专利名称：一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于新能源燃料电池电压测量的电路，尤其涉及针对甲醇燃料电池电堆的电压巡回测量电路。
背景技术：
随着现代社会发展对能源的大量消耗，传统能源越来越不能满足人类的要求，特 别是在提出可持续发展和保护环境的今天，人类对新能源的开发和利用成为极其重要的话 题。其中燃料电池就是目前一种正在被开发和利用的新能源之一，其机理是利用燃料与空 气中的氧进行化学反应，在产生电流的同时生成水和二氧化碳，它作为一种既有较高的能 源利用效率又不污染环境的能源在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天 技术等方面有着广阔的应用前景。其中甲醇燃料电池(DMFC)是燃料电池中结构较简单，体 积较小的一种，以甲醇作为燃料，主要应用于便携式发电设备中，它可以对小功率的负载持 续地供电。一个直接甲醇燃料电池电堆是由很多节燃料电池串联而成，电压巡检是甲醇燃 料电池电堆运行中的重要环节，因为燃料电池系统各操作参数的变化均反映在电池组内各 单节电池工作电压上，因此各种故障可能引起电池组不能正常运行的前兆也首先反映在电 池组内某节单池的工作电压变化上。同时在电池系统运行时，监测电池组各节单体电池的 的电压、依据电池组在稳定功率输出时某节单电池工作电压的变化并分析引这种变化的原 因，在电池组故障发生前采用某些措施，争取排除故障，使电池组恢复到正常工作状态。比 如某节电池突然下降，有可能是液态水在此节单池出口积累，导致惰性气体在此节单池气 腔积累，此时可采用短时间脉冲排气，将此节单池出口积累的液态水排出，使电池组恢复正 常运行。通常对于小的电堆监视电池电压相对比较容易，因为小电堆内部的流场分布比较 均勻，当气体从进气口进入电池后气体的压力分布均勻，压力降很小，在腔内积累的液态水 很容易被高压气体排出，电堆的电压变换直接反映了电池各单节的变化，明显的单节电池 电压的变化直接会造成总电压的变化。在这种情况下，我们可以直接测量其总电压即可评 价出电池的运行状况。在电池节数比较大的情况下，电池内部气体管道比较长压力降比较 大，多节电池由于加工造成的不均勻性也可导致进入电池腔内的气体压力极不均勻，就会 导致各单节电压也不均勻。明显的单节电压降低往往是极个别的，这种变换在总电压上很 难察觉出来，有一个单节电池的死亡就会造成整个电堆的崩溃。因此对燃料电池电堆各单 节电池的工作电压予以巡回监测成为必须。

发明内容
本发明针对甲醇燃料电池电堆提出了一种简洁实用的电压巡回测量电路，系统电 路的组成及工作原理如下整个测量电路系统包括电池取样单元、隔离放大单元、温度采集单元、微控处理中 心、调试接口、通信接口、显示器接口、故障报警输出单元及上位机监控单元几部分组成，能够对15节串联的燃料电池进行电压巡检。基于对系统性能、抗干扰能力、成本等问题 的考虑，电池组电压测量电路的核心微处理器采用了 ATMEL公司的AVR的8位微处理器 ATMEGA8L，它工作温度范围宽，电磁兼容特性好，内有10位的AD转换通道、PWM输出及看门 狗电路等，在实用中无需外扩其他芯片，所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好。系 统以AVR微处理器为核心，配合成对的模拟多路开关、小信号运算放大器、隔离放大器、液 晶显示器及光电耦合器等电子器件和电路研究开发出高精度、实时性强的测量电路。测量电路的工作原理是通常燃料电池电堆是由多节单体电池组成，由于然料电 池组的每一节单体电池都需要实时、精确地测量，本发明电池取样单元采用模拟多路开关 和小信号运算放大器配合完成对每节单体电池的高速循环取样。一对相同模拟多路开关的 地址线是一一对应的，每一个地址对应连通一节单体电池。一对模拟多路开关相同的输入 端分别连接一节单体电池的两端，他们输出的信号是这两点相对于参考点的绝对值电压。 再通过小信号运算放大器做减法运算，从放大器输出的就是一节单体电池的电压。因为被 测电堆的整体电压往往较高，所以需要采取一些隔离措施。我们采用隔离放大器完成隔离 测量，为控制器通过光电耦合器完成对多路模拟开关的隔离控制。单体电池电压的测量使 用AVR单片机内部的高速、10位精度的AD转换器，完全可以满足系统对测量精度和实时性 的要求。
电池取样单元采用两个双极性电源的模拟多路开关AD7506和双极性的小信号 运算放大器AD620配合完成对每节单体电池的高速循环取样。其通道的切换由微处理器控 制通过光电隔离器件来控制。为提高精度，用稳压二极管做了一个基准电压，每测量一个单 电池电压都与这个基准电压去比较，使得数据非常准确。隔离放大单元采用光电隔离放大器IS0124，以实现隔离测量。微控处理中心采用了 ATMEL公司的AVR的8位微处理器ATMEGA8L，它工作温度 范围宽，电磁兼容特性好，内有10位的AD转换通道、PWM输出及看门狗电路等，在实用中无 需外扩其他芯片，所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好，主要完成对电池电压、温度 的采样及对采样电路的隔离控制。温度采集单元温度信号采集采用DS18B20数字温度传感器，以实现对燃料电池 电堆电压的检测。调式接口 采用ISP调试接口设计，实现对微控制的程序下载。通信接口 采用MAX232芯片设计RS-232串行接口，为与上位机通信准备。显示器接口 采用串行控制的8位数字液晶，显示测量数据和故障码。故障报警输出单元检测到电池系统故障，向用户报警。上位机监控单元基于LABVIEW软件开发。用以对电池的监控管理。本发明的有益效果是通过对燃料电池电堆各单节电池的工作电压予以巡回监 测，设计故障报警，及时避免因单节电池的死亡造成整个电堆的崩溃等问题出现，且简洁实 用。


图1为本发明系统结构原理图。图2为本发明单节电池电压取样电路原理图。
图1中，1、甲醇燃料电池电堆，2、电池取样单元，3、隔离放大单元，4、微控处理中 心，5、温度采集单元，6、电池取样切换控制线路，7、调试接口，8、通信接口，9、上位机监控单 元，10、故障报警输出单元，11、显示器接口。
具体实施例方式本发明单节电池电压取样电路见图2，这个电路包括两个模拟多路开关AD7506、 一个小信号运算放大器AD620和16个限流电阻，模拟多路开关和运算放大器采用士 15V输 出的隔离电源供电，该电路可测量15个单电池电压。4根地址输入线通过光耦合器输入到 模拟开关的地址选择线(AD7506的A0，A1，A2，A3端口)上，模拟开关使能端(AD7506的EN 端口 )直接接电源VDD，模拟开关有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模拟开关。由两个模拟开关组成16路差动 输入的模拟信号采样电路，其中一个由基准电源组成的保准电路接在AD7506的第1通道 上，其他用15个通道检测单电池电压。由于15节单电池的中点接在了电路的地端，因此电 池的最低端的电压绝不会低于-15V，电池的最高端电压绝不会高于+15V，电路各点的电压 都处在安全的条件下。模拟开关的输出(AD750 6DE的OUT端口)接在差动测量放大器的输 入端(AD620的第1和第3引脚)，放大器的输入共模信号可能高于10V，但差动信号不高于 1. 2V(因为一般一节燃料电池电压最大也就是1. 2V)，因此放大器的输出转变为相对于地 的 1. 2V。隔离放大单元因为被测电池组往往电压较高，所以必须采取相应的隔离措施，放 大器的输出通过一个隔离放大器使得信号的输入和输出得到了隔离。电源通过DC/DC电源 模块也进行了隔离。这样测量的电池电压准确可靠，电路更加安全。所以由AD620运算放 大器输出端(AD620的低6引脚)输出的电压信号还不能直接输入给微处理器的AD通道， 因为微处理器系统不能与前段测试系统共地，所以电池取样电路获得电池电压信号需经过 一个光电隔离放大器后方可送入微处理器的AD通道。光电隔离放大器用IS0124，其输入端 供电源与电池取样电路的供电源一致，其输出端供电源与微控制系统的供电源一致，AD620 输出信号端(AD620的低6引脚)与IS0124的输入端(IS0124的15引脚)相连，最后电池 的电压测量信号经IS0124的输出端(IS0124的7引脚)输出，送入微控制的AD通道(微 处理器ATMEGA8L的第PC5引脚)。微控处理中心微处理中心的核心是采用了 ATMEL公司的AVR的8位微处理器 ATMEGA8L，它工作温度范围宽，电磁兼容特性好，内有10位的AD转换通道、PWM输出及看门 狗电路等，在实用中无需外扩其他芯片，所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好，主要 完成对电池电压和温度的采样、分析、处理，及对采样电路的隔离控制，电池取样电路的模 拟多路开关地址选择线务必通过4个光电耦合器与微处理器的I/O 口相连，因为电池电压 取样电路与微处理器的供电源是隔离的。光电隔离器件采用TLP521-2.，微处理器的PD2、 PD3、PD6、PD7端口输出控制信号是通过两个TLP521-2光电隔离器后去控制2个多路模拟 开关AD7506的四位地址选择口(AD7506的A0，Al，A2，A3端口)。温度采集单元对工作中的燃料电池电堆实施实时温度监控，给用户或燃料电池 电堆控制系统提供温度信息，如果温度过高，报警输出向用户提示。使用的温度传感器是 DS18B20数字温度传感器，其电源端(DS10B20传感器的VCC引脚)接微控制系统的电源VDD(5V)，其接地端(DS10B20传感器的GND引脚)接微控制系统的电源的地)，其数据端口 (DS10B20传感器的D引脚)接微控制芯片的PBO端口，为提高温度传感器数据线的抗干扰 能力，在数据连线上接上拉电阻。调试接口 该系统采用ISP调试接口，主要在微控制系统开发过程中用以实现对 微控制芯片的程序下载。通信接口 考虑到上位机对燃料电池系统的监控，专门基于MAX232芯片设计了控 制系统的串行通信接口，以便于上位机与本系统间的数据通信 。其目的在于对燃料电池系 统的工作参数予以监控，以及对系统中一些系数进行标定。通信接口电路均采用标准电路。 在此不再详述。显示器接口 为节省控制芯片的资源，系统采用通用的串行控制的8位数字液晶 模块，主要用于显示测量的电池电压数据和故障码。该显示有电源引脚VCC、接地引脚GND、 时钟引脚CLK、数据引脚D。VCC引脚接控制系统的VDD电源，GND引脚接控制系统的地，CLK 弓丨脚接控制芯片的PBl端口，数据口 D接微控制芯片的PB2端口。故障报警单元检测到电池系统中一些电压较低的电池认为有问题或需要维护， 通过触发蜂鸣器向用户故障报警，通过显示器显示出有问题电池的故障码编号及电压数 据。报警电路由一个PNP型三极管和一个5V的蜂鸣器组成。控制蜂鸣器的信号来自微控 制芯片的PC4.端口，低电平有效。上位机监控单元上位机界面主要是基于LaVIEW而设计的串口通信的界面，其作 用是实时动态地显示和存储数据，此界面既可监控电池当前状态，又可查询每节电池的历 史状态和电压值的走向，如此便于掌握整个燃料电池的工作状态。LabVIEW是一种程序开发 环境，由美国国家仪器(Ni)公司研制开发，LabVIEW使用的是图形化编辑语言来编写程序， 产生的程序是框图的形式，用此所开发出的界面具有美观性好、控制简单和兼容性高等优 点。本系统主要是采用VISA模块来和微处理器进行通信，在接收到数据并校验无误后显示 在Labview设计的界面上。界面上可以检测每节电压的实时电压值，可以查询单节电池在 一段时间内的电压走势，可以根据需要存储所有单节单体电池在每个时间段内的电压。在 电压异常时，可通过图形的颜色变化来提醒用户及时做出相应决策。提高测量精度的措施对于大规模燃料电池系统要测量大量的电池电压，甚至几 百节，要求检测周期尽可能快，否则的话在一个检测周期内系统可能变化，特别随着燃料电 池工作的进行其周边的温度会发生变化，导致测量系统的温度发生变化，就会造成测量数 据的不准。我们采取在电路中设计一个基准电源，每测量一个单电池电压都与这个基准电 压去比较，使得数据非常准确。长期工作导致模拟开关参数及放大倍数变化，但是基准电池电压不会变化。当系 统变换时测得的单池电压变化，但测得的基准电池电压也变化，这种变化的影响是同等的。 用测得的基准电池电压来比较就可以得到实际的单池电压。本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改 变，均列为本发明的保护范围。
权利要求
一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路，其特征在于整个测量电路系统包括电池取样单元、隔离放大单元、温度采集单元、微控处理中心、调试接口、通信接口、显示器接口、故障报警输出单元及上位机监控单元几部分组成；所述的电池取样单元采用两个双极性电源的模拟多路开关和双极性的小信号运算放大器配合完成对每节单体电池的高速循环取样，其通道的切换由微控处理中心的微处理器控制通过隔离放大单元来控制；用稳压二极管做了一个基准电压，每测量一个单电池电压都与这个基准电压去比较；所述的隔离放大单元采用光电隔离放大器ISO124；所述的微控处理中心主要完成对电池电压、温度的采样及对采样电路的隔离控制；所述的温度采集单元温度信号采集采用数字温度传感器，以实现对燃料电池电堆电压的检测；所述的调式接口采用ISP调试接口设计，实现对微控制处理中心的程序下载；所述的通信接口采用MAX232芯片设计RS-232串行接口，为与上位机通信准备；所述的显示器接口采用串行控制的8位数字液晶，显示测量数据和故障码；所述的故障报警输出单元检测到电池系统故障，向用户报警；所述的上位机监控单元基于LABVIEW软件开发，用以对电池的监控管理。
2.如权利要求1所述的一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路，其特征在于 所述的电池取样单元包括两个模拟多路开关AD7506、一个小信号运算放大器AD620和16个 限流电阻，模拟多路开关和运算放大器采用士 15V输出的隔离电源供电，4根地址输入线通 过光耦合器输入到模拟开关的地址选择线上，模拟开关使能端直接接电源VDD，模拟开关有 16通道的CMOS模拟开关，由两个模拟开关组成16路差动输入的模拟信号采样电路，其中一 个由基准电源组成的保准电路接在模拟开关的第1通道上，其他用15个通道检测单电池电 压；模拟开关的输出接在差动测量放大器的输入端；所述的隔离放大单元电池取样单元获得电池电压信号经过一个光电隔离放大器后送 入微处理器的AD通道，光电隔离放大器用IS0124，其输入端供电源与电池取样单元的供电 源一致，其输出端供电源与微控制处理中心的供电源一致，AD620输出信号端与IS0124的 输入端相连，电池的电压测量信号经IS0124的输出端输出，送入微处理器的AD通道；所述的微控处理中心采用了 ATMEL公司的AVR的8位微处理器ATMEGA8L，主要完 成对电池电压和温度的采样、分析、处理，及对采样电路的隔离控制，电池取样单元的模拟 多路开关地址选择线通过4个光电耦合器与微处理器的I/O 口相连，光电隔离器件采用 TLP521-2，微处理器的PD2、PD3、PD6、PD7端口输出控制信号通过两个TLP521-2光电隔离 器后去控制2个多路模拟开关AD7506的四位地址选择口 ；所述的温度采集单元使用的温度传感器是数字温度传感器，其电源端接微控制系统 的电源VDD，其接地端接微控制系统的电源的地，其数据端口接微控制芯片的PB0端口，在 数据连线上接上拉电阻；所述的调试接口采用ISP调试接口 ；所述的通信接口为基于MAX232芯片设计控制系统的串行通信接口，以便于上位机与 本系统间的数据通信；所述的显示器接口，采用通用的串行控制的8位数字液晶模块，该显示有电源引脚VCC、接地引脚GND、时钟引脚CLK、数据引脚D ；VCC引脚接控制系统的VDD电源，GND引脚接 控制系统的地，CLK引脚接控制芯片的PB1端口，数据口 D接微处理器的PB2端口 ；所述的故障报警输出单元由一个PNP型三极管和一个的蜂鸣器组成；控制蜂鸣器的 信号来自微控制芯片的PC4.端口，低电平有效；所述的上位机监控单元上位机界面主要是基于LaVIEW而设计的串口通信的界面，其 作用是实时动态地显示和存储数据，此界面既可监控电池当前状态，又可查询每节电池的 历史状态和电压值的走向，如此便于掌握整个燃料电池的工作状态。
全文摘要
一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路，通常燃料电池电堆是由多节单体电池组成，由于然料电池组的每一节单体电池都需要实时、精确地测量，本发明采用模拟多路开关和小信号运算放大器配合完成对每节单体电池的高速循环取样。采用隔离放大器完成隔离测量，为控制器通过光电耦合器完成对多路模拟开关的隔离控制。通过对燃料电池电堆各单节电池的工作电压予以巡回监测，设计故障报警，及时避免因单节电池的死亡造成整个电堆的崩溃等问题出现，且简洁实用。
文档编号G01R31/36GK101865942SQ20101014122
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者曾洁, 贾世杰, 邹娟, 郭永伟 申请人:大连交通大学