CN212062592U - 一种基于燃料电池的集成监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于燃料电池的集成监控系统，属于燃料电池领域。所述基于燃料电池的集成监控系统包括：CPU、通信单元、第一采集单元、第二采集单元、驱动单元、电源系统；所述CPU与通信单元连接，两者能够进行通信；所述CPU的输出端与驱动单元连接；所述CPU的输入端分别与第一采集单元、第二采集单元以及电源系统连接。本实用新型通过各种单元以及接口解决了质子交换膜燃料电池因电压不稳、氢气利用率不高、集成化程度不高以及电压和功率不匹配等问题，有效地提高了质子交换膜燃料电池的稳定性和安全性，同时降低了生产与使用、维护的成本。

Description

一种基于燃料电池的集成监控系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种基于燃料电池的集成监控系统。

背景技术

燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的高效发电装置。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，主要有低温快速启动、燃料洁净环保使用方便、体积小巧、维护成本低等特点，极具产业发展潜力。

如图2所示，质子交换膜燃料电池主要包括：燃料电池200、降压DC/DC单元300、负载400、单片电压采集板500、开关单元600、燃料电池电压、电流采集单元700、储能设备800、充电设备900、氢气系统1000，在所述燃料电池200上设置有冲刷阀门2001和进气阀2002，所述进气阀2002与所述氢气系统1000连接，所述降压DC/DC单元300的正负极分别与负载400连接，负载400与开关单元600连接，开关单元600分别与降压DC/DC单元300、燃料电池电压、电流采集单元700、充电设备900连接，充电设备900还与储能设备800连接，储能设备800还与燃料电池200的正负极连接。另外，在燃料电池200上设置有电池散热风扇2003，在降压DC/DC单元300上设置有散热风扇3001。

质子膜燃料电池有工作温度低、可在室温下快速启动、可使用氢气/天然气/甲醇重整气作燃料、空气做氧化剂、运行安静、污染排放低、功率密度高、机动性好等优点。但是仍有电压不稳、氢气利用率不高、集成化程度不高以及电压和功率不匹配等问题，从而影响质子交换膜燃料电池的使用寿命以及安全。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于燃料电池的集成监控系统，能够使燃料电池具有稳定的功率输出，优化其工作温度，并提高燃料电池的使用寿命和安全性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于燃料电池的集成监控系统，所述基于燃料电池的集成监控系统包括：CPU、通信单元、第一采集单元、第二采集单元、驱动单元、电源系统；

所述CPU与通信单元连接，两者能够进行通信；

所述CPU的输出端与驱动单元连接；

所述CPU的输入端分别与第一采集单元、第二采集单元以及电源系统连接。

优选的，所述通信单元采用CAN协议转换器。

优选的，所述通信单元通过CAN总线连接PC机。

优选的，所述PC机通过CAN总线与单片电压采集板连接；

所述单片电压采集板与燃料电池连接。

优选的，所述驱动单元采用晶体管放大器或者集成电路运算放大器。

优选的，所述驱动单元的输出端分别与进气阀、冲刷阀门、电池散热风扇、散热风扇、降压DC/DC单元以及开关单元连接。

优选的，所述第一采集单元的输入端分别与第二压力传感器、RTD.A1温度采集装置、RTD.A2温度采集装置、RTD.A3温度采集装置、RTD.A4温度采集装置、RTD.A5温度采集装置、RTD.B温度采集装置、第一压力传感器、氢气瓶温度采集装置连接，并将采集到的信号传递给CPU。

优选的，所述第二采集单元的输入端分别与温度传感器和压力传感器连接，并将采集到的信号传递给CPU；

所述温度传感器采集环境温度；

所述压力传感器采集环境压力。

优选的，所述电源系统包括：3.3V电源、5V电源和24V电源；

所述24V电源一方面为驱动单元供电，另一方面为5V电源提供输入能源；

所述5V电源将24V电压降压稳压至5V,一方面为第一采集单元、第二采集单元供电，另一方面为3.3V电源提供输入能源；

所述3.3V电源将5V电压降压稳压至3.3V,为CPU供电。

优选的，所述24V电源与控制器电源转换DC连接；

所述控制器电源转换DC与燃料电池的正负极连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型实现了对燃料电池的进气阀、冲刷阀门、电池散热风扇、散热风扇、降压DC/DC单元EN和开关单元EN等设备的驱动，可以根据接口选择多种设备来满足不同要求、精度的需求，实现了氢燃料电池系统各种工作状态下数据的自动采集、监测、控制，可以了解到燃料电池工作的状态数据。而且本系统具有使用简单方便，控制稳定、准确、体积小、集成度高、接口简单、可靠性高等优点。

本实用新型通过各种单元以及接口解决了质子交换膜燃料电池因电压不稳、氢气利用率不高、集成化程度不高以及电压和功率不匹配等问题，有效地提高了质子交换膜燃料电池的稳定性和安全性，同时降低了生产与使用、维护的成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于燃料电池的集成监控系统的结构示意图；

图2为现有的燃料电池及其连接的设备的结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型所要保护的基于燃料电池的集成监控系统如图1所示，具体包括：CPU10、通信单元40、第一采集单元30、第二采集单元50、驱动单元20、电源系统；

所述CPU10与通信单元40连接，两者能够进行通信。具体的，所述通信单元40为CAN协议转换器，能够将CPU输出的RS232格式的数字信号转化为在汽车行业较为流行的CAN格式的数字信号，CAN协议转换器的可选型号较多，根据实际需求选择即可。

优选的，所述通信单元40通过CAN总线连接PC机100，通信单元40通过CAN总线与PC机100相互交互。PC机100通过CAN总线与单片电压采集板500连接，所述单片电压采集板500是与燃料电池200连接的现有产品。

所述CPU10的输出端与驱动单元20连接。所述驱动单元20采用现有的晶体管放大器或者集成电路运算放大器，其能够将CPU10的弱信号控制输出，转化为强信号，驱动执行机构的动作。

优选的，所述驱动单元20的输出端连接进气阀2002、冲刷阀门2001、电池散热风扇2003、散热风扇3001、降压DC/DC单元300以及开关单元600(这些均是燃料电池上的或者与燃料电池连接的现有的部件，在此不再赘述)。CPU10通过驱动单元20将驱动信号提供给进气阀2002、冲刷阀门2001、电池散热风扇2003、散热风扇3001、降压DC/DC单元300以及开关单元600等设备。

所述CPU10的输入端分别与第一采集单元30、第二采集单元50以及电源系统连接。

优选的，所述第一采集单元30的输入端连接第二压力传感器301(用于采集燃料电池的阳极的压力)、RTD.A1～RTD.A5温度采集装置302(包括RTD.A1温度采集装置、RTD.A2温度采集装置、RTD.A3温度采集装置、RTD.A4温度采集装置、RTD.A5温度采集装置，分别用于采集燃料电池中各个不同部位的温度，)、RTD.B温度采集装置303(用于采集与燃料电池连接的降压DC/DC单元的温度)、第一压力传感器304(用于采集氢气系统1000中的气瓶的压力)、氢气瓶温度采集装置305(氢气瓶在正常情况下，本身是不发热的，但是在意外事故中，可能会被火焰或者其它热源加热。这一方面会因为热力学机理而提高氢气的压力，另一方面会因为材料学机理降低氢气瓶体的强度，从而导致爆炸。为了规避这种风险，当探测到氢气瓶过热时，需要应急地将氢气向上方空中排放)，并将采集到的信号传递给CPU10。与所述第一采集单元30的输入端连接的上述设备均是现有燃料电池上连接的设备，具体设备以及连接方式在此不再赘述。

优选的，所述第二采集单元50的输入端连接温度传感器和压力传感器，并将采集到的信号传递给CPU10，其中温度传感器采集环境温度，常用的温度传感器是白金电阻温度传感器，其在摄氏零度时的电阻值为1000欧姆，温度每升降一度，其电阻值增减3.9欧姆。所述压力传感器采集环境压力(气压)，常用的压力传感器是膜片加上半导体压敏元件(现有的成熟产品)，膜片将气压的变化传递给半导体压敏元件，此元件的电阻或电压相应发生变化，并将其采集信号传递给CPU。

优选的，所述电源系统包括三种不同的电源，分别为3.3V电源60、5V电源70以及24V电源80。

其中，24V电源80一方面为驱动单元供电，另一方面为5V电源70提供输入能源；5V电源70将24V电源80输出的电压降压稳压至5V,一方面为第一采集单元、第二采集单元供电，另一方面为3.3V电源60提供输入能源；3.3V电源60将5V电源70输出的电压降压稳压至3.3V,为CPU10供电。

优选的，所述24V电源80与控制器电源转换DC90连接，该控制器电源转换DC90采用DC/DC转换器，其与燃料电池200的正负极连接，常用的类型有：BOOST电感升压型、BUCK电感降压型、高频变压器隔离型，可以根据需要选择。

本系统配备了温(湿)度、气压、电压、电流等多种传感器接口，并配备了多种驱动器接口，可以用于螺线管、线圈、阀门、加热器、散热风扇等PWM驱动设备的连接，使用简单方便，控制稳定、准确，模块化设计可以根据接口选择多种设备来满足不同要求、精度的需求，实现了对燃料电池在各种工作状态下数据的自动采集、监测、控制。

本实用新型的实施例中采用的硬件设备如下：

数据采集卡(数据采集卡是数字电路，是插在PC机中的，用于将CAN数据格式转化为便于PC机输入输出的USB数据格式的。

·USBCAN数据采集卡，通过PC或笔记本的USB接口实现对CAN总线网络的发送和接收；快速CAN网络数据采集、数据分析；

·波特率：500K

·双路CAN接口

传感器：这些传感器是连接在第一采集单元和第二采集单元上的传感器：

·高温度、高精度集成硅压力传感器，15kPa to 115kPa(2.2to 16.7psi)

·氢气瓶压力传感器0-45MPa,耐压压力：52.5MPa,工作电压：12VDC，输出信号：0-3.3V测量精度：2.5％FS

·数字温度计-40℃～100℃

·电压采集 0-80V

·电流采集 0-100A

本实施例中的各个接口如下：

·电源接口：24V/3A

·2路24V散热风扇控制接口

·3路电磁阀/螺线管/加热器控制接口

·6路4-20mA数据采集接口(可以接压力、温度、电压、电流等传感器)

·4路差分信号输入或8路AD采集接口(RTD接口)

·3路AD信号采集接口

·2路USART串行通信接口

·1路CAN总线接口

·2路PWM信号输出接口(接带PWM控制的风扇)

·8路信号输入接口

·2路DAC输出接口(设备等驱动接口)

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述基于燃料电池的集成监控系统包括：CPU、通信单元、第一采集单元、第二采集单元、驱动单元、电源系统；

所述CPU与通信单元连接，两者能够进行通信；

所述CPU的输出端与驱动单元连接；

所述CPU的输入端分别与第一采集单元、第二采集单元以及电源系统连接。

2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述通信单元采用CAN协议转换器。

3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述通信单元通过CAN总线连接PC机。

4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述PC机通过CAN总线与单片电压采集板连接；

所述单片电压采集板与燃料电池连接。

5.根据权利要求1所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述驱动单元采用晶体管放大器或者集成电路运算放大器。

6.根据权利要求5所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述驱动单元的输出端分别与进气阀、冲刷阀门、电池散热风扇、散热风扇、降压DC/DC单元以及开关单元连接。

7.根据权利要求1所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述第一采集单元的输入端分别与第二压力传感器、RTD.A1温度采集装置、RTD.A2温度采集装置、RTD.A3温度采集装置、RTD.A4温度采集装置、RTD.A5温度采集装置、RTD.B温度采集装置、第一压力传感器、氢气瓶温度采集装置连接，并将采集到的信号传递给CPU。

8.根据权利要求1所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述第二采集单元的输入端分别与温度传感器和压力传感器连接，并将采集到的信号传递给CPU；

所述温度传感器采集环境温度；

所述压力传感器采集环境压力。

9.根据权利要求1所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述电源系统包括：3.3V电源、5V电源和24V电源；

所述24V电源一方面为驱动单元供电，另一方面为5V电源提供输入能源；

所述5V电源将24V电压降压稳压至5V,一方面为第一采集单元、第二采集单元供电，另一方面为3.3V电源提供输入能源；

所述3.3V电源将5V电压降压稳压至3.3V,为CPU供电。

10.根据权利要求9所述的基于燃料电池的集成监控系统，其特征在于：所述24V电源与控制器电源转换DC连接；

所述控制器电源转换DC与燃料电池的正负极连接。

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