面向用戶自定義的燃料電池發動機綜合性能評價軟件★

佟亞楠，張建杰，侯永平，郝冬

（1.同濟大學 新能源工程中心，上海 201804；2.中國汽車技術研究中心，天津 100070）

面向用戶自定義的燃料電池發動機綜合性能評價軟件★

佟亞楠1，張建杰2，侯永平1，郝冬1

（1.同濟大學 新能源工程中心，上海 201804；2.中國汽車技術研究中心，天津 100070）

介紹了一款基于C#開發，允許用戶根據實際需要自定義評價方案并對燃料電池發動機進行綜合性能評價的軟件，詳細闡述了評價方案建立的理論基礎、軟件開發工具，并結合實例說明了軟件功能及其實現形式。結果表明用戶可以利用該軟件確定評價方案，并且將燃料電池發動機的綜合性能及各指標性能以具體的分數定量的表示，同時數據表格和圖片使評價結果簡單明了。

C#；用戶自定義；燃料電池發動機；性能評價

佟亞楠

同濟大學汽車學院在讀碩士研究生，研究方向：汽車試驗。

目前，能源與環境保護問題是全世界關注的焦點。因主要排放物是水而被稱為綠色新型環保汽車的燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，FCV）是未來汽車的一大發展方向。作為燃料電池汽車的核心元件，燃料電池發動機（Fuel Cell Engine，FCE）性能的好壞直接影響到整個車輛的性能［1］。

燃料電池發動機的性能涉及方面很廣，性能指標繁多。由于用戶的需求不同，他們關注的焦點也不盡相同。對燃料電池發動機的性能進行綜合評價，需要根據用戶關注的焦點，在試驗項目的基礎上，自主的建立評價體系，最終能夠對一臺燃料電池發動機進行定量分析，做出科學的、系統的、客觀的評價。

為此，我們基于C#.NET Framework4.0開發了一款軟件，用于自主的建立燃料電池發動機的綜合性能評價方案及對其性能進行定量評價，并可把復雜的數據轉化為簡單直觀的圖形和表格保存于文檔中。

1　軟件開發基礎

1.1理論基礎

由于FCE的性能涉及到很多指標且它們之間具有一定的層次關系，因此，我們選取層次分析法來建立燃料電池發動機的評價體系。

層次分析法［2］-［3］（Analytic Hierarchy Process，AHP）是1971年美國匹茲堡大學數學教授T.L.Saaty首先提出來的。AHP是一種能綜合進行定性和定量分析的決策方法，其核心是把復雜的決策問題層次化。AHP把復雜問題分解成各個組成因素，又將這些因素按支配關系分組形成遞階層次結構。通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性。然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對重要性的總的排序。

根據AHP的應用方法，選取燃料電池發動機性能評價的指標，構造各項指標的判斷矩陣、層次單排序、層次總排序以及各個指標值的評分函數，構成燃料電池發動機的綜合性能評價方案。

1.2開發工具

Visual Studio是微軟公司推出的Windows平臺應用程序開發環境。Visual Studio 2010帶來了NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP。它支持Microsoft Office Access、Microsoft SQL Server和Oracle數據庫［4］。考慮到數據量不大以及軟件易用性的問題，本軟件選用的是Microsoft Office Access數據庫。

2　軟件功能實現

該軟件的功能主要包括：1）建立評價體系：在FCE試驗項目的基礎上，自定義燃料電池發動機的評價方案，計算其綜合性能及各指標得分，并將評價結果保存；2）多臺發動機的對比：調用已存檔的發動機的得分數據，進行多臺發動機的綜合性能的比較；3）評價方案的查詢修改：對于已輸入的評價方案，可以隨時查詢其具體結構及各參數情況，并作適當的修改。

該軟件通過評價體系建立、性能評價、評價方案修改、界面設置等模塊實現其完整的功能。圖1所示為軟件的主界面。在主界面的工具欄中，有六個部分，分別為“新建”、“編輯”、“評價”、“用戶”、“皮膚”以及“清屏”。

2.1自定義評價體系

在試驗數據的基礎上，確定燃料電池發動機性能評價涉及到的指標，根據AHP的思想，確定指標的層次關系。利用該軟件自主建立燃料電池發動機的評價體系樹狀結構，確定評價系統各個指標的權重和評分函數。

2.1.1新建發動機標簽信息

運用該軟件對特定的某臺燃料電池發動機進行評價，首先需要建立該發動機的標簽信息，包括發動機的型號、生產廠家等參數。其中，“發動機型號”為必填項，其余可根據實際情況選擇輸入或留下空白，以具體的一臺發動機為例，如圖2所示。點擊“保存”按鈕，該發動機的信息即保存到數據庫中，可以供以后調用查看。

2.1.2新建評價方案

燃料電池發動機測試平臺的測試項目主要包括：穩態性能測試、起動性能測試、動態性能測試、安全性能測試以及散熱量測試。其中，穩態性能測試主要考核在不同工況條件下FCE的功率輸出能力及效率、噪聲等指標的表現情況，可以用發動在各工況平穩運行條件下取得的電流、功率、效率、氫氣利用率等指標值表示；起動性能測試主要包括了怠速起動時間、額定功率起動時間和怠速穩定性測試；動態性能測試主要包括了動態響應時間測試以及動態循環加載性能測試，動態響應時間可以考察發動機的動態表現，動態循環加載可以模擬FCE實際運行工況，檢驗各性能指標在動態運行時有無問題；安全性能測試主要包含了發動機氣密性測試和絕緣性測試，檢測FCE中氫氣的泄露情況，測試燃料電池堆正負極輸出端相對于發動機箱的絕緣電阻。

我們選取FCE測試試驗中測得的一些關鍵性指標作為燃料電池發動機性能評價的依據，首先確定FCE的四個基本性能—穩態性能、起動性能、動態性能和安全性能，每一個基本性能都包含幾個分性能指標。根據指標相關性，構成評價方案的結構，圖3顯示的是一套具有4層及20個評價指標（Comprehension Performance Evaluation Tool，CPET-4-20）［5］的體系。

在該軟件中，為了方便保存及之后調用，我們把評價方案的第一層定義為評價方案的結構名稱。通過輸入評價方案名稱，點擊“確定”即可構建評價方案的第一層。在建立評價方案第二層時，首先在添加節點模塊輸入節點名稱，以安全性能為例，然后在左側的方案樹狀結構圖中（圖4）選擇其上一層次的節點，在此即為評價方案的名稱，以此為標準，安全性能作為評價方案第一層的子節點，可通過點擊“添加為子節點”按鈕來實現。也可以選擇與安全性能屬于同一層次的指標為依據，此時，通過點擊“添加為兄弟節點”即可。評價方案的第三、四層的建立以同樣的方式完成，即可構建出如圖3中所示的樹狀結構圖。

根據AHP方法，權重的確定首先要得到各層次的判斷矩陣。在建立遞進層次結構后，上下層元素間的隸屬度關系就被確定了，就可以在各層元素中進行兩兩比較，構造出比較判斷矩陣。層次分析法主要是人們對每一層次中各個元素相對重要性給出的判斷，這些判斷通過引入合適的標度（常用的為1-9比例標度）用數值表示出來，寫成判斷矩陣。計算判斷矩陣最大特征值對應的特征向量得到各層指標的相對權重值。第二層相對于第一層的判斷矩陣為：

求解判斷矩陣A的最大特征值和對應的特征向量，再將特征向量歸一化，得到：λmax=4，x=［0.3509 0.1091 0.1891 0.3509］。 圖5、6分別為在軟件中構建四個基本性能的判斷矩陣和其相對于第一層的權重。

建立每個指標的評分函數，將試驗得到的指標值轉化為統一的得分值。這里，評價函數的選取參考了模糊理論中隸屬度函數的概念，選用smf（S-shaped built-in membership function）函數作為評分函數。以CPET-4-20評價方案中的指標—電堆怠速效率為例，在評價體系結構樹狀圖中選擇需要建立評分函數的指標，圖7為輸入指標的評分函數，點擊“添加”即可保存。

至此，一套完整的燃料電池發動機綜合性能評價體系即建立完成。

2.2性能評價

選擇燃料電池發動機評價方案，導入.xls格式的輸入文件，計算得到燃料電池發動機各項指標的得分以及綜合性能得分，并且生成得分的柱狀圖；同時將綜合性能評價的結果對應的數據導出為.xls或者.doc文件。

調用已存檔的發動機模型的得分數據，進行多個發動機之間綜合性能優劣的對比。比較的結果以柱狀圖的形式顯示。

2.2.1單臺發動機性能評價

在軟件的“評價”模塊，選擇在前文中建立的4層次20評價指標的評價方案。打開評價方案后，導入所需評價的發動機的數據文件，該輸入文件是.xls格式，包括燃料電池發動機各項性能的試驗數據。導入數據后的界面，軟件左側界面顯示了評價方案的結構樹狀圖，右側則顯示導入數據的內容以及發動機的標簽信息，如圖8所示：

點擊“分析”按鈕，即可根據評價方案各個指標的評分函數以及相對權重對輸入數據進行分析處理，從而得到評價結果。FCE綜合性能得分由各指標的得分值與其總排序權值的乘積相加得到。第一、二層的評價結果以柱狀圖的形式表示，圖9為第一層得分圖。第三、四層結果則通過顯示評分函數曲線以及指標得分表示，如圖10所示。

點擊“分析”按鈕后，按鈕的內容變為“保存”。分析完成后，點擊“保存”按鈕，則系統會自動將結果保存為.xls或點擊“導出Word”按鈕，分析結果則保存為.doc格式并自動關閉。

2.2.2多臺發動機對比

在“評價”模塊中還有一個多臺發動機對比的功能。燃料電池發動機性能涉及很多方面，在同一個評價方案下對不同型號的發動機進行性能對比，可以幫助用戶更好地了解多臺發動機的性能優劣。

打開“評價”模塊，點擊“對比”選項，選擇在4層次20評價指標的評價方案下進行比較。打開評價方案后，界面上會顯示已經得出評價結果的各臺發動機的輸出文件的名稱，選擇需要對比的發動機（最多可選擇8個），選擇后的發動機則會在右側顯示，如圖11所示：

對比結果均以柱狀圖的形式表示，比較各個發動機各個指標得分及綜合性能得分。以4臺發動機的指標層“電堆怠速效率”比較結果為例，點擊左側樹狀圖節點，顯示結果如圖12所示：

2.3評價方案查詢修改

評價方案包括多個層次。該模塊可查詢各個層次所包含的其下一層的各指標的權重；可查詢每個指標的評價函數，包括函數表達式以及函數曲線。同時，可對原有方案進行局部修改，增強軟件的易用度。

在軟件主界面的“編輯”模塊，選擇“已有評價方案”，界面左側則會顯示已有評價方案的結構樹狀圖，在右側可以通過選擇“增減節點”和“修改評分矩陣及方法”按鈕對評價方案的結構以及各指標的相對權重和評分函數進行修改。圖13對發動機效率包含的指標之間的判斷矩陣以及權重進行修改，可以直接在表格上輸入替換的值，點擊“確定更新”按鈕即可。

3　結論

本軟件的創新之處在于可以允許用戶根據不同的燃料電池發動機測試方案自主的定義燃料電池發動機評價體系，使評價范圍不受某個固定評價方案體系的限制。同時，本軟件將使用過的評價方案自動保存在數據庫中，可減少后續不必要的工作量。總之，該軟件大幅提高了通過試驗數據對燃料電池發動機進行性能評價的效率，而且評價方法可靠，評價結果清晰直觀，是燃料電池發動機研發中的一個高效得力的工具。

［1］Ryan O’Hayre 等，《燃料電池基礎》［M］.王曉紅，黃宏等譯，北京：電子工業出版社，2007.

［2］Bai Hanbin， Wang Nuanchen， Research on the Selection of Scale in AHP， 20103rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering（ICACTE 2010）［C］，2010：108-111.

［3］張炳江等，《層次分析法及其應用案例》［M］.北京：北京工業出版社，2014.

［4］Scott Dormant，《Visual C#2010入門經典》［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］王博文，基于AHP的燃料電池發動機性能評價方法的研究［D］.同濟大學，2010，3.

［6］YongpingHou， Bowen Wang， Zhihua Yang. A Method for Evaluating the Efficiency of PEM Fuel Cell Engine， Applied Energy［J］， 2011，（88）：1181-1186.

［7］張志強等，基于AHP評價方法的發動機性能評價［J］.兵工學報，2008，（5）：625-628.

專家推薦

羅馬吉：

論文介紹了一款自行開發的燃料電池發動機綜合性能評價軟件，該軟件可根據用戶需要自定義評價方案。論文研究對燃料電池發動機測試評價及其開發具有借鑒意義。

Customizable Method-Oriented Fuel Cell Engine Comprehensive Performance Evaluation Software

TONG Ya-nan1， ZHANG Jian-jie2， HOU Yong-ping1， HAO Dong1
（1.Clean Energy Automotive Engineering Center， Tongji University， Shanghai 201804， China； 2. China Automotive and Technolgoy Research Center， Tianjin）

A user-defined software based on C# which allows the users to define a project for evaluating the comprehensive performance of fuel cell engine is introduced in this paper， inculding its theoretical foundation， programming tool and features with realized form. The results show that this software can help the users to decide the evaluation scheme for the fuel cell engine and represent the comprehensive and index performance in quantitative form using the scores. And tables and histograms make the evaluation results simple and straightforward.

C#； user-defined； fuel cell engine； performance evaluation

U467.2+1

A

1005-2550（2015）04-0050-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.011

2015-01-09

國家自然科學基金（51275357）