CN110879362A - 一种燃料电池单体电压巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种燃料电池单体电压巡检系统。该系统包括两个独立工作的子系统，每个子系统相错的检测一半的单体电池电压，即分别检测奇数位和偶数位单体电池的电压，并依此来计算得到每个单体电池的电压。此系统在避免单体电池负压对检测通道的损坏、提高检测精度、提高系统可靠性方面有一定的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测技术，尤其涉及一种基于LTC68XX（如LTC6802，LTC4803，LTC6804）或兼容芯片（如MAX14920，MAX14921）的燃料电池单体电压巡检系统。
背景技术
燃料电池通过电化学反应将存储在燃料中的化学能直接转变成电能，具有效率高、无污染等优点，得到了越来越广泛的应用。
质子交换膜燃料单体电池在标准状态下（气压0.1MPa，温度298K）的理论电动势为1.229V，但因各种不可逆的极化（活化极化，欧姆极化和浓差极化）的影响，单体电池工作时的实际电压低于此理论电动势，通常为0.9~1.0V。因而实际中为了满足应用的需要，通常将几十甚至几百个单体电池串联起来工作，形成燃料电池电堆。
燃料电池电堆工作时，每个单体电池因各自氢气和空气的流量、压力、温度、湿度的不同，各自的工作状态不可能完全一致，因而，单体电池的电压巡检系统（Cell VoltageMeasurement，CVM）对监控电堆运行状态、保障电堆稳定运行以及延长电堆使用寿命，具有十分重要的作用。
设计CVM有很多种方法，其中比较常用的一种是使用集成芯片（IntegratedCircuit，IC），如凌特半导体（Linear）公司推出的LTC68XX系列芯片（如LT6802，LT6803，LT4804）和美信半导体（MAXIM）推出的MAX1492X芯片（如MAX14920，MAX14921），均可在其芯片数据手册的指导下完成CVM的设计。
然而，在使用这些IC的CVM设计中，仍然存在下述问题:
1.这些IC的每个采集通道的电压输入范围（即芯片的C(n)管脚和C(n-1) 管脚之间的电压，这两个管脚之间外接一个被测的单体电池）均为-0.3V ~5.0V，而对氢燃料质子交换膜燃料电堆来说，单体电池的电压是可能出现负压的，且负压的幅度较容易超过0.3V。这将导致该通道的损坏，以致CVM不能正常工作。
2.芯片厂商给出的芯片数据手册中显示，在每个通道的0V~5.0V的测量范围中，其测量误差（Measurement Error）和测量噪声（Measurement Noise）是变化的，越接近测量范围的下限或越接近测量范围的上限时测量误差和测量噪声均越大。而氢燃料质子交换膜燃料电堆在满功率运行时，一般其单体电池的电压可能低至0.6V，尤其在快速测量模式时，此时测量误差和测量噪声值比测量范围中间段的相应值要高出1.5-2倍。
一般情况下，CVM是一个独立的单一系统，出现任何故障都将使CVM不能正常工作，进而导致整个电堆宕机。在不增加硬件开销或增加少量开销的情况下，大幅提升硬件系统的可靠性，也是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池单体电压巡检系统，对上述的三个问题进行一定程度的解决。
本发明提供的具体方案是：
一种燃料电池单体电压巡检系统，由两个独立工作的子系统组成（A子系统和B子系统），两个子系统组成的检测通道相错的与被测单体电池进行连接和检测；上位机分别得到两个子系统的所有检测数据后，通过依次交错相减的方式，即可计算得到每个单体电池的电压值；
所述的A子系统，由前述的凌特半导体公司的LTC68XX系列芯片（如LT6802，LT6803，LT4804）或美信半导体的MAX1492X芯片（如MAX14920，MAX14921）通过菊式链接而成，以成倍的扩展采集通道数，同时整个子系统可仅通过第一个芯片的串行数据通信接口与上位机完成所有数据的交互；子系统内的工作电源由外部的供电电源经转换后提供，与B子系统的电源完全隔离；
所述的B子系统按照同样的方法构建；
所述的两个子系统完全独立的工作，是指两个子系统的电源、通信接口完全独立，因而当其中一个子系统发生故障不能工作时，另一个子系统完全不受影响，并且，仍然可以以每相邻两个单体电池为检测单元进行电压检测，维持电堆运行；
所述的两个子系统组成的检测通道相错的与被测单体电池进行连接和检测，是指A子系统的检测通道依次与串联起来的单体电池的偶数号单体电池的正极相连接，B子系统的检测通道依次与串联起来的单体电池的奇数号单体电池的正极相连接；第一个单体电池的负极与每个子系统第一个芯片的C0管脚相连接；如单体电池总数是偶数，则B子系统按照上述连接完后，下一个采集通道连接最后一个单体电池的正极；如单体电池总数是奇数，则A子系统按照上述连接完后，下一个采集通道连接最后一个单体电池的正极；
所述的通过依次交错相减的方式计算得到每个单体电池的电压值，是指上位机在分别得到两个子系统的所有检测数据后，由B子系统的第一个检测通道直接得到第一个单体电池的电压，由A子系统的第一个检测通道减去第一个单体电池的电压，得到第二个单体电池的电压，依次类推可以计算得到所有的单体电池的电压。
以此种方式构建的CVM系统，具有的有效效果是：对每个采集通道来说（无论是A子系统，还是B子系统），因是以相邻两个单体电池为单元进行检测，两个单体电池串联之后出现负压的情形会相对变少，减小了因负压（低于-0.3V）给采集通道带来的损坏；同时，两个单体电池串联后的电压，会落到通道采集电压区间0.0~5.0V范围的靠中间段，减少了芯片本身测量误差和测量噪声带来的影响；整个系统分为了两个完全独立运行的子系统，其中一个子系统发生故障不能工作时，另一个子系统仍然可以以相对较粗略的方式（以相邻两个单体电池为检测单元）对电堆的单体电压进行巡检，在更换故障子系统之前能维持系统工作。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种燃料电池单体电压巡检系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种燃料电池单体电压巡检系统如图1所示。
一种燃料电池单体电压巡检系统，由两个独立工作的子系统组成（A子系统和B子系统），两个子系统组成的检测通道相错的与被测单体电池进行连接和检测；上位机分别得到两个子系统的所有检测数据后，通过依次交错相减的方式，即可计算得到每个单体电池的电压值；
所述的A子系统，由前述的凌特半导体公司的LTC68XX系列芯片（如LT6802，LT6803，LT4804）或美信半导体的MAX1492X芯片（如MAX14920，MAX14921）通过菊式链接而成，以成倍的扩展采集通道数，如图1中所示，由n片这种芯片可以扩展至12×n个采集通道，并以第一个芯片的C1通道为采集通道#1，依次往后对每个通道编号为#2，#3，…，#(12×n)；同时整个子系统可仅通过第一个芯片的串行数据通信接口与上位机完成所有数据的交互；子系统内的工作电源由外部的供电电源经转换后提供，与B子系统的电源完全隔离；
所述的B子系统按照同样的方法构建，如图1中所示，由m片这种芯片可以扩展至12×m个采集通道, 并以第一个芯片的C1通道为采集通道#1，依次往后对每个通道编号为#2，#3，…，#(12×m)；
所述的两个子系统完全独立的工作，是指两个子系统的电源、通信接口完全独立，因而当其中一个子系统发生故障不能工作时，另一个子系统完全不受影响；并且，单一一个子系统工作时，仍然可以以每相邻两个单体电池为检测单元进行电压检测，维持电堆运行；
所述的两个子系统组成的检测通道相错的与被测单体电池进行连接和检测，是指A子系统的检测通道依次与串联起来的单体电池的偶数号单体电池的正极相连接，B子系统的检测通道依次与串联起来的单体电池的奇数号单体电池的正极相连接；第一个单体电池的负极与每个子系统第一个芯片的C0管脚相连接；如单体电池总数是偶数，则B子系统按照上述连接完后，下一个采集通道连接最后一个单体电池的正极；如单体电池总数是奇数，则A子系统按照上述连接完后，下一个采集通道连接最后一个单体电池的正极；
例如，如图1中所示，被检测的单体电池串联起来后，从电势最低的单体电池为#1开始，依次进行编号，#2，#3，…，#（2×k-1），#2k；
偶数号单体电池的正极依次与A子系统的采集通道连接，即单体电池#2的正极连接A子系统的#1通道，单体电池#4的正极连接A子系统的#2通道，直至单体电池#2k的正极连接A子系统的#k通道；
奇数号单体电池的正极依次与B子系统的采集通道连接，即单体电池#1的正极连接B子系统的#1通道，单体电池#3的正极连接B子系统的#2通道，直至单体电池#（2×k-1）的正极连接B子系统的#k通道；
单体电池#2k的正极连接B子系统的#（k+1）通道；
单体电池#1的负极连接A子系统和B子系统第一个芯片的 C0管脚；
所述的通过依次交错相减的方式计算得到每个单体电池的电压值，是指上位机在分别得到两个子系统的所有检测数据后，由B子系统的第一个检测通道直接得到第一个单体电池的电压，由A子系统的第一个检测通道减去第一个单体电池的电压，得到第二个单体电池的电压，依次类推可以计算得到所有的单体电池的电压；
例如，如图1中所示：
记
为A子系统第#i采集通道检测到的电压值，即对应采集通道中2片单体电池的电压之和；
记
为B子系统第#i采集通道检测到的电压值，即对应采集通道中2片单体电池的电压之和；
记
为第#i个单体电池的电压；
则：
…
本发明中，两个子系统的每个通道对应检测的是串联起来的两片单体电池的电压之和，两个单体电池串联之后出现负压的情形会相对变少，减小了因负压（低于-0.3V）给采集通道带来的损坏；同时，两个单体电池串联后的电压，会落到通道采集电压区间0.0~5.0V范围的靠中间段，减少了芯片本身测量误差和测量噪声带来的影响；整个系统分为了两个完全独立运行的子系统，其中一个子系统发生故障不能工作时，另一个子系统仍然可以以相对较粗略的方式（以相邻两个单体电池为检测单元进行检测，但不能通过计算得到每个单体电池的电压）对电堆的单体电压进行巡检，在更换故障子系统之前能维持系统工作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。
Claims (5)
1.一种燃料电池单体电压巡检系统，由两个独立工作的子系统组成（A子系统和B子系统），两个子系统组成的检测通道相错的与被测单体电池进行连接和检测；上位机分别得到两个子系统的所有检测数据后，通过依次交错相减的方式，即可计算得到每个单体电池的电压值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，A子系统由凌特半导体公司的LTC68XX系列芯片（如LT6802，LT6803，LT4804）或美信半导体的MAX1492X芯片（如MAX14920，MAX14921）通过菊式链接而成，以成倍的扩展采集通道数，同时整个子系统可仅通过第一个芯片的串行数据通信接口与上位机完成所有数据的交互；子系统内的工作电源由外部的供电电源经转换后提供，与B子系统的电源完全隔离；所述的B子系统按照同样的方法构建。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的两个子系统完全独立的工作，是指两个子系统的电源、通信接口完全独立，因而当其中一个子系统发生故障不能工作时，另一个子系统完全不受影响，并且，仍然可以以每相邻两个单体电池为检测单元进行电压检测，维持电堆运行。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的两个子系统组成的检测通道相错的与被测单体电池进行连接和检测，即A子系统的检测通道依次与串联起来的单体电池的偶数号单体电池的正极相连接，B子系统的检测通道依次与串联起来的单体电池的奇数号单体电池的正极相连接；第一个单体电池的负极与每个子系统第一个芯片的C0管脚相连接；如单体电池总数是偶数，则B子系统按照上述连接完后，下一个采集通道连接最后一个单体电池的正极；如单体电池总数是奇数，则A子系统按照上述连接完后，下一个采集通道连接最后一个单体电池的正极。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的通过依次交错相减的方式计算得到每个单体电池的电压值，即指上位机在分别得到两个子系统的所有检测数据后，由B子系统的第一个检测通道直接得到第一个单体电池的电压，由A子系统的第一个检测通道减去第一个单体电池的电压，得到第二个单体电池的电压，依次类推可以计算得到所有的单体电池的电压。
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