CN206725732U - 燃料电池远程监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池远程监测与控制系统，属于燃料电池系统领域。包括Arduino单片机、树莓派、单体电池电压采集模块、燃料电池；所述Arduino单片机与所述单体电池电压采集模块相连，控制单体电池电压采集模块采集燃料电池的状态参数，并通过USB通信发送到所述树莓派；所述树莓派将采集模块发送过来的数据上传到存储终端中，并执行终端发出的控制命令。通过树莓派上的微型处理器对采集到的燃料电池的电压、电流、温度等参数进行监测，从而对燃料电池的状态进行管理和控制。用户通过手机可在任一能上网的地方监测与控制燃料电池系统，及时发现燃料电池的异常状态，较大减轻了人员的劳动强度。

Description

燃料电池远程监测与控制系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池系统领域，涉及燃料电池远程监测与控制系统。

背景技术

燃料电池系统由反应物供给系统、散热系统、电能变化系统、气流控制系统等子系统组成，具有复杂的动态特性，如温度变化、湿度变化、功率变化、性能衰减、反应物浓度变化和单片电池性能分散等。另外，这些参数不但影响燃料电池的正常工作，同时可能导致其不可逆的损坏。如单片性能的分散性对燃料电池的影响：一般情况下质子交换膜燃料电池的单片电池开路电压为0.9V～1.0V，但电压会随着负载的增加而降低，由于单片电池的性能分散性导致个别电池电压急剧下降和不稳定，这将直接影响到整个电池堆的性能和寿命，因此单电池实时巡检对保障电池稳定工作以及增加寿命非常重要。综上，燃料电池中的许多参数都需要检测和控制，同时检测到的数据有助于将来分析燃料电池性能和设计改进燃料电池系统。针对燃料电池需要实时精确的检测与控制系统，目前已经有许多比较复杂的监控系统诞生，但目前的系统存在系统成本较高，体积过大，且监控的不方便等问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于树莓派平台的智能手机燃料电池远程监测与控制系统。通过树莓派上的微型处理器对采集到的燃料电池的电压、电流、温度等参数进行监测，从而对燃料电池的状态进行管理和控制。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

燃料电池远程监测与控制系统，包括单片机、处理器、单体电池电压采集模块；所述单片机与所述单体电池电压采集模块相连，控制单体电池电压采集模块采集燃料电池的状态参数，并通过USB通信发送到所述处理器；所述处理器将采集模块发送过来的数据上传到存储终端，并执行终端发出的控制命令；所述单体电池电压采集模块包括电源模块、多路模拟开关模块和差分放大器模块；所述电源模块为整个电路板供电；所述多路模拟开关模块将2个多路模拟复用器串联，通过并联的二进制地址总线所确定的地址，将多路输入之一切换至公共输出，所有通道均采用先断后合式开关机制，防止同时开关通道时产生瞬间短路现象；所述差分放大器的输入共模电压范围为±270V。

进一步，所述处理器的通用输入/输出(General Purpose Input Output,GPIO)引脚用于控制LED、蜂鸣器、电磁阀，通过与鼠标、键盘、显示器、摄像头相连进行人机交互。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型结合目前的智能化发展趋势提出了基于树莓派平台的智能手机应用监控系统。因为树莓派是一个仅有卡片大小的微型计算机，带有USB接口、有线网络接口、HDMI接口等，再加上目前智能手机的普及，几乎每个人都拥有一部能上网的智能手机，所以通过一个手机来进行燃料电池系统的监控将会非常便捷。用户通过手机终端就可以在任何一个能上网的地方进行燃料电池系统的监测与控制，通过远程检测系统及时发现燃料电池的异常状态，大大地减轻了工作人员的劳动强度。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型总体结构示意图；

图2为单体电池巡检差分放大器隔离法示意图；

图3为改进的差分放大器法示意图；

图4为电源模块结构图；

图5为单体电压采集模块结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型硬件主要包括树莓派、Arduino单片机、单体电池电压采集模块，其中树莓派作为整个系统的主控制器，Arduino处理系统中单片机部分的任务。

1.上位机选型

本实施例选用树莓派作为上位机，它是由英国慈善组织“Raspberry Pi基金会”开发的一款基于ARM的仅有信用卡大小的微型电脑主板。

树莓派3代Model B采用博通公式BCM2837作为CPU，使用SD卡作为存储器，内置丰富的接口，包括4个USB2.0和40针扩展接口，并且支持有线和无线方式上网，蓝牙通信，其自身不带显示器，但可以通过HDMI接口输出视频，也可以通过DSI外接液晶显示屏。其官方推荐的操作系统为基于Debian的开源Linux系统Raspbian，支持Python为主要的编程语言。本实施例选择的是最新的树莓派3代Model B版本，相对于Model A+、B、B+和2代B版本在性能和功耗上都用较大的改进。

2.下位机选型

虽然已经有了树莓派作为上位机，但是它只有IO和串口，数据采集还需要借助其他的模块来实现。由于Arduino自带ADC模块，并且也存在丰富的库资源，使用也比较简单，因此选择Arduino作为下位机来采集数据。

Arduino是一种基于开放源代码的USB接口简单输入/输出接口平台，并且支持类似C语言、Java语言的IDE集成开发环境。它作为目前较为流行的电子互动平台，由开源的硬件平台和开源软件组成，编程语言和开发环境清晰简洁。由于其开源特点，网上有丰富的学习资料和参考程序以及丰富的库文件免费提供下载。经过Arduino使用者共同的努力，其功能越来越强大，目前已经存在有各种各样的Arduino版本，如Uno、Nano、LilyPad、Mega2560、Leonardo、Due等。

本实施例选用的是目前最新版本Arduino Uno R3，采用的是ATmega328单片机，具有32KB内存，2KB的SRAM和1KB的EEPROM，晶振频率为16MHz，有14个数字输入/输出引脚(包括6个PWM引脚)、6个模拟输入引脚、1个ICSP的排针、1个USB通信接口、1个电源插座和1个复位按钮。

3.单体电池电压巡检模块设计

由于燃料单体电池的理论电压为1.2V左右，开路电压1V左右，但实际使用中通常均低于1V，为了能够满足电动车等大功率的需求，燃料电池堆通常由几十到几百片串联而成。并且为了确保燃料电池的正常运行，增加其使用年限，必须及时、准确地检测燃料电池的运行状态，对燃料电池进行合理有效的控制和管理。在燃料电池所有的状态参数中，单片电池的电压直接影响电堆性能的好坏。因此燃料电池单体电池电压巡检模块设计非常重要。

3.1单体电池电压巡检常用方法

共模测量和差模测量是检测串联电池组的两种常用方法，共模测量是在同一参考点下，使用精密的电阻等比例衰减后测量各点的电势，然后依次做减法得到每节电池的电压，该方法十分简单，但是测量精度较低，仅适合电池数较小和精度要求低的电压测量；差模测量是通过选择单节电池导通进行的直接电压测量，适用于精度要求较高并且串联电池数目较多的场合。针对燃料电池单体电压巡检，结合共模和差模方法提出了许多的方法，目前常见的燃料电池单体电压检测方法有机械继电器隔离检测、电压分压法、差分放大器法隔离法等。其中，差分放大器隔离检测法是将单体电池直接接入耐压值很高的差分放大器的正反向输入端，经过隔离放大后输出的电压是单极对地的(增益G通常为1)，然后再通过多路模拟开关选通后，便可得到单体电池电压，如图2所示。

考虑到检测的精度、电气的隔离和结构的简化，由于机械继电器法转换时间太长，不适合实时的检测，电压分压法的测量精度较差，所以决定采用改进的差分放大器隔离检测法，其转换时间能达到微妙级，开关次数无限且测量精度非常高。

3.2改进的差分放大器法

改进的差分放大器法原理如图3所示，首先通过两个16路的模拟量选择开关，选通相应的单片电池，然后将两个模拟量选择开关的输出分别接入到差分放大器的正反向输入端，经过差分放大器隔离放大后输出的电压为单极对地的单片实际电压模拟量，然后再通过Arduino的ADC得到单片电池的实际电压值。

改进的差分放大器隔离法检测硬件电路由电源模块、多路模拟开关模块、差分放大器模块和其他的一些接插件部分组成。电源模块是给整个电路板供电的部分，考虑在实际使用过程中，可能会使用燃料电池的输入电压作为输入电源。因此选用了TRACO POWER公司的TEN 30-2431WIN的DC/DC转换器，它是一款高性能30W的dc/dc转换器，带有远程开关，过压保护和欠压锁定等功能。该芯片一共有7个引脚，其中包括了三路独立电压输出。整个电源模块部分原理如图4所示。

在多路模拟开关模块中，将两个Analog Devices公司(亚德诺半导体技术有限公司)的多路模拟复用器串联在一起，通过并联的4位二进制地址总线A0、A1、A2、A3所确定的地址，将16路输入之一切换至公共输出。该芯片采用增强型LC2MOS工艺技术，具有功耗低、切换迅速、低导通电阻等特点，并且所有通道均采用先断后合式开关机制，防止同时开关通道时产生瞬间短路现象。

差分放大器仍然选择了Analog Devices公司的精密差动放大器AD629，具有非常高的输入共模电压范围、最高可在±270V的高共模电压情况下精确测量差分信号，并且具有低失调、低失调漂移、低增益误差漂移、低共模抑制漂移和在较宽频带内的高共模抑制比(CMRR)。

由多路模拟开关模块和差分放大器模块组成的单体电压采集模块原理如图5所示，两个16路的多路模拟复用器便可以组成一个16片串联单电池的电压巡检系统，如果需要测量更多组数单体电池，只需添加ADG406多路复用开关即可。

4.硬件系统集成

首先是将串联的多片燃料电池分别接入的单体电压巡检模块中带有FC标签的排针，该模块通过两个共地的直流电源供电，然后将Arduino的A0引脚与单体电压巡检模块中的电压模拟量输出引脚相连，同时用Arduino的四个数字口2、3、4、5控制单电压巡检模块中的多路模拟开关输出。Arduino再与树莓派通过USB连接，进行Arduino的供电，同时也构成与树莓派的USB通信。树莓派的GPIO引脚18和25分别用于控制LED和蜂鸣器，如果有需要，还可以将鼠标、键盘、显示器等外设接入树莓派中以方便操作，还可加入摄像头通过图像或视频的方式对电池的状况进行监控。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.燃料电池远程监测与控制系统，其特征在于：包括单片机、处理器、单体电池电压采集模块；所述单片机与所述单体电池电压采集模块相连，控制单体电池电压采集模块采集燃料电池的状态参数，并通过USB通信发送到所述处理器；所述处理器将采集模块发送过来的数据上传到存储终端，并执行终端发出的控制命令；所述单体电池电压采集模块包括电源模块、多路模拟开关模块和差分放大器模块；所述电源模块为整个电路板供电；所述多路模拟开关模块将2个多路模拟复用器串联，通过并联的二进制地址总线所确定的地址，将多路输入之一切换至公共输出，所有通道均采用先断后合式开关机制，防止同时开关通道时产生瞬间短路现象；所述差分放大器的输入共模电压范围为±270V。

2.如权利要求1所述的燃料电池远程监测与控制系统，其特征在于：所述处理器的通用输入/输出引脚用于控制LED、蜂鸣器、电磁阀，通过与鼠标、键盘、显示器、摄像头相连进行人机交互。