CN101191822B - 燃料电池电压监测系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电压监测系统,包括开关网络单元、数据采集单元和控制单元,其中,还包括隔离通讯接口单元和主控制器;所述燃料电池堆划分成若单个燃料电池组;一燃料电池组与一开关网络单元,一数据采集单元,一控制单元,一隔离通讯接口单元构成一电压监测模块;燃料电池组中各单电池连接到开关网络单元,开关网络单元在控制单元的控制下逐一选通各单电池并将电压信号传送给数据采集单元,数据采集单元的输出端连接控制单元,控制单元通过隔离通讯接口单元向主控制器提供电压信号,主控制器通过隔离通讯接口单元提供控制信号给控制单元唯一选通监测模块。本发明降低了监测成本,保证了对燃料电池电压的有效监测。

Description

燃料电池电压监测系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池电压监测系统,尤其涉及质子交换膜燃料电池电压监测系统。
背景技术
燃料电池是由燃料和氧化剂产生电能的装置,可以获得高发电效率。燃料电池系统中,以高分子电解质膜为中心,其两侧设置有阳极(ANODE)和阴极(CATHODE),作为燃料的氢气在上述阳极发生电化学还原反应,作为氧化剂的氧气在阴极发生电化学氧化反应,此时通过生成的电子的移动,产生电能。
以典型的质子交换膜燃料电池(PEM燃料电池)为例,以氢气为燃料,在阳极反应中,氢气经由扩散层进入,借助催化层的催化剂如铂金属的催化作用,将氢气分解为氢质子及电子,前者经由质子交换膜进入阴极反应区,后者则经由集电装置向外部负载输出,另一方面,氧气经由阴极侧的扩散层进入,借助催化层的催化剂如铂金属的催化反应作用将氧化分解,并结合来自于质子交换膜的氢质子及来自集电装置的电子,于阴极反应区生成水。
单个PEM燃料电池的理想电压是1.2V,但是由于电力损失情况的存在,使得其有效工作电压仅0.4-0.8V。在实际应用中需要多片电池串联组成燃料电池堆。由于膜电极失水现象和水淹现象都会导致PEM燃料电池两极之间的直流电压下降,单片电池电压可视为燃料电池性能的重要诊断信息。因此,通常燃料电池系统均具有单电池电压监测装置,对燃料电池堆中的单电池电压进行实时监测。
发明名称为“燃料电池电压监视系统及其方法”(申请号为02814901.7,公开日为2004年10月6日)的中国专利申请中公开了一种燃料电池电压监视系统及监视方法,监视系统包括多个差动放大器、一个开关网络、一个模数转换器和一个控制器。差动放大器连接到燃料电池组中要测量电压的接线端,开关网络在控制器的指示下选择单个差动放大器的输出,并由并由模数转换器转换成数字值,控制器利用数字值计算燃料电池电压。每个差动放大器有一个高共态抑制比。监视方法包括下述步骤:将多个串联电池接线端连接到具有两个输入和一个输出的差动放大器的输入;在差动放大器中从两个接线端的电压中抑制共态电压,给出两个接线端之间的电压差;将电压差从模拟值转换到数字值。
因为串联而成的燃料电池堆中每个单片电池两端具有很高的共模电压,尤其串联燃料电池堆顶端的单片电池的共模电压最大,数值上为串联燃料电池堆的总电压,所以在上述方案中在对单片电池电压进行测量时,必须采用高共模抑制比的差动放大器。若不采用高共模抑制比的测量元件或信号调理元件,测量精度将严重下降,同时高共模电压很有可能击穿测量元件或信号调理元件,但是采用具有高共模抑制比的测量元件和信号调理元件,势必大大增加电压监测的成本。
同时在发明名称为“燃料电池电压监视系统及其方法”(申请号为02814901.7,公开日为2004年10月6日)的中国专利申请中,为解决测试精度的问题,监视系统还包括至少一个校准器来校准每个差动放大器。至少一个校准器适合提供一个恒定电压增量,来仿真多个串联的电池中每个电池中每个电池接线端的电池电压和共态电压,校准每个差动放大器。系统还包括至少一个电压表来测量每个差动放大器输入和输出处的电压。这些无形中都增加了电池电压监测的成本。
发明内容
本发明的主要目的就是为了解决上述问题,提出一种低成本、监测精度有保证的燃料电池电压监测系统,实现对燃料电池堆中的单电池进行监测。
本发明的另一目的是提出一种燃料电池电压监测方法,利用一种低成本、监测精度有保证的燃料电池电压监测系统,实现对燃料电池堆中的单电池进行监测。
为实现上述目的,本发明提供了一种监测由多个燃料电池串联构成燃料电池堆电压监测系统,包括开关网络单元、数据采集单元和控制单元,数据采集单元对燃料电池电压进行调理并转换成数字信号,还包括隔离通讯接口单元和主控制器;所述燃料电池堆划分成若干单个燃料电池组;一燃料电池组与一开关网络单元,一数据采集单元,一控制单元,一隔离通讯接口单元构成一电压监测模块;燃料电池组中各单电池的正极连接到开关网络单元的输入端,所述开关网络单元采用两个16选1的多路开关集成电路CD4067组成,并采用移位寄存器74LS164给多路开关集成电路提供地址信号,开关网络单元的输出端连接到数据采集单元,所述控制单元采用集成了8位A/D转换器的芯片C8051F300,控制单元控制移位寄存器74LS164使多路开关集成电路的一路选通,数据采集单元的输出端连接控制单元,控制单元通过隔离通讯接口单元向主控制器提供电压信号,主控制器通过隔离通讯接口单元提供控制信号给控制单元唯一选通监测模块。
进一步地,本发明还包括电源管理单元,包括燃料电池组和稳压电路,用于所述电压监测模块中单元提供所需工作电压。
所述隔离通讯接口单元采用光耦合器或变压器。
为实现上述目的,本发明还提供一种燃料电池电压监测方法,包括以下步骤:
A1、将燃料电池堆划分成若干小单元构成燃料电池组;
B1、主控制器发出控制信号唯一选通一组燃料电池组;
C1、通过两个16选1的多路开关集成电路CD4067组成开关网络单元,并采用移位寄存器74LS164给多路开关集成电路提供地址信号,并且通过8位A/D转换器的芯片C8051F300组成控制单元,控制单元控制移位寄存器74LS164使得多路开关集成电路的一路选通,从而实现开关网络单元选通燃料电池组中的一单电池;
D1、单电池电压信号通过数据采集单元进行调理,转换成差动电压后,再进一步转换成数字信号;
E1、数字信号存储在控制器单元中,并通过隔离通信接口单元传送给主控制器;
F1、控制单元发出控制信号,控制开关网络单元选通下一单电池,依照步骤;D1、E1获取该单电池的电压数据,直至燃料电池组中各电池电压均被监测;
G1、重复步骤C1至F1,监测下一组燃料电池电压。
本发明所涉及的方法还可先对燃料电池组中各单电池电压经过调理转换成差动电压,再经过开关网络单元选通其中的一路电池电压信号,转换成数字信号后送至控制单元。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
本发明将由数量为N个的燃料单电池串联构成的燃料电池堆划分出数量为M(M<N)个的燃料单电池单元构成的燃料电池组,以燃料电池基础组为一个燃料电池电压监测模块。在每个电池监测模块中
对燃料电池组中的各单个电池进行电池电压监测时,燃料单电池两端影响,从而可以采用普通的元器件来完成对燃料电池电压的监测,大大降低了监测成本。
进一步地,以燃料电池基础构成电源管理单元给燃料电池电压监测系统其他单元提供工作电压,无需系统额外再提供隔离电源,也达到了降低监测成本的目的。
进一步地,本发明采用了隔离通讯接口单元,保证了系统监测精度。
进一步地,本发明还采用了隔离通讯接口单元和电源管理单元,两者地结合使用,确保了系统监测精度。
附图说明
图1为本发明的原理框图;
图2为本发明数据采集单元部分电路图;
图3为本发明开关网络单元电路图;
图4为本发明控制单元及隔离通信结构单元电路图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行进一步的说明。
请参阅图1,燃料电池电压监测系统包括若干节单电池串联组成的燃料电池组11、电源管理单元13、开关网络单元14、数据采集单元15、控制单元16、隔离通讯接口单元17。燃料电池组11的正负两端电连接于电源管理单元13,经过电源管理单元13的电平转换后给系统各用电单元提供电源;开关网络单元14为多路开关电路,由具有开关特性的分立电子元器件或多路开关集成电路构成;数据采集单元15包括信号条理单元和数据转换单元,信号调理单元由信号运算电路及滤波网络构成,用于将燃料电池组11的各单电池12的差分电压信号转换成适合的单端电压信号,方便进行数据采集,数据转换单元由A/D转换电路组成,用于将模拟的电压信号转换成数字信号;控制单元16控制开关电路动作选通一路单电池12,使采集得到的该单电池电压信号输出至数据采集单元15,数据采集单元15对电池电压信号进行调理以及A/D转换传送至控制单元16进行存储处理,控制单元16通过隔离通讯接口单元17向主控制器2传送燃料电池电压信号。隔离通讯接口单元17可由光耦合器或变压器等隔离耦合装置来实现。燃料电池组11中各单电池电压监测完后,主控制器2通过隔离通讯接口单元17发送控制信号给控制单元16使其关闭,并通过燃料电池组21所在的电池电压监测模块中的隔离通讯接口单元27发送控制信号给控制单元26激活该电池电压监测模块,开始监测燃料电池组21中各单电池电压。
请查阅图2至图4,本实施例为一个64路燃料电池电压监测系统中一燃料电池组I的监测系统,64路的燃料电池堆划分成燃料电池组I和燃料电池组II,每电池组由32路燃料单电池构成。本实施例对其中每一路单电池电压信号先进行信号调理再经由开关网络单元实现多路复用的方式。燃料电池组I 31每节单电池32正极和负极分别引出接线端,连接到数据采集单元的信号调理模块351。信号调理模块351采用的是8个四运算放大器集成芯片LM324,每个LM324中包含有4个运算放大器,可对4个燃料单电池电压进行调理。电源管理单元采用运算放大器及三级管组成的互补输出级将燃料电池组I的32节单电池串联而成的燃料电池组I单电源转换成双电源,再经过稳压元件MC7805及MC7905获得稳定的±5V输出电压,提供LM324的工作电压。LM324通过电阻匹配构成32个差分放大器,将燃料电池组I31每节单电池32差分电压转换为适合的单端电压信号。多路开关集成电路34由两个16选1的多路开关集成电路CD4067组成,多路开关集成电路34的输入端与LM324的输出端相连,多路开关集成电路34的输出端连接到一起,通过移位寄存器74LS164给多路开关集成电路34提供地址信号,实现32选1多路开关电路。控制单元36(即MCU 36)选用集成了8位A/D转换器的芯片C8051F300,A/D转换器的输入端连接到两个多路开关集成电路34的共同输入端,MCU36控制移位寄存器74LS164,使得多路开关集成电路34中的一路选通,该路单电池电压信号引入MCU36的A/D转换器进行模数转换,获得所需的单电池电压信号,同时MCU 36发出指令控制下一路开关电路选通,这样MCU 36即可依次获得燃料电池组I 31各单电池32的实时电压数据。MCU 36串行通讯输出端连接于隔离通讯接口单元37,隔离通讯元件37选用光耦合器。MCU 35的串行通讯线路TXD、RXD通过两个光耦合器进行隔离,TXD连接光耦合器的输入端,用于发送数据;RXD连接另一光耦合器的输出端,用于接收指令。当MCU 36通过RXD端接收到外部主控制器器的启动指令后,该电压监测系统即被激活,开始向主控制器(图未示出)发送该燃料电池组I 31单电池32的实时电压数据。隔离通讯接口单元37和电源管理单元地配合使用,保证了监测出的燃料电池组I 31中单电池32电池电压的精确度。
燃料电池组I 31中各单电池电压监测完后,主控制器通过隔离通讯接口单元37发送控制信号给MCU 36使其关闭,并通过燃料电池组II所在的电池电压监测模块中的隔离通讯接口单元发送控制信号激活该电池电压监测模块,开始监测燃料电池组II中各单电池电压。从而实现了整个燃料电池堆的电压监测。
本发明在于使用模块化的电压监测系统,各电压监测模块由所监测的电池组进行供电,电压监测模块与主控制器实施电气隔离,因此在此基础之上,无论使用任何形式的开关网络单元及数据采集单元,同时结合任何形式的通讯方式及隔离手段,均应被本发明所包含。   

Claims (6)

1.一种监测由多个燃料电池串联构成燃料电池堆电压监测系统,包括开关网络单元、数据采集单元和控制单元,数据采集单元对燃料电池电压进行调理并转换成数字信号,其特征在于:还包括隔离通讯接口单元和主控制器;所述燃料电池堆划分成若干单个燃料电池组;一燃料电池组与一开关网络单元,一数据采集单元,一控制单元,一隔离通讯接口单元构成一电压监测模块;燃料电池组中各单电池的正极连接到开关网络单元的输入端,所述开关网络单元采用两个16选1的多路开关集成电路CD4067组成,并采用移位寄存器74LS164给多路开关集成电路提供地址信号,开关网络单元的输出端连接到数据采集单元,所述控制单元采用集成了8位A/D转换器的芯片C8051F300,控制单元控制移位寄存器74LS164使多路开关集成电路的一路选通,数据采集单元的输出端连接控制单元,控制单元通过隔离通讯接口单元向主控制器提供电压信号,主控制器通过隔离通讯接口单元提供控制信号给控制单元唯一选通监测模块。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电压监测系统,其特征在于:还包括电源管理单元,包括燃料电池组和稳压电路,用于所述电压监测模块中单元提供所需工作电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电压监测系统,其特征在于:所述隔离通讯接口单元采用光耦合器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电压监测系统,其特征在于:所述隔离通讯接口单元采用变压器。
5.一种燃料电池电压监测方法,其特征在于包括以下步骤:
A1、将燃料电池堆划分成若干小单元构成燃料电池组;
B1、主控制器发出控制信号唯一选通一组燃料电池组;
C1、通过两个16选1的多路开关集成电路CD4067组成开关网络单元,并采用移位寄存器74LS164给多路开关集成电路提供地址信号,并且通过8位A/D转换器的芯片C8051F300组成控制单元,控制单元控制移位寄存器74LS164使得多路开关集成电路的一路选通,从而实现开关网络单元选通燃料电池组中的一单电池;
D1、单电池电压信号通过数据采集单元进行调理,转换成差动电压后,再进一步转换成数字信号;
E1、数字信号存储在控制器单元中,并通过隔离通信接口单元传送给主控制器;
F1、控制单元发出控制信号,控制开关网络单元选通下一单电池,依照步骤;D1、E1获取该单电池的电压数据,直至燃料电池组中各电池电压均被监测;
G1、重复步骤C1至F1,监测下一组燃料电池电压。
6.根据权利要求5所述的燃料电池电压监测方法,其特征在于:顺序监测多个燃料电池中各个电池的电池电压。
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