PEMFC電壓監控系統設計

劉佼龍，楊 莉，劉教瑜，梁鉅亮

(武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070)

PEMFC電壓監控系統設計

劉佼龍，楊 莉，劉教瑜，梁鉅亮

(武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070)

為了實時監控燃料電池的運行狀況，保障電池堆安全、可靠地運行，設計了一種單體電池電壓監控系統。系統以PIC單片機為主控制器，采用基于高壓模擬開關陣列的電壓采集方法，利用CAN總線的方式與上位機通信。上位機采用LabVIEW平臺開發電池電壓監控界面系統，界面以波形圖、表格、數值顯示控件等形式向用戶匯報電堆的運行情況。該系統實時性高、界面友好、控制簡單，能夠有效地保障電堆的安全。

單片機；LabVIEW；CAN總線通信；電壓監控

0 引言

如今，環境污染和能源危機已成為制約社會進步、經濟發展的關鍵因素，尤其近年來汽車產業飛速發展，由此導致的環境和能源問題日益突出，新能源的開發迫在眉睫。燃料電池(PEMFC)是一種能量轉換率高、無污染、可大量供電的清潔高效的分布式新能源[1]。對燃料電池系統而言，電池電壓是其運行狀態最直觀的體現，系統出現的異常直接表現在電壓的變化上。燃料電池一般由許多片單體燃料電池串聯組成，其中任何一片異常或故障，若未能及時檢測并加以處理可能造成電池堆的性能下降乃至損壞[2]。因此對燃料電池電壓的監控顯得尤為重要。為了確保燃料電池堆運行的可靠性，電池電壓監控系統是必不可少的。

1 系統組成及原理

燃料電池堆是由上百片的單片電池串聯組成，雖然每一塊電池的電壓大約只有0.5 V～0.9 V，但是串起來的總電壓可達上百伏。電壓監控系統主要是由上位機數據顯示界面與下位機電壓采集及通信模塊組成，包括主控制器、高壓模擬開關陣列——燃料電池多路通道選通模塊、信號調理模塊及上、下位機通信模塊等[3]。高壓模擬開關負責選通144路電壓輸入信號，信號調理電路負責處理采集過來的模擬電壓，便于輸入到A/D轉換器[4]。燃料電池單片電壓監控系統結構原理圖如圖1所示。

圖1 單片電池電壓監控系統結構原理圖

本系統要求監視的燃料電池堆是由144塊單片電池串聯組成，系統選用PIC18F46K80作為主控芯片，高壓模擬開關作為切換燃料電池的選通開關，同時還要完成CAN接口電路和串口接口電路的設計以便與PC進行通信和調試。系統要求上位機和下位機通過CAN總線的方式進行通信。上位機采用虛擬儀器圖形化編程軟件LabVIEW開發顯示界面。下位機以PIC單片機為主控芯片，以MPLAB-IDE為開發平臺、C語言為編程語言開發下位機程序。

系統的工作流程如下：上位機發送電壓檢測開始命令，單片機控制器接收命令開始電壓采集工作，首先通過高壓模擬開關依次選通電池通道，并且確保任意時刻只有單塊電池被切入信號調理電路。切換過來的模擬電壓信號首先被送入到信號調理電路，經過該電路的濾波等一些處理后輸入到單片機自帶的A/D模塊中，經A/D轉換、數據處理后，單片機將此時的單片電壓信號通過內部集成ECAN模塊，發送給上位機來對其進行監控，如此循環，完成144塊電池的電壓采集和監控。

2 硬件設計

在主控制器的選擇上，考慮到控制器的外設和內部的資源能否滿足本系統的要求，選用微芯(MICROCHIP)公司的PIC單片機PC18F46K80作為主控制器。PIC18F46K80是集成ECAN模塊和12位A/D轉換具有極低功耗的高性能8位增強型閃存單片機，工作電壓范圍為1.8 V～5.5 V；最大速度可達64 MHz；1 024字節的數據EEPROM；最大64 KB Flash( 閃存程序存儲器)；4 KB RAM。總體而言這是一款高性價比、低功耗、性能強大的外設集合控制器。

2.1 信號調理電路

由于電池內部環境復雜，采集過來的電壓信號不可避免地會受到一些噪聲等高頻信號的干擾，所以信號調理電路必不可少，如圖2所示。

圖2 信號調理電路原理圖

這里AD620作為一個減法器， D2為TVS二極管，又稱瞬態抑制二極管，是一種新型高效電路保護器件，防止電壓過大。精密電壓VREF經過電阻分壓后作為一個基準電壓，這個基準電壓是為提升負壓而設計的，確保輸入到A/D轉換器的是可以測量的正電壓信號，而且也保護了后面的二階濾波電路。后一級為運放二階濾波電路，將信號中的雜質和高頻信號濾除掉，提高信號的精度。二極管D3也是作為一個保護的作用而存在，防止最后可能出現的負壓輸入到單片機A/D模塊。

圖3 精密電壓基準原理圖

針對燃料電池的負壓情況設計的電位提升模塊如圖3所示。芯片用的是Microship生產的MCP1541，它是4.096 V的精確電壓基準，初始精度可以達到±1%。5 V電壓輸入，4.096 V的精密VREF電壓輸出。2.2 通道切換選通模塊

選用高壓模擬開關MAX14802作為通道切換開關。該器件采用HVCOS工藝，提供16路高壓、低電荷注入SPST開關，由數字口控制。數據移入內部16位移位寄存器，并通過帶使能和清零控制的可編程鎖存器保持數據。上電復位功能確保所有開關在上電時為斷開狀態。串行接口支持菊鏈連接，如圖4所示。用9個MAX14802芯片來滿足對144路電池通道的切換選擇，任意時刻只選通相鄰的兩個開關，確保電池電壓是一路一路地輸入到單片A/D模塊。由于選通模塊的開關是循環切換的，所以電池的正極和負極與IN+端和IN-端的連接是循環交替的，例如第一節電池的正極接IN+端，負極接IN-端，那么下一接電池的正極就接IN-端，負極就接IN+端，如此循環，其具體任務是通過單片機控制其在同一時刻選通兩個相鄰通道的開關，來獲取單節電池兩端的電壓。

圖4 高壓模擬開關的菊鏈連接原理圖

2.3 CAN 接口電路設計

主控制器PIC18F46K80內部集成有CAN控制器，該模塊支持CAN協議CAN1.2、CAN2.0A和CAN2.0B，支持標準數據幀(11位標識符)、擴展數據幀(29位標識符)、遠程幀、錯誤幀和過載幀；有6個緩沖區，可以設為TX報文緩沖區和RX報文緩沖區；16個完全(標準/擴展標識符)接收過濾器，可與4個屏蔽器中的任意一個配合使用；2個可分配給任意過濾器的完全接收過濾器屏蔽器；1個可用作接收過濾器或接收過濾器屏蔽器的完全接收過濾器；3個專用發送緩沖區。

CAN總線是一種傳輸速率高(可達1 Mb/s)、穩定可靠、抗干擾性能好、連線簡單(CANH和CANL兩條線)、能夠長距離傳輸的通信網絡。為了實現PC通信，還需完成CAN接口收發電路。系統選用微芯公司的MCP2551高速CAN收發器來設計接口電路[5]。其外部總線的物理接口電路如圖5所示。MCP2551通過兩個高速光耦(6N137)與單片機的CAN模塊的CANH和CANL連接。高速光耦用于隔離可能產生的干擾信號，提高CAN通信的抗干擾能力[6]。

圖5 CAN接口電路

CAN通信協議形式為“ID+數據+校驗”，每一幀信息有8個數據字節，本系統選用的A/D 轉換器精度為12位，每個電壓數據要占用兩個數據字節，所以一幀信息中能夠保存和傳遞4個電壓數據。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件

系統的主控制器為PIC單片機，采用微芯公司推出的MPLAB集成開發環境(IDE)作為下位機軟件開發平臺，選用靈活方便、易于查看修改的C語言為開發語言來開發下位機程序，遵循模塊化的設計原則來開發軟件，主要分為數據采集和CAN通信兩大塊。

3.1.1 數據采集模塊程序設計

數據采集模塊主要有通道切換、數據采集、數據處理等任務。程序初始化后，單片機將電壓信號經過通道切換和信號調理電路，輸入到片內A/D模塊上，經過轉化后得到數字電壓信號，并進行相應的數據處理，最后通過CAN總線的方式發送給上位機進行處理[7]。系統流程圖如圖6所示。

圖6 系統流程圖

3.1.2 CAN通信設計

CAN的數據以報文的形式進行傳輸，它以幀為單位，有標準幀和擴展幀兩種不同的幀格式，區別在于標準幀有11位標識符；擴展幀有29位標識符。系統設計采用擴展幀數據類型進行CAN通信，擴展幀的結構包括：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結尾，數據場的長度為0～8位[8]。其結構圖如圖7所示。

一個數據幀中的數據場有8個數據字節，本系統采用的是單片機內部的A/D模塊，由于它是12位的A/D轉換器，因此一個數據轉換后要占用兩個字節，所以一幀CAN數據中一次只能發送4個電壓數據，需要傳送38次才能把144片電池電壓傳送完。CAN模塊通過中斷的方式接收上位機的命令，然后再把電壓數據轉換為CAN協議格式發給上位機。上位機讀取下位機發送的CAN信息幀后按照設計的通訊協議首先進行數據解析，把信息分為ID部分和數據部分，擴展幀的標識符ID有29位，數據為8個字節，4個電壓信號。由ID號可以知道是哪節電池的電壓，然后讀取出數據，經過偏移量和比例因子換算得出實際的電壓數據。上位機要不停地讀取下位機的CAN緩沖區的數據，直到數據緩沖區的數據讀取完畢，以保證數據讀取的時效性。在數據的發送或接收前首先要進行初始化，如圖8所示。初始化結束后，等待上位機的命令，接收命令后開始發送數據，流程圖如圖9所示。

圖7 擴展幀數據結構

圖8 CAN初始化流程圖

圖9 CAN發送流程圖

3.2 上位機軟件設計(電壓監控界面)

驗室虛擬儀器平臺(Laboratory Virtual Instument Engineering Workbench，LabVIEW)是美國國家儀器(NI)公司推出的一種基于圖形化編程語言(Graphics Language，G語言)的虛擬開發工具[9]。它采用可視化的圖形編程語言，基本上不需要像其他編程語言那樣寫程序代碼，編程簡單直觀，易于調試和維護，有著廣泛的應用。

上位機監控系統能夠實時顯示整個燃料電池堆的電壓，并且用多種顯示方式來顯示當前的監測情況[10]。用波形圖來顯示整個電堆每片電池實時的電壓情況，用數值控件精確顯示每一片電池的電壓、最小值電壓、最小值電壓通道號、最大值電壓、最大值電壓通道號以及電堆的總電壓。根據電壓的大小設置閾值，可以及時報警某些異常電池電壓。

4 結束語

在這個能源越發緊張的時代，燃料電池以其自身的優勢，所占的地位越來越重要。本文根據燃料電池電壓監控系統的要求，提出了一種上位機監測、下位機電壓采集、CAN通信的電壓監控系統，介紹了電池電壓監控系統的功能和設計方案。并以PIC單片機為核心，建立了基于高壓模擬開關和CAN通信的電池電壓監控系統，整個系統安全可靠、一次性采集的電壓數量巨大、精度高，能夠實時有效地顯示電池的運行狀態，較好地實現了監控系統的功能要求。

[1] 洪明子, 崔明燦.燃料電池發電技術[J].吉林化工學院學報, 2005, 22(3): 23-27.

[2] 全睿. 車用燃料電池系統故障診斷與維護若干關鍵問題研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2011.

[3] 楊志勇.鋰電池智能測試系統的設計[J].哈爾濱職業技術學院學報, 2007(1): 90-91.

[4] 周德東.基于光纖隔離的高精度數據采集電路設計[J]. 工業儀表與自動化裝置,2015(2): 120-122.

[5] 劉金梅, 姚曉瓊, 韋雪潔.基于MCP2515和S3C2440組建CAN總線通信系統的設計與實現[J].北華航天工業學院學報, 2012,22(1):10-12.

[6] 楊龍山.車用CAN總線抗電磁干擾能力研究[D].北京:中國科學院電工研究所,2006.

[7] 荀百誼.基于CAN總線網絡控制實驗平臺的研究與設計[D].沈陽: 東北大學, 2008.

[8] 楊琨.基于CAN總線的智能檢測系統的研究[D].西安:西安科技大學, 2008.

[9] 劉君華, 賈惠芹, 丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW[M].西安: 西安電子科技大學出版社, 2003.

[10] 吳作好, 謝文豪, 曾潔, 等.基于虛擬儀器的燃料電池電壓檢測監控系統[J].大連交通大學學報, 2010,31(2): 60-63.

Design of PEMFC voltage monitoring system

Liu Jiaolong，Yang Li， Liu Jiaoyu，Liang Juliang

(School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

In order to monitor the running status of the fuel cell in real time, to ensure the safe and reliable operation of the battery, a single battery voltage monitoring system is designed. The system uses PIC single chip microcomputer as the main control unit, and adopts voltage acquisition method based on the high voltage analog switch array, uses the Controller Area Network (CAN) bus to communicate with the host computer. Host computer uses LabVIEW platform to develop the battery voltage monitoring interface system. The interface reports the operation of the reactor to the users in the form of waveform, form, numerical control and so on. The system has the advantages of high real-time performance, friendly interface and simple control, which can effectively guarantee the safety of the stack.

single chip microcomputer; LabVIEW; CAN communication;voltage monitoring

TP277

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.025

劉佼龍，楊莉，劉教瑜，等.PEMFC電壓監控系統設計[J].微型機與應用，2017,36(3)：85-87,92

2016-09-30)

劉佼龍(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：燃料電池控制。

楊莉(1965-)，女，碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：嵌入式控制。

劉教瑜(1958-)，男，本科，教授，碩士生導師，主要研究方向：智能控制技術與應用。