一种燃料电池自动化测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池自动化测试系统，其主要由燃料电池测试主控制器、电池巡检子系统、电池堆发电子系统和远程电子负载组成，所述燃料电池测试主控制器采用现场总线接收电池巡检子系统发送电池堆发电子系统的电压数据，通过数据采集/模拟量发送板卡来调节、监控电池堆发电子系统的电池堆状态和电池堆参数，使用通用接口总线控制器与远程电子负载通信。本发明专利技术通过对燃料电池堆的控制，测试和分析，实现燃料电池测试和分析自动化，对减小燃料电池测试工作量和提高测试精度有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池测试自动化
，特别是一种涵盖燃料电池堆控制、电池堆状态巡检和电池堆性能分析3个方面的自动化测试分析系统及方法。
技术介绍
燃料电池(FuelCell)是一种以氢气或净化重整气为燃料，空气或纯氧气为氧化剂，带有气体流动通道的双极板发电装置，具有高效率、无污染的特点，可以应用于便携式设备、固定式燃料电池发电设备和车辆用燃料电池等领域。燃料电池系统通常由以下6个部分组成：(1)电池组，其功能是将燃料的化学能转换为电能向外输送给负载；(2)氢气与氧气供给装置，其功能是向电池提供燃料和氧化剂，保持电池阴/阳极压力平衡，循环回收未完全反应的气体；(3)水热管理系统，其功能是保证电池内部的水/热平衡状态，控制燃料电池温度与湿度在一个合适的范围内，使电池具有较高的电能转换效率；(4)电能转换装置包括DC/DC变换器或DC/AC变换器，在本燃料电池系统中电池堆输出连接到远程电子负载上；(5)燃料电池巡检系统，其功能是实时监控燃料电池的工作状态，向控制系统传送电池状态数据；(6)自动控制系统，其功能是对燃料电池系统进行调控，确保燃料电池系统运行稳定可靠。燃料电池系统是一个涉及电化学，电工学、热力学和流体力学的非线性强耦合系统。传统测试方式是燃料电池堆控制、巡检和负载调节分开，分别由操作者控制电堆燃料输入、功率输出和负载大小，根据电池巡检数据来判断电池当前工作状态，这样的测试方式低效且控制精度低，因此有必要设计一种能够克服此种问题的燃料电池自动化测试系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种将燃料电池控制、巡检和负载调节相结合的燃料电池自动化测试系统，由计算机自动完成燃料电池的测试和数据分析，减少测试工作量和提高测试精度。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的燃料电池自动化测试系统，主要由燃料电池测试主控制器、电池巡检子系统、电池堆发电子系统和远程电子负载组成。其中，所述燃料电池测试主控制器采用现场总线接收电池巡检子系统发送电池堆发电子系统的电压数据，通过数据采集/模拟量发送板卡来调节、监控电池堆发电子系统的电池堆状态和电池堆参数，使用通用接口总线控制器与远程电子负载通信。所述的燃料电池测试主控制器，用于实现燃料电池堆状态控制和检测、远程电子负载控制、接收电池巡检数据和进行燃料电池性能分析，其硬件由工业控制计算机和通过数据线与该工业控制计算机相连的数据采集板卡、数据模拟量发送板卡、现场总线适配器和通用接口总线控制器组成。所述的数据采集板卡，其用于接收多路氢气、空气、热水端和冷水端流量信号、多路氢气进堆、空气进堆、冷数端、热水端、进堆水和出堆氢气压力信号、多路冷数端、进堆水和出堆水温度信号、以及1路氢气泄漏报警信号。所述的数据模拟量发送板卡，其用于输出包括氢气、氮气、冷却水、热水端电磁阀开度信号，减压阀压力信号，水泵频率信号，空压机空气开度信号，尾气阀开度信号。所述的燃料电池测试主控制器，其软件是由数据流信号相连的数据分析及管理模块、数据记录模块、通信模块、数据显示模块、控制模块和故障处理模块组成。其中，数据分析及管理模块负责分析电池堆测试数据，绘制极化特性参数曲线，生成报表；通信模块接收电池巡检子系统和远程电子负载数据，通过控制模块的数据采集卡获取电池堆工作参数；通信模块和控制模块将接收到的数据发送至数据显示模块，经过数据解析后显示在交互界面上，同时接收到的数据也传递至数据记录模块，由数据库保存；故障处理模块始终监视总线及采集卡采集到的数据，当发现燃料电池测试主控子系统故障时，发出停止命令到通信模块和控制模块，停止燃料电池工作，关闭各子系统；控制模块主要负责借助模拟量输出板卡控制电堆进气量、温度和压力，从而调节电池堆输出状态，凭借GPIB总线完成电堆与电子负载相配合，测试电堆输出性能。所述的电池巡检子系统，用于燃料电池电压巡检，其采用高精度高共模电压差积分输入电压测量模块KPJ01，以及一只主机和五只扩展从机，主机和从机结构相同、编号不同。所述的电池堆发电子系统，主要由氢气供气装置、空气供气装置、水热管理装置、电池堆组成，其中，氢气、空气、水热管理装置由燃料电池自动化测试系统执行机构调节；所述氢气供气装置设有氢气储气罐和输气管道，氢气储气罐经过输气管道和管道上的电磁阀、减压阀和稳压阀向电池堆负极提供恒压氢气；所述空气供气装置设有空气压缩机、加湿器和输气管道，空气压缩机将经过净化的低压空气提升为高压空气，通过输气管道流经加湿器之后通入电池堆正极；水热管理装置由氮气储气罐、冷水机组、散热板、水泵、加热水箱、电池堆内部循环回路以及若干电磁阀组成，构成内/外循环回路，以此保持电池堆工作在合适温度下；氮气储气罐用来在电池启停时清洗电池堆。所述的燃料电池测试系统的执行机构，设有电磁阀、稳压阀、流量控制器、加湿器、循环水泵、传感器和加热器，用于控制燃料电池供气系统的进气量、压力、湿度和燃料电池堆的温度，其响应速度和调节精度决定了电池堆的稳定性和负载响应速度的性能。所述的传感器，包括压力传感器、温度传感器和流量传感器，分别用于测量燃料电池系统各部分的压力、温度和流量等数据，其中：压力传感器采用MIK-P300扩散硅压力变动器，温度传感器采用FST600-100，流量传感器采用LWGY涡轮流量计。所述的远程电子负载，由多台串联方式的负载WCL488SeriesWaterCooledElectronicLoads组成，设置为恒电流工作模式：远程电子负载与燃料电池测试主控制器之间使用通用接口总线GPIB进行通信，或者采用基于IEEE488的并行总线接口标准和可编程仪器标准命令SCPI进行通信。本专利技术提供的上述的燃料电池自动化测试系统，其应用是：首先，设置燃料电池自动化测试系统工作的必要参数，包括输出电流密度范围、电子负载负荷范围、负载初始值、测试负荷间隔、电堆有效膜面积、单个测试点测试时长和故障保护值，将燃料电池加热至工作温度；然后，开启阴/阳极供气系统和温度控制系统；接着，按照设置的初始负荷及电流密度-进气量函数关系，自动设置对应的氢气、空气气体流量和电子负载负荷大小，按照设置的燃料电池工作点进行电池堆自动化测试，记录完整燃料电池工作极化特性曲线；最后，测试完毕，关闭各子系统。本专利技术与现有的燃料电池测试系统相比有如下主要的优点：(1)实现燃料电池测试自动化，自动进行燃料电池堆控制、远程电子负载控制、数据分析、故障处理及报表生成一系列步骤，提高了测试效率和精度，系统运行不受操作人员经验影响，安全可靠。(2)燃料电池堆温度控制系统采用模糊控制策略，相比传统的PID控制具有更高的智能，可以修正参数使输出值无限接近设定值。而相比于其他高维模糊温度控制策略，本系统使用一维模糊控制策略，简单可靠，响应速度快。(3)通过拟合燃料电池电流密度-氢气空气流量关系多项式来确定需求电流密度下的氢气/空气流量，多项式采用三阶多项式，在保证精度的情况下使计算速度尽量快，从而实现电流密度控制自动化。(4)燃料电池自动化测试系统软件设计采用面向组件软件设计方式，模块化设计软件，从而方便程序修改和增添新功能。(5)燃料电池测试数据量庞大，传统人工寻找有效数据并且记录的方式效率低，制表简陋。本系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池自动化测试系统，其特征是主要由燃料电池测试主控制器、电池巡检子系统、电池堆发电子系统和远程电子负载组成，所述燃料电池测试主控制器采用现场总线接收电池巡检子系统发送电池堆发电子系统的电压数据，通过数据采集/模拟量发送板卡来调节、监控电池堆发电子系统的电池堆状态和电池堆参数，使用通用接口总线控制器与远程电子负载通信。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池自动化测试系统，其特征是主要由燃料电池测试主控制器、电池巡检子系统、电池堆发电子系统和远程电子负载组成，所述燃料电池测试主控制器采用现场总线接收电池巡检子系统发送电池堆发电子系统的电压数据，通过数据采集/模拟量发送板卡来调节、监控电池堆发电子系统的电池堆状态和电池堆参数，使用通用接口总线控制器与远程电子负载通信。2.根据权利要求1所述的燃料电池自动化测试系统，其特征在于所述的燃料电池测试主控制器，用于实现燃料电池堆状态控制和检测、远程电子负载控制、接收电池巡检数据和进行燃料电池性能分析，其硬件由工业控制计算机和通过数据线与该工业控制计算机相连的数据采集板卡、数据模拟量发送板卡、现场总线适配器和通用接口总线控制器组成。3.根据权利要求2所述的燃料电池自动化测试系统，其特征在于所述的数据采集板卡，其用于接收多路氢气、空气、热水端和冷水端流量信号、多路氢气进堆、空气进堆、冷数端、热水端、进堆水和出堆氢气压力信号、多路冷数端、进堆水和出堆水温度信号，以及1路氢气泄漏报警信号。4.根据权利要求2所述的燃料电池自动化测试系统，其特征在于所述的数据模拟量发送板卡，其用于输出包括氢气、氮气、冷却水和热水端电磁阀开度信号、减压阀压力信号、水泵频率信号、空压机空气开度信号和尾气阀开度信号。5.根据权利要求2所述的燃料电池自动化测试系统，其特征在于所述的燃料电池测试主控制器，其软件是由数据流信号相连的数据分析及管理模块、数据记录模块、通信模块、数据显示模块、控制模块和故障处理模块组成。其中，数据分析及管理模块负责分析电池堆测试数据，绘制极化特性参数曲线，生成报表；通信模块接收电池巡检子系统和远程电子负载数据，通过控制模块的数据采集卡获取电池堆工作参数；通信模块和控制模块将接收到的数据发送至数据显示模块，经过数据解析后显示在交互界面上，同时接收到的数据也传递至数据记录模块，由数据库保存；故障处理模块始终监视总线及采集卡采集到的数据，当发现燃料电池测试主控子系统故障时，发出停止命令到通信模块和控制模块，停止燃料电池工作，关闭各子系统；控制模块主要负责借助模拟量输出板卡控制电堆进气量、温度和压力，从而调节电池堆输出状态，凭借GPIB总线完成电堆与电子负载相配合，测试电堆输出性能。6.根据权利要求1所述的燃料电池自动化测试系统，其特征在于所述的电池巡检子系统，用于燃料电池电压巡检，其采用高精度高共模电压差积分输入电压测量模块KPJ01，以及一只主机和五只扩展...

【专利技术属性】
技术研发人员：石英，杨振，熊秋芬，谢长君，全书海，张立炎，黄亮，陈启宏，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42