质子交换膜燃料电池测试系统的设计与开发

发布时间：2017-10-09 15:00

  本文关键词：质子交换膜燃料电池测试系统的设计与开发

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(Proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC)作为一种新型绿色能源,具有无污染、体积小、转换效率和能量密度高、可低温启动等优势。世界各国也在纷纷出台相关政策,鼓励和推动PEMFC在便携式电源、车用动力电源、分布式发电站等领域的应用。但是,从PEMFC前期研发到后期验证和制造的整个过程,都离不开燃料电池测试系统：研发阶段,测试系统帮助确定和优化能量输出的特征,以提高电池的寿命和鲁棒性；验证阶段,测试系统帮助优化设计降低成本,以备大规模生产；制造阶段,测试系统用于监测电池是否符合设计规范。在燃料电池测试系统研发领域,国外起步比早、技术积累多、专业性强、产品种类丰富；国内起步晚、技术积累匮乏、商业化的产品很少。然而,国外设备普遍价格昂贵,使用灵活性和兼容性差。我们需要的测试系统要求具有极高的兼容性和灵活性：不仅能够满足现阶段的测试需求,同时可以根据新的测试需求来探索新的测试技术,验证新的测试方法。本文从现阶段自身实验室的测试需求出发,在充分学习借鉴国内外相关技术的基础上,搭建出了一套具有极高灵活性和兼容性的PEMFC测试系统。文中详细阐述了该项目从需求分析、架构搭建、方案制定到具体研发和验证的整个过程,主要的工作成果如下：1、分析指出测试系统应具有精确测量、快速响应、稳定运行、记录数据、安全保护、易于操作、有扩缩性和界面良好等功能需求。为满足功能需求,提出了模块化、开放性的系统架构：各模块单独稳定运行,模块间相互兼容；系统是开放的,支持模块的扩充和缩减。分析指出各模块(子系统)详细的技术需求指标,选配满足指标的相关仪器和传感器。结合不同仪器和传感器的不同信号类型和通讯方式,提出了测试系统的实现方案：将所有模拟类信号的监测,归总到一个带RS485通讯功能的采集卡来实现；设计开发一个带三路RS485端口、一个RS232端口、一个USB串口、两个电磁阀驱动端口等的核心控制板卡。控制板卡通过USB端口与上位机通讯,通过其他端口与各个仪器和传感器通讯。2、基于STM32单片机,设计出核心控制板卡的硬件原理图：包括STM32最小系统,电源电路,外围接口电路,状态指示和传感电路等。完成布局、布线、打板、焊接和调试等工作后,开发出了一个结构紧凑、性能稳定的印刷电路板(PCB)。为控制板编写了双线程的底层驱动代码：一方面实现控制板对仪器和传感器的监测和控制；一方面实现控制板和上位机的通讯。参考Module Bus规范,制定出控制板与上位机间的通讯协议：具有两字节字头,一个地址码,一个功能码,八字节数据位,两字节求和校验。3、基于LabVIEW平台,设计出可实现数据采集、分析、存储和显示的上位机架构(队列消息处理架构)。自定义了前面板控件,编写出所有可被调用的子Ⅵ；详细介绍了架构内各个消息处理循环的控制逻辑,给出相关实现代码；最后,简单介绍了上位机的UI(用户界面)的设计和优化。经过不断地调试和改进,本文设计开发的PEMFC测试系统可实现如下指标：100ms一次的数据更新,24h持续稳定运行,75W放电功率,200个放电步骤,256次放电循环,支持燃料电池特有的0V放电状态,大于10M的数据存储容量。该测试系统目前已完全满足实验室对PEMFC测试的基本需求。同时,具有极高兼容性和灵活性的系统架构,对于探索新的燃料电池测试技术和控制算法,也将起到极大的推动作用。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 测试系统 控制板 单片机 LabVIEW
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 PEMFC工作原理与测试系统简介12-17
• 1.2 燃料电池测试系统国内外研究进展17-21
• 1.2.1 国外进展18-20
• 1.2.2 国内进展20-21
• 1.3 本课题研究意义和本文主要工作21-23
• 第二章 测试系统架构的设计23-30
• 2.1 功能需求分析23-24
• 2.2 技术需求分析24-25
• 2.3 测试系统整体架构的搭建25-29
• 2.3.1 测试系统相关仪器的选择26-27
• 2.3.2 测试系统的整体设计方案27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 控制板硬件电路和底层驱动的设计与开发30-46
• 3.1 控制板硬件电路的设计30-35
• 3.1.1 STM32的最小系统30-32
• 3.1.2 外围接口电路的设计32-33
• 3.1.3 PCB的布局布线33-35
• 3.2 控制板底层代码的编写35-44
• 3.2.1 定义变量35-37
• 3.2.2 初始化配置37-38
• 3.2.3 控制板对下位机的监测38-39
• 3.2.4 上位机对控制板的监控39-44
• 3.3 本章小结44-46
• 第四章 上位机软件的设计与开发46-67
• 4.1 上位机程序的整体架构46-50
• 4.2 上位机程序的编写50-62
• 4.2.1 前面板控件与子Ⅵ的编写50-55
• 4.2.2 主消息处理循环的编写55-56
• 4.2.3 串口通讯消息处理循环的编写56-59
• 4.2.4 数据存储消息处理循环的编写59-60
• 4.2.5 自动测试功能的编写60-62
• 4.3 上位机程序的UI设计62-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 总结与展望67-73
• 参考文献73-80
• 硕士期间发表论文80-81
• 致谢81-82
• 附录82-91

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本文编号：1000816