一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測(cè)量電路

曾 潔，徐升榮，劉賓坤，鄒 娟

（大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116023）

一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測(cè)量電路

曾 潔，徐升榮，劉賓坤，鄒 娟

（大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116023）

通常燃料電池電堆是由多節(jié)單體電池組成，基于對(duì)燃料電池電堆中的每一節(jié)單體電池進(jìn)行必需的實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量和監(jiān)控的目的，系統(tǒng)采用模擬多路開關(guān)完成對(duì)每節(jié)單體電池的高速循環(huán)取樣方法。為了保證電堆與微控制器間電氣安全，對(duì)多路模擬開關(guān)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(guò)小信號(hào)運(yùn)算放大器放大后再經(jīng)過(guò)光電隔離放大器輸送給微控制器。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)甲醇燃料電池電堆各單體電池的工作電壓巡回監(jiān)測(cè)，測(cè)量的精度較高，且能夠?qū)﹄姸阎辛踊膯误w電池予以故障報(bào)警，因此及時(shí)避免因單節(jié)電池的故障而造成整個(gè)電堆的崩潰等問(wèn)題出現(xiàn)。

甲醇燃料電池；巡回測(cè)量；模擬多路開關(guān)；隔離放大

燃料電池作為目前一種正在開發(fā)和推廣利用的新能源之一[1]，有著高效、環(huán)境友好和來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。其機(jī)理是利用燃料與空氣中的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在產(chǎn)生電流的同時(shí)生產(chǎn)水和二氧化碳，因此在燃料電池電站、電動(dòng)汽車、移動(dòng)式電源、潛艇、航空航天技術(shù)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。其中甲醇燃料電池（DMFC）是燃料電池中結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積較小的一種，以甲醇作為燃料，主要應(yīng)用于便攜式發(fā)電設(shè)備中，它可以對(duì)小功率的負(fù)載持續(xù)地供電。一個(gè)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(yùn)行中的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)槿剂想姵叵到y(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(yùn)行的前兆也首先反映在電池組內(nèi)某節(jié)電池的工作電壓變化上[4]。同時(shí)在電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)電池組各節(jié)單體電池的電壓、依據(jù)電池組在穩(wěn)定功率輸出時(shí)某節(jié)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(fā)生前采用措施，爭(zhēng)取排除故障，使電池組恢復(fù)到正常工作狀態(tài)[5]。明顯的單節(jié)電壓降低往往是極個(gè)別的，這種變換在總電壓上很難察覺出來(lái)，有一個(gè)單節(jié)電池的死亡就會(huì)造成整個(gè)電堆的崩潰。因此對(duì)燃料電池電堆各單節(jié)電池的工作電壓予以巡回監(jiān)測(cè)成為必須。

1 甲醇燃料電池的電壓巡回測(cè)量電路硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測(cè)量電路系統(tǒng)包括電池隔離取樣單元、小信號(hào)運(yùn)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(diào)試接口、通信接口、顯示器接口、故障報(bào)警及上位機(jī)監(jiān)控，整個(gè)測(cè)量電路系統(tǒng)能夠?qū)?5節(jié)串聯(lián)的燃料電池進(jìn)行電壓巡檢[6]。基于對(duì)系統(tǒng)性能、抗干擾能力、成本等問(wèn)題的考慮，電池組電壓測(cè)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(zhuǎn)換通道、PWM輸出及看門狗電路等，在實(shí)用中無(wú)需外擴(kuò)其他芯片，所以它比一般的8位51單片機(jī)芯片性能更好。系統(tǒng)以AVR微處理器為核心，配合成對(duì)的模擬多路開關(guān)、小信號(hào)運(yùn)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(fā)出高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的測(cè)量電路。

圖1 燃料電池的電壓巡回測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

具體測(cè)量電路的工作原理如下：燃料電池電堆一般是由多節(jié)單體電池組成，由于燃料電池組的每一節(jié)單體電池都需要實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量和監(jiān)控，任何一節(jié)單體電池劣化都會(huì)影響整個(gè)電堆的健康，而單體電池的健康與否是通過(guò)其單體工作電壓和溫度來(lái)決定的。本系統(tǒng)中電池取樣單元采用模擬多路開關(guān)和小信號(hào)運(yùn)算放大器配合完成對(duì)每節(jié)單體電池的高速循環(huán)取樣。一對(duì)相同模擬多路開關(guān)的地址線是一一對(duì)應(yīng)的，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)連通一節(jié)單體電池。一對(duì)模擬多路開關(guān)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(hào)是這兩點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的絕對(duì)值電壓。再通過(guò)小信號(hào)運(yùn)算放大器做減法運(yùn)算，從放大器輸出的就是一節(jié)單體電池的電壓。因?yàn)楸粶y(cè)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(cè)量，為控制器通過(guò)光電耦合器完成對(duì)多路模擬開關(guān)的隔離控制。單體電池電壓的測(cè)量使用AVR單片機(jī)內(nèi)部的高速、10位精度的AD轉(zhuǎn)換器，完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性的要求[7]。

2 甲醇燃料電池的電壓巡回測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.1 單體電池取樣電路設(shè)計(jì)

采用兩個(gè)雙極性電源的模擬多路開關(guān)AD7506對(duì)每節(jié)單體電池進(jìn)行高速循環(huán)取樣，其通道的切換由微處理器通過(guò)光電耦合器來(lái)控制[8]。為了提高精度，用穩(wěn)壓二極管做了一個(gè)基準(zhǔn)電壓，每測(cè)量一個(gè)單電池電壓都與這個(gè)基準(zhǔn)電壓去比較，使得數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確[9]。

模擬多路[10]開關(guān)AD7506的介紹：AD7506是美國(guó)AD公司的產(chǎn)品，28腳DIP封裝，信號(hào)從S端輸入，通過(guò)開關(guān)由OUT端輸出。16路開關(guān)由4位地址A3-A0及一個(gè)是能信號(hào)EN選擇。每個(gè)地址只能接通16個(gè)開關(guān)中的一個(gè)；這時(shí)，輸出端OUT就輸出被選中開關(guān)的輸入端信號(hào)。當(dāng)EN=“0”時(shí)，所有開關(guān)都斷開。

如圖2所示，這個(gè)電路主要包括有兩個(gè)模擬多路開關(guān)AD7506、16個(gè)限流電阻、4個(gè)光電耦合器、微處理器和參考基準(zhǔn)電壓電路等。模擬多路開關(guān)采用VDD1（+15V）和 VSS1（-15V）的隔離電源供電，而COM1為0V，該電路可測(cè)15個(gè)單電池電壓。4根地址輸入線通過(guò)光電耦合器輸入到模擬開關(guān)的地址選擇線（AD7506 的 A0，A1，A2，A3 端口）上，模擬開關(guān)使能端（AD7506的EN端口）直接接電源VDD，模擬開關(guān)有16通道的CMOS模擬開關(guān)。由兩個(gè)模擬開關(guān)組成16路差動(dòng)輸入的模擬信號(hào)采樣電路，其中一個(gè)由基準(zhǔn)電源組成的保準(zhǔn)電路接在AD7506的第1通道上，其他15個(gè)通道檢測(cè)單電池電壓。由于15節(jié)單電池的中點(diǎn)接在了電路的地端，因此電池的最低端的電壓絕不會(huì)低于-15V，電池的最高端電壓絕不會(huì)高于+15V，電路各點(diǎn)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(guān)地址選擇線務(wù)必通過(guò)4個(gè)光電耦合器與微處理器的I/O口相連，因?yàn)殡姵仉妷喝与娐放c微處理器的供電源是隔離的[11]。光電耦合器采用4個(gè)光電隔離器TLP521-2，微處理器的PD2、PD3、PD6、PD7端口輸出控制信號(hào)是通過(guò)四個(gè)光電隔離器TLP521-2去控制2個(gè)多路模擬開關(guān)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?yàn)楸粶y(cè)電池組往往電壓較高，所以必須采取相應(yīng)的隔離措施，小信號(hào)放大器的輸出通過(guò)一個(gè)隔離放大器使得信號(hào)的輸入和輸出得到隔離。電源通過(guò)DC/DC電源模塊進(jìn)行了隔離。這樣測(cè)量的電池電壓準(zhǔn)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(gè)外部電阻來(lái)設(shè)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(shè)計(jì)，并且功耗更低，因而非常適合電池供電及便攜式應(yīng)用。AD620具有高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療應(yīng)用。

ISO124是一款集成了一種新的占空比調(diào)制解調(diào)技術(shù)的精密隔離放大器。信號(hào)傳輸數(shù)字化形成跨越一個(gè)2 pF的電容的隔離。數(shù)字隔離調(diào)整不影響信號(hào)的完整性，因此信號(hào)通過(guò)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(gè)隔離電容都嵌入了塑料體的封裝之中。ISO124使用簡(jiǎn)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(jìn)行輸入輸出部分的隔離，并整體嵌入熟料封裝內(nèi)。輸入部分負(fù)責(zé)信號(hào)占空比的調(diào)制并將信號(hào)數(shù)字化通過(guò)隔離進(jìn)行傳輸。輸出部分接收經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，然后通過(guò)解調(diào)將信號(hào)變回模擬信號(hào)并除去紋波成分。輸入和輸出部分組合在一起，然后對(duì)特殊電路與輸入輸出的公共匹配進(jìn)行激光微調(diào)。輸入和輸出部分分別置于封裝的兩端，中間是將兩端進(jìn)行隔離的隔離電容。ISO124中的晶體管數(shù)量有250個(gè)。

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(hào)運(yùn)算放大器AD602、隔離放大器ISO124組成。兩個(gè)模擬多路開關(guān)AD7506取出的電壓差Vcell需要接到小信號(hào)運(yùn)算放大器AD620的輸入端，由于AD620運(yùn)算放大器輸出端的輸出的電壓信號(hào)還不能直接輸入給微處理器的AD通道，因?yàn)槲⑻幚砥飨到y(tǒng)不能與前段測(cè)試系統(tǒng)共地，所以電池取樣電路獲得電池電壓信號(hào)需經(jīng)過(guò)一個(gè)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(tǒng)的供電源一致，AD620輸出信號(hào)端與ISO124的輸入端相連，最后電池的電壓測(cè)量信號(hào)經(jīng)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(duì)工作中的燃料電池電堆實(shí)施實(shí)時(shí)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(guò)高，報(bào)警輸出向用戶提示。使用的溫度傳感器是DA18B20數(shù)字溫度傳感器。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了提高溫度傳感器數(shù)據(jù)線的抗干擾能力，在數(shù)據(jù)連線上接上拉電阻[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(tǒng)的電源VDD（5 V），DS18B20的GND引腳接微控制系統(tǒng)的電源地，其數(shù)據(jù)端口接微控制器芯片的PB0端口。本設(shè)計(jì)的原理是，每4個(gè)單體電池配一個(gè)溫度采集傳感器，共有16個(gè)單體電池，則需要T1、T2、T3和T4共4個(gè)溫度傳感器。通過(guò)總線的方式傳給微控制器芯片。當(dāng)采集到的溫度發(fā)生突變時(shí)，微控制器會(huì)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，然后通過(guò)電壓采集模塊迅速定位到具體的某節(jié)異常單體電池，并對(duì)其進(jìn)行故障排除。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

如圖5所示，此為甲醇燃料[14]電池巡檢電路實(shí)物，其中包括4片AD7506，通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式，可以同時(shí)對(duì)30片甲醇燃料單體電池進(jìn)行巡回測(cè)量檢測(cè)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)單體電池電壓的采樣周期是70毫秒一個(gè)循環(huán)，電壓測(cè)量誤差精度可達(dá)到99.24%。如圖6所示，為實(shí)驗(yàn)所用的甲醇燃料[15]電堆，此電堆共計(jì)由30節(jié)單體電池組成，每節(jié)單體電池的開路電壓為0.7 V，通過(guò)對(duì)甲醇燃料電堆單體電池電壓測(cè)試，得出如表1所示，其測(cè)量電壓為該巡檢電路所測(cè)的值，其實(shí)測(cè)電壓為通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量電堆所得的值，而所測(cè)得值得最大誤差在毫伏級(jí)，完全滿足實(shí)際要求的精度。

圖5 甲醇燃料電池巡檢電路實(shí)物

圖6 實(shí)驗(yàn)所用的甲醇燃料電堆

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的一種小功率甲醇燃料電池的電壓巡回測(cè)量電路目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率燃料電池進(jìn)行電壓巡回檢測(cè)，另外通過(guò)溫度傳感器來(lái)對(duì)單體電池進(jìn)行大范圍的檢測(cè)，在雙重保障下，使得燃料電池能夠正常穩(wěn)定的工作。該電路簡(jiǎn)單明了，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，操作方便，還具有報(bào)警和指示功能，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)單體電池的工作異常狀態(tài)并立即做出報(bào)警反應(yīng)，保護(hù)燃料電堆的正常工作。

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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(hào)：201609083

遼寧省自然科學(xué)基金（201602116）；江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)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(shù)、嵌入式開發(fā)及應(yīng)用。