基于光電隔離繼電器的燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、自動化與儀器儀表基于光電隔離繼電器的燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)吳騫，許家群，夏文川，方成（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京）摘要：為了保護(hù)燃料電池堆，設(shè)計(jì)了燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于光電隔離繼電器測量電壓的方法，解決了燃料電池堆單片電壓測量中對精度要求高、電壓路數(shù)多和電勢累積高的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，路單片電壓檢測一次的時(shí)間為，測量誤差小于。該系統(tǒng)能夠有效地保護(hù)燃料電池堆。關(guān)鍵詞：燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)光電隔離方法質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)是汽車新型動力的重要發(fā)展方向之一，由燃料電池堆、氫氣進(jìn)排氣系統(tǒng)、空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。其。中，

2、燃料電池堆是燃料電池發(fā)動機(jī)的核心數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。電壓檢測卡是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)燃料電池堆單片電壓的連續(xù)采集，同時(shí)對電壓值進(jìn)行判斷，如果電壓值異常，則將對應(yīng)的異常情況指示碼和單片序號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到燃料電池堆發(fā)動機(jī)主控制器，主控制器便根據(jù)接收的信息采取相應(yīng)操作。燃料電池堆單片電壓測量的難點(diǎn)在于對精度要求高（±考慮到光左右）、電壓路數(shù)多和電勢累積高。電隔離繼電器漏電流極小，對等級的電壓測量損失可以忽略，能滿足精度要求；同時(shí)，通過控制光電隔離繼電器的輸入控制端，可保證有效選擇燃料電池堆任意一片電壓，解決電壓路數(shù)多和電勢累積的問題；另外，光電隔離繼電器還有無觸點(diǎn)、穩(wěn)定性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。因此

3、外，設(shè)計(jì)的系此，采用光電隔離繼電器方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。統(tǒng)還必須滿足巡檢速度和抗震等要求。燃料電池堆通常由幾十到幾百片單電池組成。由于運(yùn)行參數(shù)的影響，燃料電池堆單片電壓變化較大，通常電池堆正常單片工作電壓為，空載時(shí)約為。電壓異常則表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必須立即采取措施，否則會損壞燃料電池堆。為了保護(hù)燃料電池堆，需要開發(fā)電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)以實(shí)時(shí)測量電池堆單片電壓，并和燃料電池發(fā)動機(jī)主控制器協(xié)作處理電壓異常情況。燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)車載燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)包括電壓檢測卡和通訊網(wǎng)絡(luò)兩部分；燃料電池堆在非移動應(yīng)用中，如在實(shí)驗(yàn)室研究及固定電站應(yīng)用中，還應(yīng)增加計(jì)算機(jī)監(jiān)控功能。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)

4、室研究中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。燃料電池堆單片電壓檢測卡設(shè)計(jì)電壓檢測卡整體設(shè)計(jì)燃料電池堆單片電壓檢測卡主要分為信號采集模塊和數(shù)字核心模塊兩部分。信號采集模塊實(shí)現(xiàn)從電池堆多個(gè)單電池中采集指定的某片單電池電壓，并發(fā)送給數(shù)控制信字核心模塊。數(shù)字核心模塊主要實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、號的采集、以及與主控制器及計(jì)算機(jī)的通訊。電壓檢測卡的具體結(jié)構(gòu)如圖所示。相鄰光電隔離繼電器的輸入控制端分別連接一對譯碼器的輸出端；光電隔離繼電器的信號輸入端依次連接燃料電池堆單片電池兩端的電壓信號端；奇數(shù)序號光幾百片單電池的燃料電池堆可能會采用多片電壓檢測卡，考慮到電壓檢測卡與主控制器之間的通訊，同時(shí)兼顧到以后應(yīng)用于車載的問題，燃料電池堆單

5、片電壓檢測系統(tǒng)的通訊采用網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分利用第三方的卡模擬通訊，接收電壓檢測卡發(fā)送的單片電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)對這些電隔離繼電器的信號輸出端并到一起，記為端，同樣，偶數(shù)序號光電隔離繼電器的信號輸出端也并到一起，記為端。和端連接轉(zhuǎn)換芯片模擬信號輸入端。只需保證任意時(shí)刻只有一對相鄰序號的光電隔離#本刊郵箱電子技術(shù)應(yīng)用年第期自動化與儀器儀表字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)字節(jié)存儲器個(gè)口線，所有口線均耐電壓可同時(shí)使用硬件（兼容）、及兩個(gè)串口轉(zhuǎn)換芯片的選型要考慮的主要是精度和它與單片機(jī)的接口。應(yīng)選擇精度至少為位、帶通訊、雙極性的轉(zhuǎn)換芯片?，F(xiàn)選擇的轉(zhuǎn)換芯片為。具有以下一些特點(diǎn)：雙極和單極采樣速率位轉(zhuǎn)換精度輸入電壓范圍為總線接口繼

6、電器閉合即可測得對應(yīng)的單片電壓值。這可以通過單片機(jī)控制譯碼器來實(shí)現(xiàn)。例如測第一片單片電壓，單片機(jī)先屏蔽其它對譯碼器，開啟第一對譯碼器，然后控制該對譯碼器使第一、二個(gè)光電隔離繼電器閉合，就可以將第一片電壓信號引到和端。值得注意的是，按照此方法測量奇數(shù)序號和偶數(shù)序號單片電壓時(shí)，它的精度和轉(zhuǎn)換速率完全能夠滿足電壓檢測的要求。譯碼器選擇線線的譯碼器。由于譯碼器的使用已經(jīng)很普遍，這里不再贅述。光電隔離繼電器的選擇主要考慮漏電流、耐壓和體積。最終選擇型號為的光電隔離繼電器。具有以下一些特點(diǎn)：雙單元光繼電器導(dǎo)通時(shí)電阻只有幾十歐姆耐壓值為，漏電流不超過超小型封裝端的電壓相對于端有正有負(fù)。此問題可以通過外加絕對

7、值電路或者外擴(kuò)雙極性轉(zhuǎn)換芯片來解決。本次設(shè)計(jì)選擇了外擴(kuò)轉(zhuǎn)換器。電壓檢測卡速度和精度分析從信號實(shí)時(shí)性的要求出發(fā)，要求電壓監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)能夠完成信號采集和數(shù)據(jù)傳送，從采集算法可以看出，如果片選、轉(zhuǎn)換和單片機(jī)運(yùn)算時(shí)間之和在的量級，那么完成路電壓信號采集的時(shí)間在的量級。同時(shí)，總線的通訊速率可以達(dá)到，能夠傳送實(shí)驗(yàn)分析此系統(tǒng)目前正用在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小型質(zhì)子交換膜燃料電池堆上，并對該系統(tǒng)的速度和精度進(jìn)行了測試。系統(tǒng)可以在秒種內(nèi)對片單電池電壓進(jìn)行次掃描，測量精度在以內(nèi)，可以滿足檢測與保護(hù)該燃料電池堆的需要。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，光電隔離繼電器開啟閉合時(shí)間是影響掃描次數(shù)的主要因素，每次耗時(shí)約，

8、測量路光電隔離繼電器上電壓需時(shí)約，占巡檢總時(shí)間的一半。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在任意時(shí)刻對一片單電池輸出電壓的測量，解決了對精度要求高、電壓路數(shù)多和電勢累積高的難題；并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的采集精度和速度能夠滿足實(shí)際要求。參考文獻(xiàn)衣寶廉燃料電池原理技術(shù)應(yīng)用北京：化學(xué)工業(yè)出版社，屠海令質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開發(fā)與應(yīng)用北京：冶金工業(yè)出版社，（），；，（），（收稿日期：）幀秒，而路電壓信號的傳送僅需要幀（假如一幀能傳送三路信號數(shù)據(jù)），這說明通訊速率是足夠的。噪影響測量精度的因素主要有轉(zhuǎn)換器的精度、聲誤差等。當(dāng)轉(zhuǎn)換的輸入為雙極性、滿量程電壓為時(shí)，若要精確到，則需要的轉(zhuǎn)換精度為（除以是因?yàn)殡p極輸入），所以需要精度至少為位的轉(zhuǎn)換芯片。噪聲誤差可以通過多次測量取平均值等方法減小。主要硬件選型單片機(jī)的選型主要考慮其運(yùn)算能力和其集成功能模塊。為了讓單片機(jī)運(yùn)行速率與采集速率和通