基于LabVIEW的燃料电池监控系统

收稿日期:2008-09-16
作者简介:刘义成(1984—),男,湖北人,硕士研究生,主要从事工业控制与检测方面的研究;田作华(1946—),男,上海人,教授,博士生导师,主要从事网络控制与故障检测方面的研究。

基于Lab V I E W 的燃料电池监控系统
刘义成,田作华
(上海交通大学自动化系,上海　200240)
摘要:研制了一种9k W PE MFC 燃料电池监控系统,采用工控机和基于LabV I E W 的软件平台,实现了燃料电池的氧气供应系统、氢气供应系统以及风冷系统的控制和监测,并以图形化的方式动态显示燃料电池系统的工作状态并进行报警处理。

关键词:燃料电池;监控;LabV I E W 中图分类号:TP391 文献标识码:B 文章编号:1000-8829(2009)03-0013-03
Fuel Cell Con trol System Ba sed on LabV I E W
L IU Yi 2cheng,TIAN Zuo 2hua
(Depart m ent of Aut omati on,Shanghai J iaot ong University,Shanghai 200240,China )
Abstract:A contr ol syste m of 9k W PE M fuel cell monit or syste m is intr oduced,which uses industrial computer and Lab V I E W as the s oft w are p latf or m.It effectively contr ols the oxygen supp ly syste m ,hydr ogen supp ly syste m and cooling syste m and gives a user 2friendly graphical interface .Key words:fuel cell;contr ol;LabV I E W
燃料电池是一种高效、低噪音和少污染的洁净能源。

在能源问题层出不穷的今天,燃料电池由于自身的优点已经成为全球能源研究的热点,其在固定电站、
汽车及消费类电子中已经开始应用[1]。

现今,大功率的燃料电池系统仍采用半自动式控制,控制量和监测的量有限且监测不方便。

本研究基于Lab V I E W 平台实现了9k W PE MFC 电池系统的全自动控制及监测,保证了燃料电池高效稳定的运行,在无锡日新电机燃料电池研究所得到成功应用。

1　燃料电池系统的组成及原理
燃料电池由3个主要部分组成:燃料电池电极(阴、阳极)、电解质、隔膜组成。

两个电极是表面有电催化剂的多孔气体扩散电极,被隔膜分开。

燃料和氧化剂分别在阳极、阴极催化剂作用下发生电化学反应变成离子,经电解质的离子传导作用而使外电路中产
生电流[2]。

本系统中的9k W PE MFC 电堆系统是由84片电池单体、氧气供应系统(包括鼓风机、增湿器、加热器,
管路、阀门)、氢气供应系统(高压氢瓶、增湿器、加热器,阀门、管路)、风冷系统(水箱、水泵、冷却风扇、阀门、管路)、DC /DC 、DC /AC 系统、负载以及电控系统组成。

9k W PE MFC 燃料电池系统图如图1所示,其中有以下设备以及参数需要控制。

图1　燃料电池系统结构图
(1)氧气供应系统。

氧气供应系统负责给PE M 2FC 提供氧气供应,氧气供应系统中包括鼓风机、增湿
器、加热器、控制空气路开关的阀门以及管路等设备;
需要采集的量有鼓风机出口的压强、增湿器出口的空气湿度和加热器出口的空气温度,需要控制的量有鼓风机转速、增湿器的转速和加热器的开关。

(2)氢气供应系统。

氢气供应系统负责PE MFC 的燃料供应,氢气供应系统中包括了高压氢气瓶、增湿器、加热器、氢气路开启关闭电磁阀、氢气回收装置以
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31・基于LabV I E W 的燃料电池监控系统
及通气管路等设备。

需要采集的量有氢气入口处的压强、增湿器出口的氢气湿度和加热器出口的氢气温度,需要控制的量有氢气入口处的电磁阀、增湿器的转速、加热器的开关和尾气出口电磁阀。

(3)风冷系统。

风冷系统包括冷却水箱、水泵、冷却风扇、加热器和管路等设备。

需要监控的数据是冷却水进入电堆处的水温以及冷却水电堆出口处的水温,需要控制的设备有水泵的开启和关闭、冷却风扇的开启、开启风扇的数量、加热器的开启关闭。

(4)DC /DC 、DC /AC 系统。

DC /DC 、DC /AC 系统包括一个30～90V 转24V 的DC /DC 转换器和一个24V 转220V 和310V 的DC /AC 转换器。

需要控制的就是DC /DC 的开启和关闭。

(5)负载系统。

负载系统由60个100W 的灯泡组成,需要控制的就是负载的接通和关断。

首先启动开关打开,系统中所有的设备上电,工控机通过开关量输出模块使继电器25接通,蓄电池24给DC /DC 变压器及DC /AC 逆变器26供电,DC /DC 变压器及DC /AC 逆变器26产生310V 的电压输出给
变频器,变频器使鼓风机2启动从而给燃料电池堆提
供空气。

氢气入口电磁阀12接通,给燃料电池堆提供氢气,系统启动起来,燃料电池堆产生直流电,经DC /DC 变压器及DC /AC 逆变器26逆变出310V 直流电送给变频器,220V 交流电送给水泵19,24V 直流电给蓄电池24充电。

系统运行起来后,模拟量模块将影响燃料电池性能的各个物理量通过485总线传送到工控机,工控机根据这些物理量的值以及用户的指令控制继电器、逆变器以及增湿器,并且调节空气的压力、温度和湿度,氢气的压力、温度和湿度以及燃料电池堆的温度,监测上述各个物理参数对燃料电池堆的输出电压、输出电流的影响。

同时将上述所有的数据保存在数据库中供后续的数据挖掘使用。

2　硬件系统设计
为了提高系统的抗干扰性和可扩展性,系统采用485总线,总线下挂接多个子模块,同时为了产生P WM 信号控制直流电机,采用了凌华的PC I 29221l 卡。

控制系统总体框架如图2所示。

图2　控制系统总体框图
图2中的数据采集模块采用台湾泓格的I 7017模
块,它具有8路模拟量通道,输入为标准电压信号,输出接口为RS485接口。

数字量输出模块采用台湾泓格的I 7042D 模块,它具有14路开关量通道,输入接口为RS485接口,输出为隔离集电极开路输出。

变频器是LG 的iG5系列变频器,可用485通信的方式进行控制。

P WM 输出卡采用是凌华的PC I 29221,它具有2路独立的P WM 输出口,可以用来控制空气路增湿器和氢气路增湿器。

3　软件系统设计
工控机采用LabV I E W 开发系统软件,主要包括用
户管理模块,主控模块和系统管理模块3部分(图3所示)。

图3　软件系统结构图
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41・《测控技术》2009年第28卷第3期
(1)用户管理模块。

主要实现对用户的管理,用户分成管理员,操作员和一般用户,管理员权限最高,可以管理其他用户(添加删除用户,设置用户密码,设置用户权限等),启动停止系统,设置系统参数,查看系统状态等。

操作员可以启动停止系统,设置系统参数,查看系统状态等。

一般用户只能够查看系统的状态。

实现用户的分级管理,有助于提高系统的安全性。

(2)主控模块。

主控模块是系统的核心,主要包括数据采集和输出,数据处理,数据存储等部分。

数据采集部分利用Lab V I E W中的V I S A节点实现从串口读写数据。

由于是通过485总线来进行通信, 485总线上挂接有数据采集模块(I7017),开关量输出模块(I7042D)和变频器,所以必须给各个模块分配一个地址使得某一时刻只有一个在进行通信以防止总线冲突。

对于数据采集模块(I7017)和开关量输出模块(I7042D),可以根据需要采集通道号发送不同的指令,也可以选择采集所有通道的模式。

变频器采用工业中通用的Modbus通信协议。

Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据和错误检测域。

从设备回应消息也由Modbus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据和错误检测域。

如果在消息接收过程中发生错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去[3]。

这款变频器使用CRC校验,所以程序中需按照Modbus协议的格式发送数据并计算出CRC校验位,收数据时也计算收到的数据的CRC校验位查看计算结果与收到的Modbus报文中的校验位是否一致,若一致则表示变频器通信正常,否则则丢弃该数据并重新发送,若失败次数超过一定的阈值则报警。

P WM输出采用凌华的PC I29112卡,该卡提供dll 驱动,可供Lab V I E W调用。

在LabV I E W中,利用库函数节点(call library functi on node,简称节点)可以较容易地实现对DLL的调用,从而提高了程序的开发效率。

使用Call L ibrary Functi on,可以调用W indo ws标准的动态链接库(DLL),也可以调用用户自己编制的DLL[4]。

Call L ibrary Functi on位于Functi onµAd2 vanced子菜单中,将选择好的Call L ibrary Functi on图标放在设计面板(diagra m)中,然后通过对Call L ibrary Functi on这一节点图标进行配置,可以指定DLL模块中与LabV I E W数据交换的相应的驱动函数。

在调用DLL库中函数时,必须知道以下信息:函数返回的数据类型、函数调用的方式、函数的参数及类型、DLL库文件的位置等。

数据处理部分将读进来的数据进行CRC校验、滤波和变换。

CRC校验用来检验数据在传输中是否出错,出错则重发。

滤波采用的是中位值平均滤波法,连续采样10个数据,去掉一个最大值和一个最小值然后计算8个数据的算术平均值,这样可以克服一般具有随机性干扰的信号和偶然出现的脉冲性干扰。

数据存储部分利用LabS QL包将读进来的数据存储在Access数据库中。

LabS QL先配置好连接字建立一个数据库连接,然后利用sql语句进行相应的数据库操作,操作完后关闭连接。

(3)系统管理模块。

系统管理模块包括参数设置、数据显示和数据查询等部分。

参数设置部分用户可以设置系统的各项参数,如冷却风扇开启的温度、氢气出口电磁阀的打开的间隔时间、各种报警的阈值等。

数据显示部分以文字和仪表的形式显示系统当前的状态。

数据查询部分用户可以查询历史的数据和报警记录,并以曲线的方式反映系统状态的变化趋势。

报警部分根据用户设置的报警参数阈值来报警并将报警记录到数据库和文件中供以后查询。

报警级别分为两级,一级报警用户可以选择忽略,二级报警表明系统工作不正常,通过开关量输出模块使报警器发出警报声提醒用户来处理,如果报警长时间没有处理则关闭系统从而保证电堆不受到损害。

4　结束语
本研究实现了9k W PE MFC的监控,采用基于LabV I E W的软件平台实现了系统的全自动化,与其他控制系统相比,监测的点数更多,从而使得控制的效果更好。

另外在硬件设计上采用一些创新性设计,有效地控制了系统中大电流的通断。

由于采用485总线,使得系统易于扩展,成本较低。

参考文献:
[1]　衣宝廉.燃料电池的现状与未来[J].电源技术,1998,
(10):216-225.
[2]　丛文博.质子交换膜燃料电池的初步研究[D].哈尔滨工
程大学,2000201.
[3]　Modicon I nc.Modicon Modbus Pr ot ocol Reference Guide[Z].
Modicon I nc.,1996.
[4]　李高升.Lab V I E W中DLL文件的创建及其应用[J].现代
电子技术,2005,28(5):24-25.
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