專利名稱：一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
--種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置技術(shù)領(lǐng)域一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置，涉及采用臺式或筆記本電腦對車用燃料電 池單片電壓進(jìn)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(dú)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(dú)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(jìn)行通訊。C認(rèn)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(diǎn)。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(fù)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(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)。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(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)上完成， 并且采集速率達(dá)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、同歩性高、 采集速率高的需求。本實(shí)用新型除了可以完成傳統(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(yàn)對于試驗(yàn)人員的需求。相 比亍傳統(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(hù)簡單的特點(diǎn)。測試系統(tǒng)的上位機(jī)部分采用LabVIEW等軟件開發(fā)，支持臺式機(jī)PCI插槽和筆記本電腦 PCMCIA插槽的CAN通訊卡?；谂_式機(jī)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(jì)算機(jī)強(qiáng)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(shí) 測試系統(tǒng)的下位機(jī)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(dá)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(jìn)行靈活配置。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型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(hù)、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。本實(shí)用新型由負(fù)責(zé)監(jiān)控的上位機(jī)部分和負(fù)責(zé)燃料電池單片電壓巡檢的下位機(jī)部分組成，上位機(jī)部分包括帶CAN卡接口的上位機(jī)、雙路CAN卡；下位機(jī)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裝置，a) 上位機(jī)的雙路CAN卡的第一個輸入端口 1，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)燃料電池單片 巡檢控制器的CAN 口連接；b) 上位機(jī)的雙路CAN卡的第二個輸入端口 2,通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)燃料電池控制 器的CANB 口連接；c) 下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的CANB 口，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)高速燃料電 池單片電壓采集子板的CAN 口連接d) 下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的電源接口，通過電纜與下位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。 本頭'用新型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(jī)實(shí)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)信號的同歩采集。下位機(jī)通過基 于燃料電池單片電壓采集模塊的開發(fā)，實(shí)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(shí)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(jì)算等功能。下 位機(jī)將采集的信號發(fā)送到單片巡檢網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)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(shí)現(xiàn)了實(shí) 時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲的功能。所述上位機(jī)，通過調(diào)用CAN卡驅(qū)動程序，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示到上位機(jī)屏幕上，并存儲到上 位機(jī)的硬盤中。本實(shí)用新型運(yùn)用先進(jìn)的CAN網(wǎng)絡(luò)和TTCAN協(xié)議技術(shù)，結(jié)合LabVIEW開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)了一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置，其主要效果有a) 同時(shí)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(shí)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(dá)到每540片0.125 秒和().OIV，燃料電池單片電壓信號的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性增強(qiáng)。c) 顯示燃料電池工作參數(shù)的同時(shí)，提供危險(xiǎn)單片的手動和自動選擇和實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(qiáng)。e) 上位機(jī)可以釆用臺式機(jī)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(shí)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是本實(shí)用新型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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型具體實(shí)施做進(jìn)一步說明。圖1是本實(shí)用新型面向燃料電池的單片電壓高速巡檢系統(tǒng)示意圖。本實(shí)用新型的連接關(guān)系如下i)上位機(jī)的雙路C細(xì)卡的輸入端口 1，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的CAN 口連接。j)上位機(jī)的雙路CAN卡的輸入端口 2，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)燃料電池控制器的CANB 口連接。k)下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的CANB 口，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)高速燃料電 池單片電壓采集子板的CAN 口連接。:1)下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的電源接口，通過電纜與下位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)髙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(jī)信號轉(zhuǎn)換 及供電一體化子板的信號輸出端口相連。0) 下位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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 PCMC[A-CAN/2,所述燃料電 池單片巡檢控制器為基于Motorola MC376的單片機(jī)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(jī)子板，采集精度可達(dá)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(jī)電腦，此時(shí)需要使用PCI接口的高速CAN卡，沒有CAN卡電纜，下位機(jī) 燃料電池單片巡檢控制器和下位機(jī)燃料電池控制器的CAN接口通過CAN電纜分別與CAN卡的 C細(xì)、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(jī)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(jī)后，上位機(jī)進(jìn)行初始化1) 根據(jù)用戶的設(shè)置，進(jìn)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CANO和CAN1進(jìn)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(kuò)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CANO和CAN1的通訊速率為2S0kbps
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(dú)立的變量中。f) 以電堆為單位，計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)。g) 將分配和計(jì)算后的數(shù)據(jù)顯示到上位機(jī)屏幕上1) 將燃料電池電堆運(yùn)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(shí)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(jì)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(zhǔn)接插件、68針 標(biāo)準(zhǔn)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裝置，其特征在于，該系統(tǒng)由負(fù)責(zé)監(jiān)控的上位 機(jī)部分和負(fù)責(zé)燃料電池單片電壓巡檢的下位機(jī)部分組成，上位機(jī)部分包括帶CAN卡接口的上 位機(jī)、雙路CAN卡；下位機(jī)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(jī)的雙路C認(rèn)卡的第一個輸入端口 1，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)燃料電池單片 巡檢控制器的CAN 口連接；h)上位機(jī)的雙路C緒卡的第二個輸入端口 2，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)燃料電池控制 器的CANB 口連接；c) 下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的CANB 口，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)高速燃料電 池單片電壓采集子板的CAN 口連接；d) 下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的電源接口，通過電纜與下位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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l所述的一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置，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l所述的一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置，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(jī)子板。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置，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(jī)子板，采集精度0.01V。
專利摘要一種面向燃料電池的單片電壓高速巡檢裝置，涉及采用臺式或筆記本電腦對車用燃料電池單片電壓進(jìn)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(jī)包括帶CAN卡接口的上位機(jī)、雙路CAN卡；下位機(jī)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(jī)CAN卡的第一個輸入端口與下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的CAN口連接；下位機(jī)燃料電池單片巡檢控制器的CANB口，通過標(biāo)準(zhǔn)CAN電纜與下位機(jī)高速燃料電池單片電壓采集子板的CAN口連接。本實(shí)用新型采集速率高、采集精度好，燃料電池系統(tǒng)和單片巡檢同時(shí)兼顧；低成本、易維護(hù)、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G01R31/36GK201037866SQ20072014915
公開日2008年3月19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)明者磊 包, 盧蘭光, 中 李, 歐陽明高 申請人:清華大學(xué)