基于LabVIEW的PEMFC单电池电压巡检系统设计

朱晓舟，陈民武，刘湘东，赵航飞，韩 明



基于LabVIEW的PEMFC单电池电压巡检系统设计

朱晓舟1,2，陈民武1，刘湘东1,2，赵航飞1,2，韩 明2

（1西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；2淡马锡理工学院清洁能源研究中心，新加坡 529757）

本文设计了一套基于数据采集硬件模块和LabVIEW软件模块的质子交换膜燃料电池（PEMFC）单电池电压巡检系统。该系统实现了对单电池电压数据的实时检测、显示及存储，准确度高，抗干扰能力强，有效保障了PEMFC电堆的稳定运行。以实验室自制的阴极开放式PEMFC为实验平台，证明了本系统良好的测试精度与稳定性。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）；单电池电压巡检系统；数据采集；LabVIEW

随着全球能源短缺问题日益严峻，应对气候变化挑战日益加剧，同时，能源的稀缺性和环境污染的不可逆性，让全球各国对能源与环境问题更加重视起来。研发和利用风能、太阳能、氢能等清洁可再生能源已成为世界能源发展的必然趋势[1]。燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的发电装置，以氢气作燃料、氧气作氧化剂的一类燃料电池具有能量转化效率高、清洁环保、不受卡诺循环限制等优点[2]。其中，质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）除具有上述燃料电池的共同优势外，还具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单等突出特点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源[3]。

PEMFC单电池在标准状态（温度298 K，大气压100 kPa）下的理论电动势为1.229 V[4]。但由于存在活化极化、欧姆极化和浓差极化等不可逆极化损失，单电池工作时的实际输出电压很难达到理论电动势[5]。一般情况下，PEMFC单电池只能产生1 V左右的电压，为了满足负载需求，通常需要将几十甚至几百片单电池串联构成PEMFC电堆[6]。各单电池电压反应了整个电堆和辅助系统的工作状态，若单电池电压发生异常（低于0.4 V），则会导致电堆的崩溃甚至永久性损坏。因此，单电池的电压实时巡检对保障PEMFC电堆的稳定运行具有非常重要的意义。

本文提出一种基于数据采集模块和LabVIEW软件的PEMFC电池堆单电池电压巡检系统，实现了对单电池电压数据的实时检测、显示及存储功能。系统实时性强（可在290μs内完成所有12个单电池电压的测量），准确度高（LabVIEW程序内置数据校验模块），界面简洁直观且能直接导出电压数据至Excel文件，便于后续PEMFC电池堆的特性研究及模型建立。最后，以实验室自制的质子交换膜燃料电堆为实验平台，验证了本系统的实用性及可靠性。

1 系统方案

PEMFC单电池电压巡检系统包括硬件结构和软件平台两部分，其整体结构如图1所示。系统工作时，上位机中的LabVIEW软件通过通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）将控制信号发送至单片机。信号经单片机处理后，通过isoSPI总线传至以LTC6804为核心的数据采集模块，并控制模块对单电池电压数据进行采集。所采数据经过与控制信号相同的传输路径反传至单片机内部进行处理打包，再移交至上位机。最后，上位机LabVIEW软件将对这些数据信号进行校验、显示和存储等操作，实现对PEMFC单电池电压的实时巡检。

图1 电池巡检系统结构框图

2 系统硬件结构

2.1 数据采集模块设计

系统硬件结构由数据采集和信号传输两个模块构成。本系统数据采集模块所用集成芯片为Linear公司的LTC6804，具有外围电路简单、精度高、传输速度快、可扩展性好等优势[7]。单片LTC6804最多可测12个串联单电池的电压，测量范围为0～5V，其总测量误差低于1.2 mV，可在290 μs内完成所有12个单电池电压的测量[8]。芯片采样频率可通过配置其内部ADC工作模式改变，采样频率越低，数据精度越高。实际应用中将多个LTC6804串接起来，可同时监视几十上百个单电池电压，具有良好的扩展性。

当收到控制信号后，LTC6804开始对各个单电池进行电压采集，采集到的模拟信号将在芯片内部的两个并联ADC转换器上进行模数转换，所得的数字信号将存储在芯片中的电池电压寄存器组中。本设计中，应用单电池并联稳压管的方法来保护芯片，同时加入接地滤波器来减少谐波的干扰，提高模拟信号采样精度。

2.2 信号传输模块设计

本系统信号传输模块采用isoSPI隔离式通信，该通信方式可实现电池组模块的简化，最大限度地减少每个电池电子线路的元件数量[9]，从而达到降低成本的效果。

每片LTC6804的isoSPI引脚与两路HX1188NL隔离变压器相连，且采用中心轴头和共模扼流圈，抑制温度等外界条件变化对电路造成的影响。此外芯片采用“平衡”双线差分信号技术减少噪声影响，该技术允许噪声出现在导线上，但由于两条导线上的共模噪声相同，使传输的差模信号相互间不受影响，取代了采用差分放大器抑制共模信号的方法。

同时，在信号流的末端设置isoSPI隔离式通信接口LTC6820，通过单条双绞线连接在两个隔离器之间提供隔离式的SPI通信。LTC6820采用匹配的电压供电和吸收电流来驱动差分信号，免除了增设变压器中心抽头的需要，可完成MCU标准四线的SPI到LTC6804的isoSPI链路的转换，具有良好的电压隔离和共模抑制能力。

3 系统软件设计

3.1 串口数据采集模块

本文自主设计了系统软件部分，可实现对单电池电压数据的接收、处理、显示及存储。上位机LabVIEW程序框图可分为四部分：串口数据采集模块、数据校验模块、数据转换及显示模块、数据存储模块。其流程图如图2所示。

图2 系统软件部分结构框图

LabVIEW提供了基于标准I/O应用程序接口的VISA库，可实现计算机与仪器之间的软件层连接[10]。本系统中LabVIEW软件通过VISA与单片机进行通讯的基本程序框图如图3所示。

图3 LabVIEW串口通讯程序框图

在对串口通讯的波特率、数据位等参数进行设置后，通过一布尔原元件控制VISA 写入模块是否发送命令，进而决定是否对数据进行接收。在VISA读取模块添加一条件结构，用于判断串口的字节数量，若字节总数≥40，则将所有字节存入名为data的一维数组，否则进行错误输出。

3.2 数据校验模块

由于串口是一种不稳定的传输方式，传输位出错的可能性较高，因此需要对串口通讯进行校验。本系统串口校验程序包括两部分，分别是初始字节校验和全部字节校验，校验流程如图4所示。

图4 数据校验模块流程图

初始字节校验用于判断所接收数据是否为电池电压数据，若编号为0、1、2的三个初始字节所对应ASCII码与设定值一致，则说明所接受数据是电池电压数据，反之需要重新接收。全部字节校验的目的是防止电池数据的错位及乱码，将全部40个字节的最后一字节设置为校验位。除去初始校验三字节，设定其余36个字节数值之和除256的余数与校验位数值相等，若经判断发现不等，则认为数据出现了错位或乱码。

3.3 数据转换及显示模块

串口数据采集模块已将接收到的字节存入一维数组，因此在数据转换模块可直接从数组中调出所需处理的数据。数组中的电压数据为十六进制数，相邻两个字节分别为十六进制数的高位和低位，也即单片PEMFC电池的电压数据是由相邻两字节共同决定的。为了方便电压数据的实时显示，需要将十六进制数转换成十进制数，设十六进制数高低位分别为、，电压数据十进制数为，则转换公式如式(1)所示

数据转换模块的程序框图如图5所示。图中仅以cell1和cell2两片单电池为例，其余单电池的电压数据转换过程与此同理。

在LabVIEW软件的前面板放置数个液罐，用于实时显示各单电池的电压，并将12片单电池的电压数据导入到同一波形图表中，实时绘制各电池电压变化曲线。

3.4 数据存储模块

除对电压数据的实时显示和波形绘制，本系统还实现了数据的实时导出功能，导出数据以Excel格式存储，方便后续随时调用。模块程序框图如图6所示，在while循环外设置Excel表格表头，标注数据点、时间及单电池编号等参数。循环内不断将电压数据写入Excel文件，并直接存入预设好的报表文件路径。由于原始程序过于复杂，图6仍以cell1和cell2两片单电池电压数据的存储为例。

图5 数据转换模块程序框图

图6 数据存储模块程序框图

4 实验验证

以新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心自主设计开发的质子交换膜燃料电池为平台，应用本系统对单电池电压进行了测试。系统数据采集模块增加一LTC6804芯片，因此可同时测量24片单电池电压。实验用PEMFC电堆由15片单电池串联组成，每片单电池有效工作面积为8 cm2。阳极氢气由高压储气罐经减压阀供给进气，设定压力为1 bar（1 bar=105Pa），采用LHDA0533115H型（LEE公司产）电磁阀对阳极氢气尾气进行间歇式排气。阴极采用PFB0612UH型风扇（DELTA公司产）为燃料电池散热并提供反应所需氧气。采用PLZ1004W型可编程电子负载（KIKUSUI公司产）调节电池的输出，电压、电流变化范围分别为15～150 V和0～200 A，电池所处外部环境温度为24 ℃。

设置电子负载工作于恒电压（CV）模式，当负载电压为10 V时，电池稳定运行后的LabVIEW界面如图7所示。每片单电池电压数据可通过界面中蓝色液罐实时显示，并自动写入Excel文件。各单电池电压随时间变化曲线则绘制在同一波形图表中，以便观察其历史状态及变化趋势。实验同时采用FLUKE 87型数字万用表（FLUKE公司产）对单电池电压进行测量，其精度可达到0.5 mV。经与万用表测量结果对比，本系统电压测量误差在±1 mV以内，验证了系统较高的测量精度。

图7 LabVIEW界面图

5 结 论

本文设计了一套基于LabVIEW软件的PEMFC电堆单电池电压巡检系统，实现了对单电池电压数据的实时检测、显示及存储，方便后续PEMFC特性研究及模型建立。系统实时性强，准确度高，对保障PEMFC电堆稳定运行具有重要意义。此外，经实验分析，该系统同样可用于具有单电池结构的储能电池（如全钒液流电池）电压巡检，具有相当的推广价值。

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Design of single cell voltage monitor system based on LabVIEW for PEMFC

ZHU Xiaozhou1,2, CHEN Minwu1, LIU Xiangdong1,2, ZHAO Hangfei1,2, HAN Ming2

(1School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China;2Clean Energy Research Centre, Temasek Polytechnic, Singapore 529757, Singapore)

A single cell voltage monitor system was designed and fabricated for PEM fuel cell application in this paper. This system consists of a hardware module using data collection chip, and the LabVIEW functioning as software module. It features the high-accuracy, strong anti-interference performance and real-time data display and data collection. It can be used to guarantee the stable operation of PEM fuel cell. This system was successfully applied in the performance study on a PEM fuel cell stack, and good experimental results were obtained.

proton exchange membrane fuel cell (PEMFC); single cell voltage monitor system; data collection; LabVIEW

TM 911.4

A

2095-42399（2018）01-123-05

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0108

2017-06-20；

2017-07-05。

朱晓舟（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为燃料电池控制系统、新能源应用，E-mail：zxzswjtu@sina.com。