一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路

曾 潔，徐升榮，劉賓坤，鄒 娟

（大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116023）

一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路

曾 潔，徐升榮，劉賓坤，鄒 娟

（大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116023）

通常燃料電池電堆是由多節單體電池組成，基于對燃料電池電堆中的每一節單體電池進行必需的實時、精確地測量和監控的目的，系統采用模擬多路開關完成對每節單體電池的高速循環取樣方法。為了保證電堆與微控制器間電氣安全，對多路模擬開關的通道選擇控制采用光電隔離方式，單體電池的取樣電壓通過小信號運算放大器放大后再經過光電隔離放大器輸送給微控制器。實驗中通過對甲醇燃料電池電堆各單體電池的工作電壓巡回監測，測量的精度較高，且能夠對電堆中劣化的單體電池予以故障報警，因此及時避免因單節電池的故障而造成整個電堆的崩潰等問題出現。

甲醇燃料電池；巡回測量；模擬多路開關；隔離放大

燃料電池作為目前一種正在開發和推廣利用的新能源之一[1]，有著高效、環境友好和來源廣泛等優點。其機理是利用燃料與空氣中的氧進行化學反應，在產生電流的同時生產水和二氧化碳，因此在燃料電池電站、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[2-3]。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電設備中，它可以對小功率的負載持續地供電。一個直接甲醇燃料電池電堆是由很多節燃料電池串聯而成，電壓巡檢是甲醇燃料電池電堆運行中的重要環節，因為燃料電池系統各操作參數的變化均反映在電池組內各單節電池工作電壓上，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某節電池的工作電壓變化上[4]。同時在電池系統運行時，監測電池組各節單體電池的電壓、依據電池組在穩定功率輸出時某節單電池工作電壓的變化并分析引起這種變化的原因，在電池組故障發生前采用措施，爭取排除故障，使電池組恢復到正常工作狀態[5]。明顯的單節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電池的工作電壓予以巡回監測成為必須。

1 甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路硬件架構設計

小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路系統包括電池隔離取樣單元、小信號運算放大器、隔離放大單元、溫度采集單元、微控控制器、電池取樣切換控制、調試接口、通信接口、顯示器接口、故障報警及上位機監控，整個測量電路系統能夠對15節串聯的燃料電池進行電壓巡檢[6]。基于對系統性能、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、液晶顯示器及光耦合器等電子器件和電路研究開發出高精度、實時性強的測量電路。

圖1 燃料電池的電壓巡回測量系統結構原理圖

具體測量電路的工作原理如下：燃料電池電堆一般是由多節單體電池組成，由于燃料電池組的每一節單體電池都需要實時、精確地測量和監控，任何一節單體電池劣化都會影響整個電堆的健康，而單體電池的健康與否是通過其單體工作電壓和溫度來決定的。本系統中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單體電池的高速循環取樣。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單體電池。一對模擬多路開關相同的輸入端分別連接一節單體電池的兩端，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單片機內部的高速、10位精度的AD轉換器，完全可以滿足系統對測量精度和實時性的要求[7]。

2 甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路設計

2.1 單體電池取樣電路設計

采用兩個雙極性電源的模擬多路開關AD7506對每節單體電池進行高速循環取樣，其通道的切換由微處理器通過光電耦合器來控制[8]。為了提高精度，用穩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，使得數據非常準確[9]。

模擬多路[10]開關AD7506的介紹：AD7506是美國AD公司的產品，28腳DIP封裝，信號從S端輸入，通過開關由OUT端輸出。16路開關由4位地址A3-A0及一個是能信號EN選擇。每個地址只能接通16個開關中的一個；這時，輸出端OUT就輸出被選中開關的輸入端信號。當EN=“0”時，所有開關都斷開。

如圖2所示，這個電路主要包括有兩個模擬多路開關AD7506、16個限流電阻、4個光電耦合器、微處理器和參考基準電壓電路等。模擬多路開關采用VDD1（+15V）和 VSS1（-15V）的隔離電源供電，而COM1為0V，該電路可測15個單電池電壓。4根地址輸入線通過光電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15個通道檢測單電池電壓。由于15節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。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[11]。光電耦合器采用4個光電隔離器TLP521-2，微處理器的PD2、PD3、PD6、PD7端口輸出控制信號是通過四個光電隔離器TLP521-2去控制2個多路模擬開關AD7506 的四位地址選擇口（AD7506 的 A0，A1，A2，A3端口）。

圖2 電池取樣單元電路原理圖

2.2 隔離放大單元電路

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，小信號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隔離。電源通過DC/DC電源模塊進行了隔離。這樣測量的電池電壓準確可靠，電路更加安全。

AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10000。此外，AD620采用8引腳DIP封裝，尺寸小于分立電路設計，并且功耗更低，因而非常適合電池供電及便攜式應用。AD620具有高精度、低失調電壓和低失調漂移特性，是電子秤和傳感器接口等精密數據采集系統的理想之選。此外，AD620還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無創血壓監測儀等醫療應用。

ISO124是一款集成了一種新的占空比調制解調技術的精密隔離放大器。信號傳輸數字化形成跨越一個2 pF的電容的隔離。數字隔離調整不影響信號的完整性，因此信號通過隔離有卓越的可靠性和良好的高頻瞬變脈沖抗干擾度。兩個隔離電容都嵌入了塑料體的封裝之中。ISO124使用簡單。不需要其他外部的元件即可工作。其工作原理：ISO124隔離放大器采用匹配1 pF隔離電容進行輸入輸出部分的隔離，并整體嵌入熟料封裝內。輸入部分負責信號占空比的調制并將信號數字化通過隔離進行傳輸。輸出部分接收經調制的信號，然后通過解調將信號變回模擬信號并除去紋波成分。輸入和輸出部分組合在一起，然后對特殊電路與輸入輸出的公共匹配進行激光微調。輸入和輸出部分分別置于封裝的兩端，中間是將兩端進行隔離的隔離電容。ISO124中的晶體管數量有250個。

圖3 隔離放大電路原理圖

如圖3所示的隔離放大電路原理圖，其主要包括小信號運算放大器AD602、隔離放大器ISO124組成。兩個模擬多路開關AD7506取出的電壓差Vcell需要接到小信號運算放大器AD620的輸入端，由于AD620運算放大器輸出端的輸出的電壓信號還不能直接輸入給微處理器的AD通道，因為微處理器系統不能與前段測試系統共地，所以電池取樣電路獲得電池電壓信號需經過一個光電隔離放大器后方可送入微處理器AD通道。光電隔離放大器用ISO124，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器系統的供電源一致，AD620輸出信號端與ISO124的輸入端相連，最后電池的電壓測量信號經ISO124的輸出端輸出，送入微控制的AD通道[12]。

2.3 燃料電池溫度采集電路

溫度采集單元主要是對工作中的燃料電池電堆實施實時溫度監控，給用戶或燃料電池電堆控制系統提供溫度信息，如果溫度過高，報警輸出向用戶提示。使用的溫度傳感器是DA18B20數字溫度傳感器。在設計電路時，為了提高溫度傳感器數據線的抗干擾能力，在數據連線上接上拉電阻[13]。

圖4 隔離放大電路原理圖

如圖4所示，DS18B20的電源端接微控制系統的電源VDD（5 V），DS18B20的GND引腳接微控制系統的電源地，其數據端口接微控制器芯片的PB0端口。本設計的原理是，每4個單體電池配一個溫度采集傳感器，共有16個單體電池，則需要T1、T2、T3和T4共4個溫度傳感器。通過總線的方式傳給微控制器芯片。當采集到的溫度發生突變時，微控制器會通過蜂鳴器進行報警，然后通過電壓采集模塊迅速定位到具體的某節異常單體電池，并對其進行故障排除。

3 實驗測試

如圖5所示，此為甲醇燃料[14]電池巡檢電路實物，其中包括4片AD7506，通過級聯的方式，可以同時對30片甲醇燃料單體電池進行巡回測量檢測，經實驗驗證本系統對單體電池電壓的采樣周期是70毫秒一個循環，電壓測量誤差精度可達到99.24%。如圖6所示，為實驗所用的甲醇燃料[15]電堆，此電堆共計由30節單體電池組成，每節單體電池的開路電壓為0.7 V，通過對甲醇燃料電堆單體電池電壓測試，得出如表1所示，其測量電壓為該巡檢電路所測的值，其實測電壓為通過萬能表測量電堆所得的值，而所測得值得最大誤差在毫伏級，完全滿足實際要求的精度。

圖5 甲醇燃料電池巡檢電路實物

圖6 實驗所用的甲醇燃料電堆

表1 測試結果

4 結束語

文中設計的一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測量電路目的是實現對小功率燃料電池進行電壓巡回檢測，另外通過溫度傳感器來對單體電池進行大范圍的檢測，在雙重保障下，使得燃料電池能夠正常穩定的工作。該電路簡單明了，實現簡單，操作方便，還具有報警和指示功能，能隨時監測到每個單體電池的工作異常狀態并立即做出報警反應，保護燃料電堆的正常工作。

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[4]王雷.微型燃料電池混合動力系統的控制研究與實現[D].大連：大連交通大學，2010.

[5]劉木林.基于CAN總線的直接甲醇燃料電池控制系統的設計[D].大連：大連交通大學，2011.

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[7]曾潔，胡繼勝，陳少華，等.小功率混合動力系統的控制裝置:中國，20013732.9[P].2010-08-25.

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One kind of voltage cyclical measurement circuit of small power methanol fuel cell

ZENG Jie，XU Sheng-rong，LIU Bin-kun，ZOU Juan
（Institute of Electrical Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116023，China）

Usually the fuel cell stack is made up of a number of single cells.The system uses analog multiplexers to complete high-speed sampling cycle of each single cell，because of the necessary realtime，accurate measurement and monitoring of every monomer cell.In order to insure electrical safety between the fuel cell stack and the micro controller circuit，the system adopts the way of photoelectric isolation on channel control of multi-channel analog switchs，the sampling voltage of a single cell is amplified by the small signal amplifier and then transferred to the micro controller through the photoelectric isolation amplifier.By working voltage cyclical measurement to each single cell of methanol fuel cell stack，the experiment result shows that the measurement circuit has high precision and can alarm the deteriorated cells，therefore，the collapse of the entire stack is avoided because of trouble of any single cell in time.

methanol fuel cell； cyclical measurement； analog multiplex switches； isolation amplifier

TN721

：A

：1674－6236（2017）14-0068-05

2016-09-08稿件編號：201609083

遼寧省自然科學基金（201602116）；江蘇省科技計劃項目（BE2015132）

曾 潔（1965—），男，遼寧大連人，碩士，教授。研究方向：新能源汽車技術、嵌入式開發及應用。