CN2867351Y - 一种燃料电池单电池电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池单电池电压检测电路，包括单片机U1，译码电路U2，CAN总线接口电路U3，若干个光电继电器组U4，分压电路U5，所述的译码电路U2为光电继电器组U4提供驱动信号，实现单片机U1对燃料电池单电池的电压进行扫描测量，该译码电路U2输出端与各光电继电器组U4输入端连接，若干个光电继电器组U4的输出端与燃料电池单电池相连，与分压电路U5一起构成电压检测电路，单片机U1与译码电路U2输入端连接，控制译码器状态，与CAN总线接口电路U3连接，向CAN总线接口电路发送燃料电池单电池电压值，与分压电路U5相连，采集燃料电池单电池电压信号。本实用新型具有产品可靠性高，实施难度小，可提高采样速度等优点。

Description

一种燃料电池单电池电压检测电路

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池，尤其涉及一种燃料电池单电池电压检测电路。

背景技术

燃料电池是一种能够将燃料与氧化剂发生电化学反应时产生的化学能转变成电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极由一张质子交换膜和夹在膜两面的两张可导电多孔性扩散材料(如碳纸)组成，在质子交换膜与导电材料接触的两边界面上均匀分布有细小分散的可引发电化学反应的催化剂(如金属铂)。膜电极两边用导电物体将发生电化学反应过程中产生的电子通过外电路引出，就构成了电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(如碳纸)，并在催化剂表面发生电化学反应，失去电子形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端一阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体(如空气)，通过渗透穿过多孔性扩散材料(如碳纸)，并在催化剂表面发生电化学反应，得到电子形成负离子，该负离子进一步与从阳极端迁移过来的正离子结合，形成反应产物。

在以氢气为燃料、以含有氧气的空气为氧化剂(或以纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区发生失去电子的催化电化学反应，形成氢正离子(质子)，其电化学反应方程式为： ，氧气在阴极区发生得到电子的催化电化学反应，形成负离子，该负离子进一步与从阳极端迁移过来的氢正离子结合，形成反应产物水。其电化学反应方程式为： 。

燃料电池中的质子交换膜除了用于发生电化学反应以及迁移交换反应中产生的质子外，其作用还包括将含有燃料氢气的气流与含有氧化剂(氧气)的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆炸式反应。

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极一般放在两块导电的极板之间，两极板上均开设有导流槽，因此又称作导流极板。导流槽开设在与膜电极接触的表面上，通过压铸、冲压或机械铣刻形成，其数量在一条以上。导流极板可以由金属材料制成，也可以由石墨材料制成。导流极板上的导流槽的作用是将燃料或氧化剂分别导入膜电极两边的阳极区或阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极和两块导流极板，两块导流极板分设在膜电极两边，一个作为阳极燃料的导流极板，另一个作为阴极氧化剂的导流极板。这两块导流极板既作为电流集流板，也是膜电极两边的机械支撑。导流极板上的导流槽既是燃料或氧化剂进入阳极或阴极表面的通道，也是将电池运行过程中生成的水带走的出水通道。

为了增大质子交换膜燃料电池的功率，通常将两个或两个以上的单电池通过直叠的方式或平铺的方式连在一起组成电池组，或称作电池堆。这种电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。在电池组中，位于两质子交换膜之间的极板的两面都设有导流槽，称为双极板。双极板的其中一面作为一个膜电极的阳极导流面，另一面则作为另一个相邻膜电极的阴极导流面。一个典型的电池组通常还包括：1)、燃料及氧化剂气体的进口和导流通道。其作用是将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；2)、冷却流体(如水)的进、出口与导流通道。其作用是将冷却流体均匀地分布到各个电池组内的冷却通道中，吸收燃料电池内产生的反应热并将其带出电池组进行散热；3)、燃料与氧化剂气体的出口与导流通道。其作用是将没有参与反应的多余燃料气体和氧化剂排出，同时将反应生成的液态或气态的水带出。上述燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体的进出口通常都开设在燃料电池组的一个端板上或分别开设在两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可制作成移动式或固定式的发电系统。

由于每个质子交换膜燃料电池堆模块一般由若干个单电池串联或并联而成，因此对燃料电池工作电压，特别是所有单电池工作电压进行检测与监控尤为重要。因为整个燃料电池发电系统的任何不正常情况，如过电流，超出正常工作温度等都会表现出一些单电池工作电压处于异常状态。

目前燃料电池单电池电压检测电路中所有光电继电器都是用单片微电脑开关量引脚直接驱动。单片微电脑上电瞬间或受干扰时存在多组继电器同时导通短路烧坏光电继电器的问题。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种燃料电池单电池电压检测电路。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池单电池电压检测电路，包括单片机U1，CAN总线接口电路U3，若干个光电继电器组U4，分压电路U5，其特征在于，还包括译码电路U2，该译码电路U2为光电继电器组U4提供驱动信号，实现单片机U1对燃料电池单电池的电压进行扫描测量，所述的译码电路U2输出端与各光电继电器组U4输入端连接，若干个光电继电器组U4的输出端与燃料电池单电池相连，与分压电路U5一起构成电压检测电路，单片机U1与译码电路U2输入端连接，控制译码器状态，与CAN总线接口电路U3连接，向CAN总线接口电路发送燃料电池单电池电压值，与分压电路U5相连，采集燃料电池单电池电压信号。

所述的分压电路U5由若干个精密电阻组成。

所述的光电继电器组每组内光电继电器个数可以二到八个。

所述的译码电路U2采用标准的译码芯片组合，或采用可编程逻辑电路制成或定制芯片。

所述的译码电路U2轮流驱动多组光电继电器U4，译码器电路U2的驱动光电继电器的输出端口在任一时刻只有一个为低电位，确保只有一组光电继电器选通。

所述的单片机U1带有A/D转换器和通信接口，每次只有一组电压信号接入单片机模拟量采集端口，单片机计算完成一组电压，再控制译码电路切换到下一组光电继电器，循环往复，测出所有燃料电池单电池电压。

所述的单片机U1可采用LPC2119 ARM芯片，译码电路U2可采用74HC138芯片，光电继电器可采用AQW210，分压电阻可采用千分之一以上精度的精密电阻。

本实用新型由于采用了以上技术方案，克服了现有技术的缺陷。与现有技术相比，本实用新型具有产品可靠性高，实施难度小，可提高采样速度等优点。

附图说明

图1是本实用新型燃料电池单电池电压检测电路图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1，由50千瓦集成式燃料电池堆中某一由120个单电池组成的燃料电池堆模块的单电池电压检测，在由各组光电继电器和分压电路组成的测量电路中，各组光电继电器的输入端管脚1分别与译码芯片U2输出端口K1-K9相连，输入端管脚2经限流电阻R9连接电源VCC。分压电路U5含有五条支路，除第一条支路直接接地外，其余每条支路含有两个串接电阻，每条支路一端接地，一端接光电继电器的输出端管脚3，燃料电池电压信号AIN1-AIN4从分压电路U5每条支路两个电阻中间节点取出，送单片机模拟信号采集端口INPOT1-INPOT4。光电继电器的输出管脚4接燃料电池单电池。

本实施例中单片机U1采用LPC2119 ARM芯片，译码电路U2采用74HC13芯片，光电继电器M1、M2、M3、......采用AQW210，分压电阻R1-R8采用千分之一以上精度的精密电阻。把五个光电继电器分成一组，分成八组。各组光电继电器的驱动信号通过译码电路U2驱动，在任何时刻只有一组光电继电器选通，实现按组依次采样。

单片机电路U1的输出端口A5-A0的状态全为低时(000000)对应译码输出端口K1脚输出为低电位，K2-K8全为高电位，当单片机电路U1的输出端口A5-A0的状态为(000001)时对应译码输出端口K2脚输出为低电位，K1、K3-K8全为高电位，以此类推单片机电路U1的输出端口A5-A0的状态为全低(000111)时对应译码输出端口K8脚输出为低电位，K1-K7全为高电位。K1为低电位时对应第一组光电继电器开关电路导通燃料电池单电池FC1、FC2、FC3、FC4分别接通到分压电阻R1、R3、R5、R7的一端，此时单片机U1的模拟量端口Ain1-Ain4分别对应的是燃料电池FC1、FC2、FC3、FC4的正极。

以下“燃料电池FC n”简称“FC n”，以下“模拟量端口Ain n”简称“Ainn”。

Ain1的电压对应的是FC1的电压，Ain2对应FC2与FC1的和，Ain3对应FC3、FC2与FC1的和，Ain4对应FC4、FC3、FC2与FC1的和。FC1的电压等于R1加R2再除以R2再乘以Ain1电压。FC2的电压等于R3加R4再除以R4再乘以Ain2电压再减FC1的电压。FC3的电压等于R5加R6再除以R6再乘以Ain3电压再减FC2的电压。FC4的电压等于R7加R8再除以R8再乘以Ain4电压再减FC3的电压。单片机软件可以计算出FC1、FC2、FC3、FC4的单电池电压。当K2为低电位时FC5、FC6、FC7、FC8的单电池电压。循环扫描即可对检测出32组燃料电池单电池电压。通过CAN总线接口电路或其他通讯电路发送出燃料电池单电池电压值，当测出某个单电池电压值低于安全设定值时，单片机发出报警信号，或便于电脑记录或其他控制器采集以保护燃料电池发电系统。

Claims (7)

1.一种燃料电池单电池电压检测电路，包括单片机(U1)，CAN总线接口电路(U3)，若干个光电继电器组(U4)，分压电路(U5)，其特征在于，还包括译码电路(U2)，该译码电路(U2)为光电继电器组(U4)提供驱动信号，实现单片机(U1)对燃料电池单电池的电压进行扫描测量，所述的译码电路(U2)输出端与各光电继电器组(U4)输入端连接，若干个光电继电器组(U4)的输出端与燃料电池单电池相连，与分压电路(U5)一起构成电压检测电路，单片机(U1)与译码电路(U2)输入端连接，控制译码器状态，与CAN总线接口电路(U3)连接，向CAN总线接口电路发送燃料电池单电池电压值，与分压电路(U5)相连，采集燃料电池单电池电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池单电池电压检测电路，其特征在于，所述的分压电路(U5)由若干个精密电阻组成。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池单电池电压检测电路，其特征在于，所述的光电继电器组每组内光电继电器个数可以二到八个。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池单电池电压检测电路，其特征在于，所述的译码电路(U2)采用标准的译码芯片组合，或采用可编程逻辑电路制成或定制芯片。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池单电池电压检测电路，其特征在于，所述的译码电路(U2)轮流驱动多组光电继电器(U4)，译码器电路(U2)的驱动光电继电器的输出端口在任一时刻只有一个为低电位，确保只有一组光电继电器选通。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池单电池电压检测电路，其特征在于，所述的单片机(U1)带有A/D转换器和通信接口，每次只有一组电压信号接入单片机模拟量采集端口，单片机计算完成一组电压，再控制译码电路切换到下一组光电继电器，循环往复，测出所有燃料电池单电池电压。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池单电池电压检测电路，其特征在于，所述的单片机(U1)可采用LPC2119 ARM芯片，译码电路(U2)可采用74HC138芯片，光电继电器可采用AQW210，分压电阻可采用千分之一以上精度的精密电阻。

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