CN101806866B - 一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路，测量系统包括单体电池取样开关控制网络、低通滤波器、参考基准电压源、两路AD转换器及微控制器，测量系统与被测量电池组不共地，连接微控制器两个AD转换器通道的是同一节单体电池的两个电极端，被取样的单体电池的任意一个电极端与测量系统的参考基准电压源相连，然后该连接点与微控制器的一个AD转换器通道接口相连。它是一种简洁实用、低成本的单体燃料电池电压测量电路，测量精度可以满足要求。

Description

一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路

技术领域

本发明涉及一种应用于新能源燃料电池的单体电池电压的测量电路。

背景技术

随着现代社会发展，能源的消耗越来越大，传统能源越来越不能满足人类的要求，特别是在提出可持续发展和保护环境的今天，人类加大了对新能源的开发和利用。而燃料电池就是目前一种正在被开发利用的新能源之一，其机理是利用燃料与空气中的氧进行化学反应，在产生电流的同时生成水和二氧化碳，它作为一种既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面有着广阔的应用前景。通常一个燃料电池电堆是由多节燃料电池串联而成，对燃料电池电堆中的每节单体电池电压的检测是燃料电池电堆运行中的必要环节，因为燃料电池系统各操作参数的变化均反映在电堆内各单体电池工作电压上，即使有一个单节电池的死亡就会造成整个电堆的崩溃，因此各种故障可能引起电堆不能正常运行的前兆也首先反映在电堆内某节单池的工作电压变化上。在电池系统运行时，监测电堆各节单体电池的电压、依据电堆在稳定功率输出时某节单体电池工作电压的变化并分析引这种变化的原因，在电堆故障发生前预警并采用某些措施，争取排除故障，使电堆恢复到正常工作状态。由此可见对燃料电池电堆的各节单体电池的电压检测是非常重要的，有关测量电路及装置有多种，通常测量系统为低压电系，而被测量的电池组的电压往往较高，所以测量系统图与被测量系统一般不能够共地，一般都采用隔离技术，需用隔离电源、隔离控制、隔离放大器等器件，测量电路成本较高。

发明内容

本发明针对燃料电池电堆提出了一种简洁实用、低成本的单体燃料电池电压测量电路，简单地基于内部自带10位AD转换AVR微控制器、参考基准电压源和低通滤波器即可实现对取样后的燃料电池组中的单体电池的电压予以测量，从而完成对燃料电池组中每节单体电池工作电压的检测。

本发明为完成对整个电池组每节单体电池的电压测量，测量系统需要包括单体电池取样开关控制网络、低通滤波器、参考基准电压源、两路AD转换器、微控制器及调试接口。本专利的重点在于对取样后的电压信号如何进行采集计算，关于单体电池的取样方法不是本专利要阐述的内容。该专利避开传统使用减法器、隔离运算放大器的办法，而是直接简单地利用微控制器内部的AD转换通道，外加上参考基准电压源、低通滤波器即可实现一个正负小电压信号。需要注意的是：测量系统与被测量电池组不共地，但在任意时刻经过低通滤波器连接微控制两个AD通道的只能是同一节单体电池的两个电极端，被取样的单体电池的任意一个电极端与测量系统的参考基准电压源相连，这样电池的这个电极好似与测量系统的参考基准电压源处于同一个电位，然后该连接点与微控制器的一个AD转换通道接口相连，那么微控制器的这个AD通道采集的电压值V1的大小就是这个参考基准电压Vref，即V1＝Vref；而单体电池的另外一个电极端与微控制器的另外一个AD转换通道接口相连，那么该AD通道采集所取得的电压值就是电池电压Vcell与参考基准电压Vref的相对值，具体又有两种情况：一是当参考基准电压源与单体电池负极相连，那么该AD通道采集到的电压值V2等于参考基准电压值加上电池电压值，即V2＝Vref+Vcell，那么微控制器测得的单体电池电压值V就等于两个AD通道采集的电压值的差，即V＝V2-V1＝(Vref+Vcell)-Vref＝Vcell；二是当参考基准电压源与单体电池正极相连，那么该AD通道采集到的电压值V2等于参考基准电压值减上电池电压值，即V2＝Vref-Vcell，那么微控制器测得的单体电池电压值V就等于两个AD通道采集的电压值的差，即V＝V2-V1＝(Vref-Vcell)-Vref＝-Vcell，还可以发现即便参考基准电压发生漂移或变化也丝毫不影响测量，因为参考基准电压如果发生变化，那么两个AD通道采集的值均跟着变化，其差值V的绝对值不变，总等于Vcell；在这里Vref选取2.5V最佳，因为燃料电池一节单体电池发电输出电压通常在0-1.2V，一般一节电池输出电压在0.7V左右，所以微控制器的两个AD通道的输入电压都不会高于5V，更不会低于零，即便是同时测量串联的两节相邻的单体电池也可以(即把两节相邻的单体电池作为一个基本测量单元，这样作可以减少测试点，提高测量效率)，其最大电压值不过2.5V；可以看到采用这种方法无需特别的隔离手段，只是注意测量系统与被测量的电池组不可共地，并在任意时刻必须保证只有被测量的单体电池的正负电极引入两个AD通道，杜绝不同电池的电极引入测试通道，这样即可保证测量的安全。调试接口、是用于对微处理器进行程序下载。该方法简单、实用、经济，同样可以推广应用到其他类型新能源电池的电压测量及一些对精度要求不是非常高的正负小电压信号的测量领域。

本发明的有益效果是：它是一种简洁实用、低成本的单体燃料电池电压测量电路，测量精度可以满足要求。同时该方法还可以应用在其他类型新能源电池的电压测量及一些对精度要求不是非常高的正负小电压信号的测量方面。

附图说明

图1为本发明系统结构原理图。

图2为本发明单节单体电池电压测量电路原理图。

图3为本发明双节单体电池电压测量电路原理图。

图中，1、被测量电池组，2、单体电池取样开关控制网络，3、低通滤波器，4、参考基准电压源，5、AD转换器，6、微控制器及调试接口。

具体实施方式

如图2和图3，测量电路主要基于对系统性能、抗干扰能力、成本等问题的考虑，微处理器采用ATMEL公司的AVR的8位微处理器ATMEGA8L，其工作温度范围宽，电磁兼容特性好，内有多路AD转换通道、PWM输出及看门狗电路等，在实际应用中无需外扩其他芯片，所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好。测量系统包括RC滤波器、有稳压二极管组成的参考基准电压源、ATMEGA8L微控制器及调试接口，系统通过开关网络选取被测量的单体电池后，为了提高测量的实时性和精度，取得的信号需经R3C4与R4C5滤波后再送入微控制器的两个AD通道(微控制芯片的PC1和PC0端口)，滤波电阻R3，R4与滤波电容C4，C5取值影响测量的实时性和精度，R3C4与R4C5滤波常数取小了滤波效果不好，其在巡回测量时的实时性好，但精度会差些；反过来滤波电阻和电容取值大，滤波效果好，有助测量精度提高，但在逐个测量燃料电池组的每节单体电池电压的实时性就会受到影响；这里的滤波电阻还具有电压取样时限流作用所以在选择滤波器的电阻电容的值时要兼顾测量的精度与巡回检测的实时性。首先考虑到所使用的微处理器的AD转换的最高采样频率为100KHZ，再根据采样定律，那么滤波器的截止频率(f＝1/2πRC)应该低于50KHZ。R3与R4以1K电阻为例，C4和C5应该选取3300PF的电容最为合适。另外在测量双节单体电池的电路中在电压信号输入PC0端口这个AD通道前增设一个钳位二极管D2，其目的是防止该通道输入电压信号超过5V，在单节单体电池测量电路中就无需这个做法。

测试系统的参考基准电压源是由一个高于2.5V的稳压二极管D1、限流电阻R2、调节电阻RW组成。

微控制系统的复位电路由R1和C1组成。

此外调试接口ISP是用于对微处理器进行程序下载之用。这个接口电路采用标准电路，ISP调式接口的2引脚接电源VCC，其4，6，8，10引脚接地，其5引脚接微控制系统的复位端，其1引脚连接微控制芯片的PB3端口，其7引脚连接微控制芯片的PB5端口，其9引脚连接微控制芯片的PB4端口，其3引脚悬空。

实验证明该方法能够很好地实现对燃料电池电堆每节电池的电压测量，而且整个测量系统的电路简洁、成本低，测量的精度较高，测量误差可控制在±5mV以内。该方法也存在一些不足，那就是在循环测量电池组每节单体电池时的实时性还不是很高，在保证高测试精度时，单次测试周期表现略长一点(实验测试18节单体电池时大约在需要3秒)，如果牺牲一点测量精度就可以提高测量整个电池组的实时性.测试实时性不是很高，所以要合理选择电路中滤波器电容C4和C5的参数，通过实验来看，该方法对一般的小功率低压燃料电池系统而言还是能够满足要求。

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路，其特征在于：测量系统包括单体电池取样开关控制网络、两个低通滤波器、参考基准电压源、两路AD转换器、微控制器及调试接口，测量系统与被测量电池组不共地，两个低通滤波器和两路AD转换器相对应，同一节单体电池的两个电极端分别经过对应的低通滤波器连接微控制器对应的AD转换器通道，被取样的单体电池的任意一个电极端经过对应的低通滤波器后与测量系统的参考基准电压源相连，然后该连接点与微控制器的一个AD转换器通道接口相连，调试接口与微处理器连接进行程序下载。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路，其特征在于：两节相邻的单体电池作为一个基本测量单元，即连接微控制器两个AD转换器通道的是相邻两节单体电池的两个电极端；在微控制器电压信号输入PC0端口这个AD通道前增设一个钳位二极管。

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