CN101051070A - 一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统 - Google Patents

Abstract

一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，涉及采用台式或笔记本电脑对车用燃料电池单片电压进行在线检测和评估，属于工业现场监控装置技术领域。上位机包括带CAN卡接口的上位机、双路CAN卡；下位机包括带CAN卡接口的燃料电池控制器、带CAN卡接口的燃料电池单片巡检控制器、缆线等；上位机CAN卡的第一个输入端口与下位机燃料电池单片巡检控制器的CAN口连接；下位机燃料电池单片巡检控制器的CANB口，通过标准CAN电缆与下位机高速燃料电池单片电压采集子板的CAN口连接。本发明采集速率高、采集精度好，燃料电池系统和单片巡检同时兼顾；低成本、易维护、可配置、同步性好、速率高，满足燃料电池研发与应用的需要。

Description

一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统

技术领域

一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，涉及采用台式或笔记本电脑对车用燃料电池单片电压进行在线检测和评估，属于工业现场监控装置技术领域。

背景技术

车用燃料电池系统采用分布式控制系统结构，各零部件都具有独立的控制器，各部件之间通过TTCAN网络互相连接，其中燃料电

池电堆还具有独立的内部通讯网络，内部网络采用CAN协议进行通讯。CAN通讯协议满足了系统数据交换量大，可靠性要求高的特点。

燃料电池电堆是由多片极板+催化层+质子交换膜+催化层+极板结构的单片燃料电池串联形成的，相邻两块极板之间的电压差称为燃料电池的单片电压。在燃料电池系统的工作过程中，单片电压是重要的状态参数，它是检测燃料电池负荷、湿度、内部物理化学反应情况的主要参数，对于燃料电池的控制和故障诊断都是不可或缺的。

传统的燃料电池单片巡检系统都是面向规模较小的电堆，在功率要求较高的场合，只能使用多个电堆，通过串联、并联或是混联的方式进行控制，对应的单片电压检测装置也需要多套。本系统针对车用燃料电池单片数量大的特点，对全部540片燃料电池采用单一的监测装置，相比于传统的巡检系统，具有成本低、占用空间少、结构简单的特点。

传统的燃料电池单片巡检系统都是将单片电压信号与燃料电池系统信号分别采集，对两个网络需要采用两套上位机采集软件，而且还需要解决两者之间同步的难题。本系统实现了燃料电池系统网络和燃料电池电堆网络的同步采集，所有的采集过程在一台计算机上完成，并且采集速率达到了每540片0.125秒，满足了燃料电池研发与应用的数据量大、同步性高、采集速率高的需求。本发明除了可以完成传统燃料电池单片巡检系统和传统燃料电池监控系统各自的功能之外，还为燃料电池监控提供了监视特定单片的功能，解决了传统系统对于系统工作参数和单片电压无法兼顾的问题，减少了燃料电池试验对于试验人员的需求。相比于传统的采集方式，这种采集方式具有成本低、信号同步性好、维护简单的特点。

测试系统的上位机部分采用LabVIEW等软件开发，支持台式机PCI插槽和笔记本电脑PCMCIA插槽的CAN通讯卡。基于台式机和笔记本的数据记录算法，可以按照用户的需求，分别以文件大小或是数据量的方式控制单个采集文件的大小，并能自动跳过已经存在的文件，避免数据的损失。利用计算机强大的数据处理和存储能力，能够连续采集数据，不需要定时清理。

测试系统的下位机部分是燃料电池单片电压采集模块，使用高精度的高速燃料电池单片电压采集模块，采集精度达到0.01V，完全可以满足燃料电池监控的需求。采集模块可以根据燃料电池电堆的大小进行灵活配置。

发明内容

本发明的目的在于针对目前车用燃料电池对于单片电压巡检系统的需求，提供一种低成本、易维护、可配置、同步性好、速率高的单片电压巡检系统，以满足燃料电池研发与应用的需要。

本发明由负责监控的上位机部分和负责燃料电池单片电压巡检的下位机部分组成，上位机部分包括带CAN卡接口的上位机、双路CAN卡；下位机部分包括带CAN卡接口的燃料电池控制器、带CAN卡接口的燃料电池单片巡检控制器、信号转换及供电一体化子板以及高速燃料电池单片电压采集子板；

一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，

a)上位机的双路CAN卡的第一个输入端口1，通过标准CAN电缆与下位机燃料电池单片巡检控制器的CAN口连接；

b)上位机的双路CAN卡的第二个输入端口2，通过标准CAN电缆与下位机燃料电池控制器的CANB口连接；

c)下位机燃料电池单片巡检控制器的CANB口，通过标准CAN电缆与下位机高速燃料电池单片电压采集子板的CAN口连接；

d)下位机燃料电池单片巡检控制器的电源接口，通过电缆与下位机信号转换及供电一体化子板的5V DC供电端口相连；

e)下位机高速燃料电池单片电压采集子板的电源接口，通过电缆与下位机信号转换及供电一体化子板的12V DC供电端口相连；

f)下位机高速燃料电池单片电压采集子板的信号输入端口，通过排线与下位机信号转换及供电一体化子板的信号输出端口相连；

g)下位机信号转换及供电一体化子板的信号输入端口，通过排线与燃料电池极板相连；

h)下位机信号转换及供电一体化子板的供电接口，通过电缆与车用蓄电池的电极相连。

本发明所提出的面向车用燃料电池的单片电压高速巡检系统，上位机实现了对基于CAN协议的单片巡检网络和基于TTCAN的燃料电池系统网络信号的同步采集。下位机通过基于燃料电池单片电压采集模块的开发，实现了对于燃料电池单片电压的顺序检测。本系统可以实现燃料电池单片电压信号与燃料电池系统信号的采集、智能存储、在线计算等功能。下位机将采集的信号发送到单片巡检网络，上位机通过监视、处理单片巡检网络和燃料电池系统网络的信号，得到燃料电池单片电压和电堆的参数信息，经过数据处理和转换，实现了实时监控和数据存储的功能。

所述上位机，通过调用CAN卡驱动程序，实时收取燃料电池单片巡检网络与燃料电池系统网络的信号，并按照约定的通讯协议，并对其执行信号提取和处理，将获得的单片电压以图表的形式、其他燃料电池参数以虚拟仪表的方式，实时显示到上位机屏幕上，并存储到上位机的硬盘中。

本发明运用先进的CAN网络和TTCAN协议技术，结合LabVIEW开发平台，实现了一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，其主要效果有：

a)同时采集TTCAN网络和CAN网络信号，并将两者综合到一个存储文件中，解决了原有分开采集导致的数据时间协调性问题。

b)高速燃料电池单片电压采集模块采集速率高、采集精度好，分别达到每540片0.125秒和0.01V，燃料电池单片电压信号的实时性和准确性增强。

c)显示燃料电池工作参数的同时，提供危险单片的手动和自动选择和实时监视功能，解决了燃料电池系统和单片巡检不能兼顾的问题。

d)CAN总线传输速率高，实时性能好，燃料电池单片电压高速巡检系统的信息处理能力加强。

e)上位机可以采用台式机或笔记本电脑，应用场所灵活，存储空间充足，适用于燃料电池的研究、开发与应用。

f)用户界面的单片显示与实际燃料电池电堆一一对应，拥有最低电压搜索功能，便于燃料电池系统集成中的故障诊断。

附图说明

图1是本发明面向燃料电池的单片电压高速巡检系统示意图。

图2是面向燃料电池的单片电压高速巡检系统的工作流程。

图3是信号转换及供电一体化子板的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施做进一步说明。

图1是本发明面向燃料电池的单片电压高速巡检系统示意图。本发明的连接关系如下：

i)上位机的双路CAN卡的输入端口1，通过标准CAN电缆与下位机燃料电池单片巡检控制器的CAN口连接。

j)上位机的双路CAN卡的输入端口2，通过标准CAN电缆与下位机燃料电池控制器的CANB口连接。

k)下位机燃料电池单片巡检控制器的CANB口，通过标准CAN电缆与下位机高速燃料电池单片电压采集子板的CAN口连接。

l)下位机燃料电池单片巡检控制器的电源接口，通过电缆与下位机信号转换及供电一体化子板的5V DC供电端口相连。

m)下位机高速燃料电池单片电压采集子板的电源接口，通过电缆与下位机信号转换及供电一体化子板的12V DC供电端口相连。

n)下位机高速燃料电池单片电压采集子板的信号输入端口，通过排线与下位机信号转换及供电一体化子板的信号输出端口相连。

o)下位机信号转换及供电一体化子板的信号输入端口，通过排线与燃料电池极板相连。

p)下位机信号转换及供电一体化子板的供电接口，通过电缆与车用蓄电池的电极相连。

下位机从燃料电池电堆采集单片电压信号，并以CAN信号的形式不间断地发送到燃料电池单片巡检网络，上位机通过连接燃料电池系统网络和燃料电池单片巡检网络，获取两个网络上的CAN信号并按照约定的协议解读信号，将信号显示到笔记本屏幕和记录到笔记本电脑的存储器中。所述高速双路CAN2.0卡的型号为NI-CAN/2或NI PCMCIA-CAN/2，所述燃料电池单片巡检控制器为基于Motorola MC376的单片机子板，所述高速燃料电池单片电压采集子板为基于C8051的单片机子板，采集精度可达0.01V。图1中的笔记本电脑也可以更换为具有PCI接口的台式机电脑，此时需要使用PCI接口的高速CAN卡，没有CAN卡电缆，下位机燃料电池单片巡检控制器和下位机燃料电池控制器的CAN接口通过CAN电缆分别与CAN卡的CAN0、CAN1接口连接。

图2为燃料电池单片电压高速巡检系统的工作流程：

a)燃料电池控制系统启动后，高速燃料电池单片电压采集子板连续地依次从每个燃料电池单片电池两端采集电压差信号。

b)高速燃料电池单片电压采集子板将采集的电压经过编码，以CAN信号的形式发送到下位机燃料电池单片巡检控制器。

c)用户启动燃料电池单片巡检上位机后，上位机进行初始化

1)根据用户的设置，进行监控的单片电池范围、跟踪的单片电池片号、存储文件的目录及文件名、存储文件的大小限制的初始化。

2)对CAN0和CAN1进行初始化

1.根据网络协议中的信号ID列表，使用文字编辑软件生成CAN0和CAN1网络配置基于可扩展置标语言(XML)的信号配置文件。

2.调用CAN Task Init或者CAN Task Init&Start命令，导入生成的配置文件。

3.调用Set Task Property命令，分别配置CAN0和CAN1的通讯速率为250kbps和500kbps。

d)分别读取CAN网络和TTCAN网络信号，得到信号序列。

e)按照通讯协议设置文件，从信号序列中提取燃料电池工作参数，并分配到独立的变量中。

f)以电堆为单位，计算燃料电池单片电压的平均值、极值、方差、极差等反应燃料电池性能的统计数据。

g)将分配和计算后的数据显示到上位机屏幕上

1)将燃料电池电堆运行工况的数值显示在程序的“工况”面板上。

2)按照通讯协议设置文件，将单片电压信号，按照实际电堆的分布方式，以柱状图的形式显示在程序的“单片巡检”面板上。

3)将计算燃料电池单片电压的平均值、极值、方差、极差显示在程序的“单片巡检”面板上。

4)根据用户的配置，将最多3片单片电池的电压，以波形图的形式显示在程序的“工况”面板上。

h)将数据保存到硬盘

1)将燃料电池的工作参数和单片电压信号合并存入用户指定的ASCII码格式的文件中。

2)如果文件大小超过用户指定值，则建立下一个文件，序号为原有文件序号+1。

i)检查用户是否按下“停止”按钮，如果是，则转入下一步j，否则转入d。

j)卸载CAN卡资源

1)调用CAN Task Stop命令，停止当前CAN发送或接收任务。

2)调用CAN Task Clear命令，卸载对于当前CAN资源的占用。

k)程序停止，当用户按下“关闭”按钮之后，程序退出。

图3为信号转换及供电一体化子板的电路图，其中主要元件为25针标准接插件、68针标准接插件、汇众HZH25-24S12 DC/DC模块和LM2576T-5.0集成电路。连接关系和元件参数选择可参考厂商提供的参考电路。

Claims (4)

1、一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，其特征在于，该系统由负责监控的上位机部分和负责燃料电池单片电压巡检的下位机部分组成，上位机部分包括带CAN卡接口的上位机、双路CAN卡；下位机部分包括带CAN卡接口的燃料电池控制器、带CAN卡接口的燃料电池单片巡检控制器、信号转换及供电一体化子板、缆线及高速燃料电池单片电压采集子板；

a)上位机的双路CAN卡的第一个输入端口1，通过标准CAN电缆与下位机燃料电池单片巡检控制器的CAN口连接；

b)上位机的双路CAN卡的第二个输入端口2，通过标准CAN电缆与下位机燃料电池控制器的CANB口连接；

c)下位机燃料电池单片巡检控制器的CANB口，通过标准CAN电缆与下位机高速燃料电池单片电压采集子板的CAN口连接；

d)下位机燃料电池单片巡检控制器的电源接口，通过电缆与下位机信号转换及供电一体化子板的5V DC供电端口相连；

e)下位机高速燃料电池单片电压采集子板的电源接口，通过电缆与下位机信号转换及供电一体化子板的12V DC供电端口相连；

f)下位机高速燃料电池单片电压采集子板的信号输入端口，通过排线与下位机信号转换及供电一体化子板的信号输出端口相连；

g)下位机信号转换及供电一体化子板的信号输入端口，通过排线与燃料电池极板相连；

h)下位机信号转换及供电一体化子板的供电接口，通过电缆与车用蓄电池的电极相连。

2、根据权利要求1所述的一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，其特征在于，所述高速双路CAN2.0卡的型号为NI-CAN/2或NI PCMCIA-CAN/2。

3、根据权利要求1所述的一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，其特征在于，所述燃料电池单片巡检控制器为基于Motorola MC376的单片机子板。

4、根据权利要求1所述的一种面向燃料电池的单片电压高速巡检系统，其特征在于，所述高速燃料电池单片电压采集子板为基于C8051的单片机子板，采集精度0.01V。

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