专利名称：一种燃料电池电压巡回监视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，特别是一种燃料电池单个电池电压的巡回监视系统。
背景技术：
PEM燃料电池(质子交换膜燃料电池)的单片电池有效工作电压仅0.4-0.8V，需多片串联才能实际应用。多片串联式PEM燃料电池电堆工作时，单片不良电池对整个电堆都将构成影响，需对各片电池进行巡回监测，以便对不良单电池进行及时处理，保证电堆运行良好，因此有燃料电池电压巡回监测系统的出现。
目前通常PEM燃料电池巡回监测系统由主控单元、数据采集单元和开关网络单元构成，由主控单元发出命令，控制开关网络，使相应的燃料电池单电池端电压连接至数据采集单元，获得其实时电压值。但由于燃料电池多片串联的应用方式，在大功率应用系统中，燃料电池组具有很高的累计电势，单片电池两端也具有很高的共模电压，因此对监测系统的耐压以及共模电压抑制都有很高的要求。
如图一所示，一种现有的燃料电池电压巡回监视系统，燃料电池组11每片单电池的两端分别连接差分放大器14的同相输入端和反相输入端，获取单电池电压，然后经多路复用器或其他形式的开关网络15，由MCU(微控制器)17及A/D转换器(模拟/数字转换器)16控制，实现单片电池的电压巡回监视。该方案对差分放大器的共模抑制比要求很高，且差分放大器数量众多，使得其成本高昂。
如图二所示，另一种现有的燃料电池电压巡回监视系统，燃料电池组21各单电池被赋予编号，分为奇数编号及偶数编号，每节单电池正极连接一开关，分别为奇数编号开关25及偶数编号开关26，所有奇数编号开关相连，所有偶数编号开关相连，由MCU29控制开关动作，使得每次监测时，使相邻奇数编号开关和偶数编号开关闭合，再通过一高共模抑制比差分放大器27和A/D转换器28，实现一节单电池电压的测量。此方案的缺陷在于A/D转换器输入电压每监测一次便需要反相一次，因此要使用双极型A/D转换器，监测程序也相应复杂；同样开关动作也变得复杂化，使得巡回检测的速度下降。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种可应用于高累积电势燃料电池、开关网络结构简单、巡回速度快、成本低的燃料电池电压巡回监视系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种燃料电池电压巡回监视系统，该巡回监视系统由燃料电池组，开关网络单元、数字电位器构成的分压网络单元、数据采集单元及主控单元(MCU)组成。如图3所示，燃料电池组31的各单电池的正极分别连接一开关元件32，开关元件可选用继电器、模拟开关、多路复用器或具有开关特性的半导体元件，开关元件应具有高于燃料电池累积电势的耐压值。各开关元件输出端连接到由一电阻R133和一数字电位器34串联构成的分压单元。R1主要为降低电势，使数字电位器34可以可靠工作。数字电位器34的可调端接差分放大器35的同相输入端，反相输入端接系统参考地。差分放大器输出连接A/D转换器37，通过MCU36获得所测量的电压值。
其中，数字电位器34的分压比可通过串行/并行总线由MCU进行控制。通过MCU控制，每次闭合一个开关元件，假定此次为Km，测得数字电位器34的可调端电压值，设为Vtm，设此时分压比为Pm，数字电位器34上的分压比为P，为固定值。则通过MCU的运算，第m节单电池或第m区域燃料电池对参考地电压值为Vtm/(Pm×P)，并由MCU进行存储。断开Km，闭合Km+1，测得R2可调端电压值，设为Vtm+1，此时数字电位器分压比为Pm+1，通过MCU的运算，第m+1节单电池或第m+1区域燃料电池对参考地电压值为Vtm+1/(Pm+1×P)，并由MCU进行存储。则第m节单电池或第m区域燃料电池的电压值Vm为Vtm/(Pm×P)-Vtm+1/(Pm+1×P)。这样充分利用MCU的运算能力，即可方便地实现燃料电池组每节单电池或燃料电池区域的电压值。
本发明的进一步改进是所述开关网络单元是双路光耦合继电器，主控单元通过控制总线连接到一译码器，并通过译码器控制双路光耦合继电器的选通。
本发明的又一改进是所述开关网络单元是多路复用器或多路开关，主控单元通过控制总线连接多路复用器或多路开关并提供选通信号。
本发明的有益效果是由于采用数字电位器分压的方法，充分利用MCU的运算处理能力，电压监测过程不存在高共模电压的影响，并且开关结构简单，使得巡回监测速度快。整个系统使用一个差分放大器、一个A/D转换器、一个MCU，开关网络相同，仅增加了一个分压数字电位器，使得成本大幅降低，具有很高的实用价值。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1是一种现有的燃料电池电压巡回监视系统的系统结构图。
图2是另一种现有的燃料电池电压巡回监视系统的系统结构图。
图3是本发明燃料电池电压巡回监视系统的系统结构原理图。
图4是本发明燃料电池电压巡回监视系统的第一具体实施例的原理图。
图5是本发明燃料电池电压巡回监视系统的第二具体实施例的原理图。
具体实施方式实施例一
本实施例如图4所示，燃料电池组41每节单电池42正极引出接线端，连接到开关网络。开关元件43选用AQW210双路光耦合继电器，耐压值达350V，最快动作速度300us。每路光耦合继电器具有开关输入、开关输出及开关控制引脚。燃料电池组每节电池对应连接到一路光耦合开关的输入端，各光耦合开关输出端连接到一点，为开关网络输出端。每路光耦合开关控制端分别连接到译码器44，由MCU49控制译码器来控制开关状态。开关网络输出端串连接到分压电阻45及数字电位器46。分压电阻阻值由燃料电池组最高累积电势决定，保证数字电位器工作在可靠电压下。数字电位器选取工作电压30V、128抽头、100K欧阻值的MAX5438，其分压比可通过SPI串行总线由MCU进行控制。数字电位器可调端与系统地分别连接差分放大器47的同相输入端及反相输入端，数字电位器的输出端经A/D转换器48将检测到的电压值传输给MCU 49。根据系统精度的要求，A/D转换器可选用12位或16位。
每次监测，MCU由程序设定，控制一路开关闭合，并根据开关位置或编号，设定数字电位器分压比，分压比对应于开关位置或编号，可事先存储于MCU中，保证数字电位器可调端电压不超过差分放大器的输入电压范围即可。获得数字电位器可调端电压值后。断开此路开关，MCU控制下一路开关闭合，以及设定数字电位器分压比，用相同的方法获得下一节单电池对系统参考地的电压，用前面存储的电压值减去该电压即可得到此次所监测单电池的电压值。
其中，数字电位器的分压比和检测数字电位器可调端的电压值由如下算法获取每次闭合一个开关元件，假定此次为Km，测得数字电位器的可调端电压值，设为Vtm，设此时分压比为Pm，数字电位器上的分压比为P，为固定值。则通过MCU的运算，第m节单电池或第m区域燃料电池对参考地电压值为Vtm/(Pm×P)，并由MCU进行存储。断开Km，闭合Km+1，测得数字电位器可调端电压值，设为Vtm+1，此时数字电位器分压比为Pm+1，通过MCU的运算，第m+1节单电池或第m+1区域燃料电池对参考地电压值为Vtm+1/(Pm+1×P)，并由MCU进行存储。则第m节单电池或第m区域燃料电池的电压值Vm为Vtm/(Pm×P)-Vtm+1/(Pm+1×P)。
MCU程序控制所有开关依编号动作一遍即可实现燃料电池组所有单电池的电压监测。
实施例二本实施例如图五所示，该实施例适用于燃料电池组51的单电池数量较少、累积电势较低的情况，开关网络可选用多路复用器53，如CD4067，16选1的多路复用器，可工作在20V电压下。每节单电池52正极连接到多路复用器输入端，开关状态由MCU 57地址总线进行选择。多路复用器输出端连接到数字电位器54，MCU经差分放大器55及A/D转换器56获得数字电位器可调端电压。
本实施例的监测方法如同实施例一所述，该实施例具有更为简单的电路结构。
权利要求
1.一种燃料电池电压巡回监视系统，包括一组由若干单电池组成的燃料电池，开关网络单元、数据采集单元和主控单元，其特征在于燃料电池各单电池的正极连接到开关网络单元的输入端，开关网络单元的输出端连接到一数字电位器，主控单元连接开关网络单元的控制端并提供网络开关的控制信号，数字电位器将开关网络单元输出的电压通过数据采集单元传输到主控单元，主控单元连接到数字电位器并提供数字电位器的控制信号。
2.如权利要求1所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述的数据采集单元包括一差分放大器和数模转换器，数字电位器的可调端连接到差分放大器的同相输入端，差分放大器的反相输入端接地，差分放大器的输出端通过数模转换器连接到主控单元。
3.如权利要求1所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述开关网络单元的输出端和数字电位器间还连接有一分压电阻。
4.如权利要求1或2或3之一所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述开关网络单元是双路光耦合继电器。
5.如权利要求4所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述主控单元通过控制总线连接到一译码器，并通过译码器控制双路光耦合继电器的选通。
6.如权利要求4所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述主控单元通过控制总线连接到数字电位器并设定数字电位器分压比。
7.如权利要求1或2之一所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述开关网络单元是多路复用器或多路开关。
8.如权利要求7所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述主控单元通过控制总线连接多路复用器或多路开关并提供选通信号。
9.如权利要求7所述的燃料电池电压巡回监视系统，其特征在于所述主控单元通过控制总线连接到数字电位器并设定数字电位器分压比。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池电压巡回监视系统，包括一组由若干单电池组成的燃料电池，开关网络单元、数据采集单元和主控单元，其中，燃料电池各单电池的正极连接到开关网络单元的输入端，开关网络单元的输出端连接到一数字电位器，主控单元连接开关网络单元的控制端并提供网络开关的控制信号，数字电位器将开关网络单元输出的电压通过数据采集单元传输到主控制单元，主控制单元连接到数字电位器并为其提供的控制信号。本发明优点是开关结构简单，巡回监测速度快，且成本较低。
文档编号H01M8/24GK101034745SQ20061003428
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者张振 申请人:比亚迪股份有限公司