基於LabVIEW的PEMFC單電池電壓巡檢系統設計

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研究背景

隨著全球能源短缺問題日益嚴峻，應對氣候變化挑戰日益加劇，同時，能源的稀缺性和環境污染的不可逆性，讓全球各國對能源與環境問題更加重視起來。研發和利用風能、太陽能、氫能等清潔可再生能源已成為世界能源發展的必然趨勢。燃料電池是一種通過電化學反應將化學能直接轉化為電能的發電裝置，以氫氣作燃料、氧氣作氧化劑的一類燃料電池具有能量轉化效率高、清潔環保、不受卡諾循環限制等優點。其中，質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）除具有上述燃料電池的共同優勢外，還具有工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單等突出特點，被公認為電動汽車、固定發電站等的首選能源。

PEMFC單電池在標準狀態（溫度298 K，大氣壓100 kPa）下的理論電動勢為1.229 V。但由於存在活化極化、歐姆極化和濃差極化等不可逆極化損失，單電池工作時的實際輸出電壓很難達到理論電動勢。一般情況下，PEMFC單電池只能產生1 V左右的電壓，為了滿足負載需求，通常需要將幾十甚至幾百片單電池串聯構成PEMFC電堆。各單電池電壓反應了整個電堆和輔助系統的工作狀態，若單電池電壓發生異常（低於0.4 V），則會導致電堆的崩潰甚至永久性損壞。因此，單電池的電壓實時巡檢對保障PEMFC電堆的穩定運行具有非常重要的意義。

本文提出一種基於數據採集模塊和LabVIEW軟體的PEMFC電池堆單電池電壓巡檢系統，實現了對單電池電壓數據的實時檢測、顯示及存儲功能。系統實時性強（可在290μs內完成所有12個單電池電壓的測量），準確度高（LabVIEW程序內置數據校驗模塊），界面簡潔直觀且能直接導出電壓數據至Excel文件，便於後續PEMFC電池堆的特性研究及模型建立。最後，以實驗室自製的質子交換膜燃料電堆為實驗平台，驗證了本系統的實用性及可靠性。

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創新點及解決的問題

針設計了一套基於數據採集硬體模塊和LabVIEW軟體模塊的質子交換膜燃料電池（PEMFC）單電池電壓巡檢系統。該系統實現了對單電池電壓數據的實時檢測、顯示及存儲，準確度高，抗干擾能力強，有效保障了PEMFC電堆的穩定運行。以實驗室自製的陰極開放式PEMFC為實驗平台，證明了本系統良好的測試精度與穩定性。

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重點內容導讀

1 系統方案

PEMFC單電池電壓巡檢系統包括硬體結構和軟體平台兩部分，其整體結構如圖1所示。系統工作時，上位機中的LabVIEW軟體通過通用非同步收發傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）將控制信號發送至單片機。信號經單片機處理後，通過isoSPI匯流排傳至以LTC6804為核心的數據採集模塊，並控制模塊對單電池電壓數據進行採集。所采數據經過與控制信號相同的傳輸路徑反傳至單片機內部進行處理打包，再移交至上位機。最後，上位機LabVIEW軟體將對這些數據信號進行校驗、顯示和存儲等操作，實現對PEMFC單電池電壓的實時巡檢。

圖1 電池巡檢系統結構框圖

2 系統硬體結構

2.1 數據採集模塊設計

系統硬體結構由數據採集和信號傳輸兩個模塊構成。本系統數據採集模塊所用集成晶元為Linear公司的LTC6804，具有外圍電路簡單、精度高、傳輸速度快、可擴展性好等優勢。

2.2 信號傳輸模塊設計

本系統信號傳輸模塊採用isoSPI隔離式通信，該通信方式可實現電池組模塊的簡化，最大限度地減少每個電池電子線路的元件數量，從而達到降低成本的效果。

3 系統軟體設計

3.1 串口數據採集模塊

本文自主設計了系統軟體部分，可實現對單電池電壓數據的接收、處理、顯示及存儲。上位機LabVIEW程序框圖可分為四部分：串口數據採集模塊、數據校驗模塊、數據轉換及顯示模塊、數據存儲模塊。其流程圖如圖2所示。

圖2 系統軟體部分結構框圖

LabVIEW提供了基於標準I/O應用程序介面的VISA庫，可實現計算機與儀器之間的軟體層連接。本系統中LabVIEW軟體通過VISA與單片機進行通訊的基本程序框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW串口通訊程序框圖

3.2 數據校驗模塊

由於串口是一種不穩定的傳輸方式，傳輸位出錯的可能性較高，因此需要對串口通訊進行校驗。本系統串口校驗程序包括兩部分，分別是初始位元組校驗和全部位元組校驗，校驗流程如圖4所示。

圖4 數據校驗模塊流程圖

3.3 數據轉換及顯示模塊

3.4 數據存儲模塊

除對電壓數據的實時顯示和波形繪製，本系統還實現了數據的實時導出功能，導出數據以Excel格式存儲，方便後續隨時調用。模塊程序框圖如圖6所示，在while循環外設置Excel表格表頭，標註數據點、時間及單電池編號等參數。循環內不斷將電壓數據寫入Excel文件，並直接存入預設好的報表文件路徑。由於原始程序過於複雜，圖6仍以cell1和cell2兩片單電池電壓數據的存儲為例。

圖5 數據轉換模塊程序框圖

圖6 數據存儲模塊程序框圖

4 實驗驗證

圖7 LabVIEW界面圖

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結 論

本文設計了一套基於LabVIEW軟體的PEMFC電堆單電池電壓巡檢系統，實現了對單電池電壓數據的實時檢測、顯示及存儲，方便後續PEMFC特性研究及模型建立。系統實時性強，準確度高，對保障PEMFC電堆穩定運行具有重要意義。此外，經實驗分析，該系統同樣可用於具有單電池結構的儲能電池（如全釩液流電池）電壓巡檢，具有相當的推廣價值。

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引用本文

朱曉舟，陳民武，劉湘東，趙航飛，韓 明. 基於LabVIEW的PEMFC單電池電壓巡檢系統設計[J]. 儲能科學與技術, 2018, 7(1): 123-127.

ZHU Xiaozhou, CHEN Minwu, LIU Xiangdong, ZHAO Hangfei, HAN Ming. Design of single cell voltage monitor system based on LabVIEW for PEMFC[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(1): 123-127.

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