專利名稱：一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于新能源燃料電池電壓測量的電路，尤其涉及針對甲醇燃料電池電堆的電壓巡回測量電路。
背景技術：
隨著現(xiàn)代社會發(fā)展對能源的大量消耗，傳統(tǒng)能源越來越不能滿足人類的要求，特 別是在提出可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境的今天，人類對新能源的開發(fā)和利用成為極其重要的話 題。其中燃料電池就是目前一種正在被開發(fā)和利用的新能源之一，其機理是利用燃料與空 氣中的氧進行化學反應，在產(chǎn)生電流的同時生成水和二氧化碳，它作為一種既有較高的能 源利用效率又不污染環(huán)境的能源在燃料電池電站、電動汽車、移動式電源、潛艇、航空航天 技術等方面有著廣闊的應用前景。其中甲醇燃料電池(DMFC)是燃料電池中結構較簡單，體 積較小的一種，以甲醇作為燃料，主要應用于便攜式發(fā)電設備中，它可以對小功率的負載持 續(xù)地供電。一個直接甲醇燃料電池電堆是由很多節(jié)燃料電池串聯(lián)而成，電壓巡檢是甲醇燃 料電池電堆運行中的重要環(huán)節(jié)，因為燃料電池系統(tǒng)各操作參數(shù)的變化均反映在電池組內(nèi)各 單節(jié)電池工作電壓上，因此各種故障可能引起電池組不能正常運行的前兆也首先反映在電 池組內(nèi)某節(jié)單池的工作電壓變化上。同時在電池系統(tǒng)運行時，監(jiān)測電池組各節(jié)單體電池的 的電壓、依據(jù)電池組在穩(wěn)定功率輸出時某節(jié)單電池工作電壓的變化并分析引這種變化的原 因，在電池組故障發(fā)生前采用某些措施，爭取排除故障，使電池組恢復到正常工作狀態(tài)。比 如某節(jié)電池突然下降，有可能是液態(tài)水在此節(jié)單池出口積累，導致惰性氣體在此節(jié)單池氣 腔積累，此時可采用短時間脈沖排氣，將此節(jié)單池出口積累的液態(tài)水排出，使電池組恢復正 常運行。通常對于小的電堆監(jiān)視電池電壓相對比較容易，因為小電堆內(nèi)部的流場分布比較 均勻，當氣體從進氣口進入電池后氣體的壓力分布均勻，壓力降很小，在腔內(nèi)積累的液態(tài)水 很容易被高壓氣體排出，電堆的電壓變換直接反映了電池各單節(jié)的變化，明顯的單節(jié)電池 電壓的變化直接會造成總電壓的變化。在這種情況下，我們可以直接測量其總電壓即可評 價出電池的運行狀況。在電池節(jié)數(shù)比較大的情況下，電池內(nèi)部氣體管道比較長壓力降比較 大，多節(jié)電池由于加工造成的不均勻性也可導致進入電池腔內(nèi)的氣體壓力極不均勻，就會 導致各單節(jié)電壓也不均勻。明顯的單節(jié)電壓降低往往是極個別的，這種變換在總電壓上很 難察覺出來，有一個單節(jié)電池的死亡就會造成整個電堆的崩潰。因此對燃料電池電堆各單 節(jié)電池的工作電壓予以巡回監(jiān)測成為必須。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對甲醇燃料電池電堆提出了一種簡潔實用的電壓巡回測量電路，系統(tǒng)電 路的組成及工作原理如下整個測量電路系統(tǒng)包括電池取樣單元、隔離放大單元、溫度采集單元、微控處理中 心、調(diào)試接口、通信接口、顯示器接口、故障報警輸出單元及上位機監(jiān)控單元幾部分組成，能夠對15節(jié)串聯(lián)的燃料電池進行電壓巡檢?；趯ο到y(tǒng)性能、抗干擾能力、成本等問題 的考慮，電池組電壓測量電路的核心微處理器采用了 ATMEL公司的AVR的8位微處理器 ATMEGA8L，它工作溫度范圍寬，電磁兼容特性好，內(nèi)有10位的AD轉換通道、PWM輸出及看門 狗電路等，在實用中無需外擴其他芯片，所以它比一般的8位51單片機芯片性能更好。系 統(tǒng)以AVR微處理器為核心，配合成對的模擬多路開關、小信號運算放大器、隔離放大器、液 晶顯示器及光電耦合器等電子器件和電路研究開發(fā)出高精度、實時性強的測量電路。測量電路的工作原理是通常燃料電池電堆是由多節(jié)單體電池組成，由于然料電 池組的每一節(jié)單體電池都需要實時、精確地測量，本發(fā)明電池取樣單元采用模擬多路開關 和小信號運算放大器配合完成對每節(jié)單體電池的高速循環(huán)取樣。一對相同模擬多路開關的 地址線是一一對應的，每一個地址對應連通一節(jié)單體電池。一對模擬多路開關相同的輸入 端分別連接一節(jié)單體電池的兩端，他們輸出的信號是這兩點相對于參考點的絕對值電壓。 再通過小信號運算放大器做減法運算，從放大器輸出的就是一節(jié)單體電池的電壓。因為被 測電堆的整體電壓往往較高，所以需要采取一些隔離措施。我們采用隔離放大器完成隔離 測量，為控制器通過光電耦合器完成對多路模擬開關的隔離控制。單體電池電壓的測量使 用AVR單片機內(nèi)部的高速、10位精度的AD轉換器，完全可以滿足系統(tǒng)對測量精度和實時性 的要求。
電池取樣單元采用兩個雙極性電源的模擬多路開關AD7506和雙極性的小信號 運算放大器AD620配合完成對每節(jié)單體電池的高速循環(huán)取樣。其通道的切換由微處理器控 制通過光電隔離器件來控制。為提高精度，用穩(wěn)壓二極管做了一個基準電壓，每測量一個單 電池電壓都與這個基準電壓去比較，使得數(shù)據(jù)非常準確。隔離放大單元采用光電隔離放大器IS0124，以實現(xiàn)隔離測量。微控處理中心采用了 ATMEL公司的AVR的8位微處理器ATMEGA8L，它工作溫度 范圍寬，電磁兼容特性好，內(nèi)有10位的AD轉換通道、PWM輸出及看門狗電路等，在實用中無 需外擴其他芯片，所以它比一般的8位51單片機芯片性能更好，主要完成對電池電壓、溫度 的采樣及對采樣電路的隔離控制。溫度采集單元溫度信號采集采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，以實現(xiàn)對燃料電池 電堆電壓的檢測。調(diào)式接口 采用ISP調(diào)試接口設計，實現(xiàn)對微控制的程序下載。通信接口 采用MAX232芯片設計RS-232串行接口，為與上位機通信準備。顯示器接口 采用串行控制的8位數(shù)字液晶，顯示測量數(shù)據(jù)和故障碼。故障報警輸出單元檢測到電池系統(tǒng)故障，向用戶報警。上位機監(jiān)控單元基于LABVIEW軟件開發(fā)。用以對電池的監(jiān)控管理。本發(fā)明的有益效果是通過對燃料電池電堆各單節(jié)電池的工作電壓予以巡回監(jiān) 測，設計故障報警，及時避免因單節(jié)電池的死亡造成整個電堆的崩潰等問題出現(xiàn)，且簡潔實 用。
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構原理圖。圖2為本發(fā)明單節(jié)電池電壓取樣電路原理圖。
圖1中，1、甲醇燃料電池電堆，2、電池取樣單元，3、隔離放大單元，4、微控處理中 心，5、溫度采集單元，6、電池取樣切換控制線路，7、調(diào)試接口，8、通信接口，9、上位機監(jiān)控單 元，10、故障報警輸出單元，11、顯示器接口。
具體實施例方式本發(fā)明單節(jié)電池電壓取樣電路見圖2，這個電路包括兩個模擬多路開關AD7506、 一個小信號運算放大器AD620和16個限流電阻，模擬多路開關和運算放大器采用士 15V輸 出的隔離電源供電，該電路可測量15個單電池電壓。4根地址輸入線通過光耦合器輸入到 模擬開關的地址選擇線(AD7506的A0，A1，A2，A3端口)上，模擬開關使能端(AD7506的EN 端口 )直接接電源VDD，模擬開關有16通道(AD7506的S0，Si，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8， S9，S10, Sl 1，S12，S13，S14，S15，S16)的CMOS模擬開關。由兩個模擬開關組成16路差動 輸入的模擬信號采樣電路，其中一個由基準電源組成的保準電路接在AD7506的第1通道 上，其他用15個通道檢測單電池電壓。由于15節(jié)單電池的中點接在了電路的地端，因此電 池的最低端的電壓絕不會低于-15V，電池的最高端電壓絕不會高于+15V，電路各點的電壓 都處在安全的條件下。模擬開關的輸出(AD750 6DE的OUT端口)接在差動測量放大器的輸 入端(AD620的第1和第3引腳)，放大器的輸入共模信號可能高于10V，但差動信號不高于 1. 2V(因為一般一節(jié)燃料電池電壓最大也就是1. 2V)，因此放大器的輸出轉變?yōu)橄鄬τ诘?的 1. 2V。隔離放大單元因為被測電池組往往電壓較高，所以必須采取相應的隔離措施，放 大器的輸出通過一個隔離放大器使得信號的輸入和輸出得到了隔離。電源通過DC/DC電源 模塊也進行了隔離。這樣測量的電池電壓準確可靠，電路更加安全。所以由AD620運算放 大器輸出端(AD620的低6引腳)輸出的電壓信號還不能直接輸入給微處理器的AD通道， 因為微處理器系統(tǒng)不能與前段測試系統(tǒng)共地，所以電池取樣電路獲得電池電壓信號需經(jīng)過 一個光電隔離放大器后方可送入微處理器的AD通道。光電隔離放大器用IS0124，其輸入端 供電源與電池取樣電路的供電源一致，其輸出端供電源與微控制系統(tǒng)的供電源一致，AD620 輸出信號端(AD620的低6引腳)與IS0124的輸入端(IS0124的15引腳)相連，最后電池 的電壓測量信號經(jīng)IS0124的輸出端(IS0124的7引腳)輸出，送入微控制的AD通道(微 處理器ATMEGA8L的第PC5引腳)。微控處理中心微處理中心的核心是采用了 ATMEL公司的AVR的8位微處理器 ATMEGA8L，它工作溫度范圍寬，電磁兼容特性好，內(nèi)有10位的AD轉換通道、PWM輸出及看門 狗電路等，在實用中無需外擴其他芯片，所以它比一般的8位51單片機芯片性能更好，主要 完成對電池電壓和溫度的采樣、分析、處理，及對采樣電路的隔離控制，電池取樣電路的模 擬多路開關地址選擇線務必通過4個光電耦合器與微處理器的I/O 口相連，因為電池電壓 取樣電路與微處理器的供電源是隔離的。光電隔離器件采用TLP521-2.，微處理器的PD2、 PD3、PD6、PD7端口輸出控制信號是通過兩個TLP521-2光電隔離器后去控制2個多路模擬 開關AD7506的四位地址選擇口(AD7506的A0，Al，A2，A3端口)。溫度采集單元對工作中的燃料電池電堆實施實時溫度監(jiān)控，給用戶或燃料電池 電堆控制系統(tǒng)提供溫度信息，如果溫度過高，報警輸出向用戶提示。使用的溫度傳感器是 DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其電源端(DS10B20傳感器的VCC引腳)接微控制系統(tǒng)的電源VDD(5V)，其接地端(DS10B20傳感器的GND引腳)接微控制系統(tǒng)的電源的地)，其數(shù)據(jù)端口 (DS10B20傳感器的D引腳)接微控制芯片的PBO端口，為提高溫度傳感器數(shù)據(jù)線的抗干擾 能力，在數(shù)據(jù)連線上接上拉電阻。調(diào)試接口 該系統(tǒng)采用ISP調(diào)試接口，主要在微控制系統(tǒng)開發(fā)過程中用以實現(xiàn)對 微控制芯片的程序下載。通信接口 考慮到上位機對燃料電池系統(tǒng)的監(jiān)控，專門基于MAX232芯片設計了控 制系統(tǒng)的串行通信接口，以便于上位機與本系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信 。其目的在于對燃料電池系 統(tǒng)的工作參數(shù)予以監(jiān)控，以及對系統(tǒng)中一些系數(shù)進行標定。通信接口電路均采用標準電路。 在此不再詳述。顯示器接口 為節(jié)省控制芯片的資源，系統(tǒng)采用通用的串行控制的8位數(shù)字液晶 模塊，主要用于顯示測量的電池電壓數(shù)據(jù)和故障碼。該顯示有電源引腳VCC、接地引腳GND、 時鐘引腳CLK、數(shù)據(jù)引腳D。VCC引腳接控制系統(tǒng)的VDD電源，GND引腳接控制系統(tǒng)的地，CLK 弓丨腳接控制芯片的PBl端口，數(shù)據(jù)口 D接微控制芯片的PB2端口。故障報警單元檢測到電池系統(tǒng)中一些電壓較低的電池認為有問題或需要維護， 通過觸發(fā)蜂鳴器向用戶故障報警，通過顯示器顯示出有問題電池的故障碼編號及電壓數(shù) 據(jù)。報警電路由一個PNP型三極管和一個5V的蜂鳴器組成。控制蜂鳴器的信號來自微控 制芯片的PC4.端口，低電平有效。上位機監(jiān)控單元上位機界面主要是基于LaVIEW而設計的串口通信的界面，其作 用是實時動態(tài)地顯示和存儲數(shù)據(jù)，此界面既可監(jiān)控電池當前狀態(tài)，又可查詢每節(jié)電池的歷 史狀態(tài)和電壓值的走向，如此便于掌握整個燃料電池的工作狀態(tài)。LabVIEW是一種程序開發(fā) 環(huán)境，由美國國家儀器(Ni)公司研制開發(fā)，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言來編寫程序， 產(chǎn)生的程序是框圖的形式，用此所開發(fā)出的界面具有美觀性好、控制簡單和兼容性高等優(yōu) 點。本系統(tǒng)主要是采用VISA模塊來和微處理器進行通信，在接收到數(shù)據(jù)并校驗無誤后顯示 在Labview設計的界面上。界面上可以檢測每節(jié)電壓的實時電壓值，可以查詢單節(jié)電池在 一段時間內(nèi)的電壓走勢，可以根據(jù)需要存儲所有單節(jié)單體電池在每個時間段內(nèi)的電壓。在 電壓異常時，可通過圖形的顏色變化來提醒用戶及時做出相應決策。提高測量精度的措施對于大規(guī)模燃料電池系統(tǒng)要測量大量的電池電壓，甚至幾 百節(jié)，要求檢測周期盡可能快，否則的話在一個檢測周期內(nèi)系統(tǒng)可能變化，特別隨著燃料電 池工作的進行其周邊的溫度會發(fā)生變化，導致測量系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化，就會造成測量數(shù) 據(jù)的不準。我們采取在電路中設計一個基準電源，每測量一個單電池電壓都與這個基準電 壓去比較，使得數(shù)據(jù)非常準確。長期工作導致模擬開關參數(shù)及放大倍數(shù)變化，但是基準電池電壓不會變化。當系 統(tǒng)變換時測得的單池電壓變化，但測得的基準電池電壓也變化，這種變化的影響是同等的。 用測得的基準電池電壓來比較就可以得到實際的單池電壓。本發(fā)明不局限于上述實施例，任何在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)的等同構思或者改 變，均列為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路，其特征在于整個測量電路系統(tǒng)包括電池取樣單元、隔離放大單元、溫度采集單元、微控處理中心、調(diào)試接口、通信接口、顯示器接口、故障報警輸出單元及上位機監(jiān)控單元幾部分組成；所述的電池取樣單元采用兩個雙極性電源的模擬多路開關和雙極性的小信號運算放大器配合完成對每節(jié)單體電池的高速循環(huán)取樣，其通道的切換由微控處理中心的微處理器控制通過隔離放大單元來控制；用穩(wěn)壓二極管做了一個基準電壓，每測量一個單電池電壓都與這個基準電壓去比較；所述的隔離放大單元采用光電隔離放大器ISO124；所述的微控處理中心主要完成對電池電壓、溫度的采樣及對采樣電路的隔離控制；所述的溫度采集單元溫度信號采集采用數(shù)字溫度傳感器，以實現(xiàn)對燃料電池電堆電壓的檢測；所述的調(diào)式接口采用ISP調(diào)試接口設計，實現(xiàn)對微控制處理中心的程序下載；所述的通信接口采用MAX232芯片設計RS-232串行接口，為與上位機通信準備；所述的顯示器接口采用串行控制的8位數(shù)字液晶，顯示測量數(shù)據(jù)和故障碼；所述的故障報警輸出單元檢測到電池系統(tǒng)故障，向用戶報警；所述的上位機監(jiān)控單元基于LABVIEW軟件開發(fā)，用以對電池的監(jiān)控管理。
2.如權利要求1所述的一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路，其特征在于 所述的電池取樣單元包括兩個模擬多路開關AD7506、一個小信號運算放大器AD620和16個 限流電阻，模擬多路開關和運算放大器采用士 15V輸出的隔離電源供電，4根地址輸入線通 過光耦合器輸入到模擬開關的地址選擇線上，模擬開關使能端直接接電源VDD，模擬開關有 16通道的CMOS模擬開關，由兩個模擬開關組成16路差動輸入的模擬信號采樣電路，其中一 個由基準電源組成的保準電路接在模擬開關的第1通道上，其他用15個通道檢測單電池電 壓；模擬開關的輸出接在差動測量放大器的輸入端；所述的隔離放大單元電池取樣單元獲得電池電壓信號經(jīng)過一個光電隔離放大器后送 入微處理器的AD通道，光電隔離放大器用IS0124，其輸入端供電源與電池取樣單元的供電 源一致，其輸出端供電源與微控制處理中心的供電源一致，AD620輸出信號端與IS0124的 輸入端相連，電池的電壓測量信號經(jīng)IS0124的輸出端輸出，送入微處理器的AD通道；所述的微控處理中心采用了 ATMEL公司的AVR的8位微處理器ATMEGA8L，主要完 成對電池電壓和溫度的采樣、分析、處理，及對采樣電路的隔離控制，電池取樣單元的模擬 多路開關地址選擇線通過4個光電耦合器與微處理器的I/O 口相連，光電隔離器件采用 TLP521-2，微處理器的PD2、PD3、PD6、PD7端口輸出控制信號通過兩個TLP521-2光電隔離 器后去控制2個多路模擬開關AD7506的四位地址選擇口 ；所述的溫度采集單元使用的溫度傳感器是數(shù)字溫度傳感器，其電源端接微控制系統(tǒng) 的電源VDD，其接地端接微控制系統(tǒng)的電源的地，其數(shù)據(jù)端口接微控制芯片的PB0端口，在 數(shù)據(jù)連線上接上拉電阻；所述的調(diào)試接口采用ISP調(diào)試接口 ；所述的通信接口為基于MAX232芯片設計控制系統(tǒng)的串行通信接口，以便于上位機與 本系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信；所述的顯示器接口，采用通用的串行控制的8位數(shù)字液晶模塊，該顯示有電源引腳VCC、接地引腳GND、時鐘引腳CLK、數(shù)據(jù)引腳D ；VCC引腳接控制系統(tǒng)的VDD電源，GND引腳接 控制系統(tǒng)的地，CLK引腳接控制芯片的PB1端口，數(shù)據(jù)口 D接微處理器的PB2端口 ；所述的故障報警輸出單元由一個PNP型三極管和一個的蜂鳴器組成；控制蜂鳴器的 信號來自微控制芯片的PC4.端口，低電平有效；所述的上位機監(jiān)控單元上位機界面主要是基于LaVIEW而設計的串口通信的界面，其 作用是實時動態(tài)地顯示和存儲數(shù)據(jù)，此界面既可監(jiān)控電池當前狀態(tài)，又可查詢每節(jié)電池的 歷史狀態(tài)和電壓值的走向，如此便于掌握整個燃料電池的工作狀態(tài)。
全文摘要
一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路，通常燃料電池電堆是由多節(jié)單體電池組成，由于然料電池組的每一節(jié)單體電池都需要實時、精確地測量，本發(fā)明采用模擬多路開關和小信號運算放大器配合完成對每節(jié)單體電池的高速循環(huán)取樣。采用隔離放大器完成隔離測量，為控制器通過光電耦合器完成對多路模擬開關的隔離控制。通過對燃料電池電堆各單節(jié)電池的工作電壓予以巡回監(jiān)測，設計故障報警，及時避免因單節(jié)電池的死亡造成整個電堆的崩潰等問題出現(xiàn)，且簡潔實用。
文檔編號G01R31/36GK101865942SQ20101014122
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權日2010年4月7日
發(fā)明者曾潔, 賈世杰, 鄒娟, 郭永偉 申請人:大連交通大學