一种带启停均衡控制的燃料电池堆单体电压巡检系统的制作方法

本实用新型涉及可拓展串联单元阵列电压信号采集技术领域，尤其涉及一种带启停均衡控制的燃料电池堆单体电压巡检系统。

背景技术：

储能系统或能量转换系统是能源领域的重要组成部分，其中储能电池和燃料电池是应用非常广泛的储能装置和能量转换装置。燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料氧化剂中的化学能转换为电能的装置，以氢氧燃料电池为例，其产物仅为水，同时具有高能源利用率和无污染的特点，因此被誉为新能源汽车的终极解决方案。无论储能电池或燃料电池，均需要通过串联或并联后方可在实际中应用。为了保证系统的安全性，需要实时检测其单体电压信号，其中燃料电池单体电压信号小，且具有显著的波动性，因此本实用新型主要关注燃料电池的电压信号检测。

燃料电池单体电压检测实质就是可拓展串联单元阵列电压信号采集，针对燃料电池单体电压巡检系统，已经有相应专利公布，主要包括三类：电阻分压和多路模拟开关方法、光耦继电器方法、专用采集芯片方法。中国专利1(CN 201859204 U)提出了一种多路开关模拟方法，该专利采用两个多路模拟开关共计32个通道，却仅采集15节单体，利用率较低；其次，15节单体中点接COM公共端会存在电势累积。中国专利2(CN 1746695 A)和中国专利3(CN 102288813 A)均采用光耦继电器方案，相比多路模拟开关具有优势，中国专利2采用差动信号采集单体电压，能够很好的消除累积电势，但其绝对值电路直接消除负信号，且没有其他逻辑手段对信号进行分析，不利于系统故障诊断；专利3可以测量正负信号，有效弥补中国专利2的缺点，但是中国专利3采用的电池选通后一端接地的方法会造成电势累积，其次该方法选通切换流程复杂。中国专利4(CN 105044440 A)采用LTC6803芯片采集燃料电池单体电压，LTC芯片手册已经说明其对被测对象的总电压有要求，必须保证各单体电压之和至少为10V以满足所有的电气规格，但是专利4中每个LTC芯片仅支持12个单体电压采集，但燃料电池单体正常的工作电压在0.6～0.8V，因此该方案原理不可行。

在燃料电池启停过程中，燃料电池单体电压会出现显著差异，造成这种现象的原因，一方面是单体之间固有属性的差异，另一方面就是气体供给或消耗分布不均，因此会造成电压波动率尖峰，影响电池寿命。其次，在燃料电池启停过程中会在电池阳极内部产生氢-空气界面，这会造成电池阳极内存在氧化反应，最终导致阴极高电位，使得燃料电池反极，不断腐蚀催化剂碳载体，严重损害电池寿命。因此，需要进入必要手段避免上述现象的发生。现阶段，常用的方法是引入辅助负载消耗阴极内的氧气，从而有效控制性能的衰减速率，但该方法中辅助负载连接在电堆两端，无法从局部对燃料电池进行干预，此外一旦发生反极现象，没有相应的保护措施。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种带启停均衡控制的燃料电池单体电压巡检系统，用于燃料电池固定电源、动力电源的电压状态检测、启停均衡控制，有效避免燃料电池工作潜在的危险和故障，使得燃料电池在使用过程中更加安全稳定。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种带启停均衡控制的燃料电池单体电压巡检系统，该系统包括：燃料电池电堆、光耦选通电路、译码器模块、奇偶转换模块、信号调理电路、均衡电路、均衡控制模块、控制器以及CAN模块。光耦选通电路选通单体电池的两端，实现对单体电池电压的直接测量，译码器模块和控制器一起用于控制光耦继电器的开断，每个单元包括16个双通道光耦继电器，可以采集31个单体电压。奇偶转换电路用于修改差动信号的正负关系，当选通序号为奇数的单体，正极连接CV+，负极接CV－，当选通序号为偶数的单体正极连接CV－，负极接CV+，因此为了使信号调理电路输入的差动信号为正，使用两个光耦继电器修正差动信号的正负关系，使得每个单体的正极接OP_CV+，负极接OP_CV－。信号调理电路将差动信号转换为控制器A/D采集器所能承受的电压范围，主要包括两级运放，第一级运放为差动放大电路，同相和反相输入端之间的二极管起到保护作用，防止差模信号过大；第二级为电压跟随电路，后接一阶RC低通滤波器过滤高频信号，输出口的双二极管使得输出电压钳位在0～5V。均衡电路用于通过耗能电阻消耗剩余气体，避免高电位出现，同时当电池单体反极，可以通过寄生二极管，对电池起到保护作用。均衡控制模块用于根据采集的电压选择打开对应的均衡电路，采用四通道MOS管驱动芯片实现。控制器和CAN模块用于单体电压的采集、均衡控制和数据传输。

所述的光耦选通电路由16个双通道光耦继电器PMn(n＝1,2,3,……,16)组成，继电器输入端Bn(n＝0,1,2,……,31)依次与每个单体电池的负极和正极相连，PMn下侧继电器输出端与CV－相连，PMn上侧继电器输出端与CV+相连。发光二极管阳极输入端均与限流电阻相连，PMn下侧发光二极管阴极输出端分别与译码器模块XAn(n＝0,1,2,……,15)相连，PMn上侧发光二极管阴极输出端分别与译码器模块XBn(n＝0,1,2,……,15)相连。

所述的奇偶转换器模块包括2个双通道光耦继电器PMOdd、PMEven，PMOdd、PMEven上侧发光二极管阳极输入端均与VCC相连，上侧阴极输出端与下侧阳极输出端相连，下侧阴极输出端分别与控制器输入端Cell_Odd和Cell_Even相连；PMOdd上侧继电器输入输出端分别与CV+、OP_CV+相连，下侧继电器输入输出端分别与CV－、OP_CV－相连，PMEven继电器侧与PMOdd类似，仅互换CV+与CV－的位置。

所述的信号调理电路包括两级运放U1、U2，U1前端经精密电阻(R2、R3)与差动信号(OP_CV+、OP_CV－)相连，差动信号之间接入二极管(D1、D2)，R1、C1、C2构成滤波电路，U1输出与U2正相输入端相连，U2的输出端接RC电路(R6、C5)，后与钳位双二极管(D3、D4)相连。

所述的均衡电路由MOS管、寄生二极管、稳压管、耗能电阻、限流电阻构成，MOS管的源极与单体正极相连，耗能电阻一端与MOS管的漏极相连，另一端与单体负极相连，MOS管的栅极经限流电阻与均衡控制模块Sn(n＝1,2,3,……,31)相连，寄生二极管阳极和阴极分别与MOS管的漏极和源极相连，稳压管阳极与MOS管栅极相连，稳压管阴极与单体正极相连。

所述的均衡控制模块由8个四通道MOS管驱动芯片USn(n＝1,2,3,……,8)组成，8个芯片输出端(Y1、Y2、Y3、Y4)分别与Sn(n＝1,2,3,……,31)相连，输入控制端(A1、A2、A3、A4)分别与控制器I/O口CTSn(n＝1,2,3,……,31)相连，使能端(1E2、1E2、2E1、2E2)与2.4V电源相连，VCC1、VCC2、VCC3分别与5V、20V、24V相连。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

本实用新型通过采用本系统的技术方案，不仅可以快速精确地检测燃料电池单体电压，而且在启停阶段能够显著提升单体电池电压均衡的一致性。在启动过程中，避免燃料电池出现氧饥饿现象；在停机过程中，均衡电路通过耗能电阻消耗剩余气体，避免高电位出现，有效避免氢-空气界面的生成，以提升电堆使用寿命。当出现氢-空气界面造成电池单体反极，可以通过寄生二极管，对电池起到保护作用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例中提供的带启停均衡控制的燃料电池堆单体电压巡检系统的整体架构图；

图2为本实用新型实施例中提供的译码器模块原理图；

图3为本实用新型实施例中提供的奇偶转换器模块原理图；

图4为本实用新型实施例中提供的信号调理电路原理图；

图5为本实用新型实施例中提供的均衡控制模块原理图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

实施例

图1所示为带启停均衡控制的燃料电池堆单体电压巡检系统的整体架构图，该系统包括：燃料电池电堆、光耦选通电路、译码器模块、奇偶转换模块、信号调理电路、均衡电路、均衡控制模块、控制器以及CAN模块。光耦选通电路选通单体电池的两端，实现对单体电池电压的直接测量，解决电势累积的问题，译码器模块和控制器一起用于控制光耦继电器的开断，每个单元包括16个双通道光耦继电器，可以采集31个单体电压。奇偶转换电路主要是修改差动信号的正负关系，当选通序号为奇数的单体，正极连接CV+，负极接CV－，当选通序号为偶数的单体正极连接CV－，负极接CV+，因此为了使信号调理电路输入的差动信号为正，使用两个光耦继电器修正差动信号的正负关系，使得每个单体的正极接OP_CV+，负极接OP_CV－。信号调理电路将差动信号转换为控制器AD采集器所能承受的电压范围，主要包括两级运放，第一级运放为差动放大电路，同相和反相输入端之间的二极管起到保护作用，防止差模信号过大；第二级为电压跟随电路，后接一阶RC低通滤波器过滤高频信号，输出口的双二极管使得输出电压钳位在0～5V。均衡电路的目的主要是通过耗能电阻消耗剩余气体，避免高电位出现，同时当电池单体反极，可以通过寄生二极管，对电池起到保护作用。均衡控制模块主要是根据采集的电压选择打开对应的均衡电路，采用四通道MOS管驱动芯片实现。控制器和CAN模块用于单体电压的采集、均衡控制和数据传输。

每个巡检单元包括16个光耦继电器PMn(n＝1,2,3,……,16)，均选用双通道光耦继电器AQW214EHA，继电器输入端Bn(n＝0,1,2,……,31)依次与每个单体电池的负极和正极相连，PMn下侧继电器输出端与CV－相连，PMn上侧继电器输出端与CV+相连。发光二极管阳极输入端均与限流电阻相连，PMn下侧发光二极管阴极输出端分别与译码器模块XAn(n＝0,1,2,……,15)相连，PMn上侧发光二极管阴极输出端分别与译码器模块XBn(n＝0,1,2,……,15)相连。

图2所示为译码器模块原理图，该模块包括两个4选16的CD74HC154译码器，两个译码器的4个片选输入端CTAn(n＝1,2,3,4)和CTBn(n＝1,2,3,4)与控制器I/O口相连，通过设置相应I/O口的输出高低电平，选中XAn(n＝0,1,2,……,15)和XBn(n＝0,1,2,……,15)各一路，由此选中电堆的某一个单体。当要选通序号为(2n+1)(n＝0,1,2,……,15)的单体，则需控制译码器置XA(n)和XB(n)为低电平，当要选通序号为(2n)(n＝1,2,3,……,15)的单体，则需控制译码器置XA(n)和XB(n－1)为低电平。

图3所示为奇偶转换器模块原理图，该模块包括2个双通道光耦继电器PMOdd、PMEven，均选用双通道光耦继电器AQW214EHA，PMOdd、PMEven上侧发光二极管阳极输入端均与VCC相连，上侧阴极输出端与下侧阳极输出端相连，下侧阴极输出端分别与控制器输入端Cell_Odd和Cell_Even相连；PMOdd上侧继电器输入输出端分别与CV+、OP_CV+相连，下侧继电器输入输出端分别与CV－、OP_CV－相连，PMEven继电器侧与PMOdd类似，仅互换CV+与CV－的位置。选通某一个单体后，序号为奇数的单体(正极连接CV+，负极接CV－)，序号为偶数的单体(正极连接CV－，负极接CV+)，为了方便采集CV+、CV－之间的电压信号，采集奇偶转换器模块，将正极始终接OP_CV+，负极始终接OP_CV－。当选通奇数号单体，则通过控制器置Cell_Odd为0，Cell_Even为1；当选通偶数号单体，则通过控制器置Cell_Odd为1，Cell_Even为0。

图4所示为信号调理电路原理图，电压信号经奇偶转换器电路后接OP_CV+、OP_CV－，为了采集该电压信号，信号调理电路采用两级运放，第一级运放U1为差分运放，第二级运放U2为电压跟随器，均选用LM2094，电压信号经R1、C1、C2滤波电路后与精密电阻(R2、R3)相连，并在同相和反相输入端之间的接入二极管(D1、D2)起到保护作用，防止差模信号过大，U1输出与U2正相输入端相连，U2的输出端接RC电路(R6、C5)，后与钳位双二极管(D3、D4)相连，将输出电压限制在0～5V之间，保证控制器输入安全。

信号调理电路输出信号Vin接控制器AD模块，控制器为112引脚的MC9S12XEP100，其为16微处理器，包含两个12位A/D模块，能够保证电压的高精度采集，同时光耦继电器切换速度快，因此能够保证单体电压采集的快速性和准确性。

上述元器件的主要满足了燃料电池堆单体电压的巡检，均衡电路和均衡模块主要保障启停过程中燃料电池的安全性。

均衡电路由MOS管、寄生二极管、稳压管、耗能电阻、限流电阻构成，MOS管的源极与单体正极相连，耗能电阻一端与MOS管的漏极相连，另一端与单体负极相连，MOS管的栅极经限流电阻与均衡控制模块Sn(n＝1,2,3,……,31)相连，寄生二极管阳极和阴极分别与MOS管的漏极和源极相连，稳压管阳极与MOS管栅极相连，稳压管阴极与单体正极相连。MOS管选用P型MOS管Si2351DS，Sn起到一个数字输出作用，控制MOS管的通断，耗能电阻的功率为1W，稳压管选用BZX384C12，保证单体正极和均衡控制端压差稳定，寄生二极管保证电池反极时的安全性。

图5所示为均衡控制模块原理图，其由8个四通道MOS管驱动芯片USn(n＝1,2,3,……,8)组成，均采用SN75374芯片，8个芯片输出端(Y1、Y2、Y3、Y4)分别与Sn(n＝1,2,3,……,31)相连，输入控制端(A1、A2、A3、A4)分别与控制器I/O口CTSn(n＝1,2,3,……,31)相连，使能端(1E2、1E2、2E1、2E2)与2.4V电源相连，VCC1、VCC2、VCC3分别与5V、20V、24V相连。通过控制器控制CTSn的高低电平即可通过驱动芯片控制MOS管的通断，从而保证在启停过程中，耗能电阻能够消耗剩余气体，避免高电位出现。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。