摘  要： 根據電池堆性能測試及其控制系統研發需要，設計了一種燃料電池堆單片電壓檢測系統。該系統精度高、實時性好、穩定性強，而且電路簡單、成本低、體積小、易布局。實驗證明該系統能夠有效地完成燃料電池單片電壓實時采集、顯示和保存。已成功應用于200 W常溫常壓空冷質子交換膜燃料電池(PEMFC)電源控制系統。
關鍵詞： 燃料電池；單片電壓；電壓檢測；LabVIEW

　當今時代，環境保護已成為人類社會可持續發展戰略的核心，既有較高能源利用效率又不污染環境的新能源是能源發展的方向。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轉換為電能，其最大特點是反應產物為純凈水，而且噪聲也很小，對環境沒有污染。因此燃料電池及其電源系統的研究對減少環境污染和減小溫室效應具有重要的意義[1，2]。
　在標準條件下(25 ℃)，質子交換膜燃料電池(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遠低于按熱力學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。為了滿足負載的電壓要求，傳統雙極電堆常采用串聯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、改進電堆結構，以確保電堆中各單片電池工作性能的一致性；便于控制系統及時做出正確決策，維持電堆安全、可靠、穩定運行。燃料電池堆單片電壓檢測系統不僅在電堆設計、研發階段非常重要，在維護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，設計開發了20片燃料電池堆單片電壓檢測系統，可以實時檢測、顯示單片電壓數據。單片電壓通過RS232串行通信口上傳給上位PC機顯示、保存、分析、處理，便于科研人員進一步分析研究燃料電池堆的工況和性能。
1 系統組成
　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。根據電堆具體結構形式和尺寸，設計專用單片電壓檢測系統，系統框圖如圖1所示。系統主要由下位單片電壓檢測系統和上位機監控系統組成。檢測系統包括信號取樣、信號調理、A/D轉換、CPU控制等單元，完成單片電壓實時精確檢測、顯示和報警。上位機監控系統通過RS232串口通信與上位PC機連接，完成數據顯示、保存、分析處理等。
2 檢測系統設計
　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。根據電堆結構尺寸，按照單片電池之間精確尺寸設計專用檢測板，電堆中各單片電壓信號通過探針與信號調理單元連接，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極為信號調理單元的共地端，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，要求信號調理單元應具有較強的抑制共模信號的能力。該檢測系統采用差分電壓測量方法，僅放大差模信號，抑制共模信號。各個串聯單片電池電壓信號經信號調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。信號調理單元采用通用放大器，由6片MC3403實現20片單片電壓信號檢測，具體電路見圖2。為了提高系統檢測精度，彌補通用放大器不足，該系統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。經過軟件修正，系統精度達到5 mV以內。

　當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，甚至出現負電壓。在電池堆性能檢測中，要求檢測單元能夠測量小的負電壓。為此，設計時在信號調理單元采用地電平相對平移的方法，巧妙地解決了A/D轉換器不能測量負電壓的問題。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信號調理單元輸出后加限幅輸出保護電路，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，使信號調理單元輸出電壓鉗位于電源電壓AVCC和-0.7 V之間，保護檢測單元后續器件的安全，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，系統中A/D轉換器選用德州儀器公司生產的12位多通道串行模數轉換芯片TLC2543。該芯片有11個模擬輸入通道，采用SPI數據接口傳輸A/D轉換結果[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ATmega16[5]，TLC2543的通道號由CPU的I/O口控制，進行循環順序選通，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，協助及時做出處理。
3 上位機界面設計
　LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering) 是一種基于圖形語言(G語言)的程序開發、調試和運行集成化環境，廣泛用于工業界、學術界和研究實驗室。該語言提供了大量的常用控件，如旋鈕、開關、按鈕、圖形顯示等，便于根據用戶需要，設計各種簡單、直觀，且易于理解、調試和維護的專用測試程序。
本上位機界面以LabVIEW8.2[6]為軟件平臺，采用VISA功能模塊開發燃料電池單片電壓檢測系統上位機監控程序。上位機程序通過串口每1 s與檢測系統進行1次交互，上位機發送讀數據指令，檢測系統返回24位數據，包括電堆電壓、電堆電流、21路單片電壓和偏置電壓數據，每片電池的電壓為1位，每位數據8 bit。上位機正確接收數據后，對接收數據進行處理。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；采用數組和數值控件精確顯示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。除了顯示數據以外，上位機監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。系統根據用戶選擇的存儲路徑，將這些值作為歷史文件保存到相應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成功應用于自行研制的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，檢測系統完全貼附于整個電堆表面。圖4為該系統實際檢測結果。系統測量為該系統實時測量的實際結果，實際測量為采用高精度萬用表測得的值。測量結果表明，該檢測系統測量的最大誤差在5 mV以內，完全滿足系統測量精度要求。另外，由測試結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，設計了以單片機為核心的單片電壓檢測系統及其上位機監測軟件。該系統體積小、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集成，實現電堆單片電壓實時檢測。實踐證明該檢測系統結構簡潔、可靠性高，能夠實現電堆單片電壓實時高精度檢測。
參考文獻
[1] TORI C， BALEZTENA M， PERALTA C， et al. Advances in the development of a hydrogen/oxygen PEM fuel cell stack[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2008，33(13)：3588-3591.
[2] Chen Jixin， Zhou Biao. Diagnosis of PEM fuel cell stack dynamic behaviors. Journal of Power Sources， 2008，177(1)：83-95.
[3] SPIEGEL C.燃料電池設計與制造[M].馬欣，王勝開，陳國順等譯，北京：電子工業出版社，2008.
[4] Texas Instrument. TLC2543 Data Book[S]. http：//www.ti.com，2001.
[5] Atmel Corporation. ATmega16產品手冊.2005.
[6] 豈興明，周建興，矯津毅. LabVIEW8.2中文版入門與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2008.