[发明专利]一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于新能源燃料电池的单体电池电压的测量电路。

背景技术

随着现代社会发展，能源的消耗越来越大，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，人类加大了对新能源的 开发和利用。而燃料电池就是目前一种正在被开发利用的新能源之一，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。通常 一个燃料电池电堆是由多节燃料电池串联而成，对燃料电池电堆中的每节单体 电池电压的检测是燃料电池电堆运行中的必要环节，因为燃料电池系统各操作 参数的变化均反映在电堆内各单体电池工作电压上，即使有一个单节电池的死 亡就会造成整个电堆的崩溃，因此各种故障可能引起电堆不能正常运行的前兆 也首先反映在电堆内某节单池的工作电压变化上。在电池系统运行时，监测电 堆各节单体电池的电压、依据电堆在稳定功率输出时某节单体电池工作电压的 变化并分析引这种变化的原因，在电堆故障发生前预警并采用某些措施，争取 排除故障，使电堆恢复到正常工作状态。由此可见对燃料电池电堆的各节单体 电池的电压检测是非常重要的，有关测量电路及装置有多种，通常测量系统为 低压电系，而被测量的电池组的电压往往较高，所以测量系统图与被测量系统 一般不能够共地，一般都采用隔离技术，需用隔离电源、隔离控制、隔离放大 器等器件，测量电路成本较高。

发明内容

本发明针对燃料电池电堆提出了一种简洁实用、低成本的单体燃料电池电压 测量电路，简单地基于内部自带10位AD转换AVR微控制器、参考基准电压 源和低通滤波器即可实现对取样后的燃料电池组中的单体电池的电压予以测 量，从而完成对燃料电池组中每节单体电池工作电压的检测。

本发明为完成对整个电池组每节单体电池的电压测量，测量系统需要包括 单体电池取样开关控制网络、低通滤波器、参考基准电压源、两路AD转换器、 微控制器及调试接口。本专利的重点在于对取样后的电压信号如何进行采集计 算，关于单体电池的取样方法不是本专利要阐述的内容。该专利避开传统使用 减法器、隔离运算放大器的办法，而是直接简单地利用微控制器内部的AD转 换通道，外加上参考基准电压源、低通滤波器即可实现一个正负小电压信号。 需要注意的是：测量系统与被测量电池组不共地，但在任意时刻经过低通滤波 器连接微控制两个AD通道的只能是同一节单体电池的两个电极端，被取样的 单体电池的任意一个电极端与测量系统的参考基准电压源相连，这样电池的这 个电极好似与测量系统的参考基准电压源处于同一个电位，然后该连接点与微 控制器的一个AD转换通道接口相连，那么微控制器的这个AD通道采集的电 压值V1的大小就是这个参考基准电压Vref，即V1＝Vref；而单体电池的另外一 个电极端与微控制器的另外一个AD转换通道接口相连，那么该AD通道采集所 取得的电压值就是电池电压Vcell与参考基准电压Vref的相对值，具体又有两 种情况：一是当参考基准电压源与单体电池负极相连，那么该AD通道采集到 的电压值V2等于参考基准电压值加上电池电压值，即V2＝Vref+Vcell，那么微 控制器测得的单体电池电压值V就等于两个AD通道采集的电压值的差，即 V＝V2-V1＝(Vref+Vcell)-Vref＝Vcell；二是当参考基准电压源与单体电池正 极相连，那么该AD通道采集到的电压值V2等于参考基准电压值减上电池电压 值，即V2＝Vref-Vcell，那么微控制器测得的单体电池电压值V就等于两个AD 通道采集的电压值的差，即V＝V2-V1＝(Vref-Vcell)-Vref＝-Vcell，还可以发现 即便参考基准电压发生漂移或变化也丝毫不影响测量，因为参考基准电压如果 发生变化，那么两个AD通道采集的值均跟着变化，其差值V的绝对值不变， 总等于Vcell；在这里Vref选取2.5V最佳，因为燃料电池一节单体电池发电输出 电压通常在0-1.2V，一般一节电池输出电压在0.7V左右，所以微控制器的两 个AD通道的输入电压都不会高于5V，更不会低于零，即便是同时测量串联的 两节相邻的单体电池也可以(即把两节相邻的单体电池作为一个基本测量单元， 这样作可以减少测试点，提高测量效率)，其最大电压值不过2.5V；可以看到采 用这种方法无需特别的隔离手段，只是注意测量系统与被测量的电池组不可共 地，并在任意时刻必须保证只有被测量的单体电池的正负电极引入两个AD通 道，杜绝不同电池的电极引入测试通道，这样即可保证测量的安全。调试接口、 是用于对微处理器进行程序下载。该方法简单、实用、经济，同样可以推广应 用到其他类型新能源电池的电压测量及一些对精度要求不是非常高的正负小电 压信号的测量领域。