CN201156079Y - 一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，包括测试单元、程控交流电流激励源、隔直电容、电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其特点是：程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，测试单元通过通信接口周期性地控制交流电流激励源的频率和幅值，依次采集各单片电池电压与电流信号并进行内阻计算；电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元分别与测试单元连接，测试单元通过通信接口与电堆主控制器或其它设备通信。本实用新型电路简洁、清晰，可靠性高，成本适中，测量精度高、速度快，接口丰富且易扩展，满足燃料电池堆单片电池内阻与电压实时高精度测试的需要。

Description

一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置

技术领域

本实用新型属于一种串联电源单体内阻与电压测试装置，特别是一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能转换成电能的装置。这种装置的最大特点是反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有能量高、噪音小、无污染、零排放等优点，因此世界各国都把它视为解决环境与能源短缺问题的重大攻关项目之一。根据实际应用中对燃料电池功率要求，通常燃料电池堆由几片到几百片单电池串联组成，在燃料电池运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了确保燃料电池的正常工作并评估其性能，必须对运行参数进行实时监控。毋庸置疑，单片电池电压是电池发电性能的最直接反映，所以必须实时监测。内阻是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要因素，也是决定燃料电池发电效率的关键参数，而且燃料电池湿度和温度与其内阻具有较强的耦合关系，通过内阻测试可实现对湿度和温度的软测量，为湿度、温度等参数的控制提供参考。因此，为了确保燃料电池的安全、稳定、高效运行，必须对各单片燃料电池内阻进行实时监控。但是，由于燃料电池内阻可以呈容性、感性和纯阻性，单片内阻大小只在μΩ、mΩ级，而且实时变化，现有普通仪器一般无法对它进行精确测量。

当前燃料电池的交流阻抗只能由复杂的实验设备进行测试，而且这些设备包括许多互连的子装置。这些设备一般包括燃料电池测试台、电子负载、频率分析仪等高档复杂仪器，而且需要技术人员正确配置它们的硬件连线、软件程序和接口通信协议等，这使得该类测试平台非常复杂、成本很高。有关专利显示燃料电池交流阻抗在线测试装置硬件上需要配置可控电子负载、频率分析仪、GPIB接口、电流和电压波形获取设备等，测试软件需要专用数据分析软件和各种仪表驱动程序等。例如：加拿大安大略省洁能氏公司专利WO02/27342和WO2003/083498；加拿大不列颠哥伦比亚省绿光电力技术公司专利WO2003/098769。这些设备通过对电子负载的控制来测试燃料电池内阻，由于实际燃料电池堆所带负载不能按测试要求控制，所以他们的方法不能进行在线测试。

以上所述测试仪大多也具有燃料电池单片电池电压测试功能，不过单片电池阻抗测试与单片电池电压测试是分开进行的，这也限制了其功能的发挥。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种简单、可靠的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，以克服现有测试装置的不足。

为了实现上述目的，本实用新型包括至少一个测试单元、程控交流电流激励源、隔直电容、电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其特点是：程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，测试单元通过通信接口周期性地控制交流电流激励源的频率和幅值，依次采集各单片电池电压与电流信号并进行内阻计算；电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元(经过USB接口)分别与测试单元连接，液晶显示单元显示各单片电池内阻与电压，并对内阻或电压异常的电池报警；测试单元通过通信接口与电堆主控制器或其它设备通信。

上述多个测试单元通过通信网络连接对任意片数的燃料电池堆进行单片内阻与电压测试。

上述测试单元由控制器MCU、至少一个仪表放大器、多路模拟开关、信号调理电路、两个交直流分离电路、相位差检测电路、两个有效值测量电路、A/D转换器和通信接口组成，其中控制器MCU通过通信接口与交流电流激励源实现通信，每个仪表放大器两个输入端与对应的各单电池两端分别连接，多个仪表放大器的输出与一个多路模拟开关的输入端相连，多路模拟开关的输出端与电压采集通道的交直流分离电路1的输入端连接，多路模拟开关的控制端与控制器MCU的I/O口连接；交直流分离电路1的交流输出端与有效值测量电路1的输入端和相位差检测电路输入端连接；信号调理电路的输入端与电流检测模块的输出端相连，信号调理电路的输出端与电流采集通道的交直流分离电路2的输入端连接，交直流分离电路2的交流输出端与有效值测量电路2的输入端和相位差检测电路输入端连接；两个交直流分离电路的直流输出端及两个有效值测量电路输出端和相位差检测电路输出端分别通过A/D转换器与控制器MCU连接，相位差检测电路还有一输出端与控制器MCU连接。

上述电流检测电路由精密闭环霍尔电流传感器和精密采样电阻组成，实现精确I/V转换，其输出端与测试单元的信号调理电路输入端连接。

上述交流电流激励源受控制器MCU实时控制，其输出电流幅值不大于电堆电流的5％，其输出电流频率在100Hz-20kHz之间周期变化。

上述测试单元中信号调理电路由仪表放大器和精密电阻构成。

上述测试单元中两个交直流分离电路分别由二阶高通有源滤波电路、电压跟随器、二阶低通有源滤波电路组成，直流输出端由限流电阻R、稳压管D构成限幅输出保护电路，交流输出端由限流电阻R、瞬态电压抑制器TVS构成限幅输出保护电路。

上述测试单元中相位差检测电路由相位差绝对值检测与相位差符号检测组成，相位差绝对值检测引入了电压比较单元、异或门电路、低通有源滤波电路、限幅输出保护电路，其输出端与A/D转换器输入端连接；相位差符号检测由电压比较单元、电压跟随器、异或门电路、RC微分电路与D锁存器组成，其输出端与控制器MCU的I/O口连接。

上述测试单元中A/D转换器为14位分辨率的A/D转换器，它与控制器MCU通过SPI方式通信，即接收控制信号和发送模数转换结果，它有8模拟通道、内置4V基准和转换时钟及8×FIFO，而且也可以使用外部电压基准(本实用新型采用外部+5V作电压基准)，具有转换时间短、精度高、使用灵活的优点。控制器MCU与A/D转换器、多路模拟开关、相位差检测电路、通信接口之间有光电隔离电路，避免外部噪声干扰，确保测试单元稳定运行。

上述测试单元中存储单元经过USB接口与测试单元中控制器MCU相连，控制器MCU通过RS485通信接口与程控交流电流激励源相接，测试单元通过CAN、RS232/485通信接口与电堆主控制器或其它设备通信，多个测试单元通过CAN通信网络连接对任意片数的燃料电池堆进行单片内阻与电压测试。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是测量装置实用性强、在测试过程中不影响燃料电池正常工作。本实用新型电路简洁、清晰，可靠性高，成本适中，测量精度高、速度快，接口丰富且易扩展，满足燃料电池堆单片电池内阻与电压实时高精度测试的需要。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理框图。

图2为本实用新型的多个测试单元网络结构图。

图3为本实用新型的测试单元中交直流分离电路原理图。

图4为本实用新型的测试单元中相位差测试电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明，但该实施例不应理解为对本实用新型的限制。

本实用新型包括测试单元、程控交流电流激励源与隔直电容，电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其中测试单元由控制器MCU、仪表放大器、多路模拟开关、信号调理电路、交直流分离电路、相位差检测电路、有效值测量电路、A/D转换器、RS232/485通信接口和CAN(控制局域网)通信接口组成(图1)，其中程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池堆并联，从而在各单片燃料电池上叠加了正弦交流信号。各单电池两端电压分别经仪表放大器AD621放大10倍后与多路模拟开关输入端相连，多路模拟开关受控制器MCU控制输出其中的一路电压，该路电压进入电压采集通道的交直流分离电路1。电堆电流由精密闭环霍尔电流传感器和精密采样电阻实时采集，采样电阻两端电压经仪表放大器AD620放大4倍后进入电流采集通道的交直流分离电路2。两个交直流分离电路的交流输出端分别与两个有效值测量芯片AD536输入端和相位差检测电路输入端连接，直流输出端以及有效值测量芯片AD536输出端直接与A/D转换器TLC3548模拟输入通道连接。A/D转换器TLC3548以SPI方式给控制器MCU发送模数转换结果，控制器MCU根据相位差符号和模数转换结果求出交流电压电流的相位差α，并根据模数转换结果求出电堆交流电流I_AC、直流电流I_DC、单片电池的交流电压V_AC直流电压V_DC，再结合相位差α计算单片电池内阻Z：

$Z=\frac{V_{\mathrm{AC}}}{I_{\mathrm{AC}}}(\cos \mathrm{\α}+j\sin \mathrm{\α})$

控制器MCU将所测单片电池内阻Z与电压V_DC发给液晶显示单元实时显示，并对内阻大于预警值或电压小于警戒值的电池报警显示。

本实用新型的多个测试单元通过CAN通信网络连接可对任意片数的燃料电池堆进行单片内阻与电压测试，燃料电池堆中的多个单片电池与一个测试单元输入端连接，全部单片电池与n个测试单元输入端连接，程控交流电流激励源和隔直电容串联后与燃料电池堆输出端并联，电流检测模块与测试单元1连接(图2)。测试单元1测试多个单片电池内阻与电压的同时还通过RS485通信接口实时控制程控交流电流激励源、采集电堆电流，并将电流值通过CAN通信网络发送给其它测试单元，测试单元2～测试单元n测试的多个单片电池内阻与电压值通过CAN通信网络发送到测试单元1，测试单元1将全部单片电池内阻与电压值传送给液晶显示单元进行显示，并将全部单片电池内阻与电压值通过USB接口发送给存储单元储存，测试系统通过测试单元1的RS232/485通信接口与PC或其它设备通信。

本实用新型的电压采集通道交直流分离电路1与电流采集通道交直流分离电路2相同，交直流分离电路由二阶高通有源滤波电路、电压跟随器、二阶低通有源滤波电路组成，形成交流通道和直流通道(图3)。

1、交直流分离电路的交流通道由二阶高通有源滤波电路和二阶低通有源滤波电路组成，使其输出100Hz-20kHz信号，其输出端有限流电阻R12、瞬态电压抑制器TVS构成的限幅输出保护电路，使其输出钳位在-V_T到+V_T之间，保护有效值测量芯片AD536和后续器件的安全。二阶高通有源滤波电路传递函数为：

$A_F\left(s\right)=\frac{-\frac{C1}{C3}{S}^2}{S^2+\frac{1}{R2}(\frac{C1}{C2C3}+\frac{1}{C2}+\frac{1}{C3})S+\frac{1}{R1R2C2C3}}$

其中通带增益： $A_F(\∞)=-\frac{C1}{C3}$

下限频率： $f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{R1R2C2C3}}$

阻尼系数： $\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{R1}{R2}}(\frac{C1}{\sqrt{C2C3}}+\sqrt{\frac{C2}{C3}}+\sqrt{\frac{C3}{C2}})$

根据A_F(∞)＝-1、f_n＝100Hz、ε＝0.707以及实际电阻、电容参数限制，取C1＝C2＝C3＝0.1μF，R1＝7.5kΩ，R2＝36kΩ，实际二阶高通有源滤波电路A_F(∞)＝-1，f_n＝97Hz，ε＝0.685，可满足装置100Hz高通滤波要求。二阶低通有源滤波电路与二阶高通有源滤波电路具有对偶性，将二阶高通有源滤波电路中的电阻替换成电容，电容替换成电阻，就可得二阶低通有源滤波电路，同样根据通带增益、上限频率、阻尼系数确定各电阻、电容实际参数。

2、交直流分离电路的直流通道由电压跟随器U3、二阶低通有源滤波电路和放大电路组成，其输出端有限流电阻R13、稳压管D1构成的限幅输出保护电路，使其输出在钳位-0.7V到+V_D之间，保护A/D转换器TLC3548和后续器件的安全，以免损坏电路及芯片。二阶低通有源滤波电路与二阶高通有源滤波电路具有对偶性，二阶低通有源滤波电路中电阻、电容参数参考上述交流通道二阶高通有源滤波电路参数确定。

本实用新型的相位差测试电路采用电压比较器LM311对正弦交流电压信号V(t)、电流信号V_i(t)进行整形，V(t)和V_i(t)经过电压比较器LM311整形后输出方波A、B，A和B经过异或门电路输出C脉冲(图4)，其傅立叶级数表达式为：

$U_C\left(t\right)=5q+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{n\ωt}+b_n\sin \mathrm{n\ωt})$

其中q为C脉冲的占空比、ω＝400π～12000π、a_n和b_n为常数。C脉冲经过时间常数RC≥10T(T＝2π/ω为C脉冲的周期，T_max≤0.005s，此处选择R26＝100kΩ、C10＝1μF可满足1.59Hz低通滤波要求，完全满足装置要求)的低通有源滤波电路输出稳定电压U_F，即U_C(t)的平均值：

$U_F=5q=\frac{5\left|\mathrm{\α}\right|}{\mathrm{\π}},(0\≤U\≤5V)$

U_F通过限流电阻R27、稳压管D3构成的限幅输出保护电路，其输出钳位在-0.7V到+V_D之间，然后进入TLC3548进行模数转换，其分辨率为：

5/2¹⁴＝0.305mV

根据 $\left|\mathrm{\α}\right|=\frac{\mathrm{\π}{U}_F}{5}$ 可知相位差|α|的分辨率为6.1π×10^-5弧度。利用RC微分电路与D锁存器来判断A和B的相位差符号，D锁存器的输出Q经过光隔6N137与控制器MCU的输入I/O口相连。Q＝1表示电压超前于电流，相位差符号为正；Q＝0表示相位差符号为负，这实际上表示了燃料电池内阻呈感性、容性或纯阻性。

这种相位差测试方法精度高达6.1π×10^-5弧度，而且精度不受输入信号频率大小影响，非常适合本装置中信号频率大范围变化的情况。其测试范围为-π～π，不存在测试死角。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1、一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，包括至少一个测试单元、程控交流电流激励源、隔直电容、电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其特征在于：程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，测试单元通过通信接口周期性地控制交流电流激励源的频率和幅值，依次采集各单片电池电压与电流信号并进行内阻计算；电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元分别与测试单元连接；测试单元通过通信接口与电堆主控制器或其它设备通信。

2、如权利要求1所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：多个测试单元通过通信网络连接对任意片数的燃料电池堆进行单片内阻与电压测试。

3、如权利要求1所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：测试单元由控制器MCU、至少一个仪表放大器、多路模拟开关、信号调理电路、两个交直流分离电路、相位差检测电路、两个有效值测量电路、A/D转换器和通信接口组成，其中控制器MCU通过通信接口与交流电流激励源实现通信，每个仪表放大器两个输入端与对应的各单电池两端分别连接，多个仪表放大器的输出与一个多路模拟开关的输入端相连，多路模拟开关的输出端与电压采集通道的交直流分离电路1的输入端连接，多路模拟开关的控制端与控制器MCU的I/O口连接；交直流分离电路1的交流输出端与有效值测量电路1的输入端和相位差检测电路输入端连接；信号调理电路的输入端与电流检测模块的输出端相连，信号调理电路的输出端与电流采集通道的交直流分离电路2的输入端连接，交直流分离电路2的交流输出端与有效值测量电路2的输入端和相位差检测电路输入端连接；两个交直流分离电路的直流输出端及两个有效值测量电路输出端和相位差检测电路输出端分别通过A/D转换器与控制器MCU连接，相位差检测电路还有一输出端与控制器MCU连接。

4、如权利要求1或3所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：电流检测电路由精密闭环霍尔电流传感器和精密采样电阻组成，其输出端与测试单元的信号调理电路输入端连接。

5、如权利要求3所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：测试单元中信号调理电路由仪表放大器和精密电阻构成。

6、如权利要求3所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：测试单元中两个交直流分离电路分别由二阶高通有源滤波电路、电压跟随器、二阶低通有源滤波电路组成，直流输出端由限流电阻R、稳压管D构成限幅输出保护电路，交流输出端由限流电阻R、瞬态电压抑制器TVS构成限幅输出保护电路。

7、如权利要求3所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：测试单元中相位差检测电路由相位差绝对值检测与相位差符号检测组成，相位差绝对值检测引入了电压比较单元、异或门电路、低通有源滤波电路、限幅输出保护电路，其输出端与A/D转换器输入端连接；相位差符号检测由电压比较单元、电压跟随器、异或门电路、RC微分电路与D锁存器组成，其输出端与控制器MCU的I/O口连接。

8、如权利要求3所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：测试单元中A/D转换器为14位分辨率的A/D转换器，它与控制器MCU通过SPI方式通信，控制器MCU与A/D转换器、多路模拟开关、相位差检测电路、通信接口之间有光电隔离电路。

9、如权利要求1或2或3所述的燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试装置，其特征在于：存储单元经过USB接口与测试单元中控制器MCU相连，控制器MCU通过RS485通信接口与程控交流电流激励源相接，测试单元通过CAN、RS232/485通信接口与电堆主控制器或其它设备通信，多个测试单元通过CAN通信网络连接对任意片数的燃料电池堆进行单片内阻与电压测试。

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