本文關鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池測試系統(tǒng)的設計與開發(fā)

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【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC)作為一種新型綠色能源,具有無污染、體積小、轉(zhuǎn)換效率和能量密度高、可低溫啟動等優(yōu)勢。世界各國也在紛紛出臺相關政策,鼓勵和推動PEMFC在便攜式電源、車用動力電源、分布式發(fā)電站等領域的應用。但是,從PEMFC前期研發(fā)到后期驗證和制造的整個過程,都離不開燃料電池測試系統(tǒng)：研發(fā)階段,測試系統(tǒng)幫助確定和優(yōu)化能量輸出的特征,以提高電池的壽命和魯棒性；驗證階段,測試系統(tǒng)幫助優(yōu)化設計降低成本,以備大規(guī)模生產(chǎn)；制造階段,測試系統(tǒng)用于監(jiān)測電池是否符合設計規(guī)范。在燃料電池測試系統(tǒng)研發(fā)領域,國外起步比早、技術積累多、專業(yè)性強、產(chǎn)品種類豐富；國內(nèi)起步晚、技術積累匱乏、商業(yè)化的產(chǎn)品很少。然而,國外設備普遍價格昂貴,使用靈活性和兼容性差。我們需要的測試系統(tǒng)要求具有極高的兼容性和靈活性：不僅能夠滿足現(xiàn)階段的測試需求,同時可以根據(jù)新的測試需求來探索新的測試技術,驗證新的測試方法。本文從現(xiàn)階段自身實驗室的測試需求出發(fā),在充分學習借鑒國內(nèi)外相關技術的基礎上,搭建出了一套具有極高靈活性和兼容性的PEMFC測試系統(tǒng)。文中詳細闡述了該項目從需求分析、架構(gòu)搭建、方案制定到具體研發(fā)和驗證的整個過程,主要的工作成果如下：1、分析指出測試系統(tǒng)應具有精確測量、快速響應、穩(wěn)定運行、記錄數(shù)據(jù)、安全保護、易于操作、有擴縮性和界面良好等功能需求。為滿足功能需求,提出了模塊化、開放性的系統(tǒng)架構(gòu)：各模塊單獨穩(wěn)定運行,模塊間相互兼容；系統(tǒng)是開放的,支持模塊的擴充和縮減。分析指出各模塊(子系統(tǒng))詳細的技術需求指標,選配滿足指標的相關儀器和傳感器。結(jié)合不同儀器和傳感器的不同信號類型和通訊方式,提出了測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案：將所有模擬類信號的監(jiān)測,歸總到一個帶RS485通訊功能的采集卡來實現(xiàn)；設計開發(fā)一個帶三路RS485端口、一個RS232端口、一個USB串口、兩個電磁閥驅(qū)動端口等的核心控制板卡�？刂瓢蹇ㄍㄟ^USB端口與上位機通訊,通過其他端口與各個儀器和傳感器通訊。2、基于STM32單片機,設計出核心控制板卡的硬件原理圖：包括STM32最小系統(tǒng),電源電路,外圍接口電路,狀態(tài)指示和傳感電路等。完成布局、布線、打板、焊接和調(diào)試等工作后,開發(fā)出了一個結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定的印刷電路板(PCB)。為控制板編寫了雙線程的底層驅(qū)動代碼：一方面實現(xiàn)控制板對儀器和傳感器的監(jiān)測和控制；一方面實現(xiàn)控制板和上位機的通訊。參考Module Bus規(guī)范,制定出控制板與上位機間的通訊協(xié)議：具有兩字節(jié)字頭,一個地址碼,一個功能碼,八字節(jié)數(shù)據(jù)位,兩字節(jié)求和校驗。3、基于LabVIEW平臺,設計出可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、存儲和顯示的上位機架構(gòu)(隊列消息處理架構(gòu))。自定義了前面板控件,編寫出所有可被調(diào)用的子Ⅵ；詳細介紹了架構(gòu)內(nèi)各個消息處理循環(huán)的控制邏輯,給出相關實現(xiàn)代碼；最后,簡單介紹了上位機的UI(用戶界面)的設計和優(yōu)化。經(jīng)過不斷地調(diào)試和改進,本文設計開發(fā)的PEMFC測試系統(tǒng)可實現(xiàn)如下指標：100ms一次的數(shù)據(jù)更新,24h持續(xù)穩(wěn)定運行,75W放電功率,200個放電步驟,256次放電循環(huán),支持燃料電池特有的0V放電狀態(tài),大于10M的數(shù)據(jù)存儲容量。該測試系統(tǒng)目前已完全滿足實驗室對PEMFC測試的基本需求。同時,具有極高兼容性和靈活性的系統(tǒng)架構(gòu),對于探索新的燃料電池測試技術和控制算法,也將起到極大的推動作用。
【關鍵詞】：質(zhì)子交換膜燃料電池 測試系統(tǒng) 控制板 單片機 LabVIEW
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 PEMFC工作原理與測試系統(tǒng)簡介12-17
• 1.2 燃料電池測試系統(tǒng)國內(nèi)外研究進展17-21
• 1.2.1 國外進展18-20
• 1.2.2 國內(nèi)進展20-21
• 1.3 本課題研究意義和本文主要工作21-23
• 第二章 測試系統(tǒng)架構(gòu)的設計23-30
• 2.1 功能需求分析23-24
• 2.2 技術需求分析24-25
• 2.3 測試系統(tǒng)整體架構(gòu)的搭建25-29
• 2.3.1 測試系統(tǒng)相關儀器的選擇26-27
• 2.3.2 測試系統(tǒng)的整體設計方案27-29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 第三章 控制板硬件電路和底層驅(qū)動的設計與開發(fā)30-46
• 3.1 控制板硬件電路的設計30-35
• 3.1.1 STM32的最小系統(tǒng)30-32
• 3.1.2 外圍接口電路的設計32-33
• 3.1.3 PCB的布局布線33-35
• 3.2 控制板底層代碼的編寫35-44
• 3.2.1 定義變量35-37
• 3.2.2 初始化配置37-38
• 3.2.3 控制板對下位機的監(jiān)測38-39
• 3.2.4 上位機對控制板的監(jiān)控39-44
• 3.3 本章小結(jié)44-46
• 第四章 上位機軟件的設計與開發(fā)46-67
• 4.1 上位機程序的整體架構(gòu)46-50
• 4.2 上位機程序的編寫50-62
• 4.2.1 前面板控件與子Ⅵ的編寫50-55
• 4.2.2 主消息處理循環(huán)的編寫55-56
• 4.2.3 串口通訊消息處理循環(huán)的編寫56-59
• 4.2.4 數(shù)據(jù)存儲消息處理循環(huán)的編寫59-60
• 4.2.5 自動測試功能的編寫60-62
• 4.3 上位機程序的UI設計62-65
• 4.4 本章小結(jié)65-67
• 第五章 總結(jié)與展望67-73
• 參考文獻73-80
• 碩士期間發(fā)表論文80-81
• 致謝81-82
• 附錄82-91

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