CN114784334A - 一种用于燃料电池的模块化测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的模块化测试装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有测试装置不满足当前的大功率试验需求以及测试过程成本过高的问题。该装置包括供气单元、信号采集单元、控温单元、上位机。待测燃料电池的供气端与供气单元输出端连接，冷却端与控温单元连接。信号采集单元，实时采集待测燃料电池的输出电信号，以及供气单元、信号采集单元、控温单元各自的供电信号发送至上位机。上位机，控制供气单元、信号采集单元、控温单元启动；以及，根据信号采集单元输出的电信号判断燃料电池健康状态以及该装置的用电总功率和用电趋势，在用电总功率持续增大或采集电信号持续增多时切换各单元的供电从单独使用至并联模式。

Description

一种用于燃料电池的模块化测试装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的模块化测试装置。

背景技术

燃料电池的功率越来越大，需要开发大功率的燃料电池测试装置，现有的小功率测试装置已不满足当前的大功率试验需求。在研发时，燃料电池系统需要采集较多的测试信号，但是产线测试时，不需要采集太多测试信号。如果研发和产线使用同一套设备，会造成设备的投入较多，性价比低，或者研发的测试点过少导致试验得不到充分的验证。

现有的测试装置把气体管路、信号采集、温控等集成在一个测试台架内，造成后续使用相互影响因素较多，扩容较为困难。虽然CN105372599A公开了一种模块化的电堆测试台，但不适用于功率增大的可拓展性和信号采集的可拓展性。

而且，燃料电池的下线出厂测试不需要太多的信号采集点，如果把所有信号均集成在台架内，那么该测试装置的价格将会十分昂贵，传感器不匹配时，则测试装置需要二次开发，需要二次投入大量的人工成本及开发成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池的模块化测试装置，用以解决现有测试装置不满足当前的大功率试验需求以及测试过程成本过高的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池的模块化测试装置，包括供气单元、信号采集单元、控温单元，以及上位机；其中，

待测燃料电池的供气端与供气单元输出端连接，冷却端与控温单元连接；信号采集单元，用于实时采集待测燃料电池的输出电信号，以及供气单元、信号采集单元、控温单元各自的供电信号发送至上位机；

上位机，用于控制供气单元、信号采集单元、控温单元分别启动；以及，根据信号采集单元输出的电信号判断燃料电池健康状态；在燃料电池健康状态良好时，进一步获取当前时刻该测试装置的用电总功率和用电趋势，在用电总功率持续增大或采集电信号持续增多时切换各供气单元、信号采集单元、控温单元的供电模式从单独供电至并联供电。

上述技术方案的有益效果如下：各供气单元、信号采集单元、控温单元、上位机均可按照标准模块制备，便于故障时随时安装、拆卸。当功率增大或者采集信号变多时，则使用各模块并联的方式，增大模块的功率或者功能。并联的数量可由上位机实现设置。

基于上述装置的进一步改进，该装置还包括信号转化单元；并且，

所述信号转化单元，用于将输入数据转换成包含数据类型、数据量的标准格式的输出数据；该单元一侧设有多个独立的端口，每一端口仅与一个信号采集单元的输入端或一个供气单元、一个控温单元的控制端连接，另一侧设有一个用于与上位机的数据端连接的端口。

进一步，所述信号采集单元进一步包括温湿度采集模块、压力采集模块、流量采集模块和电信号获取模块；其中，

所述温湿度采集模块，设于供气单元与待测燃料电池的连接支路之间，用于采集入堆气体温度和湿度；

所述压力采集模块，设于待测燃料电池的进气口，用于采集入堆气体压力；

所述流量采集模块，设于待测燃料电池的进气口，用于采集入堆气体流量；

所述电信号获取模块，分别设于待测燃料电池、供气单元、信号采集单元、控温单元的供电端，用于获取待测燃料电池的输出电压或电流，以及，供气单元、信号采集单元、控温单元的供电电压或电流。

进一步，所述供气单元进一步包括氮气供气子单元、氢气供气单元和空气供气子单元；其中，

所述氮气供气子单元的输出端和氢气供气单元的输出端二者并联后，再与燃料电池的阳极气体输入端连接；所述空气供气子单元的输出端直接与燃料电池的阴极气体输入端连接。

进一步，所述氮气供气子单元进一步包括依次连接的氮气罐、手动开关的单向阀一、电控阀一；其中，

所述电控阀一的控制端与上位机的输出端连接。

进一步，所述氢气供气子单元进一步包括依次连接的氢气罐、手动开关的单向阀二、电控阀二；其中，

所述电控阀二的控制端与上位机的输出端连接。

进一步，所述供气单元还包括空置子单元；其中，

所述空置子单元包括电控阀三；所述电控阀三的输入端放空置于空气中，其输出端与氮气供气子单元的输出端、氢气供气单元的输出端三者并联后再与燃料电池的阳极气体输入端连接，其控制端与上位机的输出端连接。

进一步，所述空气供气子单元进一步包括依次连接的空压机、电控阀四；并且，

所述电控阀四的控制端与上位机的输出端连接。

进一步，所述上位机执行如下程序：

控制控温单元启动；

根据测试指令选通对应的供气单元、信号采集单元同时启动，使得供气单元、信号采集单元、控温单元进入串联供电模式；

待待测燃料电池的输出电压或电流信号稳定后，根据所述输出电压或电流信号的幅值相位结合入堆气体温度、湿度、气体压力和流量，得出待测燃料电池的健康状态；如果健康状态为良好，继续执行下一步的测试过程，否则，输出待测燃料电池健康状态不合格的信号；

在测试过程中，根据供气单元、信号采集单元、控温单元的供电电压或电流得出当前时刻该测试装置的用电总功率和用电用电趋势；

在用电趋势结果为用电总功率持续增大或信号采集单元采集的信号持续增多时，切换各供气单元、信号采集单元、控温单元的供电模式从单独供电至并联供电。

进一步，该装置包括多个供气单元、多个信号采集单元、多个控温单元；

所述上位机还执行如下程序：

实时监测各信号采集单元获取的数据，如果无数据或者单位时间内所述数据的变化幅度始终超过设定值，判定该信号采集单元故障，发出该信号采集单元故障的警示，并自动切换至其他信号采集单元工作，否则，执行下一步；

实时监测入堆气体流量，根据所述入堆气体流量判断供气单元是否故障，如果故障，关闭该供气单元，发出该供气单元故障的警示，并自动切换至其他供气单元为待测燃料电池供气；

实时监测入堆气体温度，根据所述入堆气体温度判断控温单元是否故障，如果故障，关闭该控温单元，发出该控温单元故障的警示，并自动切换至其他控温单元为待测燃料电池提供温度调控。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、采用模块化设计方案，将供气单元、温控单元、信号采集单元、上位机分别模块化、标准化，使得根据测试需求扩容较为容易，且不用的模块时可随时拆卸，降低了二次投入人工成本及开发成本。

2、各模块独立设计，相比现有技术将所有测试设备集成在一个台架内，信号之间的影响减弱，提高了测试结果的准确性。

3、设计了供气模块的氮气和氢气的供给以及排空，可以根据测试功能需求实现氮气和氢气的切换。

4、设计了台架的扩容模式，可以兼容低功率及高功率段的发动机，兼容性好。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1用于燃料电池的模块化测试装置组成示意图；

图2示出了实施例2用于燃料电池的模块化测试装置的连接一示意图；

图3示出了实施例2用于燃料电池的模块化测试装置的连接二示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池的模块化测试装置，如图1所示，包括供气单元、信号采集单元、控温单元，以及上位机。

待测燃料电池的供气端与供气单元输出端连接，冷却端与控温单元连接。信号采集单元，用于实时采集待测燃料电池的输出电信号，以及供气单元、信号采集单元、控温单元各自的供电信号发送至上位机。上位机的输出端分别与供气单元、信号采集单元、控温单元的控制端连接。

上位机，用于控制供气单元、信号采集单元、控温单元分别启动；以及，根据信号采集单元输出的电信号判断燃料电池健康状态；在燃料电池健康状态良好时，进一步获取当前时刻该测试装置的用电总功率和用电趋势，在用电总功率持续增大或采集电信号持续增多时切换各供气单元、信号采集单元、控温单元的供电模式从单独供电至并联供电。

与现有技术相比，本实施例提供的装置中各供气单元、信号采集单元、控温单元、上位机均可按照标准模块制备，便于故障时随时安装、拆卸。当功率增大或者采集信号变多时，则使用各模块并联的方式，增大模块的功率或者功能。并联的数量可由上位机实现设置。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，该用于燃料电池的模块化测试装置还包括信号转化单元，如图3所示。

信号转化单元，用于将输入数据转换成包含数据类型、数据量的标准格式的输出数据。具体格式可以是数据类型+数据量+固定字段数据。该单元一侧设有多个独立的端口，每一端口仅与一个信号采集单元的输入端或一个供气单元、一个控温单元的控制端连接，另一侧设有一个用于与上位机的数据端连接的端口。

优选地，信号采集单元进一步包括温湿度采集模块、压力采集模块、流量采集模块和电信号获取模块。

温湿度采集模块，设于供气单元与待测燃料电池的连接支路之间，用于采集入堆气体温度和湿度。

压力采集模块，设于待测燃料电池的进气口，用于采集入堆气体压力。

流量采集模块，设于待测燃料电池的进气口，用于采集入堆气体流量。

电信号获取模块，分别设于待测燃料电池、供气单元、信号采集单元、控温单元的供电端，用于获取待测燃料电池的输出电压或电流，以及，供气单元、信号采集单元、控温单元的供电电压或电流。

优选地，信号采集单元还包括环境温度获取单元。该环境温度获取单元设于装置的外壳内部或者表面。

优选地，供气单元进一步包括氮气供气子单元、氢气供气单元和空气供气子单元。其中，氮气供气子单元的输出端和氢气供气单元的输出端二者并联后，再与燃料电池的阳极气体输入端连接；空气供气子单元的输出端直接与燃料电池的阴极气体输入端连接。

优选地，氮气供气子单元进一步包括依次连接的氮气罐、手动开关的单向阀一、电控阀一。其中，电控阀一的控制端与上位机的输出端连接。

优选地，氢气供气子单元进一步包括依次连接的氢气罐、手动开关的单向阀二、电控阀二。其中，电控阀二的控制端与上位机的输出端连接。

优选地，供气单元还包括空置子单元。其中，空置子单元包括电控阀三；电控阀三的输入端放空置于空气中，其输出端与氮气供气子单元的输出端、氢气供气单元的输出端三者并联后再与燃料电池的阳极气体输入端连接，其控制端与上位机的输出端连接。

优选地，空气供气子单元进一步包括依次连接的空压机、电控阀四。并且，电控阀四的控制端与上位机的输出端连接。

优选地，上位机执行如下程序：

S1.控制控温单元启动；

S2.根据测试指令选通对应的供气单元、信号采集单元同时启动，使得供气单元、信号采集单元、控温单元进入串联供电模式；

S3.待待测燃料电池的输出电压或电流信号稳定后，根据输出电压或电流信号的幅值相位结合入堆气体温度、湿度、气体压力和流量，得出待测燃料电池的健康状态；如果健康状态为良好，继续执行下一步的测试过程，否则，输出待测燃料电池健康状态不合格的信号；

S4.在测试过程中，根据供气单元、信号采集单元、控温单元的供电电压或电流得出当前时刻该测试装置的用电总功率和用电用电趋势；

S5.在用电趋势结果为用电总功率持续增大或信号采集单元采集的信号持续增多时，切换各供气单元、信号采集单元、控温单元的供电模式从单独供电至并联供电。

优选地，该模块化测试装置包括多个供气单元、多个信号采集单元、多个控温单元，如图2~3所示。各供气单元、信号采集单元、控温单元均采用模块化，标准化设计，便于根据需求增加、减少或者替换。

优选地，上位机还执行如下程序：

S6.实时监测各信号采集单元获取的数据，如果无数据或者单位时间内数据的变化幅度始终超过设定值，判定该信号采集单元故障，发出该信号采集单元故障的警示，并自动切换至其他信号采集单元工作，否则，执行下一步；

S7.实时监测入堆气体流量，根据入堆气体流量判断供气单元是否故障，如果故障，关闭该供气单元，发出该供气单元故障的警示，并自动切换至其他供气单元为待测燃料电池供气；

S8.实时监测入堆气体温度，根据入堆气体温度判断控温单元是否故障，如果故障，关闭该控温单元，发出该控温单元故障的警示，并自动切换至其他控温单元为待测燃料电池提供温度调控。

优选地，上位机具有显示模块；显示模块的显示屏上显示每一供气单元、每一信号采集单元、每一控温单元各自的启动状态，以及供电模式，以及信号采集单元采集的待测燃料电池的工作参数（包括入堆气体温度，湿度，压力，流量，待测燃料电池的输出电压或电流，以及，供气单元、信号采集单元、控温单元各自的供电电压或电流）。

优选地，该燃料电池用模块化测试装置还包括用于为供气单元、信号采集单元、控温单元提供工作电源的供电单元。供电单元为交流电源。

与实施例1相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果：

1、采用模块化设计方案，将供气单元、温控单元、信号采集单元、上位机分别模块化、标准化，使得根据测试需求扩容较为容易，且不用的模块时可随时拆卸，降低了二次投入人工成本及开发成本。

2、各模块独立设计，相比现有技术将所有测试设备集成在一个台架内，信号之间的影响减弱，提高了测试结果的准确性。

3、设计了供气模块的氮气和氢气的供给以及排空，可以根据测试功能需求实现氮气和氢气的切换。

4、设计了台架的扩容模式，可以兼容低功率及高功率段的发动机，兼容性好。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，包括供气单元、信号采集单元、控温单元，以及上位机；其中，

待测燃料电池的供气端与供气单元输出端连接，冷却端与控温单元连接；信号采集单元，用于实时采集待测燃料电池的输出电信号，以及供气单元、信号采集单元、控温单元各自的供电信号，发送至上位机；

上位机，用于控制供气单元、信号采集单元、控温单元分别启动；以及，根据信号采集单元输出的电信号判断燃料电池健康状态；在燃料电池健康状态良好时，进一步获取当前时刻该测试装置的用电总功率和用电趋势，在用电总功率持续增大或采集电信号持续增多时切换各供气单元、信号采集单元、控温单元的供电模式从单独供电至并联供电。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，还包括信号转化单元；并且，

所述信号转化单元，用于将输入数据转换成包含数据类型、数据量的标准格式的输出数据；该单元一侧设有多个独立的端口，每一端口仅与一个信号采集单元的输入端或一个供气单元、一个控温单元的控制端连接，另一侧设有一个用于与上位机的数据端连接的端口。

3.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述信号采集单元进一步包括温湿度采集模块、压力采集模块、流量采集模块和电信号获取模块；其中，

所述温湿度采集模块，设于供气单元与待测燃料电池的连接支路之间，用于采集入堆气体温度和湿度；

所述压力采集模块，设于待测燃料电池的进气口，用于采集入堆气体压力；

所述流量采集模块，设于待测燃料电池的进气口，用于采集入堆气体流量；

所述电信号获取模块，分别设于待测燃料电池、供气单元、信号采集单元、控温单元的供电端，用于获取待测燃料电池的输出电压或电流，以及，供气单元、信号采集单元、控温单元的供电电压或电流。

4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述供气单元进一步包括氮气供气子单元、氢气供气单元和空气供气子单元；其中，

所述氮气供气子单元的输出端和氢气供气单元的输出端二者并联后，再与燃料电池的阳极气体输入端连接；所述空气供气子单元的输出端直接与燃料电池的阴极气体输入端连接。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述氮气供气子单元进一步包括依次连接的氮气罐、手动开关的单向阀一、电控阀一；其中，

所述电控阀一的控制端与上位机的输出端连接。

6.根据权利要求4或5所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述氢气供气子单元进一步包括依次连接的氢气罐、手动开关的单向阀二、电控阀二；其中，

所述电控阀二的控制端与上位机的输出端连接。

7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述供气单元还包括空置子单元；其中，

所述空置子单元包括电控阀三；所述电控阀三的输入端放空置于空气中，其输出端与氮气供气子单元的输出端、氢气供气单元的输出端三者并联后再与燃料电池的阳极气体输入端连接，其控制端与上位机的输出端连接。

8.根据权利要求4-5、7任意一项所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述空气供气子单元进一步包括依次连接的空压机、电控阀四；并且，

所述电控阀四的控制端与上位机的输出端连接。

9.根据权利要求1-2、4-5、7任意一项所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，所述上位机执行如下程序：

控制控温单元启动；

根据测试指令选通对应的供气单元、信号采集单元同时启动，使得供气单元、信号采集单元、控温单元进入串联供电模式；

待待测燃料电池的输出电压或电流信号稳定后，根据所述输出电压或电流信号的幅值相位结合入堆气体温度、湿度、气体压力和流量，得出待测燃料电池的健康状态；如果健康状态为良好，继续执行下一步的测试过程，否则，输出待测燃料电池健康状态不合格的信号；

在测试过程中，根据供气单元、信号采集单元、控温单元的供电电压或电流得出当前时刻该测试装置的用电总功率和用电用电趋势；

在用电趋势结果为用电总功率持续增大或信号采集单元采集的信号持续增多时，切换各供气单元、信号采集单元、控温单元的供电模式从单独供电至并联供电。

10.根据权利要求9所述的用于燃料电池的模块化测试装置，其特征在于，包括多个供气单元、多个信号采集单元、多个控温单元；

所述上位机还执行如下程序：

实时监测各信号采集单元获取的数据，如果无数据或者单位时间内所述数据的变化幅度始终超过设定值，判定该信号采集单元故障，发出该信号采集单元故障的警示，并自动切换至其他信号采集单元工作，否则，执行下一步；

实时监测入堆气体流量，根据所述入堆气体流量判断供气单元是否故障，如果故障，关闭该供气单元，发出该供气单元故障的警示，并自动切换至其他供气单元为待测燃料电池供气；

实时监测入堆气体温度，根据所述入堆气体温度判断控温单元是否故障，如果故障，关闭该控温单元，发出该控温单元故障的警示，并自动切换至其他控温单元为待测燃料电池提供温度调控。

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