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專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，特別是一種質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)。
背景技術(shù)：
隨著世界能源的匱乏，我國制定了很多政策，提出了很多措施大力發(fā)展新能源行業(yè)，燃料電池教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)可以是大專院校及中學(xué)的學(xué)生們學(xué)習(xí)和了解這種新能源技術(shù)的工作原理及發(fā)電過程。目前傳統(tǒng)的教學(xué)手段無法很好的解決理論與實(shí)踐脫節(jié)現(xiàn)象，教學(xué)過程中不能很好的突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)，教學(xué)效果的實(shí)時(shí)檢測能力較差，也無法很好的解決當(dāng)前教學(xué)和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與行業(yè)企業(yè)需求相差甚遠(yuǎn)的矛盾。常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)是通過數(shù)據(jù)采集卡和PLC實(shí)現(xiàn)的。以數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)、以PC為主控單元的控制方案，主要利用數(shù)據(jù)采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量、數(shù)據(jù)量的采集和控制功能來實(shí)現(xiàn)的，但數(shù)據(jù)采集卡的成本相對較高。以可編程控制器(PLC)作為主控單元的控制方案主要因?yàn)槔肞LC在開關(guān)量控制方面具有的優(yōu)勢，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，但PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖形顯示功能很差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，包括氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元、PEMFC電池堆、電力電子轉(zhuǎn)換單元、負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元和控制單元，氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元均與PEMFC電池堆相連接，為PEMFC電池堆提供氫氣、氧氣或空氣，PEMFC電池堆通過電力電子轉(zhuǎn)換單元與負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元相連接,為負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元提供電能，PEMFC電池堆還與控制單元相連接，在控制單元的控制下運(yùn)行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:1)本發(fā)明的平臺(tái)可以測試燃料電池堆的性能和運(yùn)行狀態(tài)，全面監(jiān)測各種參數(shù)與電池堆性能之間的關(guān)系，通過控制單元控制電池實(shí)際運(yùn)行所需的工作條件；(2)采用先進(jìn)的控制方法，通過串口接收上位機(jī)控制參數(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和電磁閥開閉時(shí)間，執(zhí)行燃料的溫、濕度控制，使得電池具有良好的輸出性能；(3)設(shè)計(jì)燃料電池參數(shù)采集與控制硬件系統(tǒng)，向上位機(jī)傳送燃料電池的實(shí)時(shí)參數(shù)，并接受上位機(jī)的控制指令。實(shí)時(shí)診斷燃料電池的運(yùn)行故障，進(jìn)行聲光報(bào)警，并實(shí)時(shí)切斷負(fù)載，使電池能夠安全工作。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是控制單元結(jié)構(gòu)框圖。圖3是電流采集模塊電路圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，采集并向上位機(jī)傳送燃料電池的實(shí)時(shí)參數(shù)，接受上位機(jī)的控制指令，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和電磁閥開閉時(shí)間，執(zhí)行燃料的溫、濕度控制。包括氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元、PEMFC電池堆、電力電子轉(zhuǎn)換單元、負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元和控制單元，氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元均與PEMFC電池堆相連接，為PEMFC電池堆提供氫氣、氧氣或空氣，PEMFC電池堆通過電力電子轉(zhuǎn)換單元與負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元相連接，為負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元提供電能，PEMFC電池堆還與控制單元相連接，在控制單元的控制下運(yùn)行。結(jié)合圖2，所述控制單元包括執(zhí)行單元、供電電路、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警顯示模塊、單片機(jī)和通信單元，所述執(zhí)行單元與單片機(jī)相連，在單片機(jī)的控制下調(diào)節(jié)PEMFC電池堆電磁閥的開閉時(shí)間和風(fēng)扇的占空比；供電電路與單片機(jī)相連，為單片機(jī)供電；數(shù)據(jù)采集模塊與單片機(jī)相連，將采集到的電流信號、電壓信號、環(huán)境溫度和電堆溫度傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)與報(bào)警顯示模塊相連接，在電流過大或電堆溫度過高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號；單片機(jī)還與通信單元相連接，通過通信單元與上位機(jī)進(jìn)行通信。電源模塊采用LM2576-12芯片將電堆電壓轉(zhuǎn)化為12V供給風(fēng)扇，然后再通過L7805將12V轉(zhuǎn)化為5V供給PIC18F2580及其他芯片，5V電壓通過7806轉(zhuǎn)化為6V提供給電磁閥。數(shù)據(jù)采集模塊分為電壓采集模塊、電流采集模塊。電壓采集模塊通過24K和100K電阻進(jìn)行分壓，電壓進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器；電流采集模塊采用電阻測電流法，采樣電阻采用0.05 Ω，將采樣電阻電壓通過放大器將采樣電壓放大6倍進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器；堆溫采集通過熱電偶進(jìn)行采集，通過MAX6675信號轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)；室溫采集通過TC72采集，信號進(jìn)入單片機(jī)。執(zhí)行模塊通過PIC18F2580的PWM模塊來控制電磁閥與風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，中間通過光耦PS2801進(jìn)行隔離。報(bào)警模塊通過PIC18F2580的I/O 口控制蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路。通信模塊是PIC18F2580的串口通信模塊通過MAX232來與上位機(jī)相連。所述執(zhí)行單元包括電磁閥和風(fēng)扇。電磁閥驅(qū)動(dòng)一端接單片機(jī)的I/O端口，電磁閥驅(qū)動(dòng)的另一端接電磁閥，通過單片機(jī)控`制電磁閥的開閉來定時(shí)排放電化學(xué)反應(yīng)生成的廢氣和多余水分，電磁閥為常閉狀態(tài)，只有接收到高電平脈沖時(shí)才會(huì)打開；風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)一端接單片機(jī)的I/o端口，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的另一端接風(fēng)扇，如果電堆溫度過高，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號來控制風(fēng)扇內(nèi)部的電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)節(jié)電堆溫度的效果，PWM信號由PIC單片機(jī)提供，風(fēng)扇額定電壓為12V，額定電流為0.7A。所述數(shù)據(jù)采集模塊包括電流采集模塊、電壓采集模塊、環(huán)境溫度采集模塊和電堆溫度采集模塊，電壓采集模塊和電流采集模塊通過調(diào)理電路連接到A/D轉(zhuǎn)換芯片AD0809的輸入端。AD0809的輸出端接單片機(jī)的I/O 口。其中電流采集模塊包括第一端子J7、第一保險(xiǎn)絲FS1、第一二極管D3、第一場效應(yīng)管Q4、第一光耦I(lǐng)S01、第一電阻R17、第二電阻R27、第三電阻R30、第四電阻R31、第五電阻R53、第六電阻R62、第七電阻R65、第八電阻R66、第九電阻R61、第十電阻R63、第i^一電阻R64、第十二電阻R39、第一電容C34、第二電容C30、第三電容C31、第一集成運(yùn)放U16、第一穩(wěn)壓管ZD7 ；
所述第一保險(xiǎn)絲FSl的一端接電堆輸出正極輸出B+，第一保險(xiǎn)絲FSl的另一端接第一二極管D3的2端和第一端子J7的I端，第一二極管D3的I端和第一端子J7的2端接第一場效應(yīng)管Q4的5、6、7、8端，第一場效應(yīng)管Q4的4端接第三電阻R30的一端和第一光耦I(lǐng)SOl的3端，第三電阻R30的另一端接模擬地，第一光耦I(lǐng)SOl的4端接+12V電源，第一光耦I(lǐng)SOl的2端接數(shù)字地，第一光耦I(lǐng)SOl的I端接第二電阻R27的一端，第二電阻R27的另一端接PIC18F2580芯片的CTL_L0AD引腳和第一電阻R17的一端，第一電阻R17的另一端接數(shù)字地，第一場效應(yīng)管Q4的1、2、3端同時(shí)接第四電阻R31、第五電阻R53、第六電阻R62的一端，第四電阻R31、第五電阻R53的另一端同時(shí)接模擬地,第六電阻R62的另一端接第一電容C34、第七電阻R65的一端和第一集成運(yùn)放U16的10端,第一電容C34的另一端接模擬地，第七電阻R65的另一端接第八電阻R66的一端，第八電阻R66的另一端接模擬地，第一集成運(yùn)放U16的4端接+5V電源和第三電容C31的一端，第三電容C31的另一端接模擬地，第一集成運(yùn)放U16的11端接模擬地，第一集成運(yùn)放U16的9端接第九電阻R61、第^^一電阻R64的一端，第九電阻R61的另一端接模擬地，第十一電阻R64的另一端接第十電阻R63的一端,第十電阻R63的另一端接第一集成運(yùn)放U16的8端和第十二電阻R39的一端，第十二電阻R39的另一端接第二電容C30、第一穩(wěn)壓管ZD7的一端和A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3208的CH5_L0AD引腳，第二電容C30和第一穩(wěn)壓管ZD7的另一端接模擬地。所述報(bào)警顯示模塊包括揚(yáng)聲器報(bào)警器和燈光報(bào)警器。所述通信模塊采用芯片MAX232。所述單片機(jī)的型號為PIC18F2580。所述供電電路包括PEMFC 電源、LM2576、IB0505LS-1W、MC34063AD、LM7806, PEMFC電源輸出接降壓穩(wěn)壓型開關(guān)芯片LM2576的輸入端，將擴(kuò)18V的電源電壓通過LM2576轉(zhuǎn)為5V，LM2576的輸出端接IB0505LS-1W的輸入端，利用IB0505LS-1W隔離電源隔離出數(shù)字地與模擬地并穩(wěn)壓在5V，IB0505LS-1W的輸出端接單片機(jī)的電源和MC34063AD輸入端，MC34063AD將5V轉(zhuǎn)為12V，MC34063AD的輸出端接執(zhí)行單元的風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)和LM7806的輸入端，LM7806將12V轉(zhuǎn)為6V，LM7806輸出端接執(zhí)行單元的電磁閥驅(qū)動(dòng)。所述通信單元包括MAX232，串口通信芯片MAX232的一端接單片機(jī)的UART模塊，MAX232的另一端接DB9，DB9通過串口線與上位機(jī)相連。通信模塊負(fù)責(zé)上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，比如上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采集溫度或是打開電磁閥的命令，又或者下位機(jī)將采集到的溫度、電流、電壓的數(shù) 據(jù)返回給上位機(jī)。電壓采集模塊通過100K和24K電阻進(jìn)行分壓實(shí)現(xiàn)，電壓經(jīng)過分壓之后之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD0809的輸入端。環(huán)境溫度采集通過數(shù)字溫度傳感器TC72實(shí)現(xiàn)，TC72的輸出端通過SPI總線傳輸?shù)姆绞浇尤雴纹瑱C(jī)的I/O 口。電堆溫度采集通過熱電偶和解碼芯片MAX6675實(shí)現(xiàn)，熱電偶放入電堆內(nèi)部，熱電偶的輸出端接MAX6675，MAX6675的輸出端通過SPI總線傳輸?shù)姆绞浇尤雴纹瑱C(jī)的I/O 口。所述報(bào)警顯示模塊包括揚(yáng)聲器報(bào)警和燈光報(bào)警，揚(yáng)聲器報(bào)警采用蜂鳴器，蜂鳴器一端接單片機(jī)的I/O 口，蜂鳴器的另一端接+5V電源。燈光報(bào)警采用LED燈，LED燈一端接單片機(jī)的I/O 口，蜂鳴器的另一端接+5V電源。由上可知，本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)可以較好的展現(xiàn)燃料電池的工作原理，測試燃料電池堆的性能和運(yùn)行狀態(tài)，可以全面的監(jiān)測各種參數(shù)與電池堆性能之間的關(guān)系，并通過控制單元控制電池實(shí)際運(yùn)行所需的工作條件。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，包括氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元、PEMFC電池堆、電力電子轉(zhuǎn)換單元、負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元和控制單元，氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元均與PEMFC電池堆相連接，為PEMFC電池堆提供氫氣、氧氣或空氣，PEMFC電池堆通過電力電子轉(zhuǎn)換單元與負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元相連接，為負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元提供電能，PEMFC電池堆還與控制單元相連接，在控制單元的控制下運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，所述控制單元包括執(zhí)行單元、供電電路、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警顯示模塊、單片機(jī)和通信單元，所述執(zhí)行單元與單片機(jī)相連，在單片機(jī)的控制下調(diào)節(jié)PEMFC電池堆電磁閥的開閉時(shí)間和風(fēng)扇的占空比；供電電路與單片機(jī)相連，為單片機(jī)供電；數(shù)據(jù)采集模塊與單片機(jī)相連，將采集到的電流信號、電壓信號、環(huán)境溫度和電堆溫度傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)與報(bào)警顯示模塊相連接，在電流過大或電堆溫度過高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號；單片機(jī)還與通信單元相連接，通過通信單元與上位機(jī)進(jìn)行通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，所述執(zhí)行單元包括電磁閥和風(fēng) 扇。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括電流采集模塊、電壓采集模塊、環(huán)境溫度采集模塊和電堆溫度采集模塊， 其中電流采集模塊包括第一端子[J7]、第一保險(xiǎn)絲[FS1]、第一二極管[D3]、第一場效應(yīng)管[Q4]、第一光耦[IS01]、第一電阻[R17]、第二電阻[R27]、第三電阻[R30]、第四電阻[R31]、第五電阻[R53]、第六電阻[R62]、第七電阻[R65]、第八電阻[R66]、第九電阻[R61]、第十電阻[R63]、第i^一電阻[R64]、第十二電阻[R39]、第一電容[C34]、第二電容[C30]、第三電容[C31] 、第一集成運(yùn)放[U16]、第一穩(wěn)壓管[ZD7]； 所述第一保險(xiǎn)絲[FS1]的一端接電堆輸出正極輸出B+，第一保險(xiǎn)絲[FS1]的另一端接第一二極管[D3]的2端和第一端子[J7]的I端，第一二極管[D3]的I端和第一端子[J7]的2端接第一場效應(yīng)管[Q4]的5、6、7、8端，第一場效應(yīng)管[Q4]的4端接第三電阻[R30]的一端和第一光耦[IS01]的3端，第三電阻[R30]的另一端接模擬地，第一光耦[IS01]的4端接+12V電源，第一光耦[IS01]的2端接數(shù)字地，第一光耦[IS01]的I端接第二電阻[R27]的一端，第二電阻[R27]的另一端接PIC18F2580芯片的CTL_LOAD引腳和第一電阻[R17]的一端，第一電阻[R17]的另一端接數(shù)字地，第一場效應(yīng)管[Q4]的1、2、3端同時(shí)接第四電阻[R31]、第五電阻[R53]、第六電阻[R62]的一端，第四電阻[R31]、第五電阻[R53]的另一端同時(shí)接模擬地，第六電阻[R62]的另一端接第一電容[C34]、第七電阻[R65]的一端和第一集成運(yùn)放[U16]的10端，第一電容[C34]的另一端接模擬地，第七電阻[R65]的另一端接第八電阻[R66]的一端，第八電阻[R66]的另一端接模擬地，第一集成運(yùn)放[U16]的4端接+5V電源和第三電容[C31]的一端，第三電容[C31]的另一端接模擬地，第一集成運(yùn)放[U16]的11端接模擬地，第一集成運(yùn)放[U16]的9端接第九電阻[R61]、第十一電阻[R64]的一端，第九電阻[R61]的另一端接模擬地，第十一電阻[R64]的另一端接第十電阻[R63]的一端，第十電阻[R63]的另一端接第一集成運(yùn)放[U16]的8端和第十二電阻[R39]的一端，第十二電阻[R39]的另一端接第二電容[C30]、第一穩(wěn)壓管[ZD7]的一端和A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3208的CH5_LOAD引腳，第二電容[C30]和第一穩(wěn)壓管[ZD7]的另一端接模擬地。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，所述報(bào)警顯示模塊包括揚(yáng)聲器報(bào)警器和燈光報(bào)警器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，所述通信模塊采用芯片MAX232。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，其特征在于，所述單片機(jī)的型號為 PIC18F2 580。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的質(zhì)子交換膜燃料電池測控平臺(tái)，提供一種融電源轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信等模塊于一體的，具有實(shí)時(shí)采集電堆參數(shù)并控制電堆溫濕度功能的測控系統(tǒng)，其中電源轉(zhuǎn)換模塊包括5V、12V、6V轉(zhuǎn)換路，數(shù)據(jù)采集模塊包括電堆電壓、電流、溫度、室溫采集，報(bào)警顯示模塊包括蜂鳴器、LED報(bào)警，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與電磁閥開閉時(shí)間，數(shù)據(jù)通信模塊通過串口實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)研究與教學(xué)。
文檔編號G01R31/36GK103199284SQ20131011231
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者戚志東, 彭富明, 徐勝元, 單梁, 劉猛, 張旭 申請人:南京理工大學(xué)