專(zhuān)利名稱(chēng)：一種燃料電池電堆的單體電池電壓測(cè)量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于新能源燃料電池的單體電池電壓的測(cè)量電路。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，能源的消耗越來(lái)越大，傳統(tǒng)能源越來(lái)越不能滿(mǎn)足人類(lèi)的要求， 特別是在提出可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的今天，人類(lèi)加大了對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用。而燃料 電池就是目前一種正在被開(kāi)發(fā)利用的新能源之一，其機(jī)理是利用燃料與空氣中的氧進(jìn)行化 學(xué)反應(yīng)，在產(chǎn)生電流的同時(shí)生成水和二氧化碳，它作為一種既有較高的能源利用效率又不 污染環(huán)境的能源在燃料電池電站、電動(dòng)汽車(chē)、移動(dòng)式電源、潛艇、航空航天技術(shù)等方面有著 廣闊的應(yīng)用前景。通常一個(gè)燃料電池電堆是由多節(jié)燃料電池串聯(lián)而成，對(duì)燃料電池電堆中 的每節(jié)單體電池電壓的檢測(cè)是燃料電池電堆運(yùn)行中的必要環(huán)節(jié)，因?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)各操作 參數(shù)的變化均反映在電堆內(nèi)各單體電池工作電壓上，即使有一個(gè)單節(jié)電池的死亡就會(huì)造成 整個(gè)電堆的崩潰，因此各種故障可能引起電堆不能正常運(yùn)行的前兆也首先反映在電堆內(nèi)某 節(jié)單池的工作電壓變化上。在電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)電堆各節(jié)單體電池的電壓、依據(jù)電堆在 穩(wěn)定功率輸出時(shí)某節(jié)單體電池工作電壓的變化并分析引這種變化的原因，在電堆故障發(fā)生 前預(yù)警并采用某些措施，爭(zhēng)取排除故障，使電堆恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。由此可見(jiàn)對(duì)燃料電池 電堆的各節(jié)單體電池的電壓檢測(cè)是非常重要的，有關(guān)測(cè)量電路及裝置有多種，通常測(cè)量系 統(tǒng)為低壓電系，而被測(cè)量的電池組的電壓往往較高，所以測(cè)量系統(tǒng)圖與被測(cè)量系統(tǒng)一般不 能夠共地，一般都采用隔離技術(shù)，需用隔離電源、隔離控制、隔離放大器等器件，測(cè)量電路成 本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)燃料電池電堆提出了一種簡(jiǎn)潔實(shí)用、低成本的單體燃料電池電壓測(cè)量 電路，簡(jiǎn)單地基于內(nèi)部自帶10位AD轉(zhuǎn)換AVR微控制器、參考基準(zhǔn)電壓源和低通濾波器即可 實(shí)現(xiàn)對(duì)取樣后的燃料電池組中的單體電池的電壓予以測(cè)量，從而完成對(duì)燃料電池組中每節(jié) 單體電池工作電壓的檢測(cè)。本發(fā)明為完成對(duì)整個(gè)電池組每節(jié)單體電池的電壓測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)需要包括單體電 池取樣開(kāi)關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器、參考基準(zhǔn)電壓源、兩路AD轉(zhuǎn)換器、微控制器及調(diào)試接 口。本發(fā)明的重點(diǎn)在于對(duì)取樣后的電壓信號(hào)如何進(jìn)行采集計(jì)算，關(guān)于單體電池的取樣方法 不是本發(fā)明要闡述的內(nèi)容。該發(fā)明避開(kāi)傳統(tǒng)使用減法器、隔離運(yùn)算放大器的辦法，而是直 接簡(jiǎn)單地利用微控制器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換通道，外加上參考基準(zhǔn)電壓源、低通濾波器即可實(shí)現(xiàn) 一個(gè)正負(fù)小電壓信號(hào)。需要注意的是測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)量電池組不共地，但在任意時(shí)刻經(jīng) 過(guò)低通濾波器連接微控制兩個(gè)AD通道的只能是同一節(jié)單體電池的兩個(gè)電極端，被取樣的 單體電池的任意一個(gè)電極端與測(cè)量系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)電壓源相連，這樣電池的這個(gè)電極好似 與測(cè)量系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)電壓源處于同一個(gè)電位，然后該連接點(diǎn)與微控制器的一個(gè)AD轉(zhuǎn)換 通道接口相連，那么微控制器的這個(gè)AD通道采集的電壓值Vl的大小就是這個(gè)參考基準(zhǔn)電壓Vref，即Vl = Vref ；而單體電池的另外一個(gè)電極端與微控制器的另外一個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道 接口相連，那么該AD通道采集所取得的電壓值就是電池電壓Vcell與參考基準(zhǔn)電壓Vref 的相對(duì)值，具體又有兩種情況一是當(dāng)參考基準(zhǔn)電壓源與單體電池負(fù)極相連，那么該AD通 道采集到的電壓值V2等于參考基準(zhǔn)電壓值加上電池電壓值，即V2 = Vref+Vcell，那么微 控制器測(cè)得的單體電池電壓值V就等于兩個(gè)AD通道采集的電壓值的差，即V = V2-V1 = (Vref+Vcel 1)-Vref = Vcell ；二是當(dāng)參考基準(zhǔn)電壓源與單體電池正極相連，那么該AD通 道采集到的電壓值V2等于參考基準(zhǔn)電壓值減上電池電壓值，即V2 = Vref-Vcell，那么微 控制器測(cè)得的單體電池電壓值V就等于兩個(gè)AD通道采集的電壓值的差，即V = V2-V1 = (Vref-Vcell)-Vref = -Vcell，還可以發(fā)現(xiàn)即便參考基準(zhǔn)電壓發(fā)生漂移或變化也絲毫不影 響測(cè)量，因?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn)電壓如果發(fā)生變化，那么兩個(gè)AD通道采集的值均跟著變化，其差值V 的絕對(duì)值不變，總等于Vcell ；在這里Vref選取2. 5V最佳，因?yàn)槿剂想姵匾还?jié)單體電池發(fā) 電輸出電壓通常在0-1. 2V，一般一節(jié)電池輸出電壓在0. 7V左右，所以微控制器的兩個(gè)AD 通道的輸入電壓都不會(huì)高于5V，更不會(huì)低于零，即便是同時(shí)測(cè)量串聯(lián)的兩節(jié)相鄰的單體電 池也可以(即把兩節(jié)相鄰的單體電池作為一個(gè)基本測(cè)量單元，這樣作可以減少測(cè)試點(diǎn)，提 高測(cè)量效率)，其最大電壓值不過(guò)2. 5V ；可以看到采用這種方法無(wú)需特別的隔離手段，只是 注意測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)量的電池組不可共地，并在任意時(shí)刻必須保證只有被測(cè)量的單體電池 的正負(fù)電極引入兩個(gè)AD通道，杜絕不同電池的電極引入測(cè)試通道，這樣即可保證測(cè)量的安 全。調(diào)試接口、是用于對(duì)微處理器進(jìn)行程序下載。該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，同樣可以推廣應(yīng) 用到其他類(lèi)型新能源電池的電壓測(cè)量及一些對(duì)精度要求不是非常高的正負(fù)小電壓信號(hào)的 測(cè)量領(lǐng)域。 本發(fā)明的有益效果是它是一種簡(jiǎn)潔實(shí)用、低成本的單體燃料電池電壓測(cè)量電路， 測(cè)量精度可以滿(mǎn)足要求。同時(shí)該方法還可以應(yīng)用在其他類(lèi)型新能源電池的電壓測(cè)量及一些 對(duì)精度要求不是非常高的正負(fù)小電壓信號(hào)的測(cè)量方面。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為本發(fā)明單節(jié)單體電池電壓測(cè)量電路原理圖。圖3為本發(fā)明雙節(jié)單體電池電壓測(cè)量電路原理圖。圖中，1、被測(cè)量電池組，2、單體電池取樣開(kāi)關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)，3、低通濾波器，4、參考基 準(zhǔn)電壓源，5、AD轉(zhuǎn)換器，6、微控制器及調(diào)試接口。
具體實(shí)施例方式如圖2和圖3，測(cè)量電路主要基于對(duì)系統(tǒng)性能、抗干擾能力、成本等問(wèn)題的考慮，微 處理器采用ATMEL公司的AVR的8位微處理器ATMEGA8L，其工作溫度范圍寬，電磁兼容特性 好，內(nèi)有多路AD轉(zhuǎn)換通道、PWM輸出及看門(mén)狗電路等，在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需外擴(kuò)其他芯片，所 以它比一般的8位51單片機(jī)芯片性能更好。測(cè)量系統(tǒng)包括RC濾波器、有穩(wěn)壓二極管組成的 參考基準(zhǔn)電壓源、ATMEGA8L微控制器及調(diào)試接口，系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)選取被測(cè)量的單體電 池后，為了提高測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度，取得的信號(hào)需經(jīng)R3C4與R4C5濾波后再送入微控制器 的兩個(gè)AD通道(微控制芯片的PCl和PCO端口)，濾波電阻R3，R4與濾波電容C4，C5取值影響測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度，R3C4與R4C5濾波常數(shù)取小了濾波效果不好，其在巡回測(cè)量時(shí)的 實(shí)時(shí)性好，但精度會(huì)差些；反過(guò)來(lái)濾波電阻和電容取值大，濾波效果好，有助測(cè)量精度提高， 但在逐個(gè)測(cè)量燃料電池組的每節(jié)單體電池電壓的實(shí)時(shí)性就會(huì)受到影響；這里的濾波電阻還 具有電壓取樣時(shí)限流作用所以在選擇濾波器的電阻電容的值時(shí)要兼顧測(cè)量的精度與巡回 檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。首先考慮到所使用的微處理器的AD轉(zhuǎn)換的最高采樣頻率為100KHZ，再根據(jù) 采樣定律，那么濾波器的截止頻率(f = 1/2 π RC)應(yīng)該低于50KHZ。R3與R4以IK電阻為 例，C4和C5應(yīng)該選取3300PF的電容最為合適。另外在測(cè)量雙節(jié)單體電池的電路中在電壓 信號(hào)輸入PCO端口這個(gè)AD通道前增設(shè)一個(gè)鉗位二極管D2，其目的是防止該通道輸入電壓信號(hào)超過(guò)5V，在單節(jié)單體電池測(cè)量電路中就無(wú)需這個(gè)做法。測(cè)試系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)電壓源是由一個(gè)高于2. 5V的穩(wěn)壓二極管D1、限流電阻R2、調(diào) 節(jié)電阻RW組成。微控制系統(tǒng)的復(fù)位電路由Rl和Cl組成。此外調(diào)試接口 ISP是用于對(duì)微處理器進(jìn)行程序下載之用。這個(gè)接口電路采用標(biāo)準(zhǔn) 電路，ISP調(diào)式接口的2引腳接電源VCC，其4，6，8，10引腳接地，其5引腳接微控制系統(tǒng)的 復(fù)位端，其1引腳連接微控制芯片的PB3端口，其7引腳連接微控制芯片的PB5端口，其9 弓丨腳連接微控制芯片的PB4端口，其3引腳懸空。實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池電堆每節(jié)電池的電壓測(cè)量，而且整個(gè) 測(cè)量系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)潔、成本低，測(cè)量的精度較高，測(cè)量誤差可控制在士5mV以?xún)?nèi)。該方法也 存在一些不足，那就是在循環(huán)測(cè)量電池組每節(jié)單體電池時(shí)的實(shí)時(shí)性還不是很高，在保證高 測(cè)試精度時(shí)，單次測(cè)試周期表現(xiàn)略長(zhǎng)一點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)測(cè)試18節(jié)單體電池時(shí)大約在需要3秒)，如 果犧牲一點(diǎn)測(cè)量精度就可以提高測(cè)量整個(gè)電池組的實(shí)時(shí)性.測(cè)試實(shí)時(shí)性不是很高，所以要 合理選擇電路中濾波器電容C4和C5的參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，該方法對(duì)一般的小功率低壓燃 料電池系統(tǒng)而言還是能夠滿(mǎn)足要求。本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改 變，均列為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種燃料電池電堆的單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于測(cè)量系統(tǒng)包括單體電池取樣開(kāi)關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器、參考基準(zhǔn)電壓源、兩路AD轉(zhuǎn)換器、微控制器及調(diào)試接口，測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)量電池組不共地，經(jīng)過(guò)低通濾波器連接微控制器兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換器通道的是同一節(jié)單體電池的兩個(gè)電極端，被取樣的單體電池的任意一個(gè)電極端與測(cè)量系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)電壓源相連，然后該連接點(diǎn)與微控制器的一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器通道接口相連，調(diào)試接口與微處理器連接進(jìn)行程序下載。
2.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池電堆的單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于兩 節(jié)相鄰的單體電池作為一個(gè)基本測(cè)量單元，即連接微控制器兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換器通道的是相鄰 兩節(jié)單體電池的兩個(gè)電極端；在微控制器電壓信號(hào)輸入PCO端口這個(gè)AD通道前增設(shè)一個(gè)鉗 位二極管。
全文摘要
一種燃料電池電堆的單體電池電壓測(cè)量電路，測(cè)量系統(tǒng)包括單體電池取樣開(kāi)關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器、參考基準(zhǔn)電壓源、兩路AD轉(zhuǎn)換器及微控制器，測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)量電池組不共地，連接微控制器兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換器通道的是同一節(jié)單體電池的兩個(gè)電極端，被取樣的單體電池的任意一個(gè)電極端與測(cè)量系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)電壓源相連，然后該連接點(diǎn)與微控制器的一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器通道接口相連。它是一種簡(jiǎn)潔實(shí)用、低成本的單體燃料電池電壓測(cè)量電路，測(cè)量精度可以滿(mǎn)足要求。
文檔編號(hào)G01R31/36GK101806866SQ20101014121
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者劉木林, 曾潔, 賈世杰, 陳少華 申請(qǐng)人:大連交通大學(xué)