专利名称：质子交换膜燃料电池测控平台的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源领域，特别是一种质子交换膜燃料电池测控平台。
背景技术：
随着世界能源的匮乏，我国制定了很多政策，提出了很多措施大力发展新能源行业，燃料电池教学平台的建设可以是大专院校及中学的学生们学习和了解这种新能源技术的工作原理及发电过程。目前传统的教学手段无法很好的解决理论与实践脱节现象，教学过程中不能很好的突出教学重点、突破教学难点，教学效果的实时检测能力较差，也无法很好的解决当前教学和实训内容与行业企业需求相差甚远的矛盾。常规的质子交换膜燃料电池测控平台是通过数据采集卡和PLC实现的。以数据采集卡为基础、以PC为主控单元的控制方案，主要利用数据采集卡能够实现模拟量、数据量的采集和控制功能来实现的，但数据采集卡的成本相对较高。以可编程控制器(PLC)作为主控单元的控制方案主要因为利用PLC在开关量控制方面具有的优势，在工业中应用广泛，但PLC的数据存储和图形显示功能很差。

发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种质子交换膜燃料电池测控平台。实现本发明目的的技术解决方案为:一种质子交换膜燃料电池测控平台，包括氢气供应单元、氧气或空气供应单元、PEMFC电池堆、电力电子转换单元、负载实验单元和控制单元，氢气供应单元、氧气或空气供应单元均与PEMFC电池堆相连接，为PEMFC电池堆提供氢气、氧气或空气，PEMFC电池堆通过电力电子转换单元与负载实验单元相连接,为负载实验单元提供电能，PEMFC电池堆还与控制单元相连接，在控制单元的控制下运行。本发明与现有技术相比，其显著优点为:1)本发明的平台可以测试燃料电池堆的性能和运行状态，全面监测各种参数与电池堆性能之间的关系，通过控制单元控制电池实际运行所需的工作条件；(2)采用先进的控制方法，通过串口接收上位机控制参数调节风扇转速和电磁阀开闭时间，执行燃料的温、湿度控制，使得电池具有良好的输出性能；(3)设计燃料电池参数采集与控制硬件系统，向上位机传送燃料电池的实时参数，并接受上位机的控制指令。实时诊断燃料电池的运行故障，进行声光报警，并实时切断负载，使电池能够安全工作。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。


图1是本发明系统结构示意图。图2是控制单元结构框图。图3是电流采集模块电路图。
具体实施例方式结合图1，本发明的一种质子交换膜燃料电池测控平台，采集并向上位机传送燃料电池的实时参数，接受上位机的控制指令，调节风扇转速和电磁阀开闭时间，执行燃料的温、湿度控制。包括氢气供应单元、氧气或空气供应单元、PEMFC电池堆、电力电子转换单元、负载实验单元和控制单元，氢气供应单元、氧气或空气供应单元均与PEMFC电池堆相连接，为PEMFC电池堆提供氢气、氧气或空气，PEMFC电池堆通过电力电子转换单元与负载实验单元相连接，为负载实验单元提供电能，PEMFC电池堆还与控制单元相连接，在控制单元的控制下运行。结合图2，所述控制单元包括执行单元、供电电路、数据采集模块、报警显示模块、单片机和通信单元，所述执行单元与单片机相连，在单片机的控制下调节PEMFC电池堆电磁阀的开闭时间和风扇的占空比；供电电路与单片机相连，为单片机供电；数据采集模块与单片机相连，将采集到的电流信号、电压信号、环境温度和电堆温度传输给单片机；单片机与报警显示模块相连接，在电流过大或电堆温度过高时发出报警信号；单片机还与通信单元相连接，通过通信单元与上位机进行通信。电源模块采用LM2576-12芯片将电堆电压转化为12V供给风扇，然后再通过L7805将12V转化为5V供给PIC18F2580及其他芯片，5V电压通过7806转化为6V提供给电磁阀。数据采集模块分为电压采集模块、电流采集模块。电压采集模块通过24K和100K电阻进行分压，电压进入A/D转换器；电流采集模块采用电阻测电流法，采样电阻采用0.05 Ω，将采样电阻电压通过放大器将采样电压放大6倍进入A/D转换器；堆温采集通过热电偶进行采集，通过MAX6675信号转换后进入单片机；室温采集通过TC72采集，信号进入单片机。执行模块通过PIC18F2580的PWM模块来控制电磁阀与风扇驱动电路，中间通过光耦PS2801进行隔离。报警模块通过PIC18F2580的I/O 口控制蜂鸣器的驱动电路。通信模块是PIC18F2580的串口通信模块通过MAX232来与上位机相连。所述执行单元包括电磁阀和风扇。电磁阀驱动一端接单片机的I/O端口，电磁阀驱动的另一端接电磁阀，通过单片机控`制电磁阀的开闭来定时排放电化学反应生成的废气和多余水分，电磁阀为常闭状态，只有接收到高电平脉冲时才会打开；风扇驱动一端接单片机的I/o端口，风扇驱动的另一端接风扇，如果电堆温度过高，利用单片机产生的PWM信号来控制风扇内部的电机转速，以达到调节电堆温度的效果，PWM信号由PIC单片机提供，风扇额定电压为12V，额定电流为0.7A。所述数据采集模块包括电流采集模块、电压采集模块、环境温度采集模块和电堆温度采集模块，电压采集模块和电流采集模块通过调理电路连接到A/D转换芯片AD0809的输入端。AD0809的输出端接单片机的I/O 口。其中电流采集模块包括第一端子J7、第一保险丝FS1、第一二极管D3、第一场效应管Q4、第一光耦IS01、第一电阻R17、第二电阻R27、第三电阻R30、第四电阻R31、第五电阻R53、第六电阻R62、第七电阻R65、第八电阻R66、第九电阻R61、第十电阻R63、第i^一电阻R64、第十二电阻R39、第一电容C34、第二电容C30、第三电容C31、第一集成运放U16、第一稳压管ZD7 ；
所述第一保险丝FSl的一端接电堆输出正极输出B+，第一保险丝FSl的另一端接第一二极管D3的2端和第一端子J7的I端，第一二极管D3的I端和第一端子J7的2端接第一场效应管Q4的5、6、7、8端，第一场效应管Q4的4端接第三电阻R30的一端和第一光耦ISOl的3端，第三电阻R30的另一端接模拟地，第一光耦ISOl的4端接+12V电源，第一光耦ISOl的2端接数字地，第一光耦ISOl的I端接第二电阻R27的一端，第二电阻R27的另一端接PIC18F2580芯片的CTL_L0AD引脚和第一电阻R17的一端，第一电阻R17的另一端接数字地，第一场效应管Q4的1、2、3端同时接第四电阻R31、第五电阻R53、第六电阻R62的一端，第四电阻R31、第五电阻R53的另一端同时接模拟地,第六电阻R62的另一端接第一电容C34、第七电阻R65的一端和第一集成运放U16的10端,第一电容C34的另一端接模拟地，第七电阻R65的另一端接第八电阻R66的一端，第八电阻R66的另一端接模拟地，第一集成运放U16的4端接+5V电源和第三电容C31的一端，第三电容C31的另一端接模拟地，第一集成运放U16的11端接模拟地，第一集成运放U16的9端接第九电阻R61、第^^一电阻R64的一端，第九电阻R61的另一端接模拟地，第十一电阻R64的另一端接第十电阻R63的一端,第十电阻R63的另一端接第一集成运放U16的8端和第十二电阻R39的一端，第十二电阻R39的另一端接第二电容C30、第一稳压管ZD7的一端和A/D转换芯片MCP3208的CH5_L0AD引脚，第二电容C30和第一稳压管ZD7的另一端接模拟地。所述报警显示模块包括扬声器报警器和灯光报警器。所述通信模块采用芯片MAX232。所述单片机的型号为PIC18F2580。所述供电电路包括PEMFC 电源、LM2576、IB0505LS-1W、MC34063AD、LM7806, PEMFC电源输出接降压稳压型开关芯片LM2576的输入端，将扩18V的电源电压通过LM2576转为5V，LM2576的输出端接IB0505LS-1W的输入端，利用IB0505LS-1W隔离电源隔离出数字地与模拟地并稳压在5V，IB0505LS-1W的输出端接单片机的电源和MC34063AD输入端，MC34063AD将5V转为12V，MC34063AD的输出端接执行单元的风扇驱动和LM7806的输入端，LM7806将12V转为6V，LM7806输出端接执行单元的电磁阀驱动。所述通信单元包括MAX232，串口通信芯片MAX232的一端接单片机的UART模块，MAX232的另一端接DB9，DB9通过串口线与上位机相连。通信模块负责上、下位机之间的数据交换，比如上位机向下位机发送采集温度或是打开电磁阀的命令，又或者下位机将采集到的温度、电流、电压的数 据返回给上位机。电压采集模块通过100K和24K电阻进行分压实现，电压经过分压之后之后进入A/D转换芯片AD0809的输入端。环境温度采集通过数字温度传感器TC72实现，TC72的输出端通过SPI总线传输的方式接入单片机的I/O 口。电堆温度采集通过热电偶和解码芯片MAX6675实现，热电偶放入电堆内部，热电偶的输出端接MAX6675，MAX6675的输出端通过SPI总线传输的方式接入单片机的I/O 口。所述报警显示模块包括扬声器报警和灯光报警，扬声器报警采用蜂鸣器，蜂鸣器一端接单片机的I/O 口，蜂鸣器的另一端接+5V电源。灯光报警采用LED灯，LED灯一端接单片机的I/O 口，蜂鸣器的另一端接+5V电源。由上可知，本发明的质子交换膜燃料电池测控平台可以较好的展现燃料电池的工作原理，测试燃料电池堆的性能和运行状态，可以全面的监测各种参数与电池堆性能之间的关系，并通过控制单元控制电池实际运行所需的工作条件。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，包括氢气供应单元、氧气或空气供应单元、PEMFC电池堆、电力电子转换单元、负载实验单元和控制单元，氢气供应单元、氧气或空气供应单元均与PEMFC电池堆相连接，为PEMFC电池堆提供氢气、氧气或空气，PEMFC电池堆通过电力电子转换单元与负载实验单元相连接，为负载实验单元提供电能，PEMFC电池堆还与控制单元相连接，在控制单元的控制下运行。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，所述控制单元包括执行单元、供电电路、数据采集模块、报警显示模块、单片机和通信单元，所述执行单元与单片机相连，在单片机的控制下调节PEMFC电池堆电磁阀的开闭时间和风扇的占空比；供电电路与单片机相连，为单片机供电；数据采集模块与单片机相连，将采集到的电流信号、电压信号、环境温度和电堆温度传输给单片机；单片机与报警显示模块相连接，在电流过大或电堆温度过高时发出报警信号；单片机还与通信单元相连接，通过通信单元与上位机进行通信。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，所述执行单元包括电磁阀和风 扇。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，所述数据采集模块包括电流采集模块、电压采集模块、环境温度采集模块和电堆温度采集模块， 其中电流采集模块包括第一端子[J7]、第一保险丝[FS1]、第一二极管[D3]、第一场效应管[Q4]、第一光耦[IS01]、第一电阻[R17]、第二电阻[R27]、第三电阻[R30]、第四电阻[R31]、第五电阻[R53]、第六电阻[R62]、第七电阻[R65]、第八电阻[R66]、第九电阻[R61]、第十电阻[R63]、第i^一电阻[R64]、第十二电阻[R39]、第一电容[C34]、第二电容[C30]、第三电容[C31] 、第一集成运放[U16]、第一稳压管[ZD7]； 所述第一保险丝[FS1]的一端接电堆输出正极输出B+，第一保险丝[FS1]的另一端接第一二极管[D3]的2端和第一端子[J7]的I端，第一二极管[D3]的I端和第一端子[J7]的2端接第一场效应管[Q4]的5、6、7、8端，第一场效应管[Q4]的4端接第三电阻[R30]的一端和第一光耦[IS01]的3端，第三电阻[R30]的另一端接模拟地，第一光耦[IS01]的4端接+12V电源，第一光耦[IS01]的2端接数字地，第一光耦[IS01]的I端接第二电阻[R27]的一端，第二电阻[R27]的另一端接PIC18F2580芯片的CTL_LOAD引脚和第一电阻[R17]的一端，第一电阻[R17]的另一端接数字地，第一场效应管[Q4]的1、2、3端同时接第四电阻[R31]、第五电阻[R53]、第六电阻[R62]的一端，第四电阻[R31]、第五电阻[R53]的另一端同时接模拟地，第六电阻[R62]的另一端接第一电容[C34]、第七电阻[R65]的一端和第一集成运放[U16]的10端，第一电容[C34]的另一端接模拟地，第七电阻[R65]的另一端接第八电阻[R66]的一端，第八电阻[R66]的另一端接模拟地，第一集成运放[U16]的4端接+5V电源和第三电容[C31]的一端，第三电容[C31]的另一端接模拟地，第一集成运放[U16]的11端接模拟地，第一集成运放[U16]的9端接第九电阻[R61]、第十一电阻[R64]的一端，第九电阻[R61]的另一端接模拟地，第十一电阻[R64]的另一端接第十电阻[R63]的一端，第十电阻[R63]的另一端接第一集成运放[U16]的8端和第十二电阻[R39]的一端，第十二电阻[R39]的另一端接第二电容[C30]、第一稳压管[ZD7]的一端和A/D转换芯片MCP3208的CH5_LOAD引脚，第二电容[C30]和第一稳压管[ZD7]的另一端接模拟地。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，所述报警显示模块包括扬声器报警器和灯光报警器。
6.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，所述通信模块采用芯片MAX232。
7.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池测控平台，其特征在于，所述单片机的型号为 PIC18F2 580。
全文摘要
本发明公开了一种新的质子交换膜燃料电池测控平台，提供一种融电源转换、数据采集、报警显示、执行机构和数据通信等模块于一体的，具有实时采集电堆参数并控制电堆温湿度功能的测控系统，其中电源转换模块包括5V、12V、6V转换路，数据采集模块包括电堆电压、电流、温度、室温采集，报警显示模块包括蜂鸣器、LED报警，执行机构包括风扇转速与电磁阀开闭时间，数据通信模块通过串口实现。该系统主要应用于质子交换膜燃料电池的技术研究与教学。
文档编号G01R31/36GK103199284SQ20131011231
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者戚志东, 彭富明, 徐胜元, 单梁, 刘猛, 张旭 申请人:南京理工大学