燃料电池检测与监控系统开发探究

李强

摘要：本文通过对燃料电池内部检测与控制工作系统相关硬件选型与设计进行阐述，分析了燃料电池内部检测与控制工作系统相关软件设计，这样的燃料电池内部检测与控制工作系统本身具有工作体积小、运行功耗低、制造成本低等明显优点。

关键词：燃料电池;检测与控制;系统开发

由于目前各种环境问题层出不穷和能源危机日益加剧，国家大力倡导新能源发展方向，这里面的燃料电池都已经正在成为重点研究内容。燃料电池系统主要包括系统内部反应物供给子系统、内部散热子系统、内部电能变化子系统、内部气流控制子系统等相关部分共同组成，本身具有十分复杂的动态性能，如温度动态变化、湿度动态变化、功率动态变化、性能时间衰减、内部反应物浓度动态变化和单片电池相关性能离散等具体特点。另外，这些具体的参数不仅能够直接影响燃料电池内部的正常运行工作，还可以造成燃料电池出现不可逆的内部损坏情况。因此，燃料电池里面有许多性能参数需要进行具体的检测和管理控制，同时这些具体检测到的实际数据能够促进将来深入分析研究燃料电池自身性能特点和不断完善改进燃料电池内部系统。针对目前燃料电池内部需要开展特别精确的检测与控制工作，存在很多十分复杂的燃料电池监控设备系统，但由于这些系统存在制造成本较高、存放体积过大、开展监控工作不方便等具体问题。基于此，根据目前智能化检测的时代发展趋势，主要研究开发了根据树莓派系统平台的先进燃料电池系统智能远程管理监控系统。

燃料电池内部检测与控制工作系统相关硬件选型与设计

系统内部的上位机和下位机确定

树莓派系统平台是最早通过英国的一家慈善组织研究开发的基于ARM系统的体积仅有信用卡体积左右的先进微型电脑控制主板，本身具有工作功耗低、功能性能强等明显优点。因此，采取树莓派平台作为系统内部的上位机部分。树莓派平台仅能够提供I/O接口和其他串口，至于相关的数据采集功能还需其他辅助工作模块的具体协助。因为Arduino系统内部自带ADC工作模块，且能够存在特别丰富内部调用系统库资源，操作过程简单，因此，采用Arduino作为内部系统下位机部分。

单片电池电压部分的内部巡检模块设计

燃料电池系统通常通过多片单体电池进行串联而成，且这些单片电池自身的电压直接决定整体电堆内部性能好坏，因此开展燃料电池内部单片电压进行巡检模块的设计工作十分关键。目前，常用的单片电池巡检方法主要涵盖机械继电器部分检测法、系统电压分压法、系统差分放大器部分隔离法等方式。由于机械继电器部分检测法自身转换时间特别长，不适合开展实时检测工作，而系统电压分压法自身的测量精度十分差，因此选取完善改进后的系统差分放大器部分隔离检测法，这种检测方式转换时间能实现微秒级的水平，达到系统开关次数无限同时自身测量精度特别高，但制造成本很高。

燃料電池内部检测与控制工作系统相关软件设计

燃料电池内部检测与控制工作系统软件基本组成

燃料电池内部远程管理监控系统的软件部分能够实现信息数据采集、信息数据传输、树莓派平台GPIO管理控制功能，同时应该进一步开展设计良好的人机交互交流的平台界面。软件设计内部一共能够分为4个具体的模块，这四个模块分别是系统数据采集模块、系统数据传输模块、系统远程管理控制模块和相关的GUI应用程序部分。其中，系统数据采集模块的主要作用是开展采集燃料电池自身系统存在的各种实时状态参数，并按照USB通信的方式发送到树莓派平台部分;系统数据传输模块的主要作用是通过利用采集模块发送过来的相关信息数据传输到具体的Azure云服务器里面的相关MySQL数据库中;系统远程管理控制模块的主要作用是负责进一步执行相关终端设备发出的系统管理控制命令;相关GUI应用程序的主要作用进一步实现人机交互交流。

系统数据采集模块

系统数据采集模块通过利用Arduino内部推荐的IDE部分开展开发工作，能够提供对应的编写程序的工作环境和相关的串口监视器部分，还能够进行编译工作和烧录程序工作。系统数据采集模块的程序内容都是根据C语言部分进行编写，最后将相关的程序内容烧录到Arduino里面进行运行工作。系统数据采集模块还能够具体细分为三个小模块部分，包括系统扩展采集数据板的管理控制、模拟量的对应转换和数据信息发送。当单片机部分完成初始化操作以后，开展相应的数据采集工作，然后将已经完成采集对应模拟量通过ADC方式进行转换为相应的数字量，最后把这些具体的数字量同步发送到对应的串口部分，在能够延迟1s后即刻开展循环采集工作。

系统数据传输模块

系统数据传输模块的具体程序通过Python语言进行编写完成，同时在树莓派平台的Raspbian系统里面进行工作运行。首先，采取调用Python语言编写的相关MySQL数据库里对应的文件实现连接云数据库的目的，然后开展USB通信工作，进一步获取系统数据采集模块部分发送过来的信息数据，最后实现循环监听工作开始等待信息数据、检测信息数据部分的准确性、进行信息数据整理工作、在本地位置进行信息数据的实时保存同时传输到云数据库里面。

系统远程管理控制模块

系统远程管理控制同样利用MySQL云数据库的具体内容开展系统控制命令信号的实时通信工作，但其自身的原理和远程监测工作顺序相反。系统远程管理控制通过GUI相关应用程序进行发送对应的控制信号，然后通过树莓派平台实现登录云数据库的操作，从而实现获取相关控制指令，同时利用GPIO口进行指令执行工作。

相关GUI应用程序设计部分

燃料电池内部检测与控制系统能够充分运用GUI应用程序，实现减少界面设计工作与逻辑设计工作之间耦合度，真正能够实现完成一次开发，保证多平台进行使用的功能。主要包括系统登录和内部功能索引检索模块、系统实时管理监测模块、系统离线监测管理模块和系统远程管理控制模块等部分一起组成。

结束语

通过利用树莓派平台的上位机和ArduinoUno系统部分的下位机进行燃料电池内部远程管理监控系统的开发工作，燃料电池内部检测与控制工作系统本身具有工作体积小、运行功耗低、制造成本低等明显优点，同时能够支持信息数据定时备份存储、信息数据导出等具体功能。

参考文献

于志强，温志渝，谢瑛珂，周苏怡.基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统[J].仪表技术与传感器，2015（6）.

卫东，郑东，褚磊民.燃料电池单电池电压检测系统设计[J].电源技术，2010（7）.

陈圆圆. PEMFC单体电池电压检测器及电子负载的设计开发[D].上海交通大学，2008.