CN102540095A - 一种燃料电池单片电压检测系统 - Google Patents

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陈国顺
吕艳梅
阎群
王胜开
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池单片电压检测系统，属于电池电压检测设备技术领域。包括信号调理电路、A/D转换单元、MCU和LCD，燃料电池堆的负极与信号调理电路的接地端连接，燃料电池堆中单片燃料电池的正极与所述信号调理电路的输入端依次连接，所述信号调理电路的输出端依次与所述A/D转换单元的输入端连接，所述A/D转换单元的输出端与所述MCU的输入端连接，所述MUC的输出端与所述LCD的输入端连接。所述系统由简单的几部分组成，体积小、重量轻，具有结构简单，制造成本低的特点，可以直接贴附于燃料电池堆表面，易于与燃料电池堆控制系统集成，实现了对单片燃料电池电压的实时检测。

Description

一种燃料电池单片电压检测系统
技术领域
本发明属于电池电压检测设备技术领域，尤其涉及一种燃料电池单片电压检测系统。
背景技术
在标准条件下，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的理论电动势为1.229V，但由于存在活化极化、欧姆极化和浓差极化等电压损失，电池工作过程中的实际输出电压远远低于按热力学方法计算出来的理论电动势。为了满足负载的电压要求，传统双极电堆常采用串联方式将许多单片燃料电池串联连接在一起，一片电池的阴极与下一片电池的阳极相连。显然，单片电池的性能影响着整个电池堆的性能。现有的能够实现燃料电池单片电压检测的设备，存在着结构复杂、制造成本较高的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种燃料电池单片电压检测系统，具有体积小、重量轻、结构简单、制造成本低的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种燃料电池单片电压检测系统，其特征在于包括信号调理电路、A/D转换单元、MCU和LCD，燃料电池堆的负极与信号调理电路的接地端连接，燃料电池堆中单片燃料电池的正极与所述信号调理电路的输入端依次连接，所述信号调理电路的输出端依次与所述A/D转换单元的输入端连接，所述A/D转换单元的输出端与所述MCU的输入端连接，所述MUC的输出端与所述LCD的输入端连接。
所述系统还包括报警单元和上位机，所述报警单元的输入端与所述MCU的输出端连接，所述上位机通过串口与所述MCU连接。
所述信号调理电路包括与需要检测的燃料电池堆中的单片燃料电池数量相同的信号调理单元，所述信号调理单元包括电阻R1-R5、放大器U1和二极管D1-D2，所述电阻R1的一端接所述放大器U1的2脚，所述电阻R2和R3的一端接所述放大器U1的3脚，所述电阻R3的另一端接系统偏置电压Vref，所述电阻R4的一端接所述放大器U1的1脚，所述电阻R4的另一端为所述信号调理电路的一个输出端，所述电阻R5的一端接所述放大器U1的2脚，所述电阻R5的另一端接所述放大器U1的1脚，所述二极管D1的正极接地，所述二极管D1的负极接所述二极管D2的正极，所述二极管D2的负极接电源电压Vcc，所述二极管D1和D2的结点接所述放大器U1的1脚，所述放大器U1的4脚和11脚分别接放大器工作电压V2和V1；
所述信号调理电路的接地端为第一个信号调理单元中电阻R1的悬空端，所述第一个信号调理单元中电阻R2的悬空端与第二个信号调理电路中电阻R1的悬空端连接，所述第一个信号调理单元中电阻R2与所述第二个信号调理单元中电阻R1的结点为所述信号调理电路的第一个输入端，其余各个信号调理单元依次按照上述信号调理单元与信号调理单元间的连接方式连接并设置相应的信号调理电路输入端和输出端，最后一个信号调理单元中电阻R2的悬空端为所述信号调理电路的最后一个输入端。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述系统由简单的几部分组成，体积小、重量轻，具有结构简单，制造成本低的特点，可以直接贴附于燃料电池堆表面，易于与燃料电池堆控制系统集成，实现了对单片燃料电池电压的实时检测。此外，所述系统将燃料电池堆的负极与信号调理电路接地端连接，保证了整个系统地信号的一致性，提高了所述系统的检测精度；所述系统采用差分电压检测方法，仅放大了差模信号，抑制了共模信号，从而提高了所述系统的检测精度；所述信号调理电路中引入了偏置电压Vref，巧妙的解决了A/D转换单元无法检测负电压的问题；所述信号调理电路中还设有由二极管D1-D2和限流电阻R4组成的保护电路，使信号调理电路的输出电压钳位在-0.7V与电源电压VCC之间，保护信号调理电路的后续器件的安全，以免电路故障输出电压过大而损坏其它器件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明原理框图；
图2是图1中信号调理电路的原理图；
其中：1、信号调理单元。
具体实施方式
如图1所示，一种燃料电池单片电压检测系统，包括信号调理电路、A/D转换单元、MCU和LCD。燃料电池堆的负极与信号调理电路的接地端连接，燃料电池堆中单片燃料电池的正极与所述信号调理电路的输入端依次连接，所述信号调理电路的输出端依次与所述A/D转换单元的输入端连接，所述A/D转换单元的输出端与所述MCU的输入端连接，所述MUC的输出端与所述LCD的输入端连接。
如图1所示，所述系统还包括报警单元和上位机，所述报警单元的输入端与所述MCU的输出端连接，所述上位机通过串口与所述MCU连接。
如图2所示，所述信号调理电路包括与需要检测的燃料电池堆中的单片燃料电池数量相同的信号调理单元1，所述信号调理单元1包括电阻R1-R5、放大器U1和二极管D1-D2。所述电阻R1的一端接所述放大器U1的2脚，所述电阻R2和R3的一端接所述放大器U1的3脚，所述电阻R3的另一端接系统偏置电压Vref；所述电阻R4的一端接所述放大器U1的1脚，所述电阻R4的另一端为所述信号调理电路的一个输出端；所述电阻R5的一端接所述放大器U1的2脚，所述电阻R5的另一端接所述放大器U1的1脚；所述二极管D1的正极接地，所述二极管D1的负极接所述二极管D2的正极，所述二极管D2的负极接电源电压Vcc，所述二极管D1和D2的结点接所述放大器U1的1脚；所述放大器U1的4脚和11脚分别接放大器工作电压V2和V1。
如图2所示，所述信号调理电路的接地端为第一个信号调理单元中电阻R1的悬空端，所述第一个信号调理单元中电阻R2的悬空端与第二个信号调理电路中电阻R1的悬空端连接；所述第一个信号调理单元中电阻R2与所述第二个信号调理单元中电阻R1的结点为所述信号调理电路的第一个输入端，其余各个信号调理单元1依次按照上述信号调理单元1与信号调理单元1间的连接方式连接并设置相应的信号调理电路输入端和输出端；最后一个信号调理单元中电阻R2的悬空端为所述信号调理电路的最后一个输入端。
放大器U1选用通用功率放大器MC3403；A/D转换单元选用德州仪器公司的TLC2543，TLC2543的通道号由MCU的I/O口控制，进行循环顺序选通，将多路单片燃料电池电压信号分别送入MCU；MCU选用AVR系列中的ATmega16系列单片机；LCD选用LCM12864ZK串行液晶显示器，分页显示单片燃料电池的实时电压值，每隔5秒自动更新一页；当燃料电池堆中某片或某几片燃料电池工作异常时，MCU输出报警信号，协助及时做出处理。上位机能够存储燃料电池堆的电压、电流和单片燃料电池的电压值，并将这些值作为历史文件保存到上位机中，方便查询每片单片燃料电池的历史及其电压变化趋势，方便分析与管理单片燃料电池。
燃料电池堆中各单片燃料电池的正极通过探针与信号调理电路中相应的输入端连接，系统将燃料电池堆的负极与信号调理电路的接地端连接，保证整个系统地信号的一致性，提高了测试精度。
燃料电池堆中各单片燃料电池电压信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，要求信号调理电路应具有较强的抑制共模信号的能力。所述系统采用差分电压测量方法，仅放大差模信号，抑制共模信号。各个串联的单片燃料电池电压信号经信号调理电路后得到差分电压，即单片燃料电池电压放大信号。 
当燃料电池堆输出较大功率时，部分性能不佳的单片燃料电池输出电压将降为0 V左右，甚至可能出现负电压，所述系统在信号调理电路中引入系统偏置电压Vref，该系统偏置电压Vref为2.5V，单片燃料电池电压信号放大2倍后再加偏置电压Vref输出给A/D转换单元，巧妙地解决了A／D转换单元不能测量负电压的问题。
每片燃料电池电压信号经信号调理电路输出后加输出保护电路，所述输出保护电路由二极管D1-D2和限流电阻R4组成，所述输出保护电路一方面限制输出电流，另一方面也限制输出电压的幅值，使信号调理电路的输出电压钳位于-0.7V到电源电压VCC之间，保护信号调理电路后续器件的安全，以免电路故障输出电压过大而损坏其它器件。
所述系统由简单的几部分组成，体积小、重量轻，具有结构简单，制造成本低的特点，可以直接贴附于燃料电池堆表面，易于与燃料电池堆控制系统集成，实现了对单片燃料电池电压的实时检测。

Claims (3)

1.一种燃料电池单片电压检测系统，其特征在于包括信号调理电路、A/D转换单元、MCU和LCD，燃料电池堆的负极与信号调理电路的接地端连接，燃料电池堆中单片燃料电池的正极与所述信号调理电路的输入端依次连接，所述信号调理电路的输出端依次与所述A/D转换单元的输入端连接，所述A/D转换单元的输出端与所述MCU的输入端连接，所述MUC的输出端与所述LCD的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池单片电压检测系统，其特征在于所述系统还包括报警单元和上位机，所述报警单元的输入端与所述MCU的输出端连接，所述上位机通过串口与所述MCU连接。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池单片电压检测系统，其特征在于所述信号调理电路包括与需要检测的燃料电池堆中的单片燃料电池数量相同的信号调理单元（1），所述信号调理单元（1）包括电阻R1-R5、放大器U1和二极管D1-D2，所述电阻R1的一端接所述放大器U1的2脚，所述电阻R2和R3的一端接所述放大器U1的3脚，所述电阻R3的另一端接系统偏置电压Vref，所述电阻R4的一端接所述放大器U1的1脚，所述电阻R4的另一端为所述信号调理电路的一个输出端，所述电阻R5的一端接所述放大器U1的2脚，所述电阻R5的另一端接所述放大器U1的1脚，所述二极管D1的正极接地，所述二极管D1的负极接所述二极管D2的正极，所述二极管D2的负极接电源电压Vcc，所述二极管D1和D2的结点接所述放大器U1的1脚，所述放大器U1的4脚和11脚分别接放大器工作电压V2和V1；
所述信号调理电路的接地端为第一个信号调理单元中电阻R1的悬空端，所述第一个信号调理单元中电阻R2的悬空端与第二个信号调理电路中电阻R1的悬空端连接，所述第一个信号调理单元中电阻R2与所述第二个信号调理单元中电阻R1的结点为所述信号调理电路的第一个输入端，其余各个信号调理单元（1）依次按照上述信号调理单元（1）与信号调理单元（1）间的连接方式连接并设置相应的信号调理电路输入端和输出端，最后一个信号调理单元中电阻R2的悬空端为所述信号调理电路的最后一个输入端。
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