摘 要： 根據(jù)電池堆性能測試及其控制系統(tǒng)研發(fā)需要，設(shè)計了一種燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度高、實時性好、穩(wěn)定性強(qiáng)，而且電路簡單、成本低、體積小、易布局。實驗證明該系統(tǒng)能夠有效地完成燃料電池單片電壓實時采集、顯示和保存。已成功應(yīng)用于200 W常溫常壓空冷質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電源控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 燃料電池；單片電壓；電壓檢測；LabVIEW
當(dāng)今時代，環(huán)境保護(hù)已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心，既有較高能源利用效率又不污染環(huán)境的新能源是能源發(fā)展的方向。氫是一種理想的能量載體，是完全符合人們期待的新能源之一。氫能利用的一個重要方面就是燃料電池，它將氫和空氣中的氧反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，其最大特點是反應(yīng)產(chǎn)物為純凈水，而且噪聲也很小，對環(huán)境沒有污染。因此燃料電池及其電源系統(tǒng)的研究對減少環(huán)境污染和減小溫室效應(yīng)具有重要的意義[1，2]。
在標(biāo)準(zhǔn)條件下(25 ℃)，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的理論電動勢為1.229 V，但由于存在活化極化、歐姆極化和濃差極化等電壓損失，電池工作過程中的實際輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于按熱力學(xué)方法計算出來的理論電動勢。PEMFC單片電池的開路電壓一般為0.9 V～1.0 V，額定工作電壓在0.6 V左右。為了滿足負(fù)載的電壓要求，傳統(tǒng)雙極電堆常采用串聯(lián)方式將許多單片電池連接在一起，一片電池的陰極與下一片電池的陽極相連[3]。顯然，單片電池的性能影響著整個電池堆的性能。在不同測試及工作狀況下實時檢測電堆單片電池電壓，便于研究人員研究分析電堆的工況和性能、改進(jìn)電堆結(jié)構(gòu)，以確保電堆中各單片電池工作性能的一致性；便于控制系統(tǒng)及時做出正確決策，維持電堆安全、可靠、穩(wěn)定運行。燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)不僅在電堆設(shè)計、研發(fā)階段非常重要，在維護(hù)電堆正常運行中也是不可缺少的。基于此，針對自行研制的200 W常溫常壓空冷氫空PEM燃料電池堆，設(shè)計開發(fā)了20片燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)，可以實時檢測、顯示單片電壓數(shù)據(jù)。單片電壓通過RS232串行通信口上傳給上位PC機(jī)顯示、保存、分析、處理，便于科研人員進(jìn)一步分析研究燃料電池堆的工況和性能。
1 系統(tǒng)組成
自行研制的200 W常溫常壓空冷氫空PEM燃料電池堆由20片單片電池串聯(lián)組成，采用一體化散熱和配氣裝置，使得散熱、供氧更均勻。根據(jù)電堆具體結(jié)構(gòu)形式和尺寸，設(shè)計專用單片電壓檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由下位單片電壓檢測系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。檢測系統(tǒng)包括信號取樣、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、CPU控制等單元，完成單片電壓實時精確檢測、顯示和報警。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過RS232串口通信與上位PC機(jī)連接，完成數(shù)據(jù)顯示、保存、分析處理等。
2 檢測系統(tǒng)設(shè)計
該電堆為空冷電堆，每個單片電池都帶有自身的散熱流道，相鄰兩單片電池之間有一定間距。根據(jù)電堆結(jié)構(gòu)尺寸，按照單片電池之間精確尺寸設(shè)計專用檢測板，電堆中各單片電壓信號通過探針與信號調(diào)理單元連接，可靠取樣單片電壓信號。如圖1所示，選擇第0片即燃料電池堆輸出負(fù)極為信號調(diào)理單元的共地端，其主要原因是燃料電池堆第1片與其輸出負(fù)極之間有一定的電位，測試時影響第1片電池電壓測試精度，另外也是為了保證整個控制系統(tǒng)地信號的一致性。
燃料電池堆中各單片電壓信號為差模小信號，并含有較大的共模部分，要求信號調(diào)理單元應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號的能力。該檢測系統(tǒng)采用差分電壓測量方法，僅放大差模信號，抑制共模信號。各個串聯(lián)單片電池電壓信號經(jīng)信號調(diào)理單元后得到差分電壓，即單片電池電壓放大信號，輸出的各路差分電壓信號共地。信號調(diào)理單元采用通用放大器，由6片MC3403實現(xiàn)20片單片電壓信號檢測，具體電路見圖2。為了提高系統(tǒng)檢測精度，彌補通用放大器不足，該系統(tǒng)采用軟件分段線性擬合方法以減小誤差，修正采樣電壓到真實電壓。經(jīng)過軟件修正，系統(tǒng)精度達(dá)到5 mV以內(nèi)。
當(dāng)燃料電池堆輸出較大功率時，部分性能不佳的單片電池輸出電壓將降為0 V左右，甚至出現(xiàn)負(fù)電壓。在電池堆性能檢測中，要求檢測單元能夠測量小的負(fù)電壓。為此，設(shè)計時在信號調(diào)理單元采用地電平相對平移的方法，巧妙地解決了A/D轉(zhuǎn)換器不能測量負(fù)電壓的問題。具體方法是在差分放大電路輸入端引入偏置電壓(見圖2中Vref)。該檢測系統(tǒng)中偏置電壓Vref為2.5 V，單片電壓信號放大2倍后再加偏置電壓Vref輸出給A/D轉(zhuǎn)換單元。單片電壓檢測范圍為-1.25 V～+1.25 V。
每片電池電壓信號經(jīng)信號調(diào)理單元輸出后加限幅輸出保護(hù)電路，由雙二極管與限流電阻組成，它一方面限制運放的輸出電流，另一方面也限制輸出電壓的幅值，使信號調(diào)理單元輸出電壓鉗位于電源電壓AVCC和-0.7 V之間，保護(hù)檢測單元后續(xù)器件的安全，以免電路故障輸出電壓過大而損壞其他電路。
為了提高檢測精度，系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器選用德州儀器公司生產(chǎn)的12位多通道串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543。該芯片有11個模擬輸入通道，采用SPI數(shù)據(jù)接口傳輸A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果[4]。實際電路中采用兩片TL2543I完成21路單片電壓及偏置電壓采樣。CPU選用高性能的AVR系列單片機(jī)ATmega16[5]，TLC2543的通道號由CPU的I/O口控制，進(jìn)行循環(huán)順序選通，將20路電壓信號分別送入CPU控制單元。LCD液晶顯示器選用LCM12864ZK串行液晶顯示器，分頁顯示單片電池的實時電壓值，每隔5 s自動更新一頁。另外，當(dāng)燃料電池堆中某片或某幾片電池工作異常時，CPU輸出報警信號，協(xié)助及時做出處理。
3 上位機(jī)界面設(shè)計
LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering) 是一種基于圖形語言(G語言)的程序開發(fā)、調(diào)試和運行集成化環(huán)境，廣泛用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室。該語言提供了大量的常用控件，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖形顯示等，便于根據(jù)用戶需要，設(shè)計各種簡單、直觀，且易于理解、調(diào)試和維護(hù)的專用測試程序。
本上位機(jī)界面以LabVIEW8.2[6]為軟件平臺，采用VISA功能模塊開發(fā)燃料電池單片電壓檢測系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序。上位機(jī)程序通過串口每1 s與檢測系統(tǒng)進(jìn)行1次交互，上位機(jī)發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，檢測系統(tǒng)返回24位數(shù)據(jù)，包括電堆電壓、電堆電流、21路單片電壓和偏置電壓數(shù)據(jù)，每片電池的電壓為1位，每位數(shù)據(jù)8 bit。上位機(jī)正確接收數(shù)據(jù)后，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用儀表顯示電堆電壓、電堆電流；采用波形圖以柱形圖形式實時顯示20片單片電池電壓；采用數(shù)組和數(shù)值控件精確顯示20片單片電池電壓值及其最大值、最小值、平均值。如圖3所示。除了顯示數(shù)據(jù)以外，上位機(jī)監(jiān)控界面還能夠存儲燃料電池堆的電壓、電流、20片單片電壓值。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的存儲路徑，將這些值作為歷史文件保存到相應(yīng)TXT文本中，方便查詢每片單體電池的歷史及其電壓變化趨勢，方便分析與管理燃料電池堆單片電池。
4 實驗測試
該燃料電池單片電壓檢測系統(tǒng)成功應(yīng)用于自行研制的200 W常溫常壓空冷氫空PEM燃料電池堆單片電壓檢測。電堆由20片單片電池組成，檢測系統(tǒng)完全貼附于整個電堆表面。圖4為該系統(tǒng)實際檢測結(jié)果。系統(tǒng)測量為該系統(tǒng)實時測量的實際結(jié)果，實際測量為采用高精度萬用表測得的值。測量結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)測量的最大誤差在5 mV以內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)測量精度要求。另外，由測試結(jié)果可見整個電堆中單片電池的一致性也比較好。
采用差分放大電壓檢測電路，設(shè)計了以單片機(jī)為核心的單片電壓檢測系統(tǒng)及其上位機(jī)監(jiān)測軟件。該系統(tǒng)體積小、重量輕，可以直接貼附于燃料電池堆表面，易于與電堆控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)電堆單片電壓實時檢測。實踐證明該檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)電堆單片電壓實時高精度檢測。
參考文獻(xiàn)
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[2] Chen Jixin， Zhou Biao. Diagnosis of PEM fuel cell stack dynamic behaviors. Journal of Power Sources， 2008，177(1)：83-95.
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