專利名稱：燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電 池電壓監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是由燃料和氧化劑產(chǎn)生電能的裝置，可以獲得高發(fā)電效率。
燃料電池系統(tǒng)中，以高分子電解質(zhì)膜為中心，其兩側(cè)設(shè)置有陽極(ANODE) 和陰極(CATHODE),作為燃料的氫氣在上述陽極發(fā)生電化學還原反應，作 為氧化劑的氧氣在陰極發(fā)生電化學氧化反應，此時通過生成的電子的移動， 產(chǎn)生電能。
以典型的質(zhì)子交換膜燃料電池(P腿燃料電池)為例，以氫氣為燃料， 在陽極反應中，氫氣經(jīng)由擴散層進入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催 化作用，將氫氣分解為氫質(zhì)子及電子，前者經(jīng)由質(zhì)子交換膜進入陰極反應 區(qū)，后者則經(jīng)由集電裝置向外部負載輸出，另--方面，氧氣經(jīng)由陰極側(cè)的 擴散層進入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催化反應作用將氧化分解， 并結(jié)合來自于質(zhì)子交換膜的氫質(zhì)子及來自集電裝置的電子，于陰極反應區(qū) 生成水。
單個PEM燃料電池的理想電壓是1. 2V,但是由于電力損失情況的存在， 使得其有效工作電壓僅0.4-0.8V。在實際應用中需要多片電池串聯(lián)組成燃 料龜池堆。由于膜電極失水現(xiàn)象和水淹現(xiàn)象都會導致PEM燃料電池兩極之 間的直流電壓下降，單片電池電壓可視為燃料電池性能的重要診斷信息。 因此，通常燃料電池系統(tǒng)均具有單電池電壓監(jiān)測裝置，對燃料電池堆中的 單電池電壓進行實時監(jiān)測。
發(fā)明名稱為"燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)及其方法"(申請?zhí)枮?2814901. 7，
公開日為2004年10月6日)的中國專利申請中公開了一種燃料電池電壓 監(jiān)視系統(tǒng)及監(jiān)視方法，監(jiān)視系統(tǒng)包括多個差動放大器、 一個開關(guān)網(wǎng)絡、一 個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個控制器。差動放大器連接到燃料電池組中要測量電壓 的接線端，開關(guān)網(wǎng)絡在控制器的指示下選擇單個差動放大器的輸出，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，控制器利用數(shù)字值計算燃料電池電壓。每個差 動放大器有一個高共態(tài)抑制比。監(jiān)視方法包括下述步驟將多個串聯(lián)電池 接線端連接到具有兩個輸入和一個輸出的差動放大器的輸入；在差動放大 器中從兩個接線端的電壓中抑制共態(tài)電壓，給出兩個接線端之間的電壓差； 將電壓差從模擬值轉(zhuǎn)換到數(shù)字值。
因為串聯(lián)而成的燃料電池堆中每個單片電池兩端具有很高的共模電 壓，尤其串聯(lián)燃料電池堆頂端的單片電池的共模電壓最大，數(shù)值上為串聯(lián) 燃料電池堆的總電壓，所以在上述方案中在對單片電池電壓進行測量時， 必須采用高共模抑制比的差動放大器。若不采用高共模抑制比的測量元件 或信號調(diào)理元件，測量精度將嚴重下降，同時高共模電壓很有可能擊穿測 量元件或信號調(diào)理元件，但是采用具有高共模抑制比的測量元件和信號調(diào) 理元件，勢必大大增加電壓監(jiān)測的成本。
同時在發(fā)明名稱為"燃料電池電壓監(jiān)視系統(tǒng)及其方法"(申請?zhí)枮?br> 02814901.7，
公開日為2004年10月6日)的中國專利申請中，為解決測
試精度的問題，監(jiān)視系統(tǒng)還包括至少一個校準器來校準每個差動放大器。 至少-'個校準器適合提供一個恒定電壓增量，來仿真多個串聯(lián)的電池中每
個電池中每個電池接線端的電池電壓和共態(tài)電壓，校準每個差動放大器。 系統(tǒng)還包括至少一個電壓表來測量每個差動放大器輸入和輸出處的電壓。 這些無形中都增加了電池電壓監(jiān)測的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的就是為了解決上述問題，提出一種低成本、監(jiān)測精 度有保證的燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對燃料電池堆中的單電池進行監(jiān)測。
本發(fā)明的另一目的是提出一種燃料電池電壓監(jiān)測方法，利用一種低成 本、監(jiān)測精度有保證的燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對燃料電池堆中的單 電池進行監(jiān)測。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，包括開 關(guān)網(wǎng)絡單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制單元，數(shù)據(jù)釆集單元對燃料電池電壓進 行調(diào)理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其中，還包括隔離通訊接口單元和主控制器； 所述燃料電池堆劃分成若單個燃料電池組； 一燃料電池組與一開關(guān)網(wǎng)絡單 元， 一數(shù)據(jù)采集單元， 一控制單元， 一隔離通訊接口單元構(gòu)成一電壓監(jiān)測 模塊；燃料電池組中各單電池的正極連接到開關(guān)網(wǎng)絡單元的輸入端，開關(guān) 網(wǎng)絡單元的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集單元，控制單元連接開關(guān)網(wǎng)絡單元的控
制端并提供開關(guān)網(wǎng)絡的控制信號，數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接控制單元， 控制單元通過隔離通訊接口單元向主控制器提供電壓信號，主控制器通過 隔離通訊接口單元提供控制信號給控制單元唯一選通監(jiān)測模塊。
迸一歩地，本發(fā)明還包括電源管理單元，包括燃料電池組和穩(wěn)壓電路， 用于所述電壓監(jiān)測模塊中單元提供所需工作電壓。
所述隔離通訊接口單元采用光耦合器或變壓器。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供--種燃料電池電壓監(jiān)測方法，包括以 下步驟
Al、將燃料電池堆劃分成若干小單元構(gòu)成燃料電池組； Bl、主控制器發(fā)出控制信號唯一選通一組燃料電池組； Cl、通過開關(guān)網(wǎng)絡單元選通燃料電池組中的一單電池； Di、單電池電壓信號通過數(shù)據(jù)采集單元進行調(diào)理，轉(zhuǎn)換成差動電壓后， 再進一步轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；
ei、數(shù)字信號存儲在控制器單元中，并通過隔離通信接n單元傳送給主
控制器-,
Fl、控制單元發(fā)出控制信號，控制開關(guān)網(wǎng)絡單元選通下一單電池，依照 步驟Dl、 El獲取該單電池的電壓數(shù)據(jù)，直至燃料電池組中各電池電壓均被 監(jiān)測；
Gl、重復步驟Cl至Fl,監(jiān)測下一組燃料電池電壓。 本發(fā)明所涉及的方法還可先對燃料電池組中各單電池電壓經(jīng)過調(diào)理轉(zhuǎn) 換成差動電壓，再經(jīng)過開關(guān)網(wǎng)絡單元選通其中的一路電池電壓信號，轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號后送至控制單元。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明將由數(shù)量為N個的燃料單電池串聯(lián)構(gòu)成的燃料電池堆劃分出數(shù) 量為m (m < N)個的燃料單電池單元構(gòu)成的燃料電池組，以燃料電池基礎(chǔ) 組為一個燃料電池電壓監(jiān)測模塊。在每個電池監(jiān)測模塊中
對燃料電池組中的各單個電池進行電池電壓監(jiān)測時，燃料單電池兩端 的共模電壓最大近似為該組燃料電池的串聯(lián)電壓，遠遠小于整個燃料電池 堆的串聯(lián)電壓。例如，對于由100個每個電池電壓是0.95V的燃料電池構(gòu) 成的燃料電池堆，上方電池負端的實際電壓近似95V,但是若將上述燃料電 池堆劃分成10個每個由10個電池串聯(lián)構(gòu)成的燃料電池組，則每個組上方 電池負端的實際電壓近似9.5V,遠遠小于95V。由于上述電壓值大大降低, 減小了監(jiān)測元件被擊穿的風險，同時也減小了共模電壓對監(jiān)測元件精度的
影響，從而可以采用普通的元器件來完成對燃料電池電壓的監(jiān)測，大大降 低了監(jiān)測成本。
進一步地，以燃料電池基礎(chǔ)構(gòu)成電源管理單元給燃料電池電壓監(jiān)測 系統(tǒng)其他單元提供工作電壓，無需系統(tǒng)額外再提供隔離電源，也達到了降 低監(jiān)測成本的目的。
進一歩地，本發(fā)明采用了隔離通訊接口單元，保證了系統(tǒng)監(jiān)測精度。 進一步地，本發(fā)明還采用了隔離通訊接口單元和電源管理單元，兩 者地結(jié)合使用，確保了系統(tǒng)監(jiān)測精度。


圖1為本發(fā)明的原理框圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集單元部分電路圖
圖3為本發(fā)明開關(guān)網(wǎng)絡單元電路圖4為本發(fā)明控制單元及隔離通信結(jié)構(gòu)單元電路圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。 請參閱圖1,燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)包括若千節(jié)單電池串聯(lián)組成的燃料 電池組11、電源管理單元13、開關(guān)網(wǎng)絡單元14、數(shù)據(jù)采集單元15、控制 單元16、隔離通訊接口單元17。燃料電池組11的正負兩端電連接于電源 管理單元13，經(jīng)過電源管理單元13的電平轉(zhuǎn)換后給系統(tǒng)各用電單元提供電 源開關(guān)網(wǎng)絡單元14為多路開關(guān)電路，由具有開關(guān)特性的分立電子元器件 或多路開關(guān)集成電路構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集單元15包括信號條理單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 單元，信號調(diào)理單元由信號運算電路及濾波網(wǎng)絡構(gòu)成，用于將燃料電池組 11的各單電池12的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成適合的單端電壓信號，方便進行數(shù) 據(jù)采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元由A/D轉(zhuǎn)換電路組成，用于將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號；控制單元16控制開關(guān)電路動作選通一路單電池12,使采集得 到的該單電池電壓信號輸出至數(shù)據(jù)采集單元15,數(shù)據(jù)采集單元15對電池電 壓信號進行調(diào)理以及A/D轉(zhuǎn)換傳送至控制單元16進行存儲處理，控制單元 16通過隔離通訊接口單元H向主控制器2傳送燃料電池電壓信號。隔離通 訊接口單元17可由光耦合器或變壓器等隔離耦合裝置來實現(xiàn)。燃料電池組 11中各單電池電壓監(jiān)測完后，主控制器2通過隔離通訊接口單元n發(fā)送控 制信號給控制單元16使其關(guān)閉，并通過燃料電池組21所在的電池電壓監(jiān)
測模塊中的隔離通訊接口單元27發(fā)送控制信號給控制單元26激活該電池 電壓監(jiān)測模塊，開始監(jiān)測燃料電池組21中各單電池電壓。
請査閱圖2至圖4,本實施例為一個64路燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)中一 燃料電池組I的監(jiān)測系統(tǒng)，64路的燃料電池堆劃分成燃料電池組I和燃料 電池組II,每電池組由32路燃料單電池構(gòu)成。本實施例對其中每一路單電 池電壓信號先進行信號調(diào)理再經(jīng)由開關(guān)網(wǎng)絡單元實現(xiàn)多路復用的方式。燃 料電池組I 31每節(jié)單電池32正極和負極分別引出接線端，連接到數(shù)據(jù)采集 單元的信號調(diào)理模塊351。信號調(diào)理模塊351采用的是8個四運算放大器集 成芯片LM324，每個LM324中包含有4個運算放大器，可對4個燃料單電池 電壓進行調(diào)理。電源管理單元采用運算放大器及三級管組成的互補輸出級 將燃料電池組T的32節(jié)單電池串聯(lián)而成的燃料電池組I單電源轉(zhuǎn)換成雙電 源，再經(jīng)過穩(wěn)壓元件MC7805及MC7905獲得穩(wěn)定的土5V輸出電壓，提供LM324 的工作電壓。LM324通過電阻匹配構(gòu)成32個差分放大器，將燃料電池組I 31每節(jié)單電池32差分電壓轉(zhuǎn)換為適合的單端電壓信號。多路開關(guān)集成電路 34由兩個16選1的多路開關(guān)集成電路CD4067組成，多路開關(guān)集成電路34 的輸入端與LM324的輸出端相連，多路開關(guān)集成電路34的輸出端連接到一 起，通過移位寄存器74LS164給多路開關(guān)集成電路34提供地址信號，實現(xiàn) 32選1多路開關(guān)電路?？刂茊卧?6 (即MOJ 36)選用集成了 8位A/D轉(zhuǎn)換 器的芯片C8051F300, A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端連接到兩個多路開關(guān)集成電路34 的共同輸入端，MCU 36控制移位寄存器7禮S164,使得多路開關(guān)集成電路 34中的一路選通，該路單電池電壓信號引入MCli 36的A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù) 轉(zhuǎn)換，獲得所需的單電池電壓信號，同時MCU36發(fā)出指令控制下一路開關(guān) 電路選通，這樣MCU 36即可依次獲得燃料電池組I 31各單電池32的實時 電壓數(shù)據(jù)。MCU 36串行通訊輸出端連接于隔離通訊接口單元37，隔離通訊 元件37選用光耦合器。MCU 35的串行通訊線路TXD、 RXD通過兩個光耦合 器進行隔離，TXD連接光耦合器的輸入端，用于發(fā)送數(shù)據(jù)；RXD連接另一光 耦合器的輸出端，用于接收指令。當MOJ 36通過RXD端接收到外部主控制 器器的啟動指令后，該電壓監(jiān)測系統(tǒng)即被激活，開始向主控制器(圖未示 出)發(fā)送該燃料電池組I 31單電池32的實時電壓數(shù)據(jù)。隔離通訊接口單 元37和電源管理單元地配合使用，保證了監(jiān)測出的燃料電池組I 31中單 電池32電池電壓的精確度。
燃料電池組I:U中各單電池電壓監(jiān)測完后，主控制器通過隔離通訊接 口單元37發(fā)送控制信號給MCU 36使其關(guān)閉，并通過燃料電池組II所在的
電池電壓監(jiān)測模塊中的隔離通訊接口單元發(fā)送控制信號激活該電池電壓監(jiān) 測模塊，開始監(jiān)測燃料電池組II中各單電池電壓。 從而實現(xiàn)了整個燃料電池堆的電壓監(jiān)測。
本發(fā)明在于使用模塊化的電壓監(jiān)測系統(tǒng)，各電壓監(jiān)測模塊由所監(jiān)測的 電池組迸行供電，電壓監(jiān)測模塊與主控制器實施電氣隔離，因此在此基礎(chǔ) 之上，無論使用任何形式的開關(guān)網(wǎng)絡單元及數(shù)據(jù)采集單元，同時結(jié)合任何 形式的通訊方式及隔離手段，均應被本發(fā)明所包含。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測由多個燃料電池串聯(lián)構(gòu)成燃料電池堆電壓監(jiān)測系統(tǒng)，包括開關(guān)網(wǎng)絡單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制單元，數(shù)據(jù)采集單元對燃料電池電壓進行調(diào)理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其特征在于還包括隔離通訊接口單元和主控制器；所述燃料電池堆劃分成若單個燃料電池組；一燃料電池組與一開關(guān)網(wǎng)絡單元，一數(shù)據(jù)采集單元，一控制單元，一隔離通訊接口單元構(gòu)成一電壓監(jiān)測模塊；燃料電池組中各單電池的正極連接到開關(guān)網(wǎng)絡單元的輸入端，開關(guān)網(wǎng)絡單元的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集單元，控制單元連接開關(guān)網(wǎng)絡單元的控制端并提供開關(guān)網(wǎng)絡的控制信號，數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接控制單元，控制單元通過隔離通訊接口單元向主控制器提供電壓信號，主控制器通過隔離通訊接口單元提供控制信號給控制單元唯一選通監(jiān)測模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于還包括電 源管理單元，包括燃料電池組和穩(wěn)壓電路，用于所述電壓監(jiān)測模塊中單元 提供所需工作電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述隔離 通訊接口單元采用光耦合器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述隔離 通訊接口單元采用變壓器。
5. -種燃料電池電壓監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟 Al、將燃料電池堆劃分成若干小單元構(gòu)成燃料電池組； Bl 、主控制器發(fā)出控制信號唯一選通一組燃料電池組； Cl、通過開關(guān)網(wǎng)絡單元選通燃料電池組中的一單電池；Dl、單電池電壓信號通過數(shù)據(jù)采集單元進行調(diào)理，轉(zhuǎn)換成差動電壓后， 再進一歩轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；El、數(shù)字信號存儲在控制器單元中，并通過隔離通信接口單元傳送給主 控制器；Fl、控制單元發(fā)出控制信號，控制開關(guān)網(wǎng)絡單元選通下一單電池，依照 步驟D1、 El獲取該單電池的電壓數(shù)據(jù)，直至燃料電池組中各電池電壓均被 監(jiān)測；Gl、重復步驟Cl至Pl,監(jiān)測下一組燃料電池電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池電壓監(jiān)測方法，其特征在于順序監(jiān)測 多個燃料電池中各個電池的電池電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池電壓監(jiān)測系統(tǒng)，包括開關(guān)網(wǎng)絡單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制單元，其中，還包括隔離通訊接口單元和主控制器；所述燃料電池堆劃分成若單個燃料電池組；一燃料電池組與一開關(guān)網(wǎng)絡單元，一數(shù)據(jù)采集單元，一控制單元，一隔離通訊接口單元構(gòu)成一電壓監(jiān)測模塊；燃料電池組中各單電池連接到開關(guān)網(wǎng)絡單元，開關(guān)網(wǎng)絡單元在控制單元的控制下逐一選通各單電池并將電壓信號傳送給數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接控制單元，控制單元通過隔離通訊接口單元向主控制器提供電壓信號，主控制器通過隔離通訊接口單元提供控制信號給控制單元唯一選通監(jiān)測模塊。本發(fā)明降低了監(jiān)測成本，保證了對燃料電池電壓的有效監(jiān)測。
文檔編號G01R31/36GK101191822SQ200610157250
公開日2008年6月4日 申請日期2006年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月2日
發(fā)明者振 張, 董俊卿, 趙志強 申請人:比亞迪股份有限公司