CN109037740A - 氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测的装置以及方法，能够克服现有的氢燃料电池堆膜电极单体电压检测装置及其方法的技术缺陷，新方法由氢燃料电池堆主控单元发出同步触发脉冲信号，同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，在同一时刻同步并行采集n个膜电极单体电压数据，并且由主控单元根据同步脉冲信号的索引序号将膜电极单体电压数据与同一时刻的氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数严格同步绑定，能够实现对氢燃料电池堆膜电极单体电压精确同步检测的功能，从而达到对整个氢燃料电池堆体及其管理控制系统工作状态的准确检定。
Description
技术领域
本发明属于电气设备及电气工程技术领域，具体地说是采用同步脉冲触发的技术领域，特别是涉及一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置及其方法。
背景技术
随着燃料电池技术的发展，氢燃料电池逐渐被业界认识到在后备电源领域具有广阔的应用前景，被认为是取代蓄电池和柴油发电机作为后备电源的最有应用前景的新能源技术。
经过近十年的持续研发，质子交换膜氢燃料电池在能量效率、功率密度、低温启动等功能特性方面已经取得了突破性进展，新一轮的氢燃料电池产业化浪潮正在迫近。
质子交换膜氢燃料电池发电原理与原电池类似，但与原电池和二次电池比较，需要具备一套相对复杂的管理控制系统，主要包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控单元等子系统。在质子交换膜氢燃料电池系统中，有许多关键参数需要控制，例如水参数、供氢、供氧参数及温度压力参数等，而这些控制参数都可以从膜电极单体电压中得到体现，膜电极单体电压反映了整个氢燃料电池堆及其管理控制系统的工作状态，通过检测膜电极单体电压，不仅能够及时发现氢燃料电池堆及其管理控制系统的异常状况，而且膜电极单体电压的均衡性能够直接反映并影响整个氢燃料电池堆的性能和寿命。
质子交换膜氢燃料电池堆膜电极单体的理想输出电压Uo计算公式为：
上式中分别为氢、氧和水蒸气的压力，Eo为氢燃料电池堆膜电极单体的理想标准电动势，R为通用气体常数，T为氢燃料电池堆工作温度，F为法拉第常数。
由公式(1)可以看出：氢燃料电池堆膜电极单体的输出电压Uo的数值不仅取决于膜电极理想标准电动势Eo，而且与氢燃料电池堆工作温度T、氢气压力氧气压力等控制变量的数值紧密相关，因此可以得出如下结论：
膜电极单体电压Uo数据的采集与检测必须与氢燃料电池堆主控单元的电池堆工作温度T、氢气压力氧气压力等控制参数严格同步，只有将膜电极单体电压Uo的数据与电池堆工作温度T、氢气压力氧气压力的数据在时序上做到同一时刻同步并行触发采集并绑定，才能准确检定氢燃料电池堆体及其管理控制系统的工作状态。
氢燃料电池堆膜电极单体电压检测装置及其方法，早期通常采用差分放大器隔离方法、电压分压方法，目前主要采用光电继电器隔离方法、电池组监视器芯片方法来实现。
上述4种氢燃料电池堆膜电极单体电压检测装置及其方法主要存在的技术缺陷为：没有将膜电极单体电压数据采集与氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数严格同步绑定，无法准确判定氢燃料电池堆体及其管理控制系统的工作状态。
关于氢燃料电池堆膜电极单体电压检测装置及其方法的现有技术专利公开情况主要如下：
(1)“一种车用燃料电池堆单片电压监测装置”(CN200410006242)；
(2)“一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路”(CN201010141215)；
(3)“小功率燃料电池单体电池电压巡回检测装置”(CN201220267702)；
(4)“燃料电池堆单体电池电压监测的连接器、监测装置及方法”(CN201410457421)；
(5)“燃料电池远程监测与控制系统”(CN201720585250)；
(6)“一种大型汽车燃料电池管理系统及方法”(CN201611071930)；
(7)“质子交换膜燃料电池电堆一致性的检测方法及检测装置”(CN201410779579)；
(8)“一种硬件在环燃料电池测试系统”(CN201410267608)。
发明内容
为了解决上述的氢燃料电池堆膜电极单体电压检测装置及其方法存在的技术缺陷，本发明的目的是提出一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置及其方法。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置，氢燃料电池堆主控单元和n个膜电极单体电压检测单元，所述氢燃料电池堆主控单元通过通讯总线与n个膜电极单体电压检测单元联网，
所述燃料电池堆主控单元用于通过氢燃料电池堆主控单元的输出端口给n个膜电极单体电压检测单元发送同步脉冲信号，其中，n为氢燃料电池堆中膜电极单体总数，采用同步脉冲同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，且n个膜电极单体电压检测数据与同一时刻的氢燃料电池堆的控制参数同步绑定。
其中，所述控制参数包括工作温度、氢气压力、氧气压力。
其中，所述氢燃料电池堆由n个膜电极单体E1～En串联构成。
相应地，还提供了一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测方法，包括如下步骤：氢燃料电池堆主控单元在实时并行采集氢燃料电池堆的控制参数的同时，会给n个膜电极单体电压检测单元发送同步脉冲信号，同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，在同一时刻实时并行采集氢燃料电池堆中的n个膜电极单体电压数据，且采集到的n个膜电极单体电压检测数据与同一时刻的氢燃料电池堆的控制参数同步绑定。
其中，所述控制参数包括工作温度、氢气压力、氧气压力。
其中，所述氢燃料电池堆由n个膜电极单体E1～En串联构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，采用氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测的装置以及方法，能够克服现有的氢燃料电池堆膜电极单体电压检测装置及其方法的技术缺陷，新方法由氢燃料电池堆主控单元发出同步触发脉冲信号，同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，在同一时刻同步并行采集n个膜电极单体电压数据，并且由主控单元根据同步脉冲信号的索引序号将膜电极单体电压数据与同一时刻的氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数严格同步绑定，能够实现对氢燃料电池堆膜电极单体电压精确同步检测的功能，从而达到对整个氢燃料电池堆体及其管理控制系统工作状态的准确检定。
附图说明
图1所示为本申请氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置的结构示意图；
图2所示为本申请氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置的方法流程示意图；
图3所示为本申请单体电压检测单元的主控芯片的电路图；
图4所示为本申请单体电压检测单元的光耦AQW214的电路图；
图5所示为本申请单体电压检测单元的光耦TLX9304的电路图；
图6所示为本申请单体电压检测单元的差分放大器INA149的电路图；
图7所示为本申请单体电压检测单元的数模转换芯片AD7321的电路图；
图8所示为本申请单体电压检测单元的CAN总线收发器CTM1051KT的电路图；
图9所示为本申请单体电压检测单元的CAN总线终端匹配电阻电路图；
图中，1-氢燃料电池堆，2-电堆输出正极，3-电堆输出负极，4-触发脉冲，5-通讯总线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，为本申请氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置的实施例结构示意图。其中，氢燃料电池堆由n个膜电极单体E1～En串联构成，本申请采用在每个膜电极单体中都对应加入独立的单体电压检测单元，每个独立的单体电压检测单元实时检测所对应的每个膜电极单体工作电压，氢燃料电池堆主控单元负责电堆的燃料供应、氧化剂供应、水热管理等控制功能，主控单元在实时并行采集氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数的同时，会给n个膜电极单体电压检测单元发送同步脉冲信号，同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，在同一时刻实时并行采集氢燃料电池堆中的n个膜电极单体电压数据，且采集到的n个膜电极单体电压检测数据与同一时刻的氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数严格同步绑定，能够实现对氢燃料电池堆膜电极单体电压精确同步检测的功能，从而达到对整个氢燃料电池堆体及其管理控制系统工作状态的准确检定。
氢燃料电池堆主控单元由通讯总线实现与n个膜电极单体电压检测单元联网功能，每个单体电压检测单元根据同步脉冲信号的索引序号将膜电极单体电压数据打包并上报给氢燃料电池堆主控单元，主控单元再根据收到的膜电极单体电压数据中的同步脉冲索引序号，将氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数与膜电极单体电压数据严格同步绑定。
如图2所示，为本申请氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测方法的实施例结构示意图。
包括如下步骤：
(1)氢燃料电池堆主控单元上电；
(2)氢燃料电池堆主控单元自检；若正常，进入下一步；否则报警；
(3)氢燃料电池堆主控单元读取电堆型号及材料数据；
(4)判断电堆是否运行，若运行，进入下一步；
(5)氢燃料电池堆主控单元在实时并行采集氢燃料电池堆的控制参数的同时，会给n个膜电极单体电压检测单元发送同步脉冲信号，同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，在同一时刻实时并行采集氢燃料电池堆中的n个膜电极单体电压数据，且采集到的n个膜电极单体电压检测数据与同一时刻的氢燃料电池堆的控制参数同步绑定。
(6)判断电堆是否停机，若未停机，重复运行步骤(5)。
如图3-9所示，为本申请所提出的氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置及其方法中的单体电压检测单元电路；
其中，采用DSPIC30F6014数字信号控制器作为主控芯片，光耦AQW214的LED输入侧控制信号Ex+.CS和Ex-.CS由DSPIC30F6014的RG15和RC1管脚产生，由氢燃料电池堆主控单元发送的同步脉冲信号SYN经过光耦TLX9304隔离后，生成的SYN.IN信号输入到DSPIC30F6014的RC2管脚，用于同步并行触发膜电极单体电压检测单元电路中的光耦AQW214的LED输入侧控制信号Ex+.CS和Ex-.CS。
AQW214的隔离输出侧MOSFET的OS1和OS2管脚分别接到燃料电池堆膜电极单体的正负极板Ex+和Ex-，MOSFET的OD1和OD2管脚分别接到差分放大器INA149的输入端IN+和IN-,INA149差分放大器的输出接到数模转换芯片AD7321的VIN0，AD7321芯片内置高速SPI串行通讯控制器，可以直接与主控制器DSPIC30F6014芯片接口，将DSPIC30F6014的RG6、RG7、RG8分别配置为与AD7321芯片SPI串行通讯的SCLK、DOUT、DIN管脚，就可以按照Ex+.CS和Ex-.CS的控制信号时序，读出膜电极单体Ex+和Ex-之间的电压转换数据。
每个单体电压检测单元电路中的主控芯片DSPIC30F6014读出的膜电极单体电压数据通过CAN总线通讯管脚CAN.TX和CAN.RX，再经过CAN总线收发器CTM1051KT发送到CAN通讯总线上，氢燃料电池堆主控单元根据收到的膜电极单体电压数据中的同步脉冲索引序号，将氢燃料电池堆的工作温度、氢气压力、氧气压力等控制参数与膜电极单体电压数据同步绑定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置，其特征在于，氢燃料电池堆主控单元和n个膜电极单体电压检测单元，所述氢燃料电池堆主控单元通过通讯总线与n个膜电极单体电压检测单元联网，
所述燃料电池堆主控单元用于通过氢燃料电池堆主控单元的输出端口给n个膜电极单体电压检测单元发送同步脉冲信号，其中，n为氢燃料电池堆中膜电极单体总数，采用同步脉冲同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，且n个膜电极单体电压检测数据与同一时刻的氢燃料电池堆的控制参数同步绑定。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置，其特征在于，所述控制参数包括工作温度、氢气压力、氧气压力。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置，其特征在于，所述氢燃料电池堆由n个膜电极单体E1～En串联构成。
4.一种氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测方法，其特征在于，包括如下步骤：氢燃料电池堆主控单元在实时并行采集氢燃料电池堆的控制参数的同时，会给n个膜电极单体电压检测单元发送同步脉冲信号，同步并行触发n个膜电极单体电压检测单元，在同一时刻实时并行采集氢燃料电池堆中的n个膜电极单体电压数据，且采集到的n个膜电极单体电压检测数据与同一时刻的氢燃料电池堆的控制参数同步绑定。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测方法，其特征在于，所述控制参数包括工作温度、氢气压力、氧气压力。
6.根据权利要求4所述的氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测方法，其特征在于，所述氢燃料电池堆由n个膜电极单体E1～En串联构成。
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