CN100583520C - 应用于燃料电池发电系统的can总线双机冗余控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统,包括主机及其总线切换器、从机及其总线切换器、CAN总线、执行机构、被控对象,所述的主机和从机之间利用CAN总线的通讯进行信息交换,正常情况下,主机通过执行机构对被控对象进行控制,主机总线切换器打开,从机总线切换器被断开,当主机发生故障时,主机的总线切换器被断开,从机的总线切换器打开,由从机完成对被控对象进行控制。与现有技术相比,本发明利用燃料电池发电系统原有的CAN通讯网络进行冗余控制具有成本低、电路设计简单、抗干扰性强等特点,该冗余控制系统在燃料电池发电系统中的应用大大的提高了燃料电池发电站的安全性和可靠性。

Description

应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统
技术领域
本发明涉及燃料电池,尤其涉及一种应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly,简称MEA),膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料,如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂,如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子,通过外电路引出,构成电流回路。
在膜电极的阳极端,燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸),并在催化剂表面上发生电化学反应,失去电子,形成正离子,正离子可通过迁移穿过质子交换膜,到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端,含有氧化剂(如氧气)的气体,如空气,通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸),并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子,形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应,形成反应产物。
在采用氢气为燃料,含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中,燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外,质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来,使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区,氧气在催化剂表面上得到电子,形成负离子,并与阳极区迁移过来的氢正离子反应,生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中,阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达:
阳极反应:H2→2H++2e
阴极反应:1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中,膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间,每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻,形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以是金属材料的极板,也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中,只存在一个膜电极,膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板,也作为膜电极两边的机械支撑,导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道,并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率,两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中,一块极板的两面都可以有导流槽,其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面,而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面,这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括:(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道,将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中;(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道,将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中,将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热;(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道,燃料气体与氧化剂气体在排出时,可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常,将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
传统的冗余系统一般采用如图1所示的逻辑结构,该系统为主从双冗余控制系统,上电后,主机处于正常工作状态,完成对被控对象的控制。从机处于备用状态。当检测切换电路检测到主机发生故障时,从机进入正常工作状态,接管对被控对象的控制,主机可以进行离线维修。采用这种冗余技术后,系统的可靠性得到了很大的提高,但这种冗余技术也存在一些不足之处。
(1)检测切换电路系统复杂且成本高,检测切换电路的故障将使整个冗余控制系统无法正常工作。
(2)有些场合需要主机和从机之间实时地交换数据,保证从机实时的取得被控对象的信息,但传统的冗余系统中检测切换电路的使用不利于主从之间实时通信。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种逻辑结构简单、成本低、主从机之间可实时交换数据的应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统,其特征在于,包括主机及其总线切换器、从机及其总线切换器、CAN总线、执行机构、被控对象,所述的主机和从机之间利用CAN总线的通讯进行信息交换,正常情况下,主机通过执行机构对被控对象进行控制,主机总线切换器打开,从机总线切换器被断开,当主机发生故障时,主机的总线切换器被断开,从机的总线切换器打开,由从机完成对被控对象进行控制。
所述的总线切换器由D触发器、RC电路、与门和总线缓冲器组成。
所述的总线切换器系统上电后,RC电路充电,在充电开始阶段,与门输出低电平,使得D触发器置1,控制总线缓冲器(74HC245)切断此机器与总线的联系,保证了后上电的机器为从机  RC电路充电结束后,与门输出变为高电平,使得D触发器的输出可以受对方机器的控制;当进行主从机切换时,从机先向P0.12引脚送低电平,使得主机的触发器置1,关闭主机的总线缓冲器;然后向P0.13引脚发送低电平,使得自己的机器的D触发器翻转,输出低电平,打开自己的总线缓冲器,完成了从机到主机的切换。
所述的冗余系统不确定哪台机器是主机或是从机,每一台机器在上电完成后,就在CAN总线上广播一个询问帧,查询当前是否有主机在运行,如应答超时,说明没有主机在运行,则将本机设置为主机,如有应答,说明有主机在运行,则将本机设置为从机。
所述的主机和从机通过CAN总线频繁的交换信息,交换的信息有:主机和从机的工作状态和参数,同步获得被控对象的工作状态和控制参数,实现实时的数据备份。
当从机在约定的时间内没有收到主机的信息或者收到了主机发出的出错信息,则马上置自己为主机,取得对三总线的控制权,并继续对被控对象进行控制,同时发出声光报警信号通知系统管理员对发生故障的机器进行维修;当主机在约定的时间内没有收到从机的信息时,则认为从机发生了故障,同样发出信号通知系统管理员对发生故障的从机进行维修。
燃料电池发电系统在运行时必须对氢气进气阀、风机的转速、水进温度、水泵、排氢阀、增湿电机等进行控制。控制器能否长时期安全可靠的运行直接影响到燃料电池发电系统运行的可靠性。与现有技术相比,本发明利用燃料电池原有的CAN通讯网络进行冗余控制具有成本低、电路设计简单、抗干扰性强等特点,该冗余控制系统在燃料电池发电站中的应用大大的提高了燃料电池发电系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1为传统冗余系统的逻辑结构示意图;
图2为本发明双机冗余控制系统的电路结构示意图;
图3为本发明双机冗余控制系统总线切换器的电路结构示意图;
图4为一种由燃料电池发动机控制器来实现动态控制运行的燃料电池发电系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,对本发明作进一步说明。
实施例
图4是上海神力科技有限公司“一种带有动态控制装置的燃料电池”(发明专利申请号:200410016609.4,实用新型专利申请号:200420020471.0)中的一种由燃料电池发动机控制器来实现动态控制运行的燃料电池发电系统。图中包括燃料电池堆1,氢气瓶2,减压阀3,空气过滤器4,空气压缩供应装置5,水-汽分离器6,水箱7,水泵8,散热器9,氢气循环泵10,氢气路旋转式可以动态控制增湿度的增湿器11,空气路旋转式可以动态控制增湿度的增湿器12,旋转式增湿器可调速马达13,氢气路进燃料电池堆氢气相对湿度传感器14,氢气路进燃料电池堆氢气温度传感器15,空气路进燃料电池堆空气相对湿度传感器16,空气路进燃料电池堆空气温度传感器17,冷却流体路进燃料电池堆冷却流体温度传感器18,氢气路进燃料电池堆压力传感器19,空气路进燃料电池堆压力传感器20,冷却流体路进燃料电池堆压力传感器21,空气路出燃料电池堆空气温度传感器22,氢气路出燃料电池堆氢气压力传感器23,冷却流体路出燃料电池堆冷却流体温度传感器24,冷却流体路出燃料电池堆冷却流体压力传感器25,空气路出燃料电池堆空气温度传感器26,空气路出燃料电池堆空气压力传感器27,SVM燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控28,燃料电池堆工作电流监控29,负载自动切断开关30,氢气自动切断电磁阀31。
上述燃料电池发电系统中的控制系统采用CAN总线分布式网络控制。分为大小下列各种单元:
a.信号测量节点
1.温度测量:
集中氢气、空气、冷却流体进出口温度等温度传感器转化成数字量,发送至CAN总线。
2.压力测量:
将氢气压力、空气压力及冷却流体进出口压力等压力传感器的电压信号转化成数字量,发送至CAN总线。
3.发电站总电流测量:
将电流传感器测到的总电流转化为数字量发送至CAN总线。
4.增湿电机转速测量:
将测得的增湿电机转速发送至CAN总线。
b.电池组电压测量节点
电池组电压传感器测量电极的单片电压和电堆总电压,转换成数字量通过CAN总线发送。
C.模拟量输出控制节点
1.通过调节散热风扇的转速来调节水进温度。
2.通过调节增湿电机转速来调节空进的湿度。
3.通过调节风机的转速来调节电堆的进气量。
D.开关量输出控制节点
1.控制氢气进气阀的开和关。
2.控制排氢阀的开和关。
3.控制发电站保护器的开和关。
双机冗余控制系统的工作流程:
1.硬件电路的工作流程
图3是总线切换器的电路原理图,总线切换器由D触发器、RC电路、与门和总线缓冲器组成。
系统上电后,RC电路充电,在充电开始阶段,与门输出低电平,使得D触发器置1,控制总线缓冲器(74HC245)切断此机器与总线的联系,保证了后上电的机器为从机;RC电路充电结束后,与门输出变为高电平,使得D触发器的输出可以受对方机器的控制;当进行主从机切换时,从机先向P0.12引脚送低电平,使得主机的触发器置1,关闭主机的总线缓冲器;然后向P0.13引脚发送低电平,使得自己的机器的D触发器翻转,输出低电平,打开自己的总线缓冲器,完成了从机到主机的切换。
图2是双机冗余控制系统的电路结构示意图,所设计的冗余控制系统不确定哪台机器是主机或是从机,先完成上电的那台机器就确定为主机,后完成上电的就确定为从机。
2.软件的工作流程
每一台机器在上电完成后,就在CAN总线上广播一个询问帧,查询当前是否有主机在运行,如应答超时,说明没有主机在运行,则将本机设置为主机,如有应答,说明有主机在运行,则将本机设置为从机。
当从机在约定的时间内没有收到主机的信息或者收到了主机发出的出错信息,则马上置自己为主机(先使P0.12为低电平,再置P0.13为高电平),取得对三总线的控制权,并继续对被控对象进行控制,同时发出声光报警信号通知系统管理员对发生故障的机器进行维修;当主机在约定的时间内没有收到从机的信息时,则认为从机发生了故障,同样发出信号通知系统管理员对发生故障的从机进行维修。

Claims (4)

1.应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统,其特征在于,包括主机及其总线切换器、从机及其总线切换器、CAN总线、执行机构和被控对象,所述的主机和从机之间利用CAN总线的通讯进行信息交换,正常情况下,主机通过执行机构对被控对象进行控制,主机总线切换器打开,从机总线切换器被断开,当主机发生故障时,主机的总线切换器被断开,从机的总线切换器打开,由从机完成对被控对象进行控制;所述的冗余控制系统不确定哪台机器是主机或是从机,每一台机器在上电完成后,就在CAN总线上广播一个询问帧,查询当前是否有主机在运行,如应答超时,说明没有主机在运行,则将本机设置为主机,如有应答,说明有主机在运行,则将本机设置为从机;所述的主机和从机通过CAN总线频繁的交换信息,交换的信息有:主机和从机的工作状态和参数,同步获得被控对象的工作状态和控制参数,实现实时的数据备份。
2.根据权利要求1所述的应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统,其特征在于,所述的总线切换器由D触发器、RC电路、与门和总线缓冲器组成。
3.根据权利要求2所述的应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统,其特征在于,所述的总线切换器系统上电后,RC电路充电,在充电开始阶段,与门输出低电平,使得D触发器置1,控制总线缓冲器切断此机器与总线的联系,保证了后上电的机器为从机;RC电路充电结束后,与门输出变为高电平,使得D触发器的输出受对方机器的控制;当进行主从机切换时,从机先向P0.12引脚送低电平,使得主机的触发器置1,关闭主机的总线缓冲器;然后向P0.13引脚发送低电平,使得自己的机器的D触发器翻转,输出低电平,打开自己的总线缓冲器,完成了从机到主机的切换。
4.根据权利要求1所述的应用于燃料电池发电系统的CAN总线双机冗余控制系统,其特征在于,当从机在约定的时间内没有收到主机的信息或者收到了主机发出的出错信息,则马上置自己为主机,取得对三总线的控制权,并继续对被控对象进行控制,同时发出声光报警信号通知系统管理员对发生故障的机器进行维修;当主机在约定的时间内没有收到从机的信息时,则认为从机发生了故障,同样发出信号通知系统管理员对发生故障的从机进行维修。
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