專利名稱：一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，涉及采用臺式或筆記本電腦對車用燃料電池單片電壓進行在線檢測和評估，屬于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
車用燃料電池系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各零部件都具有獨立的控制器，各部件之間通過TTCAN網(wǎng)絡(luò)互相連接，其中燃料電池電堆還具有獨立的內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用CAN協(xié)議進行通訊。CAN通訊協(xié)議滿足了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換量大，可靠性要求高的特點。
燃料電池電堆是由多片極板+催化層+質(zhì)子交換膜+催化層+極板結(jié)構(gòu)的單片燃料電池串聯(lián)形成的，相鄰兩塊極板之間的電壓差稱為燃料電池的單片電壓。在燃料電池系統(tǒng)的工作過程中，單片電壓是重要的狀態(tài)參數(shù)，它是檢測燃料電池負荷、濕度、內(nèi)部物理化學(xué)反應(yīng)情況的主要參數(shù)，對于燃料電池的控制和故障診斷都是不可或缺的。
傳統(tǒng)的燃料電池單片巡檢系統(tǒng)都是面向規(guī)模較小的電堆，在功率要求較高的場合，只能使用多個電堆，通過串聯(lián)、并聯(lián)或是混聯(lián)的方式進行控制，對應(yīng)的單片電壓檢測裝置也需要多套。本系統(tǒng)針對車用燃料電池單片數(shù)量大的特點，對全部540片燃料電池采用單一的監(jiān)測裝置，相比于傳統(tǒng)的巡檢系統(tǒng)，具有成本低、占用空間少、結(jié)構(gòu)簡單的特點。
傳統(tǒng)的燃料電池單片巡檢系統(tǒng)都是將單片電壓信號與燃料電池系統(tǒng)信號分別采集，對兩個網(wǎng)絡(luò)需要采用兩套上位機采集軟件，而且還需要解決兩者之間同步的難題。本系統(tǒng)實現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和燃料電池電堆網(wǎng)絡(luò)的同步采集，所有的采集過程在一臺計算機上完成，并且采集速率達到了每540片0.125秒，滿足了燃料電池研發(fā)與應(yīng)用的數(shù)據(jù)量大、同步性高、采集速率高的需求。本發(fā)明除了可以完成傳統(tǒng)燃料電池單片巡檢系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)各自的功能之外，還為燃料電池監(jiān)控提供了監(jiān)視特定單片的功能，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)對于系統(tǒng)工作參數(shù)和單片電壓無法兼顧的問題，減少了燃料電池試驗對于試驗人員的需求。相比于傳統(tǒng)的采集方式，這種采集方式具有成本低、信號同步性好、維護簡單的特點。
測試系統(tǒng)的上位機部分采用LabVIEW等軟件開發(fā)，支持臺式機PCI插槽和筆記本電腦PCMCIA插槽的CAN通訊卡?；谂_式機和筆記本的數(shù)據(jù)記錄算法，可以按照用戶的需求，分別以文件大小或是數(shù)據(jù)量的方式控制單個采集文件的大小，并能自動跳過已經(jīng)存在的文件，避免數(shù)據(jù)的損失。利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，能夠連續(xù)采集數(shù)據(jù)，不需要定時清理。
測試系統(tǒng)的下位機部分是燃料電池單片電壓采集模塊，使用高精度的高速燃料電池單片電壓采集模塊，采集精度達到0.01V，完全可以滿足燃料電池監(jiān)控的需求。采集模塊可以根據(jù)燃料電池電堆的大小進行靈活配置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前車用燃料電池對于單片電壓巡檢系統(tǒng)的需求，提供一種低成本、易維護、可配置、同步性好、速率高的單片電壓巡檢系統(tǒng)，以滿足燃料電池研發(fā)與應(yīng)用的需要。
本發(fā)明由負責(zé)監(jiān)控的上位機部分和負責(zé)燃料電池單片電壓巡檢的下位機部分組成，上位機部分包括帶CAN卡接口的上位機、雙路CAN卡；下位機部分包括帶CAN卡接口的燃料電池控制器、帶CAN卡接口的燃料電池單片巡檢控制器、信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板以及高速燃料電池單片電壓采集子板；一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，a)上位機的雙路CAN卡的第一個輸入端口1，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機燃料電池單片巡檢控制器的CAN口連接；b)上位機的雙路CAN卡的第二個輸入端口2，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機燃料電池控制器的CANB口連接；c)下位機燃料電池單片巡檢控制器的CANB口，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的CAN口連接；d)下位機燃料電池單片巡檢控制器的電源接口，通過電纜與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的5V DC供電端口相連；e)下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的電源接口，通過電纜與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的12V DC供電端口相連；f)下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的信號輸入端口，通過排線與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的信號輸出端口相連；g)下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的信號輸入端口，通過排線與燃料電池極板相連；h)下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的供電接口，通過電纜與車用蓄電池的電極相連。
本發(fā)明所提出的面向車用燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，上位機實現(xiàn)了對基于CAN協(xié)議的單片巡檢網(wǎng)絡(luò)和基于TTCAN的燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信號的同步采集。下位機通過基于燃料電池單片電壓采集模塊的開發(fā)，實現(xiàn)了對于燃料電池單片電壓的順序檢測。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)燃料電池單片電壓信號與燃料電池系統(tǒng)信號的采集、智能存儲、在線計算等功能。下位機將采集的信號發(fā)送到單片巡檢網(wǎng)絡(luò)，上位機通過監(jiān)視、處理單片巡檢網(wǎng)絡(luò)和燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信號，得到燃料電池單片電壓和電堆的參數(shù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲的功能。
所述上位機，通過調(diào)用CAN卡驅(qū)動程序，實時收取燃料電池單片巡檢網(wǎng)絡(luò)與燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信號，并按照約定的通訊協(xié)議，并對其執(zhí)行信號提取和處理，將獲得的單片電壓以圖表的形式、其他燃料電池參數(shù)以虛擬儀表的方式，實時顯示到上位機屏幕上，并存儲到上位機的硬盤中。
本發(fā)明運用先進的CAN網(wǎng)絡(luò)和TTCAN協(xié)議技術(shù)，結(jié)合LabVIEW開發(fā)平臺，實現(xiàn)了一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，其主要效果有a)同時采集TTCAN網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)信號，并將兩者綜合到一個存儲文件中，解決了原有分開采集導(dǎo)致的數(shù)據(jù)時間協(xié)調(diào)性問題。
b)高速燃料電池單片電壓采集模塊采集速率高、采集精度好，分別達到每540片0.125秒和0.01V，燃料電池單片電壓信號的實時性和準確性增強。
c)顯示燃料電池工作參數(shù)的同時，提供危險單片的手動和自動選擇和實時監(jiān)視功能，解決了燃料電池系統(tǒng)和單片巡檢不能兼顧的問題。
d)CAN總線傳輸速率高，實時性能好，燃料電池單片電壓高速巡檢系統(tǒng)的信息處理能力加強。
e)上位機可以采用臺式機或筆記本電腦，應(yīng)用場所靈活，存儲空間充足，適用于燃料電池的研究、開發(fā)與應(yīng)用。
f)用戶界面的單片顯示與實際燃料電池電堆一一對應(yīng)，擁有最低電壓搜索功能，便于燃料電池系統(tǒng)集成中的故障診斷。


圖1是本發(fā)明面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)示意圖。
圖2是面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)的工作流程。
圖3是信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施做進一步說明。
圖1是本發(fā)明面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)示意圖。本發(fā)明的連接關(guān)系如下i)上位機的雙路CAN卡的輸入端口1，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機燃料電池單片巡檢控制器的CAN口連接。
j)上位機的雙路CAN卡的輸入端口2，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機燃料電池控制器的CANB口連接。
k)下位機燃料電池單片巡檢控制器的CANB口，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的CAN口連接。
l)下位機燃料電池單片巡檢控制器的電源接口，通過電纜與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的5V DC供電端口相連。
m)下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的電源接口，通過電纜與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的12V DC供電端口相連。
n)下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的信號輸入端口，通過排線與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的信號輸出端口相連。
o)下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的信號輸入端口，通過排線與燃料電池極板相連。
p)下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的供電接口，通過電纜與車用蓄電池的電極相連。
下位機從燃料電池電堆采集單片電壓信號，并以CAN信號的形式不間斷地發(fā)送到燃料電池單片巡檢網(wǎng)絡(luò)，上位機通過連接燃料電池系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和燃料電池單片巡檢網(wǎng)絡(luò)，獲取兩個網(wǎng)絡(luò)上的CAN信號并按照約定的協(xié)議解讀信號，將信號顯示到筆記本屏幕和記錄到筆記本電腦的存儲器中。所述高速雙路CAN2.0卡的型號為NI-CAN/2或NI PCMCIA-CAN/2，所述燃料電池單片巡檢控制器為基于Motorola MC376的單片機子板，所述高速燃料電池單片電壓采集子板為基于C8051的單片機子板，采集精度可達0.01V。圖1中的筆記本電腦也可以更換為具有PCI接口的臺式機電腦，此時需要使用PCI接口的高速CAN卡，沒有CAN卡電纜，下位機燃料電池單片巡檢控制器和下位機燃料電池控制器的CAN接口通過CAN電纜分別與CAN卡的CAN0、CAN1接口連接。
圖2為燃料電池單片電壓高速巡檢系統(tǒng)的工作流程a)燃料電池控制系統(tǒng)啟動后，高速燃料電池單片電壓采集子板連續(xù)地依次從每個燃料電池單片電池兩端采集電壓差信號。
b)高速燃料電池單片電壓采集子板將采集的電壓經(jīng)過編碼，以CAN信號的形式發(fā)送到下位機燃料電池單片巡檢控制器。
c)用戶啟動燃料電池單片巡檢上位機后，上位機進行初始化1)根據(jù)用戶的設(shè)置，進行監(jiān)控的單片電池范圍、跟蹤的單片電池片號、存儲文件的目錄及文件名、存儲文件的大小限制的初始化。
2)對CAN0和CAN1進行初始化1.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的信號ID列表，使用文字編輯軟件生成CAN0和CAN1網(wǎng)絡(luò)配置基于可擴展置標(biāo)語言(XML)的信號配置文件。
2.調(diào)用CAN Task Init或者CAN Task Init&Start命令，導(dǎo)入生成的配置文件。
3.調(diào)用Set Task Property命令，分別配置CAN0和CAN1的通訊速率為250kbps和500kbps。
d)分別讀取CAN網(wǎng)絡(luò)和TTCAN網(wǎng)絡(luò)信號，得到信號序列。
e)按照通訊協(xié)議設(shè)置文件，從信號序列中提取燃料電池工作參數(shù)，并分配到獨立的變量中。
f)以電堆為單位，計算燃料電池單片電壓的平均值、極值、方差、極差等反應(yīng)燃料電池性能的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
g)將分配和計算后的數(shù)據(jù)顯示到上位機屏幕上1)將燃料電池電堆運行工況的數(shù)值顯示在程序的“工況”面板上。
2)按照通訊協(xié)議設(shè)置文件，將單片電壓信號，按照實際電堆的分布方式，以柱狀圖的形式顯示在程序的“單片巡檢”面板上。
3)將計算燃料電池單片電壓的平均值、極值、方差、極差顯示在程序的“單片巡檢”面板上。
4)根據(jù)用戶的配置，將最多3片單片電池的電壓，以波形圖的形式顯示在程序的“工況”面板上。
h)將數(shù)據(jù)保存到硬盤1)將燃料電池的工作參數(shù)和單片電壓信號合并存入用戶指定的ASCII碼格式的文件中。
2)如果文件大小超過用戶指定值，則建立下一個文件，序號為原有文件序號+1。
i)檢查用戶是否按下“停止”按鈕，如果是，則轉(zhuǎn)入下一步j(luò)，否則轉(zhuǎn)入d。
j)卸載CAN卡資源1)調(diào)用CAN Task Stop命令，停止當(dāng)前CAN發(fā)送或接收任務(wù)。
2)調(diào)用CAN Task Clear命令，卸載對于當(dāng)前CAN資源的占用。
k)程序停止，當(dāng)用戶按下“關(guān)閉”按鈕之后，程序退出。
圖3為信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的電路圖，其中主要元件為25針標(biāo)準接插件、68針標(biāo)準接插件、匯眾HZH25-24S12 DC/DC模塊和LM2576T-5.0集成電路。連接關(guān)系和元件參數(shù)選擇可參考廠商提供的參考電路。
權(quán)利要求
1.一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由負責(zé)監(jiān)控的上位機部分和負責(zé)燃料電池單片電壓巡檢的下位機部分組成，上位機部分包括帶CAN卡接口的上位機、雙路CAN卡；下位機部分包括帶CAN卡接口的燃料電池控制器、帶CAN卡接口的燃料電池單片巡檢控制器、信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板、纜線及高速燃料電池單片電壓采集子板；a)上位機的雙路CAN卡的第一個輸入端口1，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機燃料電池單片巡檢控制器的CAN口連接；b)上位機的雙路CAN卡的第二個輸入端口2，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機燃料電池控制器的CANB口連接；c)下位機燃料電池單片巡檢控制器的CANB口，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的CAN口連接；d)下位機燃料電池單片巡檢控制器的電源接口，通過電纜與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的5V DC供電端口相連；e)下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的電源接口，通過電纜與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的12V DC供電端口相連；f)下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的信號輸入端口，通過排線與下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的信號輸出端口相連；g)下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的信號輸入端口，通過排線與燃料電池極板相連；h)下位機信號轉(zhuǎn)換及供電一體化子板的供電接口，通過電纜與車用蓄電池的電極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，其特征在于，所述高速雙路CAN2.0卡的型號為NI-CAN/2或NI PCMCIA-CAN/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池單片巡檢控制器為基于Motorola MC376的單片機子板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，其特征在于，所述高速燃料電池單片電壓采集子板為基于C8051的單片機子板，采集精度0.01V。
全文摘要
一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)，涉及采用臺式或筆記本電腦對車用燃料電池單片電壓進行在線檢測和評估，屬于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控裝置技術(shù)領(lǐng)域。上位機包括帶CAN卡接口的上位機、雙路CAN卡；下位機包括帶CAN卡接口的燃料電池控制器、帶CAN卡接口的燃料電池單片巡檢控制器、纜線等；上位機CAN卡的第一個輸入端口與下位機燃料電池單片巡檢控制器的CAN口連接；下位機燃料電池單片巡檢控制器的CANB口，通過標(biāo)準CAN電纜與下位機高速燃料電池單片電壓采集子板的CAN口連接。本發(fā)明采集速率高、采集精度好，燃料電池系統(tǒng)和單片巡檢同時兼顧；低成本、易維護、可配置、同步性好、速率高，滿足燃料電池研發(fā)與應(yīng)用的需要。
文檔編號G01R31/36GK101051070SQ20071009929
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者包磊, 盧蘭光, 李中, 歐陽明高 申請人:清華大學(xué)