CN111882957A - 一种质子交换膜燃料电池控制系统教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池控制系统教具，包括燃料电池堆；双核数字信号控制器DSC主控芯片，与燃料电池堆电连接，用于接收燃料电池堆输出的膜电极单体电压信号与传感器信号，并向燃料电池堆发送开关量控制信号；人机交互单元，与双核数字信号控制器DSC主控芯片电连接，用于与双核数字信号控制器DSC主控芯片进行数据交换；负载，通过升压式DC‑DC转换器与燃料电池堆电连接。本发明的质子交换膜燃料电池控制系统教具具有开放型、交互型的特点，能有效提高教学效果。

Description

一种质子交换膜燃料电池控制系统教具

技术领域

本发明涉及电气设备及电气工程技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池控制系统教具。

背景技术

质子交换膜燃料电池发电原理与原电池类似，但与原电池和二次电池比较，需要具备一套相对复杂的控制系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控单元等子系统。质子交换膜燃料电池堆内部串联结构的膜电极单体电压反映了整个电池堆及其控制系统的工作状态，通过检测每个膜电极的单体电压能及时发现燃料电池堆工作的异常状况，质子交换膜燃料电池控制系统除了要完成对燃料电池堆的氢气-氧气供应控制和水热管理控制之外，还需要实时监测燃料电池堆中每个膜电极的单体电压数据。

现有的质子交换膜燃料电池控制系统设置两个独立的芯片，以实现燃料电池堆主控电路功能及膜电极单体电压检测电路功能，并通过通讯总线将单体电压检测数据发送给电池堆主控电路，结构复杂。

在质子交换膜燃料电池的教学应用中，现有的控制系统仅仅能够给学生进行原理演示教学，无法让学生更加深刻的理解其原理，教学效果不佳。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种开放型、交互型，能有效提高教学效果的质子交换膜燃料电池控制系统教具。

本发明提供的一种质子交换膜燃料电池控制系统教具，包括燃料电池堆、双核数字信号控制器DSC主控芯片、人机交互单元及负载；其中，

所述双核数字信号控制器DSC主控芯片，与所述燃料电池堆电连接，用于接收所述燃料电池堆输出的膜电极单体电压信号与传感器信号，并向所述燃料电池堆发送开关量控制信号；

所述人机交互单元，与所述双核数字信号控制器DSC主控芯片电连接，用于与所述双核数字信号控制器DSC主控芯片进行数据交换；

所述负载，通过升压式DC-DC转换器与所述燃料电池堆电连接。

优选的，所述双核数字信号控制器DSC主控芯片包括主内核和从内核；其中，

所述主内核，设置有A/D转换口，用于接收所述燃料电池堆的传感器信号，还设置有数字I/O口，通过所述数字I/O口向所述燃料电池堆输出开关量控制信号，还设置有主内核侧MSI主从接口模块，用于接收所述从内核传输的数据；

所述从内核，设置有电压隔离选择通道MUX电路，用于接收所述燃料电池堆的膜电极单体电压信号，还设置有从内核侧MSI主从接口模块，所述从内核侧MSI主从接口模块与主内核侧MSI主从接口模块电连接，用于向所述主内核传输膜电极单体电压信号数据。

优选的，所述升压式DC-DC转换器通过第一CAN总线与所述主内核电连接。

优选的，所述人机交互单元为工控机或触摸屏，所述人机交互单元通过第二CAN总线与所述主内核电连接。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：

本发明的质子交换膜燃料电池控制系统教具

(1)本发明所提出的质子交换膜燃料电池控制系统教具，通过该教具的人机交互单元(例如：工控机、触摸屏等)，学生能够设置调整燃料电池的温度、压力、流量等运行参数，并能够观察到在不同的运行参数下，燃料电池堆中的每个膜电极单体电压的实时数据内容。具有交互型的特点，学生通过调整燃料电池的运行参数，观察燃料电池堆的实时数据内容，有利于学生理解质子交换膜燃料电池的性能与原理，提高教学效果。

(2)本发明所提出的质子交换膜燃料电池控制系统教具，通过该教具的人机交互单元(例如：工控机等)，可通过编程的方式，优化修改DSC主控芯片内部的燃料电池控制程序，并能够通过观察燃料电池运行中的温度、压力、流量、膜电极单体电压等运行数据，检查评估优化修改后的程序在燃料电池运行中的实际控制效果。具有开放型的特点，可根据实际需求进行控制系统调整，针对性更强，适用范围更广。有利于进一步提高教学效果。

(3)本发明所提出的质子交换膜燃料电池控制系统教具，采用双核数字信号控制器DSC作为主控芯片，DSC的主内核实现对燃料电池堆本体的实时控制功能，DSC的从内核实现膜电极单体电压实时检测功能，通过DSC芯片内部的MSI主从接口模块，实现主内核与从内核之间的数据交换功能，能够实现单芯片同时完成燃料电池堆本体实时控制功能和膜电极单体电压实时检测的功能。控制系统硬件构成更简洁，成本上也更具有优势。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为质子交换膜燃料电池控制系统教具的结构框图；

图2为质子交换膜燃料电池控制系统教具的硬件电路图；

图3为主内核程序的步骤流程图(备注：图3中的单膜电压为膜电极单体电压的简称)；

图4为从内核程序的步骤流程图(备注：图4中的n为燃料电池堆中的膜电极单体总数)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1～图4，本发明的实施例提供了一种质子交换膜燃料电池控制系统教具，包括燃料电池堆、双核数字信号控制器DSC主控芯片、人机交互单元及负载；其中，

双核数字信号控制器DSC主控芯片，与燃料电池堆电连接，用于接收燃料电池堆输出的膜电极单体电压信号与传感器信号，并向燃料电池堆发送开关量控制信号；

人机交互单元，与双核数字信号控制器DSC主控芯片电连接，用于与双核数字信号控制器DSC主控芯片进行数据交换；

负载，通过升压式DC-DC转换器与燃料电池堆电连接。

在本实施例中，燃料电池堆包括燃料电池堆本体及用于采集燃料电池堆本体运行状态下各类参数的传感器。燃料电池堆本体由n组膜电极单体构成，每个膜电极单体包含氢气-氧气供应装置和水热装置；传感器包括用于监测燃料电池堆本体运行的温度传感器、压力传感器以及流量传感器等。

质子交换膜燃料电池控制系统教具采用双核数字信号控制器DSC作为主控芯片，可同时实现对燃料电池堆的实时控制功能与膜电极单体电压的实时检测功能。实现单芯片同时完成燃料电池堆本体实时控制功能和膜电极单体电压实时检测功能。简化了控制系统硬件构成，系统成本上更具有优势。

通过该教具的人机交互单元，学生能够设置调整燃料电池的温度、压力、流量等运行参数，并能够观察到在不同的运行参数下，燃料电池堆中的每个膜电极单体电压的实时数据；另外，学生还可以通过该教具的人机交互单元，以编程的方式，优化修改DSC主控芯片内部的燃料电池控制程序，并能够通过观察燃料电池运行中的温度、压力、流量、膜电极单体电压等运行数据，检查评估优化修改后的程序在燃料电池运行中的实际控制效果。克服现有的原理演示型燃料电池教具的缺点，具备开放型、交互型特点的优势。

在一优选实施例中，如图1所示，双核数字信号控制器DSC主控芯片包括主内核和从内核；其中，

主内核，设置有A/D转换口，用于接收燃料电池堆的传感器信号，还设置有数字I/O口，通过数字I/O口向燃料电池堆输出开关量控制信号，还设置有主内核侧MSI主从接口模块，用于接收从内核传输的数据；

从内核，设置有电压隔离选择通道MUX电路，用于接收燃料电池堆的膜电极单体电压信号，还设置有从内核侧MSI主从接口模块，从内核侧MSI主从接口模块与主内核侧MSI主从接口模块电连接，用于向主内核传输膜电极单体电压信号数据。

在本实施例中，DSC主控芯片的主内核通过内置的高速A/D转换器采集燃料电池堆的全部传感器信号，包括燃料电池堆本体运行状态下的温度、压力以及流量等数据。同时，主内核还通过数字I/O口输出开关量信号，控制燃料电池堆的电动执行器动作，实现对燃料电池堆的氢气-氧气供应控制和水热管理的精确控制。其运行步骤见图3。

DSC主控芯片的从内核通过电压隔离选择通道MUX电路，顺序选通燃料电池堆膜电极的单体电压信号，依次采集燃料电池堆的全部膜电极单体电压数据。

同时，从内核侧MSI主从接口模块与主内核侧MSI主从接口模块在DSC主控芯片内部电连接。从内核通过DSC主控芯片内置的MSI主从接口模块，将采集到的膜电极单体电压数据实时发送给DSC主控芯片的主内核，为主内核控制程序实时判定燃料电池堆及其控制系统是否处于正常工作状态提供计算数据。其运行步骤见图4。

质子交换膜燃料电池膜电极单体的理想输出电压Uo计算公式为：

上式中

分别为氢、氧和水蒸气的压力，Eo为燃料电池堆膜电极单体的理想标准电动势，R为通用气体常数，T为燃料电池堆工作温度，F为法拉第常数。

由公式(1)可以看出：质子交换膜燃料电池堆膜电极单体的输出电压Uo由2部分构成，第1部分为膜电极单体的理想标准电动势Eo，Eo的数值主要由膜电极单体的材料特性决定；第2部分为膜电极单体的运行变量因素，主要由工作温度T、氢气压力

氧气压力

等运行变量的数值决定。

在一优选实施例中，如图1所示，升压式DC-DC转换器通过第一CAN总线与主内核电连接。

在本实施例中，燃料电池堆的输出电压可通过升压式DC-DC转换器进行控制调节，升压式DC-DC转换器的控制是通过主内核实现的。学员通过人机交互单元输入控制指令，可对燃料电池堆的输出电压进行控制调节。设计合理，增加了教具的可调控性。

在一优选实施例中，如图1所示，人机交互单元为工控机或触摸屏，人机交互单元通过第二CAN总线与主内核电连接。

在本实施例中，人机交互单元能够通过CAN总线实现与DSC主控芯片的数据交换功能。

通过该教具的人机交互单元(例如：工控机、触摸屏等)，学生能够设置调整燃料电池的温度、压力、流量等运行参数，并能够观察到在不同的运行参数下，燃料电池堆中的每个膜电极单体电压的实时数据；

另外，学生还可以通过该教具的人机交互单元(例如：工控机等)，以编程的方式，优化修改DSC主控芯片内部的燃料电池控制程序，并能够通过观察燃料电池堆运行中的温度、压力、流量、膜电极单体电压等运行数据，检查评估优化修改后的程序在燃料电池运行中的实际控制效果。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池控制系统教具，其特征在于，包括燃料电池堆、双核数字信号控制器DSC主控芯片、人机交互单元及负载；其中，

所述双核数字信号控制器DSC主控芯片，与所述燃料电池堆电连接，用于接收所述燃料电池堆输出的膜电极单体电压信号与传感器信号，并向所述燃料电池堆发送开关量信号；

所述人机交互单元，与所述双核数字信号控制器DSC主控芯片电连接，用于与所述双核数字信号控制器DSC主控芯片进行数据交换；

所述负载，通过升压式DC-DC转换器与所述燃料电池堆电连接。

2.根据权利要求1所述的教具，其特征在于，所述双核数字信号控制器DSC主控芯片包括主内核和从内核；其中，

所述主内核，设置有A/D转换口，用于接收所述燃料电池堆的传感器信号，还设置有数字I/O口，通过所述数字I/O口向所述燃料电池堆输出开关量控制信号，还设置有主内核侧MSI主从接口模块，用于接收所述从内核传输的数据；

所述从内核，设置有电压隔离选择通道MUX电路，用于接收所述燃料电池堆的膜电极单体电压信号，还设置有从内核侧MSI主从接口模块，所述从内核侧MSI主从接口模块与主内核侧MSI主从接口模块电连接，用于向所述主内核传输膜电极单体电压信号数据。

3.根据权利要求2所述的教具，其特征在于，所述升压式DC-DC转换器通过第一CAN总线与所述主内核电连接。

4.根据权利要求3所述的教具，其特征在于，所述人机交互单元为工控机或触摸屏，所述人机交互单元通过第二CAN总线与所述主内核电连接。

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