專利名稱：一種燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，特別是一種燃料電池單個(gè)電池電壓的巡回監(jiān)視系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
PEM燃料電池(質(zhì)子交換膜燃料電池)的單片電池有效工作電壓僅0.4-0.8V，需多片串聯(lián)才能實(shí)際應(yīng)用。多片串聯(lián)式PEM燃料電池電堆工作時(shí)，單片不良電池對(duì)整個(gè)電堆都將構(gòu)成影響，需對(duì)各片電池進(jìn)行巡回監(jiān)測(cè)，以便對(duì)不良單電池進(jìn)行及時(shí)處理，保證電堆運(yùn)行良好，因此有燃料電池電壓巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)。
目前通常PEM燃料電池巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由主控單元、數(shù)據(jù)采集單元和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成，由主控單元發(fā)出命令，控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，使相應(yīng)的燃料電池單電池端電壓連接至數(shù)據(jù)采集單元，獲得其實(shí)時(shí)電壓值。但由于燃料電池多片串聯(lián)的應(yīng)用方式，在大功率應(yīng)用系統(tǒng)中，燃料電池組具有很高的累計(jì)電勢(shì)，單片電池兩端也具有很高的共模電壓，因此對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的耐壓以及共模電壓抑制都有很高的要求。
如圖一所示，一種現(xiàn)有的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，燃料電池組11每片單電池的兩端分別連接差分放大器14的同相輸入端和反相輸入端，獲取單電池電壓，然后經(jīng)多路復(fù)用器或其他形式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)15，由MCU(微控制器)17及A/D轉(zhuǎn)換器(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)16控制，實(shí)現(xiàn)單片電池的電壓巡回監(jiān)視。該方案對(duì)差分放大器的共模抑制比要求很高，且差分放大器數(shù)量眾多，使得其成本高昂。
如圖二所示，另一種現(xiàn)有的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，燃料電池組21各單電池被賦予編號(hào)，分為奇數(shù)編號(hào)及偶數(shù)編號(hào)，每節(jié)單電池正極連接一開關(guān)，分別為奇數(shù)編號(hào)開關(guān)25及偶數(shù)編號(hào)開關(guān)26，所有奇數(shù)編號(hào)開關(guān)相連，所有偶數(shù)編號(hào)開關(guān)相連，由MCU29控制開關(guān)動(dòng)作，使得每次監(jiān)測(cè)時(shí)，使相鄰奇數(shù)編號(hào)開關(guān)和偶數(shù)編號(hào)開關(guān)閉合，再通過一高共模抑制比差分放大器27和A/D轉(zhuǎn)換器28，實(shí)現(xiàn)一節(jié)單電池電壓的測(cè)量。此方案的缺陷在于A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓每監(jiān)測(cè)一次便需要反相一次，因此要使用雙極型A/D轉(zhuǎn)換器，監(jiān)測(cè)程序也相應(yīng)復(fù)雜；同樣開關(guān)動(dòng)作也變得復(fù)雜化，使得巡回檢測(cè)的速度下降。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可應(yīng)用于高累積電勢(shì)燃料電池、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、巡回速度快、成本低的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，該巡回監(jiān)視系統(tǒng)由燃料電池組，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元、數(shù)字電位器構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)單元、數(shù)據(jù)采集單元及主控單元(MCU)組成。如圖3所示，燃料電池組31的各單電池的正極分別連接一開關(guān)元件32，開關(guān)元件可選用繼電器、模擬開關(guān)、多路復(fù)用器或具有開關(guān)特性的半導(dǎo)體元件，開關(guān)元件應(yīng)具有高于燃料電池累積電勢(shì)的耐壓值。各開關(guān)元件輸出端連接到由一電阻R133和一數(shù)字電位器34串聯(lián)構(gòu)成的分壓單元。R1主要為降低電勢(shì)，使數(shù)字電位器34可以可靠工作。數(shù)字電位器34的可調(diào)端接差分放大器35的同相輸入端，反相輸入端接系統(tǒng)參考地。差分放大器輸出連接A/D轉(zhuǎn)換器37，通過MCU36獲得所測(cè)量的電壓值。
其中，數(shù)字電位器34的分壓比可通過串行/并行總線由MCU進(jìn)行控制。通過MCU控制，每次閉合一個(gè)開關(guān)元件，假定此次為Km，測(cè)得數(shù)字電位器34的可調(diào)端電壓值，設(shè)為Vtm，設(shè)此時(shí)分壓比為Pm，數(shù)字電位器34上的分壓比為P，為固定值。則通過MCU的運(yùn)算，第m節(jié)單電池或第m區(qū)域燃料電池對(duì)參考地電壓值為Vtm/(Pm×P)，并由MCU進(jìn)行存儲(chǔ)。斷開Km，閉合Km+1，測(cè)得R2可調(diào)端電壓值，設(shè)為Vtm+1，此時(shí)數(shù)字電位器分壓比為Pm+1，通過MCU的運(yùn)算，第m+1節(jié)單電池或第m+1區(qū)域燃料電池對(duì)參考地電壓值為Vtm+1/(Pm+1×P)，并由MCU進(jìn)行存儲(chǔ)。則第m節(jié)單電池或第m區(qū)域燃料電池的電壓值Vm為Vtm/(Pm×P)-Vtm+1/(Pm+1×P)。這樣充分利用MCU的運(yùn)算能力，即可方便地實(shí)現(xiàn)燃料電池組每節(jié)單電池或燃料電池區(qū)域的電壓值。
本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)是所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元是雙路光耦合繼電器，主控單元通過控制總線連接到一譯碼器，并通過譯碼器控制雙路光耦合繼電器的選通。
本發(fā)明的又一改進(jìn)是所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元是多路復(fù)用器或多路開關(guān)，主控單元通過控制總線連接多路復(fù)用器或多路開關(guān)并提供選通信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是由于采用數(shù)字電位器分壓的方法，充分利用MCU的運(yùn)算處理能力，電壓監(jiān)測(cè)過程不存在高共模電壓的影響，并且開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，使得巡回監(jiān)測(cè)速度快。整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)差分放大器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)MCU，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)相同，僅增加了一個(gè)分壓數(shù)字電位器，使得成本大幅降低，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1是一種現(xiàn)有的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是另一種現(xiàn)有的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖4是本發(fā)明燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)的第一具體實(shí)施例的原理圖。
圖5是本發(fā)明燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)的第二具體實(shí)施例的原理圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例一
本實(shí)施例如圖4所示，燃料電池組41每節(jié)單電池42正極引出接線端，連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。開關(guān)元件43選用AQW210雙路光耦合繼電器，耐壓值達(dá)350V，最快動(dòng)作速度300us。每路光耦合繼電器具有開關(guān)輸入、開關(guān)輸出及開關(guān)控制引腳。燃料電池組每節(jié)電池對(duì)應(yīng)連接到一路光耦合開關(guān)的輸入端，各光耦合開關(guān)輸出端連接到一點(diǎn)，為開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出端。每路光耦合開關(guān)控制端分別連接到譯碼器44，由MCU49控制譯碼器來控制開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出端串連接到分壓電阻45及數(shù)字電位器46。分壓電阻阻值由燃料電池組最高累積電勢(shì)決定，保證數(shù)字電位器工作在可靠電壓下。數(shù)字電位器選取工作電壓30V、128抽頭、100K歐阻值的MAX5438，其分壓比可通過SPI串行總線由MCU進(jìn)行控制。數(shù)字電位器可調(diào)端與系統(tǒng)地分別連接差分放大器47的同相輸入端及反相輸入端，數(shù)字電位器的輸出端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器48將檢測(cè)到的電壓值傳輸給MCU 49。根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，A/D轉(zhuǎn)換器可選用12位或16位。
每次監(jiān)測(cè)，MCU由程序設(shè)定，控制一路開關(guān)閉合，并根據(jù)開關(guān)位置或編號(hào)，設(shè)定數(shù)字電位器分壓比，分壓比對(duì)應(yīng)于開關(guān)位置或編號(hào)，可事先存儲(chǔ)于MCU中，保證數(shù)字電位器可調(diào)端電壓不超過差分放大器的輸入電壓范圍即可。獲得數(shù)字電位器可調(diào)端電壓值后。斷開此路開關(guān)，MCU控制下一路開關(guān)閉合，以及設(shè)定數(shù)字電位器分壓比，用相同的方法獲得下一節(jié)單電池對(duì)系統(tǒng)參考地的電壓，用前面存儲(chǔ)的電壓值減去該電壓即可得到此次所監(jiān)測(cè)單電池的電壓值。
其中，數(shù)字電位器的分壓比和檢測(cè)數(shù)字電位器可調(diào)端的電壓值由如下算法獲取每次閉合一個(gè)開關(guān)元件，假定此次為Km，測(cè)得數(shù)字電位器的可調(diào)端電壓值，設(shè)為Vtm，設(shè)此時(shí)分壓比為Pm，數(shù)字電位器上的分壓比為P，為固定值。則通過MCU的運(yùn)算，第m節(jié)單電池或第m區(qū)域燃料電池對(duì)參考地電壓值為Vtm/(Pm×P)，并由MCU進(jìn)行存儲(chǔ)。斷開Km，閉合Km+1，測(cè)得數(shù)字電位器可調(diào)端電壓值，設(shè)為Vtm+1，此時(shí)數(shù)字電位器分壓比為Pm+1，通過MCU的運(yùn)算，第m+1節(jié)單電池或第m+1區(qū)域燃料電池對(duì)參考地電壓值為Vtm+1/(Pm+1×P)，并由MCU進(jìn)行存儲(chǔ)。則第m節(jié)單電池或第m區(qū)域燃料電池的電壓值Vm為Vtm/(Pm×P)-Vtm+1/(Pm+1×P)。
MCU程序控制所有開關(guān)依編號(hào)動(dòng)作一遍即可實(shí)現(xiàn)燃料電池組所有單電池的電壓監(jiān)測(cè)。
實(shí)施例二本實(shí)施例如圖五所示，該實(shí)施例適用于燃料電池組51的單電池?cái)?shù)量較少、累積電勢(shì)較低的情況，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可選用多路復(fù)用器53，如CD4067，16選1的多路復(fù)用器，可工作在20V電壓下。每節(jié)單電池52正極連接到多路復(fù)用器輸入端，開關(guān)狀態(tài)由MCU 57地址總線進(jìn)行選擇。多路復(fù)用器輸出端連接到數(shù)字電位器54，MCU經(jīng)差分放大器55及A/D轉(zhuǎn)換器56獲得數(shù)字電位器可調(diào)端電壓。
本實(shí)施例的監(jiān)測(cè)方法如同實(shí)施例一所述，該實(shí)施例具有更為簡單的電路結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，包括一組由若干單電池組成的燃料電池，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元、數(shù)據(jù)采集單元和主控單元，其特征在于燃料電池各單電池的正極連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的輸入端，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的輸出端連接到一數(shù)字電位器，主控單元連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的控制端并提供網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的控制信號(hào)，數(shù)字電位器將開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元輸出的電壓通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸?shù)街骺貑卧?，主控單元連接到數(shù)字電位器并提供數(shù)字電位器的控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集單元包括一差分放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)字電位器的可調(diào)端連接到差分放大器的同相輸入端，差分放大器的反相輸入端接地，差分放大器的輸出端通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接到主控單元。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的輸出端和數(shù)字電位器間還連接有一分壓電阻。
4.如權(quán)利要求1或2或3之一所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元是雙路光耦合繼電器。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述主控單元通過控制總線連接到一譯碼器，并通過譯碼器控制雙路光耦合繼電器的選通。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述主控單元通過控制總線連接到數(shù)字電位器并設(shè)定數(shù)字電位器分壓比。
7.如權(quán)利要求1或2之一所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元是多路復(fù)用器或多路開關(guān)。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述主控單元通過控制總線連接多路復(fù)用器或多路開關(guān)并提供選通信號(hào)。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于所述主控單元通過控制總線連接到數(shù)字電位器并設(shè)定數(shù)字電位器分壓比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池電壓巡回監(jiān)視系統(tǒng)，包括一組由若干單電池組成的燃料電池，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元、數(shù)據(jù)采集單元和主控單元，其中，燃料電池各單電池的正極連接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的輸入端，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的輸出端連接到一數(shù)字電位器，主控單元連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的控制端并提供網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的控制信號(hào)，數(shù)字電位器將開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元輸出的電壓通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸?shù)街骺刂茊卧?，主控制單元連接到數(shù)字電位器并為其提供的控制信號(hào)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，巡回監(jiān)測(cè)速度快，且成本較低。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101034745SQ20061003428
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者張振 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司