PEM燃料电池堆单片电压检测系统设计
基于光继电器的燃料电池单片电压巡检系统设计
基于光继电器的燃料电池单片电压巡检系统设计随着现代社会对能源的大量消耗,传统能源越来越不能满足人类日益增长的消耗需求,因此燃料电池作为新能源以其独特的节能环保优势被越来越多国家研究。
质子交换膜燃料电池是由很多节燃料电池串联而成,每片电池都影响着整个电堆的性能与安全,同时,检测燃料电池工作状态并找出其最佳工作条件延长其寿命也尤其重要。
因此需要对每片燃料电池的输出电压值进行实时监测。
本文以燃料电池堆单片电压检测为研究对象,进行了基于光继电器的燃料电池单片电压巡检系统设计研究。
主要研究内容如下：根据燃料电池堆单片电压巡检系统的功能需求,结合巡检系统现场特殊的应用环境,提出了一种基于光电隔离继电器的燃料电池单片巡检系统总体设计方案,利用光电耦合继电器实现不同电池片电池切换,解决了传统电压采集方式中的累计电势问题,同时设计的电位提升单元有效解决了负压采集问题。
在分析质子交换膜燃料电池单片电池极化曲线和系统性能指标的基础上,完成了主从式单片电压巡检系统硬件设计,设计了巡检系统选通单元、高精度信号调理单元、负压测量单元和USB硬件接口电路,并分别详细分析了它们的原理结构和工作特点。
完成完成了下位机检测单元和主控制单元两部分软件设计。
根据巡检系统车载的实际应用,制定了严格规范的通信应用层协议,对CAN和USB应用层协议制定做了详细阐述,并给出了相应的协议格式。
给出了一种基于支持向量机电堆故障诊断检测方法。
采用支持向量机的多分类器功能对燃料电池故障进行识别,依据最大间隔距离原则优化层次支持向量机模型,使每个节点的支持向量机具有最大分类间隔,优化了多级结构的SVM,实现了电堆故障的诊断识别。
整个巡检系统采用主从式检测方式,可靠性高、可扩展性强,实现了对燃料电池堆单片电压的实时高精度检测。
此系统已经在武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室50KW燃料电池测试平台上投入使用,获得了良好的测试效果。
基于光电隔离继电器的燃料电池堆单片电压检测系统的设计
质子交换膜燃料电池发动机是汽车新型动力的重要发展方向之一，由燃料电池堆、氢气进排气系统、空气进排气系统、热管理系统、控制系统等五个部分组成。
其中，燃料电池堆是燃料电池发动机的核心［１～２］。
燃料电池堆通常由几十到几百片单电池组成。
由于运行参数的影响，燃料电池堆单片电压变化较大，通常电池堆正常单片工作电压为０．７Ｖ，空载时约为０．９Ｖ［１～２］。
电压异常则表明系统出现故障，必须立即采取措施，否则会损坏燃料电池堆。
为了保护燃料电池堆，需要开发电池堆单片电压检测系统以实时测量电池堆单片电压，并和燃料电池发动机主控制器协作处理电压异常情况。
１燃料电池堆单片电压检测系统方案设计车载燃料电池堆单片电压检测系统包括电压检测卡和通讯网络两部分；燃料电池堆在非移动应用中，如在实验室研究及固定电站应用中，还应增加计算机监控功能。
本次设计应用于实验室研究中，系统结构如图１所示。
几百片单电池的燃料电池堆可能会采用多片电压检测卡，考虑到电压检测卡与主控制器之间的通讯，同时兼顾到以后应用于车载的问题，燃料电池堆单片电压检测系统的通讯采用ＣＡＮ网络。
计算机监控部分利用第三方的ＣＡＮ卡模拟ＣＡＮ通讯，接收电压检测卡发送的单片电压数据，同时对这些数据进行显示和保存。
电压检测卡是系统的核心，实现燃料电池堆单片电压的连续采集，同时对电压值进行判断，如果电压值异常，则将对应的异常情况指示码和单片序号通过ＣＡＮ网络发送到燃料电池堆发动机主控制器，主控制器便根据接收的信息采取相应操作。
燃料电池堆单片电压测量的难点在于对精度要求高（±１０ｍＶ左右）、电压路数多和电势累积高。
考虑到光电隔离继电器漏电流极小，对１Ｖ等级的电压测量损失可以忽略，能满足精度要求；同时，通过控制光电隔离继电器的输入控制端，可保证有效选择燃料电池堆任意一片电压，解决电压路数多和电势累积的问题；另外，光电隔离继电器还有无触点、稳定性高、寿命长等优点。
因此，采用光电隔离继电器方法进行设计。
燃料电池单片电压巡检显示模块设计
燃料电池单片电压巡检显示模块设计*The Design of Displaying Module about Cell V oltage Monitor System of Fuel Cell （武汉理工大学） 胡鑫 陈启宏 全书海HU XIN CHEN QIHONG QUAN SHUHAI 摘要:为了能够准确实时的监测燃料电池单片电压, 设计了单片电压巡检系统显示模块。
该模块主要由单片机PIC18f258、液晶显示器CA12864F及键盘组成。
单片机对采集的各单片燃料电池电压信号经滤波、统计分析后，将各单片电压及统计信息发送给液晶显示器，并通过按键导航控制液晶显示。
该显示模块已在燃料电池巡检系统中得到成功应用。
关键词: PIC单片机; 液晶显示模块; 接口技术中图分类号:TP227 文献标识码:BAbstract:In order to supervise cell voltage of fuel cell real timely and accurately, this paper has designed displaying module in the system of cell voltage monitor. The module was composed by PIC18f258, LCD CA12864F and keyboard. The PIC sent cell voltages and gather information to LCD after filter and statistic of voltage signal. Then, control it by key-press. It has being successfully used in cell voltage monitor system.Key words:PIC single-chip microcomputer; liquid crystal displaying module; interface technology前言燃料电池电动汽车是治理汽车尾气污染和解决燃料问题最现实的途径, 燃料电池技术将成为21世纪汽车工业的核心。
PEMFC电压监控系统设计
PEMFC电压监控系统设计刘佼龙;杨莉;刘教瑜;梁钜亮【摘要】为了实时监控燃料电池的运行状况,保障电池堆安全、可靠地运行,设计了一种单体电池电压监控系统.系统以PIC单片机为主控制器,采用基于高压模拟开关阵列的电压采集方法,利用CAN总线的方式与上位机通信.上位机采用LabVIEW平台开发电池电压监控界面系统,界面以波形图、表格、数值显示控件等形式向用户汇报电堆的运行情况.该系统实时性高、界面友好、控制简单,能够有效地保障电堆的安全.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2017(036)003【总页数】4页(P85-87,92)【关键词】单片机;LabVIEW;CAN总线通信;电压监控【作者】刘佼龙;杨莉;刘教瑜;梁钜亮【作者单位】武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430070;武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430070;武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430070;武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TP277如今，环境污染和能源危机已成为制约社会进步、经济发展的关键因素，尤其近年来汽车产业飞速发展，由此导致的环境和能源问题日益突出，新能源的开发迫在眉睫。
燃料电池(PEMFC)是一种能量转换率高、无污染、可大量供电的清洁高效的分布式新能源[1]。
对燃料电池系统而言，电池电压是其运行状态最直观的体现，系统出现的异常直接表现在电压的变化上。
燃料电池一般由许多片单体燃料电池串联组成，其中任何一片异常或故障，若未能及时检测并加以处理可能造成电池堆的性能下降乃至损坏[2]。
因此对燃料电池电压的监控显得尤为重要。
为了确保燃料电池堆运行的可靠性，电池电压监控系统是必不可少的。
燃料电池堆是由上百片的单片电池串联组成，虽然每一块电池的电压大约只有0.5 V～0.9 V，但是串起来的总电压可达上百伏。
电压监控系统主要是由上位机数据显示界面与下位机电压采集及通信模块组成，包括主控制器、高压模拟开关阵列——燃料电池多路通道选通模块、信号调理模块及上、下位机通信模块等[3]。
燃料电池单片内阻在线检测系统设计与实现的开题报告
燃料电池单片内阻在线检测系统设计与实现的开题报告题目：燃料电池单片内阻在线检测系统设计与实现一、问题的背景和意义燃料电池是一种可以直接将氢气或含氢物质转化为电能的能源转换装置，具有高效率、绿色环保等优点，被广泛应用于汽车、通信基站、无人机等领域。
然而，随着使用时间的不断延长，燃料电池内部的膜电解质、电极等材料会出现降解、腐蚀、损伤等问题，导致燃料电池性能下降。
其中，燃料电池的单片内阻是影响燃料电池性能的一个重要因素。
因此，燃料电池单片内阻在线检测系统的设计和实现对于实现燃料电池长期稳定运行具有重要意义。
二、研究的内容和任务本课题旨在设计和实现燃料电池单片内阻在线检测系统。
具体研究内容和任务如下：1. 燃料电池单片特性分析：对燃料电池单片的工作原理、结构、性能参数等进行分析研究。
2. 内阻检测原理研究：调研内阻检测技术，对比分析不同的内阻检测方法，选择适合燃料电池单片内阻在线检测的方法。
3. 系统设计：基于硬件和软件平台，设计并搭建燃料电池单片内阻在线检测系统，包括采集、处理、传输等模块。
4. 系统实现：设计和编程实现燃料电池单片内阻在线检测系统，通过实验验证系统的可行性和有效性。
三、研究的方法和步骤1.文献调研：综合国内外的相关文献，了解燃料电池单片和内阻检测技术的研究现状和发展趋势。
2. 燃料电池单片特性分析：研究燃料电池单片的工作原理、结构、性能参数等，为内阻检测提供依据。
3. 内阻检测原理研究：调研内阻检测技术，对比分析不同的内阻检测方法，选择适合燃料电池单片内阻在线检测的方法。
4. 系统设计：基于硬件和软件平台，设计并搭建燃料电池单片内阻在线检测系统，包括采集、处理、传输等模块。
5. 系统实现：设计和编程实现燃料电池单片内阻在线检测系统，通过实验验证系统的可行性和有效性。
四、预期的研究成果1. 燃料电池单片特性分析报告：对燃料电池单片的工作原理、结构、性能参数等进行分析研究，总结出燃料电池单片的特点和技术难点。
PEMFC电池堆单体电池电压巡检系统开发与实验
PEMFC电池堆单体电池电压巡检系统开发与实验王慕之;赵思臣;王奔;韩明;贾俊波【摘要】设计了基于差分运放和光耦开关的硬件采样模块,以及基于LabVIEW的算法程序、数据采集及界面控制的软件处理模块的燃料电池单电池电压特性巡检系统.该系统精度高、抗干扰性强、测试电压路数多,而且能实现数据的实时采集、显示和保存,并对电压异常情况进行警示.本系统已成功应用于百瓦级阴极开放式燃料电池堆的测试,实验证明具有良好的测试精度与稳定性.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】4页(P84-86,191)【关键词】质子交换膜燃料电池;单体电池电压巡检系统;差分放大;LabVIEW;燃料电池输出特性【作者】王慕之;赵思臣;王奔;韩明;贾俊波【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;淡马锡理工学院清洁能源研究中心,新加坡529757;淡马锡理工学院清洁能源研究中心,新加坡529757;中国核动力研究设计院反应堆工程研究所,四川成都610041;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;淡马锡理工学院清洁能源研究中心,新加坡529757;淡马锡理工学院清洁能源研究中心,新加坡529757【正文语种】中文【中图分类】TM912随着现代社会的高速发展，人类对能源的消耗越来越大，传统化石能源已不能满足日益增长的需求。
尤其在强调可持续发展的今天，开发和利用新型清洁能源成为大势所趋。
燃料电池作为一种高效无污染的新能源技术，不受卡诺循环限制，直接将存储在燃料中的化学能等温、高效地转化为电能，具有体积小、噪音低、无污染、启动迅速等诸多优势。
其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)除了具有上述燃料电池的共同优点外，还具有功率密度高、启动快速、开关循环特性及结构简单等突出特点，是汽车新型动力源的重要发展方向之一。
试析燃料电池电堆的精密装配检测系统设计
试析燃料电池电堆的精密装配检测系统设计摘要：燃料电池是将燃料中的化学能直接转换为电能的装置，其可提供更清洁、高效和可持续化的能源，是2l世纪最具有发展和应用前景的能源技术之一。
在装配之前，检测燃料电池组件的尺寸是否合乎设计要求对其性能的影响具有重要意义。
采用百分表来测量电池组件的变形时，每次试验需要的单电池、连接板和波纹板等电池组件数量大，测量的工作量大，人工记录测试数据也很不方便。
针对上述情况，本文设计一套适用于燃料电池组件的自动检测系统，在上位机上实现了数据的实时显示、处理、存储和回放。
关键词：燃料电池电堆；精密装配；检测系统设计导言：经济不断发展的今天，伴随的是对能源需求的不断增加和日益恶化的自然环境，减少化石燃料的使用。
从不可再生能源向可持续发展能源的转变迫在眉睫。
因此，本文设计的系统采用百分表作为测头，控制器控制x,y方向的移动，自动完成燃料电池组件变形量的检测，并有上位机监控软件以图形化的形式实现数据的监控、存储和回放。
系统具有检测精度高、速度快和操作方便的特点，极大地减轻了操作人员的劳动强度，具有很好的实用性。
1固体氧化物燃料电池（SOFC）简介1.1工作原理固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效和环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
以氢气燃料为例，当电池组工作时，空气进入电池阴极一侧，获得电子变为负离子，通过固体氧离子导体，扩散至电解质与阳极表面；具有催化功能的阳极表面吸附通入阳极的燃气，通过阳极多孔结构扩散至阳极与电解质界面，在高温条件下与氧离子发生反应，失去的电子通过外电路到阴极，形成电流。
1.2 SOFC基本特征及应用与传统的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池具有高效、洁净、全固态结构和高温运行的特点，它是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，不受卡诺循环的限制，具有很高的化电转换效率，噪声低，对燃料要求低，但其对工作温度的要求较为苛刻。
高速PEMFC单片电压监测系统设计
高速PEMFC单片电压监测系统设计游志宇; 汪立伟【期刊名称】《《西南民族大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(045)005【总页数】8页(P499-506)【关键词】质子交换膜燃料电池; 单片电压; 电压采样; 模拟切换开关; 电阻分压; USB-6233【作者】游志宇; 汪立伟【作者单位】电子信息工程国家民委重点实验室(西南民族大学) 四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TM911.4随着全球经济的快速发展，开发与利用可再生新能源、降低碳排放成为各国能源开发与利用的发展方向.氢燃料电池作为氢能利用装置，其能量转换效率高、不受卡诺循环限制、清洁环保[1]，成为最有前景的新能源发电装置，在航空、备用电源、新能源电动汽车等诸多领域得到大量应用. 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC)因启停快、工作温度低、动态响应灵敏等特点成为燃料电池领域研究的焦点[1]，处于商业应用的前沿，影响PEMFC 商业应用的关键因素是其运行性能及使用寿命[2-4].PEMFC 电堆由多个单片电池串联形成，电池材料、流场结构、负载加载方式、电堆工作条件(工作温度、氢气压力、氧气压力、过氧比)、电堆启停策略、负载运行工况[5]等均将影响PEMFC 的运行性能及使用寿命[2，6-9].单片电压过低，将导致质子交换膜电化学活性衰退、出现局部“热点”，严重时将引起PEMFC 反极化而永久性损坏电堆[2].因此PEMFC 单片电压监测在PEMFC 流场结构设计、工作条件控制[10]、启停策略制定[7-8]、暂态分析、故障诊断、剩余寿命预测[11]、控制策略研究[9]等方面起着至关重要的作用，有必要开发设计高速PEMFC 单片电压监测系统，以满足PEMFC 暂态分析、故障诊断的需要.PEMFC 单片电池开路电压理论值约为1.229 V，正常工作时电压在0.5 ～0.8 V之间，为满足大功率高电压应用的需要，常由几十甚至上百片单电池串联构成PEMFC 电堆，串联结构导致电堆整体性能由性能最差的单片电池反应[2，12].为监测电堆在不同流场结构、运行条件、运行工况、控制策略下的暂态响应过程，需要高速捕捉单片电池的电压变化，并通过对单片电池电压暂态变化与不一致性的分析，调整控制策略、加载方式、工作条件等，以改善电堆的运行性能，延长电堆的使用寿命. 鉴于此，本文利用高速数据采集卡，结合电压分压法，设计并实现了一种高达128片单片电压采集的高速、高精度PEMFC 单片电压监测系统，以满足PEMFC 电堆在流场结构设计、不均衡分析、暂态响应分析、控制策略研究等实验测试场合的应用要求.1 系统方案设计不同输出功率及电压的PEMFC 电堆单片电池数量不一致，导致单片电压采集困难. 已有相关文献在PEMFC 应用中针对单片电池电压监测采用机械继电器法、电压分压法、差分放大器法、光电隔离法、专用锂电池监测芯片等对单片电压进行预处理，在结合单片机、DSP 等微处理器构成采集系统[13-17]，为PEMFC 电堆运行与控制提供状态参数. 现有的单片电压采集系统仅作为PEMFC 发电控制系统的一个监控单元，为PEMFC 电堆的运行控制提供状态监控数据，并未实现电堆暂态信息的采集，其测量转换时间长、采集精度低，不能满足PEMFC 单片电压暂态分析与故障诊断的需要.本文针对PEMFC 的特点设计了一种高速、高精度PEMFC 单片电压监测系统，该系统可对1 ～128 片单片电池(目前常用实验PEMFC 电堆大部分都在128 片以下)构成的PEMFC 电堆进行单片电压监测，具体应用时可通过监测软件设置实际采集的单片数量.所设计的采集系统最高可以采集128 片单片电池电压，因此从各单片电池正极引出需要采集的电压信号最高有128 个，第1 片单片电池的负极作为采集系统公共参考地.对128 个模拟电压信号最快速的采集方法是采用128 个高速ADC 转换单元进行并行采样，在同一时刻完成128 个模拟电压采集. 该方法采集速度虽快，但存在采集电路复杂、成本高、瞬时数据量大等问题，其实现较为困难. 为降低采集电路复杂程度及成本，一般采用串行巡检的方式，用一个高速ADC 转换单元与模拟多路切换电路实现多路模拟信号的串行采集.为保证采集的精度及可靠性，本文选用高速数据采集卡实现采集. 经综合对比分析后，拟采用最大采样率为1MS/s、分辨率为16 位的64 通道高速数据采集卡USB -2633 进行单片电压采集. 首先将引出的128 路单片电池正极电压分成低64 路(C1 -C64)和高64 路(C65 -C128)两组，再利用模拟多路切换单元将低64 路和高64 路分时切换成一组64 路单片电压信号，切换后的信号在经信号调理单元处理后与USB -2633 数据采集卡连接，由上位机监测软件通过两次全通道采样，实现最大128 路单片电压的采集，其结构框图如图1 所示.图1 系统结构框图Fig. 1 Structure diagram of systemUSB-2633 数据采集卡输入电压范围为-10 V ～+10 V，转换精度为16 位，硬件理论误差约为0.3 mV；最大采样率为1 MS/s，完成一次64 通道采集硬件理论时间约为64 μs.信号调理单元采用单电源供电、低功耗、低偏移的精密JFET 放大器AD8627 进行信号调理，其带宽为5 MHz.模拟多路切换单元选择ADI 公司的ADG1434 进行设计，其开环增益为135 MHz，闭合延迟时间约为80 ns，转换时间约为350 ns，再考虑一定的切换稳定时间余量，完成一次切换时间约为1μB -2633 数据采集卡具备IO 输出端口，上位机监测软件根据当前准备采集的高、低组，输出高低电平H/L，实现模拟多路切换单元对高64 路与低64 路的切换.输出切换控制信号的时间根据系统而定，硬件理论时间约为0.25 ms，再考虑操作系统的延迟，输出控制信号不会超过1 ms.上位机监测软件实时获取PEMFC 电堆单片电压数据，并实时显示与存储.PEMFC 单片电池理论开路电压为1.229 V，正常工作时电压约为0.5 ～0.8 V，128 个单片串联形成PEMFC 电堆，其第128 片单片电池正极电压高达157.32 V，第1 片最低电压仅为0.5 V 左右，不满足USB-2633 模拟输入电压的要求.为使单片电压信号在数据采集卡允许输入范围的合理区间内，对引出需要采集的电压进行预处理，各电压的缩放系数如表1所示.表1 单片电压信号缩放系数Table 1 Scale factor of single cell voltage signal单片序号Cn 缩放系数理论误差(mV) 单片序号Cn 缩放系数理论误差(mV)n=1 ～4 放大6.6667 倍 0.05 n=32 ～38 缩小5 倍 1.5 n=5 ～7 不缩放 0.3 n=39 ～47 缩小6 倍 1.8 n=8 ～15 缩小2 倍 0.6 n=48 ～84 缩小11 倍 3.3n=16 ～23 缩小2.5 倍 0.75 n=85 ～121 缩小16 倍 4.8 n=24 ～31 缩小4 倍1.2 n=122 ～128 缩小21 倍 6.3根据各单片对应的缩放系数，C1 ～C4 利用AD8627 进行信号放大处理，C8 ～C128 利用高精度、低温漂电阻按比例进行分压变换，使各单片电压在0～10 V范围中间位置. 按照表1 的缩放系数，USB -2633 数据采集卡各通道的理论误差不一致，121 片以下理论误差约为5 mV，122 ～128 片理论误差最大，约为6.3 mV，但总体理论误差较小，满足PEMFC 单片电压暂态监测的精度要求.2 信号调理硬件设计2.1 电压放大电路设计从PEMFC 电堆引出的C1 ～C4 电压较小，为提高采样精度，利用放大器AD8627 对C1 ～C4 的电压进行放大，放大倍数见表1 所示.由于PEMFC 正常工作时单片电压在0.5 ～0.8 V 之间，C1 ～C4 放大后的值在3.3 V ～8.2 V 之间，位于USB -2633 数据采集卡模拟输入范围的中间位置，有利于提高采集精度，其放大电路如图2 所示.2.2 多路切换电路设计模拟多路切换开关ADG1434 为四通道单刀双掷，需要对128 路单片电压信号分成2 组64 路，共需要16 片ADG1434 构成模拟多路切换处理单元.单片电压C1 ～C128 经分压或者放大预处理后，分为Ci1～Ci64 与Ci65 ～Ci128 两组，Cin 与Ci(n +64)经单刀双掷开关切换成Xn(n =1，2…..64)，共用一个采集通道，其电路原理图如图3 所示.IN1 ～IN4 为多路切换开关的控制端，当其为低电平时Cin 与Xn 相连接，当其为高电平时Ci(n +64)与Xn 连接.IN1 ～IN4控制信号CTR 由USB -2633 数据采集卡的IO 端口输出，为实现高、低64 路同时切换，将模拟多路切换处理单元的所有控制端并联在一起，由同一个控制信号CTR 实现同步切换.经模拟切换后的信号Xn 经放大器AD8627 构成的电压跟随单元处理后与USB -2633 数据采集卡的模拟输入通道连接.图2 单片电压放大电路Fig. 2 Amplifier circuit of single voltage图3 切换电路原理图Fig. 3 Schematic diagram of switching circuit2.3 电源滤波设计信号调理单元主要完成单片电压信号的变换与调理，其供电电源的不稳定性将影响信号调理单元的性能，增加噪声，降低采集精度. 采用开关电源输出12V 直流对采集电路供电，为降低开关电源输出纹波及固有噪声的影响，在输入端并联多个滤波电容，在经电源静噪滤波器NFM31KC 消除电源的电磁噪声，以提高供电电源的质量，降低对运算放大器、模拟切换开关等模拟电路的影响，设计的电源滤波电路如图4 所示.图4 电源滤波电路Fig. 4 Filter circuit of power supply3 监测软件设计监测软件主要对PEMFC 单片电压监测硬件进行控制，完成PEMFC 电堆单片电压的采集、数据处理，计算出各单片电压值，并实时显示与保存. 利用Lab-VIEW 进行监测软件设计，其流程图如图5 所示.图5 监测软件流程图Fig. 5 Flow chart ofmonitoring software在监测软件启动后首先进行系统初始化(数据缓存、系统参数、数据保存路径等)，并设置要监测的PEMFC 电堆单片电池数量，随后进入待机状态，等待单片电压监测启动. 当启动单片电压监测后，先对USB-2633 数据采集卡硬件(信号采集模式、采样时间、采样通道等)、显示界面、数据存储缓存进行初始化，输出模拟切换单元控制信号CTR，选择低64 路单片电压，延时1 ms 以保证模拟切换单元完成切换并稳定，随后根据需要采集的单片电池数量启动单片电压监测.若需要监测的单片数量不大于64 片，监测软件控制硬件进行一次采样即可完成一次采集，并将采集的数据转换成各单片的实际电压值，按需要进行显示和存储，随后开始新的一次单片电压采集，直到停止采集为止；若需要监测的单片数量大于64 片，监测软件先采集低64 片电压数据并保存，随后输出模拟切换单元控制信号CTR，切换到高64 片，再采集高64片电压数据并保存，待高64 片单片电压数据采集完后，根据实际选择的单片数量将数据转换成各单片的实际电压值，按需要进行显示和存储. 随后重新设置模拟切换单元控制信号CTR，切换到低64 片，开始新的一次采集，直到停止采集为止. 监测软件设有柱状图、数字两种显示界面，也可根据测试需要增加实时曲线显示.监测单片数据保存在指定文件内，实验后可进行数据分析，操作显示界面如图6 所示，图6 监测系统与测试PEMFC 电堆Fig.6 Monitoring system and testing PEMFC stack4 系统测试根据图1 所示的PEMFC 单片电压监测系统结构，对单片电压调理单元硬件进行了详细设计，最终构建了PEMFC 单片电压监测系统，并利用Ballard 公司的80 片空冷自增湿PEMFC 电堆对监测系统进行测试，实验测试实物图如图6 所示.将PEMFC 单片电压监测系统的单片电压测量端分别插入电堆各单片连接处，启动检测软件即可实时监测各单片电池的电压值，并将监测的值保存到系统自动生成的文件中，实验结束后可对数据进行后期分析.根据监测系统硬件及软件控制流程，对于单片电池数量不大于64 片的，在采集过程中不需要进行信号切换，完成一次采集的时间仅为数据采集卡的硬件采集时间与监测软件对采集数据进行处理(计算、显示、存储)的时间，从测试保存的数据统计得出完成一次采集的时间约为1 ms. 对于单片电池数量大于64片的，在采集过程中需要进行两次信号切换，因此完成一次采集的时间为两个硬件采集时间、两个信号切换时间、两个1 ms 延时时间、监测软件对采集数据进行处理的时间，从测试保存的数据统计得出完成一次采集的时间约为6 ms. 监测系统对低于64 片单片的采集速度非常快，高于64 片的采集增加了硬件切换及软件延时时间，导致采集时间稍长，但总体采集时间满足PEMFC 单片电压暂态监测的要求.为测试PEMFC 单片电压监测系统各通道采集的精度，本文利用高精度直流电源对各通道进行模拟测试.测试的方法是利用高精度可调直流电源输出两个差值在1 V 以内的直流电压信号，分别接到PEMFC单片电压监测系统相邻的两个测量端(如图1 中的Cn、Cn-1(n=1，2，3…128)，电压值大的接在采集通道的Cn 端，值小的接在Cn-1 端，监测系统分别测量出两个通道的值，计算其差值作为第n 片单片电池的电压值)进行测试，将直流电源输出的差值与监测系统测量值对比得出监测系统的测量误差，部分测试结果如表2 所示.经多次测试，将各通道的误差求算术平均作为PEMFC 单片电压监测系统的总误差. 实验测试得到的平均误差为4.52 mV，单片最大误差为6.32 mV，最小误差为0.26 mV，测量误差在数据采集卡理论误差范围内，完全满足PEMFC 单片电压采集要求，适合用于PEMFC 电堆单片电压实验测试与暂态分析.表2 单片电压采集精度部分测试结果Table 2 Part test result of single chip voltage acquisition accuracy单片序号Cn 误差(mV) 单片序号Cn 误差(mV)C3 0.28 C35 1.51 C7 0.26 C45 1.79 C12 0.55 C70 3.22 C20 0.67 C100 4.83 C30 0.98 C125 6.325 结论在分析PEMFC 单片电压采集的重要性与作用后，针对PEMFC 暂态分析与故障诊断的需要，利用电阻分压、高速模拟切换开关、高速精密运算放大器设计了单片电压调理单元，并结合高速数据采集卡构建了一种高达128 片单片电压采集的高速PEMFC 单片电压监测系统.通过对硬件电路、监测软件的详细设计，最终实现了高速PEMFC 单片电压监测系统样机.经试验测试表明，监测系统测量平均误差为4.52 mV，测量速度为1 ms(采集单片数不大于64 片)和6 ms(采集单片数大于64 片)，样机系统测量误差小、采集速度快，能实时采集到单片电压的暂态变化，可用于PEMFC 电堆控制策略、均衡性、故障诊断等的分析，具有较强的应用价值. 参考文献【相关文献】[1]LI YANKUN， ZHAO XINGQIANG， LIU ZHIXIANG， et al. 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燃料电池单片电压巡检系统的设计
燃料电池单片电压巡检系统的设计
杨爱民;宋仲康
【期刊名称】《电池工业》
【年(卷),期】2006(011)005
【摘要】本文介绍了基于VB6和RS-485总线技术的燃料电池单片电压循环检测和分析系统的设计.给出了整个测试系统的构成和工作原理,分析了数据采集模块的硬件设计原理和具体设计过程,详细介绍了如何用VB编程实现上位机和下位单片机的通信.
【总页数】3页(P322-324)
【作者】杨爱民;宋仲康
【作者单位】武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉,430070;武汉理工大学自动化学院,湖北,武汉,430070
【正文语种】中文
【中图分类】TP368.1
【相关文献】
1.可测正负压的燃料电池单片电压检测系统设计 [J], 邓坚;王姣;邓超;全书海
2.燃料电池堆单片电压巡检系统设计 [J], 杨维;全书海;陈启宏
3.直接甲醇燃料电池的电压自动巡检系统设计 [J], 曾洁;刘木林;谢文豪;卜凡涛
4.PEM燃料电池堆单片电压检测系统设计 [J], 阎群;李歆;张明波;余达太
5.基于VB6．0的燃料电池单片电压巡检系统的设计 [J], 杨爱民; 宋仲康
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实验报告5燃料电池电堆测试
《燃料电池电堆测试与分析》实验报告一.实验目的：１.掌握PEMFC电堆测试台的基本结构和操作方法；２.通过实测，掌握电堆极化曲线的测试方法，学会绘制极化曲线、功率曲线等图谱；３.能将燃料电池电堆的实测性能应用于燃料电池系统的构建上；锻炼运用理论分析、解决实际问题的能力和方法。
二.实验原理：将所需测量的PEMFC电堆与NBT燃料电池测试系统连接，通过控制平台调节燃料电池的氢气和空气流量，设置负载的电流值（也就是燃料电池电堆的电流值），观察记录电压值和功率值得变化，利用所记录的数据画出燃料电池的i-V和i-P曲线。
三.实验仪器设备和器材序号名称规格或型号数量1燃料电池测试系统NBT12燃料电池电堆PEMFC13四.测试平台开机顺序测试１.打开气源，检查氢气、空气（外部供应时）的压力是否正常、去离子水的液位是否正常；室内氢气泄露报警系统是否正常；氢气、空气与水的排放口是否连接妥当，氢气管路的出口必须接于室外。
注意测试时的人员与设备的安全。
２.给测试平台上电，380VAC。
３.开启电脑，与设备联机。
４.手动设置适当的氢、空、冷却水温度（注意不应超过80℃）、各流体最低流量、电堆片数、活性面积等参数。
５.设定数据保存路径和文件名，开始记录数据。
６.测试极化曲线。
根据电堆所需要氢空流量，手动设置电流，测试极化曲线。
７.实验结束。
五.提前制作电堆运行所需氢气和空气的流量表，如下表所示。
已知条件：电堆片数：19片，单电池活性面积250cm2; 阴/阳极化学计量比：3.5/1.5; 常压电流（A）氢气流量（L/min）氧（空）气流量（L/min）00050.03490.6108100.0698 1.2215200.1396 2.443400.2792 4.886600.41887.329800.55849.7721000.698012.2151200.837614.6581400.977217.101160 1.116819.544180 1.256421.987200 1.39624.43六.绘制电堆的极化曲线和功率密度曲线，需要标明必要的测试条件。
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