CN101303396B - 燃料电池性能监测系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池性能监测系统包括开关网络、低通滤波器、带通滤波器、直流分量数据采集单元、交流分量数据采集单元以及内阻计算单元；开关网络包括顺序排列的多个开关元件，奇数序号开关元件的信号输出端并联成开关网络的第一输出端，偶数序号开关元件的信号输出端并联成开关网络的第二输出端，用于输出一个单电池两端的电压信号；低通滤波器和带通滤波器分别得到直流电压信号和交流波动电压信号；直流分量数据采集单元和交流分量数据采集单元获取直流电压值和交流波动电压值；内阻计算单元用于计算单电池的内阻。本发明的优点在于利用开关元件实现多通道测量单电池电压和内阻，减少使用昂贵的高共模抑制比仪表放大器的数量，降低了成本。

Description

燃料电池性能监测系统

技术领域

本发明涉及燃料电池性能监测系统，特别涉及一种用于监测燃料电池堆中单电池电压及单电池内阻的燃料电池性能监测系统。

背景技术

燃料电池是由燃料和氧化剂产生电能的装置，为了确保燃料电池能够正常工作并评估性能，需要监测燃料电池的各种参数，这就需要提供燃料电池性能监测系统。

一个单体燃料电池(以下简称为“单电池”)所产生的理想电位是1.2V，但在实际使用中电力损失会对理想电位造成不同程度的电位压降，使会使单电池的电压下降0.4-0.8V甚至更多，这样单电池的工作电压通常不到1V，从而导致燃料电池的发电效率不佳，输出功率不稳定。因此燃料电池的单电池电压参数可作为判断燃料电池发电性能的一个重要依据，所以目前常见的燃料电池性能监测系统都是基于监测燃料电池堆中的单电池两端的输出电压而实施的。但是由于膜电极失水现象和水淹现象都会导致质子交换膜(PEM)燃料电池两极之间的直流电压下降，因此仅监测单电池电压的性能监测系统仅能起到一定的电池保护作用，并无法指示导致电池落后的原因。

因此，为了对落后的电池做出更有效的诊断信息，燃料电池性能监测系统还应该具备测量单电池内阻的功能，这样就可以准确判断出膜电极状态，以便燃料电池控制系统制定落后电池恢复策略。

常见的测量电池内阻的方法是通过在电池两端加载交流激励或交流负载而获得交流阻抗数据。CN1643390A提供了一种用来测量燃料电池单电池电压和高频内阻的装置和方法，该装置包括电压测量装置、能够与电化学装置串联连接的负载、以及连接并控制电压测量装置和负载的控制器，该装置利用控制器控制负载提供所需的直流和交流负载电流特性，电压测量装置利用多通道的仪表放大器测量单电池电压，配合负载电流特性，由控制器分析获得单电池电压及单电池高频阻抗。但是，该技术方案的缺点在于一方面由于燃料电池的高累积电势，而大量使用高共模抑制比的仪表放大器，从而增加了测量装置的成本；另一方面实时比较分析由仪表放大器所测量的单电池电压波形和负载电流波形，也使得控制器获取电池内阻数据复杂化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、结构简单、能够同时监测燃料电池电堆中单电池电压及内阻的燃料电池性能监测系统，以克服现有技术的成本较高、数据复杂的局限。

本发明提供的燃料电池性能监测系统包括开关网络、低通滤波器、带通滤波器、直流分量数据采集单元、交流分量数据采集单元以及内阻计算单元；所述开关网络包括顺序排列的多个开关元件，奇数序号开关元件的信号输出端并联成开关网络的第一输出端，偶数序号开关元件的信号输出端并联成开关网络的第二输出端，用于输出一个单电池两端的电压信号；所述低通滤波器和带通滤波器分别与开关网络的第一输出端和第二输出端连接，分别用于接收第一输出端和第二输出端输出的电压信号，通过滤波分别得到直流电压信号和交流波动电压信号，并分别将得到的信号输出到直流分量数据采集单元和交流分量数据采集单元；所述直流分量数据采集单元用于接收来自低通滤波器的直流电压信号并根据该信号获取直流电压值；所述交流分量数据采集单元用于接收来自带通滤波器的交流波动电压信号、根据该信号获取交流波动电压值并将该交流波动电压值输出到内阻计算单元；所述内阻计算单元用于计算单电池的内阻。

本发明所提供的燃料电池性能监测系统当工作时，在串联的单电池两端施加交流波动电流，然后将开关元件的输入端连接到单电池两端的电压输出端，通过每次仅闭合一对相邻的开关元件(也就是相邻的奇数序号开关元件和偶数序号元件)而将燃料电池堆中的单独一个单电池接入到该监测系统中，这样可以监测该接入的单电池的电压值和内阻值。燃料电池堆在工作时会产生直流电流，再加上施加的交流波动电流，使得通过燃料电池堆的电流为叠加有交流波动电流的直流电流。由于燃料电池的内阻因素，交流波动电流产生交流波动电压，因此燃料电池两端的电压也就是叠加有交流波动电压的直流电压。通过低通滤波器及直流分量数据采集单元、带通滤波器及交流分量数据采集单元分别获取单电池上的直流电压值及交流波动电压值。所获取的直流电压值即是该单电池当前的电压。而所获取的交流波动电压值被输送到内阻计算单元，并由内阻计算单元根据交流波动电压值以及所施加的交流波动电流值即可获得单电池的内阻。依次使得相邻序号的一对开关元件闭合，即实现了对燃料电池堆中各单电池电压及内阻的监测。本发明的优点在于利用对应燃料电池单电池的开关元件实现多通道测量，减少使用昂贵的高共模抑制比仪表放大器的数量，降低了成本；采用低通滤波器及带通滤波器分离叠加交流波动的直流电压，简化了获取内阻数据的方法。

附图说明

图1为根据本发明的燃料电池性能监测系统的框图；

图2为开关网络的一个具体实施方式的电路原理图；

图3为电流激励源的一个具体实施方式的电路原理图；

图4为可控负载的一个具体实施方式的电路原理图；

图5为差分放大器的一个具体实施方式的电路原理图；

图6为低通滤波器的一个具体实施方式的电路原理图；

图7为带通滤波器的一个具体实施方式的电路原理图；

图8为集成开关控制器、直流分量数据采集单元、交流分量数据采集单元、内阻计算单元的控制器的一个具体实施方式的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明提供的燃料电池性能监测系统包括开关网络、低通滤波器4、带通滤波器5、直流分量数据采集单元6、交流分量数据采集单元7以及内阻计算单元8。

所述开关网络包括顺序排列的多个开关元件2，奇数序号开关元件2的信号输出端并联成开关网络的第一输出端COMA，偶数序号开关元件2的信号输出端并联成开关网络的第二输出端COMB，用于输出一个单电池两端的电压信号。所述开关元件2的个数比燃料电池堆中单电池的个数多1。也就是说每个单电池两端都连接有两个开关元件2，如图1所示。

当本系统在使用时，开关网络中有且仅有一对相邻的开关元件2被同时闭合。这也就是说，在一个特定时刻，该开关网络中只有一对相邻的开关元件2(例如第1个与第2个)被闭合，而其他开关元件2保持断开状态，这样这闭合的两个开关元件2之间的仅一个单独的单电池1被接入到监测系统中，例如当闭合第1个开关元件2和第2个开关元件2时，第1个单电池1就被接入到系统中。从而该系统通过依次闭合一对相邻的开关元件2而将各个单电池1依次单独地接入到监测系统中，达到了多通道监测的目的。

该开关网络的开关元件2可以是手动控制的开关，也可以是具有控制端的开关，可以由电信号进行控制，例如双路光电隔离继电器AQW210。因此，该开关网络还包括开关控制器(未图示)，开关控制器的输出端与开关元件2的控制端连接，该开关控制器用于控制开关元件2的状态，以每次接入一个单电池1的方式控制开关元件2，即在一个特定时刻时有且仅有一对相邻的开关元件2被闭合。所述开关控制器可以执行对应于开关状态的组合逻辑时序控制程序，从而可以以轮流依次接入每个单电池1的方式或者以特定的次序(例如根据实际需要)接入每个单电池1的方式进行监测。

图2为开关网络的一个具体实施方式的电路原理图，其中开关元件2采用双路光电隔离继电器AQW210，每个AQW210的控制端连接到4线/16线译码器SN74HC154U1和U2的输出端，奇数序号开关元件的控制端被连接到第一个译码器U1，偶数序号开关元件的控制端被连接到第二个译码器U2，译码器的地址输入端及数据输入端被连接到开关控制器。

由于要向燃料电池堆施加交流波动电流，则该系统还可以包括交流波动电流产生器3，如图1所示，与燃料电池堆的电压输出端并联，用于向燃料电池堆施加交流波动电流。

所述交流波动电流产生器3可以为任何可以产生交流波动电流的装置，优选为电流激励源或可控负载。电流激励源或可控负载的作用是相同的，都是使燃料电池堆提供叠加有固定交流波动电流的输出电流。不管是采用电流激励源还是可控负载，所述交流波动电流产生器3所施加的交流波动电流值都是已知的。

所述电流激励源优选为交流恒流激励源，例如加载1kHz、有效值为1A的交流恒流激励源。优选情况下可以由激励源控制器来控制电流激励源输出的电流的大小。图3所示为电流激励源的一个具体实施方式的电路原理图，其中使用集成函数信号发生器ICL8038和功率放大器OPA549作为电流激励源。利用分压装置，ICL8038输出1kHz、有效值为1V的交流电压信号，OPA549连接成电压-电流转换电路，从而实现了1kHz、有效值为1A的交流恒流激励源，激励源通过隔直电容C1、C2加载到燃料电池堆的两端。OPA549具有使能端VE/S，可以控制VE/S端电平的状态从而控制交流恒流激励源的开关状态，这样可以在不需要监测内阻的时候关闭该激励源，以降低系统功耗。

所述可控负载优选为交流恒流负载，例如构成1kHz、有效值为1A的交流恒流激励源。图4所示为可控负载的一个具体实施方式的电路原理图，其中使用集成函数信号发生器ICL8038并利用分压装置，输出1kHz、有效值为1V的交流电压信号，使用MOSFET IRF460作为负载，利用由运算放大器OP07组成比较器的方式构成恒流源，交流电压信号作为参考电压输入OP07同相端，对电流的1欧姆采样电阻RS上电压输入OP07反相端，由此实现1kHz、有效值为1A的交流恒流负载，交流恒流负载回路连接隔直电容C200、C201，确保燃料电池对可控负载仅输出交流电流。该电路在交流电压信号及运算放大器同相端间加入开关元件SW，如继电器，通过控制开关元件VE/S端的高低电平，从而控制可控负载的开关状态，这样可以在不需要监测内阻的时候关闭该可控负载，以降低系统功耗。

这样，由上所述，通过交流波动电流产生器3向燃料电池堆施加交流波动电流，再加上燃料电池堆工作时产生的直流电流，所以流经燃料电池堆的电流为叠加有交流波动电流的直流电流。从而在单电池1的两端产生的电压也就为叠加有交流波动电压的直流电压，这样的电压信号通过第一输出端COMA和第二输出端COMB被输出到低通滤波器4和带通滤波器5中。

开关网络的第一输出端COMA和开关网络的第二输出端COMB输出的电压信号为差分信号，且由于第一输出端COMA相对于第二输出端COMB的电压随着不同开关元件2的闭合或正或负，因此为了方便后续的滤波及电压采集，本发明提供的系统优选还包括差分放大器，见图5，输入端与开关网络的第一输出端COMA、第二输出端COMB相连接，输出端与低通滤波器4、带通滤波器5的输入端相连接，用于将开关网络输出的差分的电压信号转换为单端信号，并置该差分放大器一正向参考电压VREF，以确保差分放大器始终输出正电压。

由于串联燃料电池堆中的单电池1两端电压具有共模电压，且串联的单电池越多，最大共模电压就越大，因此当串联的单电池1较少时，例如少于10个，本系统可采用低共模抑制比的差分放大器，如由运算放大器OP07构成的差分放大器；当串联的单电池1较多时，例如多于10个，需采用高共模抑制比的差分放大器，如INA117或AD629。

所述低通滤波器4的输入端连接差分放大器的输出端，用于得到直流电压信号并将该信号输出到直流分量数据采集单元6。低通滤波器4为能有效滤除叠加在当前单电池1上的交流波动电压的低通滤波器，可以为无源低通滤波器、有源低通滤波器。图6为低通滤波器4的一个具体实施方式，其中利用精密运算放大器TLC279构成二阶有源低通滤波器，输出直流电压信号ADO。

所述带通滤波器5的输入端连接差分放大器的输出端，用于得到交流电压信号并将该信号输出到交流分量数据采集单元7。带通滤波器5为能有效滤除单电池1两端的直流电压成分及高频干扰并保留交流波动成分的带通滤波器，，可以为无源带通滤波器、有源带通滤波器，滤波器在通带可具有一定增益，增益的范围为1V/V-100V/V。图7为带通滤波器5的一个具体实施方式，其中利用精密运算放大器TLC279构成六阶、10V/V增益的有源带通滤波器。

所述直流分量数据采集单元6用于接收来自低通滤波器4的直流电压信号并根据该信号获取直流电压值。该直流分量数据采集单元6为A/D转换单元，其通过对模拟的直流电压信号(如图4中的AD0)进行A/D转换而得到数字信号，该数字信号即为直流电压值，代表单电池两端的电压。该直流电压值可以被存储到存储单元(未图示)中。所述A/D转换的过程和实施对本领域人员来说是公知的。

所述交流分量数据采集单元7用于接收来自带通滤波器5的交流波动电压信号、根据该信号获取交流波动电压值并将该交流波动电压值输出到内阻计算单元8。该交流分量数据采集单元7为A/D转换单元，其通过对模拟的交流波动电压信号(如图5中的AD1)进行A/D转换而得到数字信号，该数字信号即为交流波动电压值。需要说明的是该交流波动电压值为交流波动电压的有效值(也就是峰值除以

)。该交流波动电压值可以被输出到内阻计算单元8中。所述A/D转换的过程和实施对本领域人员来说是公知的。

所述内阻计算单元8用于根据接收到的交流波动电压值和所述交流波动电流产生器3所施加的交流波动电流值计算得到单电池的内阻。其中交流波动电压值由交流分量数据采集单元7提供，交流波动电流值从交流波动电流产生器3获取，都是有效值。如上所述，单电池内阻由高频阻抗的有效值进行表征，即用交流波动电压(有效)值除以交流波动电流(有效)值得到。该内阻计算单元8的具体实施对本领域人员来说是公知的，可以通过硬件或程序实施。计算得到的单电池内阻数据可以被存储到存储单元(未图示)中。

上述开关控制器、激励源控制器、直流分量数据采集单元6、交流分量数据采集单元7、内阻计算单元8可以分别由单独的控制器实施，也可以由一个控制器来实施，如图7所示为集成了开关控制器、直流分量数据采集单元6、交流分量数据采集单元7、内阻计算单元8的控制器，其中该控制器采用C8051F005微控制器实施，该微控制器的A/D转换端AIN0、AIN1分别连接到AD0和AD1，A/D转换作为直流分量数据采集单元6和交流分量数据采集单元7，微控制器的P0、P1端连接开关网络的译码器U1、U2的地址控制端和数据控制端以控制开关元件2，该微控制器还可以通过通信线路将得到的单电池电压和内阻数据传送到外部计算机或燃料电池系统总控制器，以进行外部分析，从而实现分布监测或在线监测。

Claims (11)

1.一种燃料电池性能监测系统，该系统包括开关网络、交流波动电流产生器(3)、低通滤波器(4)、带通滤波器(5)、直流分量数据采集单元(6)、交流分量数据采集单元(7)以及内阻计算单元(8)；

所述开关网络包括顺序排列的多个开关元件(2)，奇数序号开关元件(2)的信号输出端并联成开关网络的第一输出端，偶数序号开关元件(2)的信号输出端并联成开关网络的第二输出端，用于输出一个单电池两端的电压信号；

所述交流波动电流产生器(3)，用于与燃料电池堆的电压输出端并联，向所述燃料电池堆施加交流波动电流；

所述低通滤波器(4)和带通滤波器(5)分别与开关网络的第一输出端和第二输出端连接，分别用于接收第一输出端和第二输出端输出的电压信号，通过滤波分别得到直流电压信号和交流波动电压信号，并分别将得到的信号输出到直流分量数据采集单元(6)和交流分量数据采集单元(7)；

所述直流分量数据采集单元(6)用于接收来自低通滤波器(4)的直流电压信号并根据该信号获取直流电压值；

所述交流分量数据采集单元(7)用于接收来自带通滤波器(5)的交流波动电压信号、根据该信号获取交流波动电压值并将该交流波动电压值输出到内阻计算单元(8)；

所述内阻计算单元(8)用于根据接收到的交流波动电压值和所述交流波动电流产生器(3)所施加的交流波动电流值计算单电池的内阻。

2.根据权利要求1所述的系统，其中开关元件(2)的个数比燃料电池堆中单电池的个数多1。

3.根据权利要求1所述的系统，其中开关元件(2)是具有控制端的开 关，开关网络还包括开关控制器，用于通过控制端控制开关元件(2)的状态，以每次接入一个单电池(1)。

4.根据权利要求3所述的系统，其中开关元件(2)为具有控制端的双路光电隔离继电器。

5.根据权利要求3所述的系统，其中开关控制器执行对应于开关状态的组合逻辑时序控制程序，使得该开关网络中有且仅有一对相邻的开关元件(2)被同时闭合。

6.根据权利要求1所述的系统，其中交流波动电流产生器(3)为电流激励源或可控负载。

7.根据权利要求6所述的系统，其中电流激励源为交流恒流激励源。

8.根据权利要求6所述的系统，其中可控负载为交流恒流负载。

9.根据权利要求1所述的系统，其中内阻计算单元(8)用交流波动电压值除以交流波动电流值得到单电池内阻。

10.根据权利要求1所述的系统，其中该系统还包括差分放大器，差分放大器的输入端与开关网络的第一输出端、第二输出端相连接，输出端与低通滤波器(4)、带通滤波器(5)的输入端相连接，用于将开关网络输出的差分的电压信号转换为单端信号，并置该差分放大器一正向参考电压，以确保差分放大器始终输出正电压。 

11.根据权利要求1所述的系统，其中直流分量数据采集单元(6)、交流分量数据采集单元(7)为A/D转换单元。 

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