[发明专利]一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于新能源燃料电池电压测量的电路，尤其涉及针对甲醇燃料电池电堆的电压巡回测量电路。

背景技术

随着现代社会发展对能源的大量消耗，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，人类对新能源的开发和利用成为极其重要的话题。其中燃料电池就是目前一种正在被开发和利用的新能源之一，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。其中甲醇燃料电池(DMFC)是燃料电池中结构较简单，体积较小的一种，以甲醇作为燃料，主要应用于便携式发电设备中，它可以对小功率的负载持续地供电。一个直接甲醇燃料电池电堆是由很多节燃料电池串联而成，电压巡检是甲醇燃料电池电堆运行中的重要环节，因为燃料电池系统各操作参数的变化均反映在电池组内各单节电池工作电压上，因此各种故障可能引起电池组不能正常运行的前兆也首先反映在电池组内某节单池的工作电压变化上。同时在电池系统运行时，监测电池组各节单体电池的的电压、依据电池组在稳定功率输出时某节单电池工作电压的变化并分析引这种变化的原因，在电池组故障发生前采用某些措施，争取排除故障，使电池组恢复到正常工作状态。比如某节电池突然下降，有可能是液态水在此节单池出口积累，导致惰性气体在此节单池气腔积累，此时可采用短时间脉冲排气，将此节单池出口积累的液态水排出，使电池组恢复正常运行。

通常对于小的电堆监视电池电压相对比较容易，因为小电堆内部的流场分布比较均匀，当气体从进气口进入电池后气体的压力分布均匀，压力降很小，在腔内积累的液态水很容易被高压气体排出，电堆的电压变换直接反映了电池各单节的变化，明显的单节电池电压的变化直接会造成总电压的变化。在这种情况下，我们可以直接测量其总电压即可评价出电池的运行状况。在电池节数比较大的情况下，电池内部气体管道比较长压力降比较大，多节电池由于加工造成的不均匀性也可导致进入电池腔内的气体压力极不均匀，就会导致各单节电压也不均匀。明显的单节电压降低往往是极个别的，这种变换在总电压上很难察觉出来，有一个单节电池的死亡就会造成整个电堆的崩溃。因此对燃料电池电堆各单节电池的工作电压予以巡回监测成为必须。

发明内容

本发明针对甲醇燃料电池电堆提出了一种简洁实用的电压巡回测量电路，系统电路的组成及工作原理如下：

整个测量电路系统包括电池取样单元、隔离放大单元、温度采集单元、微控处理中心、调试接口、通信接口、显示器接口、故障报警输出单元及上位机监控单元几部分组成，能够对15节串联的燃料电池进行电压巡检。基于对系统性能、抗干扰能力、成本等问题的考虑，电池组电压测量电路的核心微处理器采用了ATMEL公司的AVR的8位微处理器ATMEGA8L，它工作温度范围宽，电磁兼容特性好，内有10位的AD转换通道、PWM输出及看门狗电路等，在实用中无需外扩其他芯片，所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好。系统以AVR微处理器为核心，配合成对的模拟多路开关、小信号运算放大器、隔离放大器、液晶显示器及光电耦合器等电子器件和电路研究开发出高精度、实时性强的测量电路。

测量电路的工作原理是：通常燃料电池电堆是由多节单体电池组成，由于然料电池组的每一节单体电池都需要实时、精确地测量，本发明电池取样单元采用模拟多路开关和小信号运算放大器配合完成对每节单体电池的高速循环取样。一对相同模拟多路开关的地址线是一一对应的，每一个地址对应连通一节单体电池。一对模拟多路开关相同的输入端分别连接一节单体电池的两端，他们输出的信号是这两点相对于参考点的绝对值电压。再通过小信号运算放大器做减法运算，从放大器输出的就是一节单体电池的电压。因为被测电堆的整体电压往往较高，所以需要采取一些隔离措施。我们采用隔离放大器完成隔离测量，为控制器通过光电耦合器完成对多路模拟开关的隔离控制。单体电池电压的测量使用AVR单片机内部的高速、10位精度的AD转换器，完全可以满足系统对测量精度和实时性的要求。

电池取样单元：采用两个双极性电源的模拟多路开关AD7506和双极性的小信号运算放大器AD620配合完成对每节单体电池的高速循环取样。其通道的切换由微处理器控制通过光电隔离器件来控制。为提高精度，用稳压二极管做了一个基准电压，每测量一个单电池电压都与这个基准电压去比较，使得数据非常准确。

隔离放大单元：采用光电隔离放大器ISO124，以实现隔离测量。