CN203617395U - 一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，主控制器处理器和从控制器处理器均与电源模块、数据存储模块、主从控制器切换模块连接，主控制器处理器还与从控制器处理器、通信模块连接，主从控制器切换模块与数据采集模块、驱动输出模块连接；本实用新型采用双机备份冗余设计，当主控制器发生故障，从控制器能够实时接替，完成必要控制工作，从而避免系统处于失控状态，具有性能稳定，可靠性强的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池发电系统用控制器，具体属于质子交换膜燃料电池控制技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池系统（简称：PEMFC）是一个多输入多输出的复杂电化学装置，燃料电池一般是由数百片单体电池串联而成。单体电池的电压直接反应电池堆工作状态，反应气体的压力、湿度、电池堆内部温度等工作条件直接影响电池堆的性能和寿命。在PEMFC系统运行的过程中，燃料电池控制器能够实时检测和控制这些物理量，根据电池的实际运行状态提供所需的原料和合适的环境，保证燃料电池可靠高效地运行。
燃料电池系统，很多时候都需要24小时不间断地开机运行。在控制器设计时就需要考虑如何有效保证控制器能够安全可靠地长时间连续运行。目前随着现代微电子技术的发展，CPU控制芯片虽然可靠性很高，平均无故障间隔时间高达几万甚至几十万小时，但都难以保证在运行中没有任何故障出现，尤其是在长时间连续运行中出现高温、电磁干扰或其他环境因素的影响，更容易造成CPU故障，从而导致控制器瘫痪。
实用新型内容
本实用新型目的是提供一种性能稳定、接口资源丰富、体积小的质子交换膜燃料电池双机备份控制器，以克服传统燃料电池控制器所存在缺陷。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，主控制器处理器和从控制器处理器均与电源模块、数据存储模块、主从控制器切换模块连接，主控制器处理器还与从控制器处理器、通信模块连接，主从控制器切换模块与数据采集模块、驱动输出模块连接；
电源模块用于给主控制器处理器、从控制器处理器、数据采集模块、驱动输出模块、主从控制器切换模块以及燃料电池的传感器供电；
主控制器处理器用于根据燃料电池的传感器信息控制燃料电池设备保持正常工作；接收来自数据采集模块经主从控制器切换模块传送的燃料电池传感器信息，并发送设备控制信号经主从控制器切换模块至驱动输出模块；
从控制器处理器用于监测主控制器处理器和传感器数据的实时备份，在主控制器处理器故障时代替其工作并关闭燃料电池设备，接收来自数据采集模块经主从控制器切换模块传送的燃料电池传感器信息，并发送设备控制信号经主从控制器切换模块至驱动输出模块；
主从控制器切换模块用于主控制器处理器和从控制器处理器与数据采集模块、驱动输出模块通信的切换。
所述数据采集模块包括开关量采集模块和模拟量采集模块，用于采集燃料电池温度传感器和差压传感器的数据。
所述驱动输出模块包括模拟量输出模块和开关量输出模块，用于控制燃料电池的储氢罐储氧罐的减压阀、气泵的减压阀、水泵的电磁阀、进氧进氢排氧排氢清扫电磁阀。
所述通信模块包括串口通信模块、CAN通信模块和USB通信模块。
所述数据存储模块包括两个数据存储卡，分别与主控制器处理器、从控制器处理器连接。
本实用新型具有以下有益效果及优点：
1.本实用新型燃料电池控制器，采用双机备份冗余设计，当主控制器发生故障，从控制器能够实时接替，完成必要控制工作，从而避免系统处于失控状态，具有性能稳定，可靠性强的特点。
2.本实用新型的燃料电池控制器主从控制器共享外设接口，节省了硬件资源，使得双机备份控制器具有体积小，功耗低的特点。
3.本实用新型的燃料电池控制器模拟量采集单元设置拨码开关，可采集电流信号以及电压信号，使用单独处理器来进行AD转换处理，接口拓展性强，检测精度高。
4.本实用新型采用双机备份冗余设计是一种非常有效的解决控制器故障的方法。当主控制器发生故障，从控制器能够实时自动接替，完成必要控制，从而避免系统处于失控状态，引发安全事故。这种控制方式具有安全可靠，不用人工干预等优点。
附图说明
图1本实用新型的燃料电池电池控制器框架图。
图2本实用新型的主从控制器硬件资源共享原理示意图。
图3本实用新型的主从控制器软件构架示意图一。
图4本实用新型的主从控制器软件构架示意图二。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
一种质子交换膜燃料电池双机备份控制系统，它包括电源模块1，主控制器处理器2，从控制器处理器3，数据采集模块4，驱动输出模块5，通信模块6，数据存储模块7和主从控制器切换模块8。
所述电源模块1分别与数据采集模块、处理器模块、通讯模块、数据存储模块连接，为四个模块提供工作电压，保证燃料电池控制器正常工作。
所述控制器处理器包括主控制器处理器2和从控制器处理器3。处理器是整个控制系统的核心模块，它接受检测信息，根据得到的信息进行相应的处理和控制操作，考虑到处理器编程方便，主控制器处理器和从控制器处理器都采用ARM7内核的微控制器LPC2478，从控制器处理器通过I2C通信接口监视主控制器处理器运行状态。
所述数据采集模块4由模拟量采集模块和开关量采集模块两部分组成，负责将外部传感器模拟量信号和开关量信号采集并传送至控制系统处理器。外部传感器包括燃料电池的电流传感器、电压传感器、温度传感器、压力传感器等。
负责采集燃料电池的电压和电流、温度传感器、差压传感器等。
所述驱动输出模块5由模拟量输出模块和开关量输出模块两部分组成，在控制器处理器的控制下可以提供0～5V模拟量、4～20mA模拟量和24V开关量输出。
所述通讯模块6，接收微控制器模块发来的信息，并发送给外部通讯设备，同时接收外部通讯设备发来的指令信息，转发到处理器模块处理。还通过RS232接口接收燃料电池巡检仪的检测数据。
所述数据存储模块7在控制器处理器工作时将系统状态信息以及故障信息写入SD卡存储器，便于上位机进行存储信息读取。主控制器处理器2写入与其连接的SD存储器的内容包括数据采集模块4获得的电压、电流、温度、压力差数据、经通讯模块6燃料电池巡检仪获得的单体电池的电压、电流数据。从控制器处理器3写入与其连接的SD存储器的内容包括数据采集模块4获得的电压、电流、温度、压力差数据，主控制器处理器正常工作时通过I2C传递给从控制器处理器的燃料电池巡检仪获得的单体电池的电压、电流数据。
所述主从控制器切换模块8，从控制器处理器3和主控制器处理器2通过I2C通信接口相连，监视主控制器处理器2工作状态，当主控制器处理器发生故障时，从控制器获取共享外设资源，对突发事件紧急处理，完成必要控制功能，以保证系统安全。
如附图1所示，本实用新型提出的燃料电池双机备份控制系统由电源模块1，主控制器处理器2，从控制器处理器3，数据采集模块4，驱动输出模块5，通信模块6，数据存储模块7和主从控制器切换模块8组成。
电源模块1：燃料电池控制器系统输入电压18～36V（标称24V），控制器中需要5V电源给数字核心电路供电，需要3.3V给控制器处理器供电。另外电源模块还提供两路电源输出：隔离电源±12V/5W、24V/30W，其中±12V/5W给燃料电池电流传感器供电，24V/30W电源给燃料电池电压、温度、压力等传感器供电。
控制器处理器是整个控制系统的核心，它担负着系统的数据采集、控制计算、通信等任务。为了编程方便，主从控制器处理器使用ARM7处理器芯片LPC2478，该芯片接口丰富，片上资源丰富，数据处理速度快。
数据采集模块4包括模拟量采集和开关量输入采集两部分。模拟量采集利用了C8051F500处理器内部的12位AD采集功能，并通过SPI通讯将C8051F500采集到的数据传递给控制器处理器LPC2478。开关量输入采用光耦隔离采集，每路使用独立采集电路设计，有效防止了外部波动对系统的影响。数据采集模块连接的设备有：燃料电池系统的温度传感器、差压传感器等输入信号。
驱动输出模块5包括模拟量输出和开关量输出两部分。本实用新型模拟量输出部分采用ADI公司高稳定性的电流信号源芯片AD5410，采用其特有菊花链连接方式，提供3路电流信号源。模拟量输出分辨率为12位，并与处理器LPC2478之间做了有效的通讯隔离处理。开关量输出使用光耦隔离，并采用大功率MOS管做为功率开关驱动输出，避免了燃料电池系统中气压对机械触点的功率开关的影响。选用低导通电阻MOS管改善输出能力，可以长时间恒定输出2A以上电流。驱动输出模块5连接的设备有：储氢罐储氧罐的减压阀、气泵的减压阀、水泵的电磁阀、进氧进氢排氧排氢清扫等电磁阀等。
通信模块6包括4路与4个巡检仪通讯的RS232通讯，和1路与上位机通信的带通讯隔离的RS422全双工通信，和1路与USB通讯，以及1路与上位机控制器的CAN通信。RS232采用先隔离再扩展的方式实现有隔离且一扩四的RS232通讯接口，拓展芯片使用GM8125，有效地解决了CPU资源分配和隔离的问题。CAN通讯和RS422通讯均采用外接的收发器芯片，进行了有效隔离，增加了可靠性。主从控制器CPU均有独立的USB-OTG接口，避免了USB主控制器模式失效无法对外读取数据的尴尬，OTG模式令USB模块可在主从两种模式自由切换，提高了USB通信模块的兼容性。
为了实时数据存储的需要，控制器加入了外部存储卡：SD卡，容量4G。可记录内容：日期、所有开关量、模拟量以及巡检数据。记录周期可调，数据超出则自动刷新和覆盖。
主从控制器切换实现：由于主从控制器都用到了模拟量采集、模拟量输出、开关量采集、开关量输出通道，如附图1中虚线框所示，本实用新型选用了双机共享外设资源的模式。硬件设计中，控制器外设资源被放到了主控制器电路板上，主控制器与从控制器与共享硬件外设资源相连，实现外设资源的共享。
如附图2所示，为了解决硬件资源共享的互斥问题，选用了Altera公司的CPLD芯片EPM240，主从控制器处理器可对CPLD进行选通操作，使主从控制器处理器获取不同外设通道，另外控制器的选通信号保证主从控制器处理器在同一时刻只有一个可以对共享外设接口操作。
主从控制器的软件架构如附图2所示：在双控制器处理器的基础上，赋予主从控制器各自的分工，以使燃料电池控制器在预先制定好的监督机制下可靠工作。主控制器处理器运行的燃料电池的主控制程序，监测和控制燃料电池系统运行，仅靠主控制器就可完成燃料电池系统的控制。从控制器主要起监控作用，如图3、图4所示。
图3为从控制器监控主控制器的逻辑流程图，图4为主控制器受到从控制器监控时的逻辑流程图。从控制器处理器监控主控制器处理器的运行状态，从控制器通过I2C接口与主控制器通讯，每隔50ms向主控制器发送查询码，主控制器在接收到查询码时，对查询码进行移位，以及与设定值进行与或非操作，产生应答码并回复给从控制器。从控制器根据主控制器的应答判断其是否正常运行，若在规定的时间内没有得到主控制器的应答或者得到应答但应答数据与主控制器本应该回复的应答数据不符，则认为主控制器出现1次故障，若发现主控制器运行故障超过一定次数（本实用新型中，主控制器失效的触发条件为“连续5次”），则认为主控制器处理器失效，于是从控制器对CPLD进行选通操作，获得外设的使用权，开启相关的控制工作，例如控制燃料电池系统备份相关信息，关闭燃料电池系统相关设备等。
Claims (5)
1.一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，其特征在于：主控制器处理器（2）和从控制器处理器（3）均与电源模块（1）、数据存储模块（7）、主从控制器切换模块（8）连接，主控制器处理器（2）还与从控制器处理器（3）、通信模块（6）连接，主从控制器切换模块（8）与数据采集模块（4）、驱动输出模块（5）连接；
电源模块（1）用于给主控制器处理器（2）、从控制器处理器（3）、数据采集模块（4）、驱动输出模块（5）、主从控制器切换模块（8）以及燃料电池的传感器供电；
主控制器处理器（2）用于根据燃料电池的传感器信息控制燃料电池设备保持正常工作；接收来自数据采集模块（4）经主从控制器切换模块（8）传送的燃料电池传感器信息，并发送设备控制信号经主从控制器切换模块（8）至驱动输出模块（5）；
从控制器处理器（3）用于监测主控制器处理器（2）和传感器数据的实时备份，在主控制器处理器（2）故障时代替其工作并关闭燃料电池设备，接收来自数据采集模块（4）经主从控制器切换模块（8）传送的燃料电池传感器信息，并发送设备控制信号经主从控制器切换模块（8）至驱动输出模块（5）；
主从控制器切换模块（8）用于主控制器处理器（2）和从控制器处理器（3）与数据采集模块（4）、驱动输出模块（5）通信的切换。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，其特征在于：所述数据采集模块（4）包括开关量采集模块和模拟量采集模块，用于采集燃料电池温度传感器和差压传感器的数据。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，其特征在于：所述驱动输出模块（5）包括模拟量输出模块和开关量输出模块，用于控制燃料电池的储氢罐储氧罐的减压阀、气泵的减压阀、水泵的电磁阀、进氧进氢排氧排氢清扫电磁阀。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，其特征在于：所述通信模块（6）包括串口通信模块、CAN通信模块和USB通信模块。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双机备份控制器，其特征在于：所述数据存储模块（7）包括两个数据存储卡，分别与主控制器处理器（2）、从控制器处理器（3）连接。
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| CN107632554A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-01-26 | 江苏汉武智能科技有限公司 | 一种人员通道主从控制电路 |
| CN107918325A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-04-17 | 中国电子信息产业集团有限公司第六研究所 | 多路模拟量采集卡 |
| CN107942820A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-04-20 | 卡斯柯信号有限公司 | 一种高可靠性的模拟量冗余输出装置及方法 |
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| CN107632554A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-01-26 | 江苏汉武智能科技有限公司 | 一种人员通道主从控制电路 |
| CN107918325A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-04-17 | 中国电子信息产业集团有限公司第六研究所 | 多路模拟量采集卡 |
| CN107942820A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-04-20 | 卡斯柯信号有限公司 | 一种高可靠性的模拟量冗余输出装置及方法 |
| CN107942820B (zh) * | 2017-12-19 | 2024-03-29 | 卡斯柯信号有限公司 | 一种高可靠性的模拟量冗余输出装置及方法 |
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