CN106252769A - 一种用于电化学储能装置的电压巡检装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压巡检装置，用于监测包含有多个储能单体的电化学储能装置的电压电流信号，包括：第一信号处理模块、第二信号处理模块、第三信号处理模块以及控制模块。本发明提供的电压巡检装置可以在稳定工作状态下测量电化学储能装置的整堆低频输出电压、整堆低频输出电流、各储能单体的低频输出电压；以及在动态工作状态下，特别是在交流阻抗测量模式下，同步测量电化学储能装置的整堆动态输出电压、整堆动态输出电流，同步测量各储能单体动态输出电压、单体动态输出电流。

Description

一种用于电化学储能装置的电压巡检装置
技术领域
本发明涉及能源电池控制技术领域，尤其涉及电化学储能装置的电压巡检装置。
背景技术
氢氧质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，传统内燃机能量转换受到卡诺循环限制，而氢氧质子交换膜燃料电池能量转换不受卡诺循环限制，理论上其能量转换效率更高。由于参与反应的物质为氢气和空气，反应产物为水，没有产生有害排放物，因此受到人们的青睐，逐渐应用于备用电站、交通运输和移动电源等领域。
质子交换膜燃料电池输出特性为直流，其单片输出电压小于1V，典型为0.7V，为了能够提供更高的电压，需要将很多燃料电池单片串联在一起，形成燃料电池电堆，其输出功率相应提高。燃料电池单片由阳极气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)、膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies，简称MEA)和阴极气体扩散层组成。
燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心部件，在电堆外围有许多附件系统辅助燃料电池电堆进行工作，包括空气系统、氢气系统、冷却系统、功率调节系统、增湿系统和控制系统等。空气系统负责为电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电堆的空气的温度、压力和流量；氢气系统负责为电堆供应氢气，需要根据工况调节进入电堆的氢气压力和流量；冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠运行；功率调节系统则通过调节燃料电池电堆输出电压或输出电流的方式使燃料电池系统输出特性能满足负载需求；增湿系统负责调节进入电堆的空气的湿度，过干或过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制；控制系统是整个燃料电池发电系统的“大脑”，尤其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。
请参阅图1，一种典型的燃料电池系统100包括燃料电池电堆10、氢气系统12、空气系统14、冷却系统16、回收系统18以及DC/DC控制器19。其中，空气系统14包括空压机142、散热器144、增湿器146以及第一流量控制阀148。所述回收系统18包括冷凝器182以及第二流量控制阀184。环境空气经由空压机142压缩后进入散热器144，由散热器144冷却后进入增湿器146进行增湿，增湿后进入燃料电池电堆10，燃料电池电堆10阴极侧的氧气和来自阳极侧的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时产生水(气态或液态)。因此在参与反应后的阴极空气中氧气含量下降，水含量(湿度)增加。在燃料电池电堆10出口的空气经冷凝器182回收水分后，通过第二流量控制阀184排入空气环境中。其中，可通过空压机142、第一流量控制阀148以及第二流量控制阀的协调控制来控制进入燃料电池电堆10的空气流量和空气压力，可以通过散热器144调整进气温度，通过增湿器146来控制进气湿度。
根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，由于燃料电池电堆内部反应生成的水(气态或者液态)需要经过阴极反应通道带出，如果生成的液态水不及时排除，生成的水会阻碍流道，即所谓的水淹现象，导致电堆性能下降，影响燃料电池的使用。为了提高排水能力，需要提高空气的流量或流速以便顺利吹除液态水。在怠速或小负荷时，由于生成的水量偏小，如果一直保持较大的空气流量，则容易把流道和质子交换膜表面水都吹干，导致膜过干而性能下降；如果一直保持较小的空气流量，则不容易吹走流道内的液态水而导致水淹。
在燃料电池控制系统中，基于现有的传感器配置，包括阴阳极进口温度和压力传感器、阴阳极出口温度和压力传感器、阴极进出口湿度传感器。通常采用集总参数模型对燃料电池电堆内部工作状态进行观测，但由于燃料电池电堆由许多单片串联而成，受电堆供气系统结构的限制，每个燃料电池单片进气压力、温度、湿度和进气组分都有所差异。单片供气状态差异和温度差异导致单片电压出现不一致性。当电堆供气系统结构不合理和单片数量增加时，单片电压不一致性更加明显。由于目前无法实时观测燃料电池单片的工作状态，也无法及时有效判断单片是否出现水淹或膜干现象。因此，通过对燃料电池供气系统和增湿系统的控制实现调节燃料电池内部工作状态难以避免出现局部燃料电池单片出现水淹或膜干现象，这对燃料电池系统性能提升是非常不利的。
如何准确获悉燃料电池单片工作状态，判断燃料电池单片是否处于非正常工作状态如膜干或水淹，来及时调整燃料电池供气系统和增湿系统控制环节，以改善燃料电池性能，是燃料电池系统控制的一个挑战。
随着科学技术的进步，通过不断地深入研究，人们发现燃料电池的性能特性可以用等效电路的方式进行研究，燃料电池的工作状态与等效电路中阻抗元之间具有一定的对应关系。因此，根据燃料电池等效电路与燃料电池性能之间的关系，根据燃料电池等效电路电阻元、电容元与燃料电池电堆不同组件所处状态之间的对应关系，通过实时获取燃料电池等效电路中电阻元和电容元的阻抗值变化，就可以准确预测燃料电池单片工作状态和燃料电池电堆整体工作状态。为获取燃料电池等效电路中电阻和电容参数，需要进行交流阻抗研究。目前市场上的商业化交流阻抗分析设备，造价昂贵、工作条件要求高，其工作电压范围和电流范围都无法满足现有燃料电池大客车系统的要求，自然很难实现大规模的实车应用。进行燃料电池整堆或者单片的交流阻抗频谱辨识，不仅需要能够产生给电化学装置施加电流扰动或者电压扰动的电力变换装置，比如可编程电子负载或者AC/DC变换器等，还需要对电化学装置的整个部件和各个单片的电压、电流信号进行采集、处理和分析的配套系统，也就是电压巡检装置。然而，现有技术中的电压巡检装置常用于在稳定工作状态下，测量电化学储能装置的整堆低频输出电压、整堆低频输出电流、各储能单体的低频输出电压。缺乏在动态工作状态下，同步测量电化学储能装置的整堆低频输出电压、整堆低频输出电流、各储能单体的低频输出电压的电压巡检装置。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种在动态工作状态下，可以同步测量电化学储能装置的整堆低频输出电压、整堆低频输出电流、各储能单体的低频输出电压的电压巡检装置。
一种电压巡检装置，用于监测由多个储能单体串联组成的电化学储能装置的电压电流信号，包括：
电流采样电阻，使用时串联在待测电化学储能装置的输出环路中；
第一信号处理模块，用于获取第一电压差值，并对该第一电压差值进行信号调理以获得第一电流信号和第二电流信号，其中，该第一电压差值为所述电流采样电阻两端的电压差值，所述第一电流信号为低频信号，所述第二电流信号为频率可变的信号；
第二信号处理模块，用于获取第二电压差值，并对该第二电压差值进行信号调理以获得第一单片信号和第二单片信号，其中，该第二电压差值为所述待测电化学储能装置中单一储能单体两端的电压差值，所述第一单片信号为低频信号，所述第二单片信号为频率可变的信号；
第三信号处理模块，用于获取第三电压差值，并对该第三电压差值进行信号调理以获得第一电压信号和第二电压信号，其中，该第三电压差值为所述待测电化学储能装置输出端正极与负极之间的电压差值，所述第一电压信号为低频信号，所述第二电压信号为频率可变的信号；
控制模块，用于接收所述第一电流信号、所述第二电流信号、所述第一单片信号、所述第二单片信号、所述第一电压信号、所述第二电压信号，以及控制所述第二信号处理模块对各储能单体的电压进行采样。。
在其中一个实施例中，所述第一信号处理模块包括依次串联的第一高共模差分电路、第一低通滤波和幅值调整电路以及第一低通滤波电路；以及依次串联的第二高共模差分电路、第一高通滤波和反向放大电路、第一低通滤波和幅值调整电路以及第二低通滤波电路。
在其中一个实施例中，所述第三信号处理模块包括：依次串联的第五高共模差分电路、第三低通滤波和幅值调整电路、第五低通滤波电路；以及依次串联的第六高共模差分电路、第三高通滤波和反向放大电路、第三低通滤波和幅值调整电路、第六低通滤波电路。
在其中一个实施例中，所述第二信号处理模块包括：
信号选通子模块，用于在控制模块输出的控制信号的作用下选通待测量的单一储能单体，得到第二电压差值；以及
信号处理子模块，用于对该第二电压差值进行信号调理以获得第一单片信号和第二单片信号。
在其中一个实施例中，所述信号处理子模块包括：依次串联的第三高共模差分电路、第二低通滤波和幅值调整电路、第三低通滤波电路；以及依次串联的第四高共模差分电路、第二高通滤波和反向放大电路、第二低通滤波和幅值调整电路、第四低通滤波电路。
在其中一个实施例中，所述信号选通子模块进一步包括一隔离芯片，用于隔离所述储能单体的强电信号与所述控制模块的弱电信号。
在其中一个实施例中，所述隔离芯片为光耦隔离模块或磁耦隔离模块。
在其中一个实施例中，所述控制模块进一步包括：
A/D转换子模块，用于对所述第一电流信号、所述第二电流信号、所述第一单片信号、所述第二单片信号、所述第一电压信号、所述第二电压信号进行模数转换；以及
通讯子模块，用于将经由所述A/D转换子模块转换后的电压电流数据传输给外部控制器，以及从所述外部控制器接收命令控制所述第二信号处理模块对各储能单体的电压进行采样。
在其中一个实施例中，所述通讯子模块为CAN或FlexRay通讯模块。
在其中一个实施例中，所述储能单体为燃料电池、锂离子电池以及超级电容器中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述第一电流信号、所述第一单片信号、所述第一电压信号经历的相位移动和幅值缩放相同；以及所述第二电流信号、所述第二单片信号、所述第二电压信号经历的相位移动和幅值缩放相同。
本发明提供的电压巡检装置，由于第一信号处理模块可以获得得第一电流信号和第二电流信号，第二信号处理模块可以获得获得第一单片信号和第二单片信号，第三信号处理模块，可以获得第一电压信号和第二电压信号。其中所述第一电流信号、第一单片信号和第一电压信号用于在稳定工作状态下，测量电化学储能装置的整堆低频输出电压、整堆低频输出电流、各储能单体的低频输出电压。其中所述第二电流信号、第二单片信号和第二电压信号用于在动态工作状态下，同步测量电化学储能装置的整堆动态输出电压、整堆动态输出电流，同步测量各储能单体动态输出电压。因此，本发明提供的电压巡检装置，在动态工作状态下，可以同步测量电化学储能装置的整堆动态输出电压、整堆动态输出电流，同步测量各储能单体动态输出电压。
附图说明
图1为现有技术中燃料电池系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的电压巡检装置结构示意图。
图3为本发明实施例提供的电压巡检装置信号处理模块结构示意图。
图4为本发明实施例提供的电压巡检装置中电压信号通道选择示意图。
图5为本发明实施例提供的电压巡检装置中控制模块结构示意图。
主要元件符号说明
电压巡检装置 20 第二高通滤波和反向放大电路 2324
电流采样电阻 21 第三低通滤波电路 2325
第一电流信号端 211 第二低通滤波和幅值调整电路 2326
第二电流信号端 212 第四低通滤波电路 2328
第一信号处理模块 22 第三信号处理模块 24
第一高共模差分电路 221 第五高共模差分电路 241
第二高共模差分电路 222 第六高共模差分电路 242
第一低通滤波和幅值调整电路 223 第三低通滤波和幅值调整电路 243
第一高通滤波和反向放大电路 224 第三高通滤波和反向放大电路 244
第一低通滤波电路 225 第五低通滤波电路 245
第一低通滤波和幅值调整电路 226 第三低通滤波和幅值调整电路 246
第二低通滤波电路 228 第六低通滤波电路 248
第二信号处理模块 23 控制模块 25
信号选通子模块 231 A/D转换子模块 251
信号处理子模块 232 通讯子模块 252
第三高共模差分电路 2321
第四高共模差分电路 2322
第二低通滤波和幅值调整电路 2323
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的电压巡检装置作进一步的详细说明。
本发明实施例提供一种电压巡检装置，用于监测电化学储能装置的电压电流信号。
本实施例中待监测的电化学储能装置通常包括一个或多个储能单体，该一个或多个储能单体通过化学反应来产生电能。该一个或多个电化学储能单体可以为燃料电池、锂离子电池以及超级电容器中的至少一种。本发明实施例中的电化学储能单体为燃料电池，对应地，所述电化学储能装置为多个燃料电池单片串联组成的燃料电池电堆，每一燃料电池单片的编号按照电压相对高低依次记为第1电池单片、第2电池单片至第N电池单片。
本实施例中所述电压电流信号包括：稳态电压电流信号以及动态电压电流信号。其中，监测稳态电压电流信号是指所述电化学储能装置在稳定工作状态下，测量该电化学储能装置的整堆低频输出电压、整堆低频输出电流、各储能单体的低频输出电压；监测动态电压电流信号是指所述电化学储能装置在动态工作状态下，特别是在交流阻抗测量模式下，同步测量该电化学储能装置的整堆动态输出电压、整堆动态输出电流，同步测量各储能单体动态输出电压。
请参阅图2，本发明实施例提供的电压巡检装置20包括：电流采样电阻21、第一信号处理模块22、第二信号处理模块23、第三信号处理模块24、控制模块25。
所述电流采样电阻21在测量时串联在待测电化学储能装置的输出环路中。电流采样电阻21的具体安装位置无特殊要求，只需保证其测量电流与待测电化学储能装置输出电流一致即可。所述电流采样电阻21的两端分别为第一电流信号端211与第二电流信号端212。本实施例中所述电流采样电阻21将燃料电池整堆输出电流信号转换为电压信号，即第一电流信号端211和第二电流信号端212的电压差值。为保证该电压差值为正电压，第一电流信号端211相比于第二电流信号端212更加接近燃料电池电堆输出端正极。
所述第一信号处理模块22用于获取第一电压差值并对该第一电压差值进行信号调理以获得第一信号簇，该第一电压差值为所述电流采样电阻21两端的电压差值。所述第一电压差值即第一电流信号端211和第二电流信号端212之间电压差值。该第一信号处理模块22为模拟电路，所述第一电压差值经过模拟电路处理之后的模拟电信号为第一信号簇，该第一信号簇被送入所述控制模块25。
具体地，所述第一信号处理模块22对所述第一电压差值依次进行差分运算、低通滤波与幅值调整、低通滤波以获得第一电流信号S21，以及对该第一电压差值依次进行差分运算、高通滤波和反向放大、低通滤波和幅值调整、低通滤波以获得第二电流信号S22。所述第一电流信号S21为低频信号，用于满足稳态工作时对所述待测电化学储能装置实际输出电流的监测，所述第二电流信号S22为频率可变的信号，其可用频率范围为0.1Hz～5kHz，优选的频率范围为0.1Hz～1kHz。通过控制模块25的控制可以实现对该第二电流信号S22的同步测量，用于满足动态工作时，特别是进行交流阻抗测量时，对待测电化学储能装置实际输出电流的监测。该第一电流信号S21与第二电流信号S22合称为第一信号簇。可以理解，频率范围的选择受测量模式及电化学储能装置的类型、工作状况等的影响，本实施例中仅给出了一个可选范围，本领域技术人员可以根据具体情况而设定相应的频率范围。
请参见图3，本实施例中所述第一信号处理模块22包括：依次串联的第一高共模差分电路221、第一低通滤波和幅值调整电路223以及第一低通滤波电路225；以及依次串联的第二高共模差分电路222、第一高通滤波和反向放大电路224、第一低通滤波和幅值调整电路226以及第二低通滤波电路228。
所述第一高共模差分电路221用于对所述第一电压差值进行差分运算。所述第一低通滤波和幅值调整电路223用于对所述第一高共模差分电路221输出的信号进行低通滤波与幅值调整。所述第一低通滤波电路225用于对所述第一低通滤波和幅值调整电路223输出的信号进行低通滤波，以获得所述第一电流信号S21。
所述第二高共模差分电路222用于对所述第一电压差值进行差分运算。所述第一高通滤波和反向放大电路224用于对所述第二高共模差分电路222输出的信号进行高通滤波和反向放大。所述第一低通滤波和幅值调整电路226用于对所述第一高通滤波和反向放大电路224输出的信号进行低通滤波和幅值调整。所述第二低通滤波电路228用于对所述第一低通滤波和幅值调整电路226输出的信号进行低通滤波，以获得所述第二电流信号S22。
所述第二信号处理模块23用于获取所述待测电化学储能装置中各储能单体两端的电压差值，并对该电压差值进行信号调理。在一个实施例中，将待测燃料电池电堆中各电池单片电压测量引出端按照电压相对高低依次记为单片电压输出端P0、单片电压输出端P1至单片电压输出端PN。第1电池单片的电压就是单片电压输出端P0和单片电压输出端P1之间的电压差，依此类推，第N电池单片的电压就是单片电压输出端PN-1和单片电压输出端PN之间的电压差。上述电压信号均为模拟电信号。
本实施例中，所述第二信号处理模块23包括信号选通子模块231与信号处理子模块232。由于燃料电池单片数量较多，有时甚至会达到上百片，通常大于A/D转换器输入引脚的数量，因此本实施例中采用信号选通子模块231进行单片采样之间的切换，可以降低采样系统复杂程度，进而降低系统成本。所述信号选通子模块231为可选元件，可以理解，若A/D转换器的输入接口足够多，可以省略所述信号选通子模块231。所述信号处理子模块232用于对选通的电池单片电压差值进行信号调理。所述第二信号处理模块23通过不断变换选择不同通道，实现对各个电池单片电压的采样和信号处理。
所述信号选通子模块231包括多个信号采样通道输入端，单片电压输出端P0至单片电压输出端PN全部连接到信号选通子模块231对应的信号采样通道输入端。所述信号选通子模块231在控制模块25输出的控制信号的作用下，实现对燃料电池电堆中的某一电池单片电压信号测量的选择，得到第一选通单片信号和第二选通单片信号。
具体地，所述控制模块25通过数字量输出引脚输出控制信号，即通过控制信号簇，对所述信号选通子模块231进行控制，实现燃料电池整堆各个单片输出电压采样的依次选择。所述信号选通子模块231的数量取决于具体采用的通道选择集成芯片的功能引脚数量。第一选通单片信号和第二选通单片信号是经所述控制模块25的控制信号确定的信号选通模块所具体选择的某个燃料电池单片的正极和负极。当第一选通单片信号为某个燃料电池单片正极时，则第二选通单片信号为该燃料电池单片负极；当第一选通单片信号为某个燃料电池单片负极时，则第二选通单片信号为该燃料电池单片正极。所述信号选通子模块231的具体设计方案可根据实际情况进行针对性选择，但至少包含一组第一选通单片信号和第二选通单片信号，才能够保证对一个燃料电池单片进行电压采样。
请一并参见图2与图4，若燃料电池单片数量为N，为了采集到各单片电压，需要在所有单片的正负极两端分别放置电压测量线，电压测量线的总数量为2N+2根，该2N+2根电压测量线依次记为单片电压信号端0至单片电压信号端N、单片电压信号端N+1至单片电压信号端2N+1，其中单片电压信号端0和单片电压信号端N+1所连接位置相同，以此类推。
为了方便选择某单片进行信号采集，采用2M个信号选通子模块进行单片选择，具体的实现方案是：单片电压信号端0至单片电压信号端N依次连接到第一信号选通子模块至第M个信号选通子模块的信号输入端，单片电压信号端N+1至单片电压信号端2N+1依次连接到第M+1个信号选通子模块至第2M个信号选通子模块的信号输入端。每一个信号选通子模块都需要来自控制模块25的控制信号，该控制信号用于控制信号选通子模块所选择导通的通道数，比如控制模块25需要选择某单片k，那么就需要找到与该单片正负端分别相连的信号选通子模块，假设分别为第X个信号选通子模块和第X+M个信号选通子模块，然后发送命令给该第X个信号选通子模块和第X+M个信号选通子模块，使得第一选通单片信号为单片k的正极、第二选通单片信号为单片k的负极，反之也可以。
信号选通子模块231的数量取决于所选择的信号选通集成芯片的性能，比如单片数量N为111片，那么就总共需要224根单片信号引出端，假设一个信号选通集成芯片能够对16个单片信号引出端进行选择，那么就总共需要14个(224/16＝14)该信号选通集成芯片，假设一个信号选通集成芯片能够对10个单片信号引出端进行选择，那么就总共需要24个该信号选通集成芯片。
进一步地，所述信号选通子模块231包括一强电与弱电隔离芯片。这是由于控制模块(如单片机)所能承受的电压信号相比于燃料电池整堆各单片实际所处的电压来说是非常弱的，通常在5V以下，信号选通集成芯片所接受的来自控制模块的控制命令通常是以弱电的数字量形式给出，然后信号选通芯片形成信号导通命令，传递给所要选择通道的隔离芯片进行导通，然后才能实现单片电压信号的最终选通。所述隔离芯片可由光耦隔离模块或磁耦隔离模块组成的电路实现。
所述信号处理子模块232用于获取第二电压差值，该第二电压差值为所述第一选通单片信号和第二选通单片信号之间的电压差值，并对该第二电压差值进行信号调理以获得第二信号簇。该信号处理子模块232为模拟电路，所述第二电压差值经过模拟电路处理之后的模拟电信号为第二信号簇，该第二信号簇被送入所述控制模块25。
具体地，所述信号处理子模块232对所述第二电压差值依次进行差分运算、低通滤波与幅值调整、低通滤波以获得第一单片电压信号S31，以及对该第二电压差值依次进行差分运算、高通滤波和反向放大、低通滤波和幅值调整、低通滤波以获得第二单片电压信号S32。所述第一单片电压信号S31为低频信号，用于满足稳态工作时对所述待测电化学储能装置中单一储能单体实际输出电压的监测，所述第二单片电压信号S32为频率可变的信号，其可用频率范围为0.1Hz～5kHz，优选的频率范围为0.1Hz～1kHz。通过控制模块的控制可以实现对该第二单片电压信号S32的同步测量，用于满足动态工作时，特别是进行交流阻抗测量时，对待测电化学储能装置中单一储能单体实际输出电压的监测。该第一单片电压信号S31与第二单片电压信号S32合称为第二信号簇。可以理解，频率范围的选择受测量模式及电化学储能装置的类型、工作状况等的影响，本实施例中仅给出了一个可选范围，本领域技术人员可以根据具体情况而设定相应的频率范围。
请参见图3，本实施例中所述信号处理子模块232包括：依次串联的第三高共模差分电路2321、第二低通滤波和幅值调整电路2323、第三低通滤波电路2325；以及依次串联的第四高共模差分电路2322、第二高通滤波和反向放大电路2324、第二低通滤波和幅值调整电路2326、第四低通滤波电路2328。
所述第三高共模差分电路2321用于对所述第二电压差值进行差分运算。所述第二低通滤波和幅值调整电路2323用于对所述第三高共模差分电路2321输出的信号进行低通滤波与幅值调整。所述第三低通滤波电路2325用于对所述第二低通滤波和幅值调整电路2323输出的信号进行低通滤波，以获得所述第一单片电压信号S31。
所述第四高共模差分电路2322用于对所述第二电压差值进行差分运算。所述第二高通滤波和反向放大电路2324用于对所述第四高共模差分电路2322输出的信号进行高通滤波和反向放大。所述第二低通滤波和幅值调整电路2326用于对所述第二高通滤波和反向放大电路2324输出的信号进行低通滤波和幅值调整。所述第四低通滤波电路2328用于对所述第二低通滤波和幅值调整电路2326输出的信号进行低通滤波，以获得所述第二单片电压信号S32。
所述第三信号处理模块24用于获取第三电压，该第三电压差值为所述待测电化学储能装置输出端正极与负极之间的电压差值，并对该第三电压差值进行信号调理以获得第三信号簇。本实施例在燃料电池整堆输出端正极引出一个第一电压信号端，在燃料电池整堆输出端负极引出一个第二电压信号端，第一电压信号端比第二电压信号端的电压高，将两个电压信号端连接到所述第三信号处理模块24。该第三信号处理模块24为模拟电路，所述第三电压差值经过模拟电路处理之后的模拟电信号为第三信号簇，该第三信号簇被送入所述控制模块25。
具体地，所述第三信号处理模块24对所述第三电压差值依次进行差分运算、低通滤波与幅值调整、低通滤波以获得第一电压信号S41，以及对该第三电压差值依次进行差分运算、高通滤波和反向放大、低通滤波和幅值调整、低通滤波以获得第二电压信号S42。所述第一电压信号S41为低频信号，用于满足稳态工作时对所述待测电化学储能装置实际输出电压的监测，所述第二电压信号S42为频率可变的信号，其可用频率范围为0.1Hz～5kHz，优选的频率范围为0.1Hz～1kHz。通过控制模块的控制可以实现对该第二电压信号S42的同步测量，用于满足动态工作时，特别是进行交流阻抗测量时，对待测电化学储能装置实际输出电压的监测。该第一电压信号S41与第二电压信号S42合称为第三信号簇。可以理解，频率范围的选择受测量模式及电化学储能装置的类型、工作状况等的影响，本实施例中仅给出了一个可选范围，本领域技术人员可以根据具体情况而设定相应的频率范围。
请参见图3，本实施例中所述第三信号处理模块24包括：依次串联的第五高共模差分电路241、第三低通滤波和幅值调整电路243、第五低通滤波电路245；以及依次串联的第六高共模差分电路242、第三高通滤波和反向放大电路244、第三低通滤波和幅值调整电路246、第六低通滤波电路248。
所述第五高共模差分电路241用于对所述第三电压差值进行差分运算。所述第三低通滤波和幅值调整电路243用于对所述第五高共模差分电路241输出的信号进行低通滤波与幅值调整。所述第五低通滤波电路245用于对所述第三低通滤波和幅值调整电路243输出的信号进行低通滤波，以获得所述第一电压信号S41。
所述第六高共模差分电路242用于对所述第三电压差值进行差分运算。所述第三高通滤波和反向放大电路244用于对所述第六高共模差分电路242输出的信号进行高通滤波和反向放大。所述第三低通滤波和幅值调整电路246用于对所述第三高通滤波和反向放大电路244输出的信号进行低通滤波和幅值调整。所述第六低通滤波电路248用于对所述第三低通滤波和幅值调整电路246输出的信号进行低通滤波，以获得所述第二电压信号S42。
本实施例中各个信号处理模块在进行信号处理的过程中，特别是在交流阻抗测量模式下，可以将电化学储能装置总输出电压、输出电流、各单体电压信号处理电路的参数进行调整，比如将各单体电压信号处理电路和输出电流信号处理电路设为相同，以保证信号处理模块对各被采样信号进行处理所导致的相位移动和幅值缩放完全相同。即所述第一电流信号、所述第一单片信号、所述第一电压信号经历的相位移动和幅值缩放相同，所述第二电流信号、所述第二单片信号、所述第二电压信号经历的相位移动和幅值缩放相同。从而在进行分析和计算阻抗时，可以忽略信号处理模块对被采样信号的影响，降低信号分析难度，提高信号分析精度。
所述控制模块25接收所述第一电流信号S21、第二电流信号S22、第一单片信号S31、第二单片信号S31、第一电压信号S41、第二电压信号S42，将接收到的上述信号进行模数转换并传送给外部控制器或上位机。所述控制模块25还用于控制所述第二信号处理模块23对所述待测电化学储能装置各储能单体的电压采样。
本实施例中所述控制模块25可由单片机实现。请参见图5，所述控制模块25包括：A/D转换子模块251、通讯子模块252以及其他保证单片机正在工作而必不可少的组件，如CPU、定时器、中断、寄存器和通用输入输出接口等。
所述A/D转换子模块251输入引脚与所述第一电流信号S21、第二电流信号S22、第一单片信号S31、第二单片信号S31、第一电压信号S41、第二电压信号S42相连，所述A/D转换子模块251用于对上述信号进行模数转换。
所述通讯子模块252用于与外界控制器或者上位机进行通讯，将经由A/D转换子模块251转换后的电压电流数据传输给外界控制器或者上位机，所述通讯子模块252可以采用CAN或FlexRay通讯模块。该CAN或FlexRay通讯模块与通讯信号输入、通讯信号输出相连。
单片机的数字量输出引脚产生控制信号，所述控制信号与信号选通子模块一一对应。本实施例中共有2M个信号选通子模块，单片机的数字量输出引脚产生控制信号1至控制信号2M，每一控制信号控制一信号选通子模块，实现对燃料电池整堆各个单片输出电压采样的依次选择。
在单片机的控制下可实现燃料电池整堆输出电压和输出电流的同步采集，可实现燃料电池单片输出电压和整堆输出电流的同步采集。借助通讯模块，实现单片机与外界控制器或者上位机之间的信息传递，包括目标控制信号、采集到稳态和动态电压电流数据等。
此外，还需要外部电源电路给单片机以及各个信号处理模块提供所需要的各种稳定工作电压，比如数字电5V或3.3V、模拟电正负15V或者正负12V、模拟电5V或3.3V等。
本发明提供的电压巡检装置，通过所述第一信号处理模块获得的所述第二电流信号、述第二信号处理模块获得的第二单片信号和述第三信号处理模块获得的第二电压信号，用于在电化学储能装置处于动态过程中(特别是在交流阻抗测量模式下)，对其总输出电压、输出电流进行高频同步采样，以及对该电化学储能装置中各储能单体的输出电压、电化学储能装置总输出电流进行高频同步采样。另外，在交流阻抗测量模式下，电化学储能装置的总输出电压、输出电流以及各储能单体的输出电压在其直流分量上都被叠加了一个非常微弱的交流分量，本发明提供的电压巡检装置中的各个信号处理模块通过高通滤波与反向放大电路来提取该微弱的交流分量，提高控制模块对该交流分量采样时的分辨率，并消除直流分量的影响。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种电压巡检装置，用于监测由多个储能单体串联组成的电化学储能装置的电压电流信号，其特征在于，该电压巡检装置包括：
电流采样电阻，使用时串联在待测电化学储能装置的输出环路中；
第一信号处理模块，用于获取第一电压差值，并对该第一电压差值进行信号调理以获得第一电流信号和第二电流信号，其中，该第一电压差值为所述电流采样电阻两端的电压差值，所述第一电流信号为低频信号，所述第二电流信号为频率可变的信号；
第二信号处理模块，用于获取第二电压差值，并对该第二电压差值进行信号调理以获得第一单片信号和第二单片信号，其中，该第二电压差值为所述待测电化学储能装置中单一储能单体两端的电压差值，所述第一单片信号为低频信号，所述第二单片信号为频率可变的信号；
第三信号处理模块，用于获取第三电压差值，并对该第三电压差值进行信号调理以获得第一电压信号和第二电压信号，其中，该第三电压差值为所述待测电化学储能装置输出端正极与负极之间的电压差值，所述第一电压信号为低频信号，所述第二电压信号为频率可变的信号；
控制模块，用于接收所述第一电流信号、所述第二电流信号、所述第一单片信号、所述第二单片信号、所述第一电压信号、所述第二电压信号，以及控制所述第二信号处理模块对各储能单体的电压进行采样。
2.如权利要求1所述的电压巡检装置，其特征在于，所述第一信号处理模块包括依次串联的第一高共模差分电路、第一低通滤波和幅值调整电路以及第一低通滤波电路；以及依次串联的第二高共模差分电路、第一高通滤波和反向放大电路、第一低通滤波和幅值调整电路以及第二低通滤波电路。
3.如权利要求1所述的电压巡检装置，其特征在于，所述第三信号处理模块包括：依次串联的第五高共模差分电路、第三低通滤波和幅值调整电路、第五低通滤波电路；以及依次串联的第六高共模差分电路、第三高通滤波和反向放大电路、第三低通滤波和幅值调整电路、第六低通滤波电路。
4.如权利要求1所述的电压巡检装置，其特征在于，所述第二信号处理模块包括：
信号选通子模块，用于在控制模块输出的控制信号的作用下选通待测量的单一储能单体，得到第二电压差值；以及
信号处理子模块，用于对该第二电压差值进行信号调理以获得第一单片信号和第二单片信号。
5.如权利要求4所述的电压巡检装置，其特征在于，所述信号处理子模块包括：依次串联的第三高共模差分电路、第二低通滤波和幅值调整电路、第三低通滤波电路；以及依次串联的第四高共模差分电路、第二高通滤波和反向放大电路、第二低通滤波和幅值调整电路、第四低通滤波电路。
6.如权利要求4所述的电压巡检装置，其特征在于，所述信号选通子模块进一步包括一隔离芯片，用于隔离所述储能单体的强电信号与所述控制模块的弱电信号。
7.如权利要求6所述的电压巡检装置，其特征在于，所述隔离芯片为光耦隔离模块或磁耦隔离模块。
8.如权利要求1所述的电压巡检装置，其特征在于，所述控制模块进一步包括：
A/D转换子模块，用于对所述第一电流信号、所述第二电流信号、所述第一单片信号、所述第二单片信号、所述第一电压信号、所述第二电压信号进行模数转换；以及
通讯子模块，用于将经由所述A/D转换子模块转换后的电压电流数据传输给外部控制器，以及从所述外部控制器接收命令控制所述第二信号处理模块对各储能单体的电压进行采样。
9.如权利要求8所述的电压巡检装置，其特征在于，所述通讯子模块为CAN或FlexRay通讯模块。
10.如权利要求1所述的电压巡检装置，其特征在于，所述储能单体为燃料电池、锂离子电池以及超级电容器中的至少一种。
11.如权利要求1所述的电压巡检装置，其特征在于，所述第一电流信号、所述第一单片信号、所述第一电压信号经历的相位移动和幅值缩放相同；以及所述第二电流信号、所述第二单片信号、所述第二电压信号经历的相位移动和幅值缩放相同。
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