungen vorzunehmen, bevor der Ablauf fortgesetzt wird. Der Anwender kann mehrere Testsequenzen als Makros aufzeichnen und sie dann verknüpfen oder sie in komplexen Schleifen anordnen, um Testsequenzen mit Tausenden von Prüfschritten auszuführen. Zudem kann der Anwender, wenn während eines Tests ein besonderes Ereignis entdeckt wird (eine Zellspannung fällt z. B. unter einen Mindestwert), ein spezielles Makro zur Wiederherstellung ausführen. Der Anwender kann diese Makros später in Microsoft Excel bearbeiten. Dank dieser umfassenden Automatisierungsfunktionen können Forscher schnell Strategien zur Verbesserung von Brennstoffzellentests finden.

Die LabVIEW-Software zum Testen von Brennstoffzellen kann entweder auf einem Teststations-PXI-Chassis oder in einem speziellen Simulationsmodus auf einem PC ausgeführt werden. Im Simulationsmodus kann der Anwender Makros sicher von einem PC aus aufzeichnen und testen, ohne dass externe Geräte angeschlossen sein müssen. Simuliertes analoges Feedback vom Testgerät verleiht dem Anwender ein gutes Gespür dafür, was die Teststation wahrscheinlich leisten wird. Somit lässt der Anwender einen Test auf der Testhardware ablaufen, während der folgende Test im Konstruktionsbüro simuliert wird. Dadurch wird Zeit bei Tests gespart und der Entwicklungszyklus beschleunigt.

Der Anwender kann zudem Tests dezentral von einem beliebigen Punkt im Netzwerk aus überwachen. Das ist mithilfe eines Data-Socket-basierten LabVIEW-Applets möglich, das die wichtigen Signale aller laufenden Tests im Testlabor verfolgt. Wenn Fehler bei Tests verfolgt werden müssen, nachdem der Anwender die Testanlage bereits verlassen hat, können mithilfe der Software per E-Mail spezifische Angaben zum Fehler an bestimmte Empfänger geschickt werden. Der Anwender kann Daten entweder in einer InSQL-Datenbank oder einer CSV-formatierten Datei erfassen, die in Excel oder NI DIAdem importiert werden können, um im Anschluss an die Tests Analysen und Berichte zu erstellen. Der Anwender kann Daten nur erfassen, wenn es zu einem Ereignis mit niedriger Zellspannung kam oder entsprechend eines festgelegten Zeitintervalls.

NI-System erstellt Nachbildung der echten Bedingungen eines Brennstoffzellensystems im Fahrzeug
Dank LabVIEW und der breiten Palette an I/O-Produkten von NI waren wir in der Lage, eine komplette Softwarelösung für alle diese Anforderungen bereitzustellen. Aufgrund der nahtlosen Integration von Hardwaregeräten entwickelten wir dieses System in viel kürzerer Zeit und ohne die Schwierigkeiten, die häufig mit der Entwicklung von herstellerneutralen Lösungen verbunden sind. Der Endnutzer profitiert von einer effizienten, skalierbaren Testumgebung, welche die wirklichen Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellensystems im Fahrzeug nachbildet.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Rob Taylor
LightWave Computing Ltd.
New Westminster, BCrob.taylor@lightwavecomputing.com

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