专利名称：一种适用于燃料电池的交流阻抗测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种串联电源单体交流阻抗测试装置，特别是一种适用于燃料电池的交流阻抗测试装置。
背景技术：
燃料电池是一种通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能转换成电能的装置。根据实际应用中对燃料电池功率要求，通常燃料电池堆由几片到几百片单电池串联组成，在燃料电池运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，因此，为了确保燃料电池高效运行，必须对各单片燃料电池进行实时监控。毋庸置疑，燃料电池交流阻抗是燃料电池发电性能的关键数据，必须实时监测，并将数据显示，存储，方便科研人员分析研究。当前燃料电池的阻抗测试设备存在一些不足，如设备只能在实验设实验室环境下进行测量，无法在线实时测试；只能测试单片燃料电池阻抗，无法同时满足多片燃料电池同时测量；只能测试燃料电池在某一频率点的阻抗值。而且这些设备一般包括燃料电池测试台、电子负载、频率分析仪等高档复杂仪器，需要技术人员正确配置它们的硬件连线、软件程序和接口通信协议等，这使得该类测试操作复杂、成本很高。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种简单、可靠的适用于燃料电池的交流阻抗测试装置，以克服现有测试装置的不足。为了实现上述目的，本实用新型包括程控交流源、隔直电容、前置放大器、I/V转换电路、低通滤波器、双路程控滤波器、相位差检测电路、幅值检测电路、键盘及液晶显示单元以及MCU微处理器；其中程控交流源串接隔直电容后与负载和燃料电池堆输出端并联，MCU 微控制器通过CAN总线控制程控交流源输出不同频率的电流激励信号；前置放大器输入端与燃料电池堆中的各单电池相连，采集各单片电池交直流电压信号，I/V转换电路与电流传感器的输出端相连采集燃料电池交直流电流信号，所采集的信号V” Vv经过双路程控滤波器滤波后得到的交流信号V(v)、V(i)，同时与相位差检测电路和幅值检测电路相连；MCU微控制器通过SPI1、SPI2接口分别与相位检测电路中FPGA和幅值检测电路中A/D转换器连接，MCU微控制器经过运算可得到燃料电池不同频率交流阻抗幅值和相位差数据，并通过 I/O总线传输给键盘及液晶显示单元，最终可得到燃料电池交流阻抗谱。单个交流阻抗测试单元最多可同时测试16片燃料电池，多个交流阻抗测试单元通过CAN网络相连可以实现对任意片燃料电池交流阻抗的测试。上述前置放大器由16个双路继电器，4-16译码器和差分放大电路组成。燃料电池输出电压信号VpV1和双路继电器L1输入端连接，VpV2和双路继电器L2输入端连接，以此类推V15Jni和双路继电器‘连接。4-16译码器输出信号分别接到16个继电器控制端。 MCU微控制器通过I/O 口控制4-16译码器依次选通继电器L1 L16，每一时刻只有一个继电器处于开通状态，使得单片燃料电池输出信号Vn、Vlri (η = 1,2,...16)被选通，并与差分放大电路输入端相连。差分放大电路可对输入信号Ulri (η = 1,2,...16)进行差分式放大，放大倍数为100倍，使得前置放大器可采集每片燃料电池上微弱的交流电压信号。上述双路程控滤波器由4个二阶带通滤波器A、B、C、D组成，其中二阶带通滤波器 A和B、C和D可分别组成两个四阶巴特沃斯带通滤波器。二阶带通滤波器A、C输入端分别与前置放大器输出信号Vv和I/V转换电路输出信号Vi相连，其输出信号Vv’、Vi ’分别与二阶带通滤波器B、D相连。二阶带通滤波器B输出信号V(v)同时与过零比较电路1和有效值检测电路1相连，二阶带通滤波器D输出信号V(i)同时与过零比较电路2和有效值检测电路2相连。MCU微控制器通过PWM端口发送Fclk信号与双路程控滤波器外部时钟输入端口相连。I/V转换电路输出信号Vi同时与低通滤波器输入端相连，低通滤波器输出信号 Vi (R)与幅值检测电路中A/D转换器C3端口连接。上述相位差检测电路由过零比较电路1、2和FPGA组成，其中FPGA可简化为异或门、D触发器、寄存器、计数器�？�、SPI�？楹褪敝幽？樽槌傻淖楹下呒缏�。过零比较电路1、2输入端分别与交流信号V(v)、V(i)连接，过零比较电路1输出信号Vv(p)同时与异或门输入端I2和D触发器输入端Clk连接，过零比较电路2输出信号Vi (ρ)同时与异或门输入端I1和D触发器输入端D连接。异或门输出信号V(P)与计数器�？槭淙攵讼嗔敝幽？槲剖髂？樘峁┦敝有藕臚clk’。D触发器输出信号V(A)与寄存器输入端连接。 测试时，交流信号V(v)、V(i)经过过零比较电路后转变为方波信号Vv(P)和Vi(p)，当信号 Vv(P)和Vi (ρ)电平不相同时，异或门输出的信号V(P)为高电平，因此信号V(P) —个周期中高电平的时间T就为输入信号V(v)、V(i)相位相差的时间。当V(P)为高电平时启动计数器�？榭技剖保琕(P)变为低电平时计数器�？橥Ｖ辜剖�。其中当D触发器输出信号V(A) 为低电平是说明信号V(i)超前于V(v)，信号V(A)为高电平是说明信号V(i)滞后于V(v)。 测量结束后，计数器�？楹图拇嫫鞣直鸢鸭鞘岛托藕臯(A)电平信息通过总线传输给SPI �？椋缓骃PI�？橥ü齋PIl接口把数据传输给MCU微控制器。上述幅值检测电路由有效值检测电路1、2，低通滤波电路1、2和A/D转换器组成。 有效值检测电路1、2输入端分别与信号V(v)、Vv(i)相连接。有效值检测电路1、2的输出信号Vv(M)和Vi (M)分别与低通滤波电路1、2输入端连接。A/D转换器CpC2和C3端口分另Ij与低通滤波电路1、2输出信号Vv(M)’、Vi(M)’和低通滤波器输出信号Vi(R)连接。测量时，交流信号V(i)、V(ν)经过有效值检测电路1、2和滤波后转变为与其有效值大小相等的直流信号Vv (M) ’和Vi (M) ’。A/D转换器对信号Vv (M) ’和Vi (M) ’做模数转换后通过SPI2 接口把V(i)、V(v)幅值数据传输给MCU微控制器，MCU微控制器通过计算两路幅值数据的比值即可以得到燃料电池交流阻抗幅值比；A/D转换器通过采样低通滤波器输出的直流信号Vi (R)可以得到燃料电池电堆输出的直流电流大小。上述MCU微控制器通过SPI1、SPI2、I/O总线接口分别与相位差检测电路、幅值检测电路以及键盘及液晶显示单元相连，并通过CAN总线控制程控交流源输出电流信号的频率和电流值。多个交流阻抗测试单元的MCU微控制器通过CAN总线相连可组成CAN网络， 能对任意多片燃料电池堆进行测量。本实用新型电路简洁、清晰，可靠性高，成本适中，测量精度高、速度快，接口丰富且易扩展，满足燃料电池交流阻抗实时高精度测试的需要。
图1为本实用新型的结构原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。本实用新型由程控交流源、隔直电容、前置放大器、I/V转换电路、低通滤波器、双路程控滤波器、相位差检测电路、幅值检测电路、键盘及液晶显示单元以及MCU微处理器组成(图1)，其中程控交流源串接隔直电容后与燃料电池堆输出端并联，MCU微控制器通过CAN总线控制交流电流源输出不同频率的电流信号；前置放大器输入端与燃料电池堆中的各单电池相连采集各单片电池交直流电压信号，I/V转换电路与电流传感器的输出端相连采集燃料电池交直流电流信号，所采集的交流信号V” Vv经过双路程控滤波器滤波后得到的交流信号V(v)、V(i)同时与相位差检测电路和幅值检测电路相连；MCU微控制器通过 SPI1、SPI2接口分别与相位检测电路中FPGA和幅值检测电路中A/D转换器通信，MCU微控制器经过运算可得到燃料电池不同频率的交流阻抗幅值和相位差，并通过I/O总线传输给键盘及液晶显示单元，最终可得到燃料电池交流阻抗谱。单个交流阻抗测试单元最多可同时测试16片燃料电池IkHz IOOkHz交流阻抗数据。多个交流阻抗测试单元通过CAN网络相连可以实现对任意片燃料电池交流阻抗的高精度测试，整个检测装置电路简洁、清晰， 可靠性高，成本较低，可扩展性强。本实用新型的前置放大器中燃料电池输出信号％、V1和双路继电器L1输入端连接，VpV2和双路继电器L2输入端连接，以此类推V15、V16和双路继电器L16连接，译码器输出端16路电平信号分别接到16个继电器控制端。MCU微控制器通过4路I/O 口输出0000到 1111电平信号控制4-16译码器74HC1M依次选通继电器L1-L16,每一时刻只有一个继电器处于接通状态，使得单片燃料电池输出信号Vn、Vlri (n= 1,2,...16)被选通，并与差分放大电路输入端相连。由差分放大器INA106与紧密运放组成的差分放大电路对输入信号Vn、Vlri (n = 1,2,...16)进行差分式放大，其中交流信号放大倍数为100倍，可检测最小交流电压值为0. Imv(RMS)，最高频率为100kHz，其中双路继电器控制导通电压为5V。本实用新型的双路程控滤波器由凌特公司LTCU64芯片及外围电路组成，其中外围电路由FilterCAD滤波器设计软件设计，为保证滤波效果，外围电路的电阻全部选用精度为0. 的精密电阻。当双路程控滤波器工作时，MCU微控制器通过PWM端口为LTCU64 提供一个时钟信号Fclk，其频率为滤波中心频率的20倍，滤波器最高滤波中心频率可达 250kHz，最大滤波幅值可达电源供电电压士5v。经过滤波后，输出信号V(v)、V(i)噪声较�。奖愫蠹兜缏返募觳猓岣吡瞬饬烤�。本实用新型的相位差检测电路中FPGA选用的是ALTERA公司的EP2C5T144C8N，所用时钟为50M。过零比较电路由TI公司的LM3116组成。测试时，假设计数器模块记数值为T、程控交流源输出电流信号频率为f时，MCU微控制器通过计算可得到燃料电池交流阻抗相位差数据Aphase = 360*T*f/Fclk，，其中 Fclk，为 FPGA 晶振的频率。当测试频率最大为IOOkHz时，FPGA测量相位精度为[0020]100kHz/50M*360 = 0· 72 度。当测试频率最小为IkHz时，FPGA测量相位精度为lkHz/50M*360 = 0. 0072 度。本实用新型的幅值检测电路中有效值检测电路1、2由ADI公司AD637及外围电路组成，它可以把交流信号转换为与其有效值大小相等的直流电压信号。根据输入信号大小不同，AD637输入信号带宽可达8M，其中当输入信号有效值为200mV，输入信号频率最高可达600kHz。低通滤波电路为精密运放和外围电路组成的二阶低通滤波器，其设计截至频率为IkHz。A/D转换器由TI公司16位8通道ADC芯片TLC3548及外围电路组成， TCL3548通过SPIl接口把所采集的交流信号V(v)、V(i)幅值数据VMGl，VMG2传输给MCU 微控制器，MCU微控制器通过计算两路幅值数据的比值可以得到燃料电池交流阻抗幅值比数据|Z| = VMG1/VMG2。本实用新型的MCU微控制器通过SPI1、SPI2、I/O总线接口分别与相位差检测电路、幅值检测电路以及键盘及液晶显示单元相连，并通过CAN总线控制程控交流源输出电流信号的频率和电流值。多个交流阻抗测试单元的MCU微控制器通过CAN总线相连可组成 CAN网络，能对任意多片燃料电池堆进行测量。检测结束后，MCU微控制器经过计算最终可得到燃料电池交流阻抗Z = IVMG1/VMG2|cos(Δ phase)+j|VMG1/VMG2|sin(Δ phase)。测试中通过更改程控交流源输出频率可测量燃料电池不同频率的交流阻抗，最终可以得到单片燃料电池交流阻抗谱。其中MCU微控制器选用的是MICROCHIP公司的 PIC18F458。最后应说明，本实用新型的实施仅用于说明技术方案而非限制。一切不脱离本实用新型技术方案的精神和范围的修改和替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求1.一种适用于燃料电池的交流阻抗测试装置，包括程控交流源、隔直电容、前置放大器、I/V转换电路、低通滤波器、双路程控滤波器、相位差检测电路、幅值检测电路、键盘及液晶显示单元以及MCU微处理器，其特征在于程控交流源串接隔直电容后与负载和燃料电池堆输出端并联，MCU微控制器通过CAN总线控制程控交流源输出不同频率的电流信号； 前置放大器输入端与燃料电池堆中的各单电池相连，采集各单片电池交直流电压信号；ΙΛ 转换电路与电流传感器的输出端相连，采集燃料电池交直流电流信号；所采集的信号经过双路程控滤波器滤波后得到的交流信号，同时与相位差检测电路和幅值检测电路相连；MCU 微控制器通过SPI1、SPI2接口分别与相位检测电路中FPGA和幅值检测电路中A/D转换器连接，MCU微控制器经过运算得到燃料电池不同频率交流阻抗幅值和相位差数据，并通过 I/O总线传输给键盘及液晶显示单元，最终得到燃料电池交流阻抗谱。
2.如权利要求1所述的一种适用于燃料电池的交流阻抗测试装置，其特征在于前置放大器由16个双路继电器，4-16译码器和差分放大电路组成，燃料电池输出电压信号Vtl J1 与双路继电器Ll输入端连接，V1J2与双路继电器L2输入端连接，以此类推，V15、V16与双路继电器L16连接；4-16译码器输出信号分别接到16个继电器控制端；MCU微控制器通过I/ 0 口控制4-16译码器依次选通继电器L1 L16，每一时刻只有一个继电器处于接通状态，使得单片燃料电池输出信号Vn、Vlri被选通，其中η = 1，2，. .. 16，并与差分放大电路输入端相连。
3.如权利要求1所述的一种适用于燃料电池交流阻抗测试装置，其特征在于双路程控滤波器由4个二阶带通滤波器A、B、C、D组成，其中二阶带通滤波器A和B、C和D可分别组成两个四阶巴特沃斯带通滤波器；二阶带通滤波器A、C输入端分别与前置放大器输出信号Vv和I/V转换电路输出信号Vi相连，其输出信号Vv’、Vi ’分别与二阶带通滤波器B、D 相连；二阶带通滤波器B输出信号V(v)同时与过零比较电路1和有效值检测电路1相连， 二阶带通滤波器D输出信号V(i)同时与过零比较电路2和有效值检测电路2相连；MCU微控制器通过PWM端口发送Fclk信号与双路程控滤波器外部时钟输入端口相连 ’ I/V转换电路输出信号Vi同时与低通滤波器输入端相连，低通滤波器输出信号Vi (R)与幅值检测电路中A/D转换器C3端口连接。
4.如权利要求1所述的燃料电池交流阻抗测试装置，其特征在于相位差检测电路由过零比较电路1、2和FPGA组成，其中FPGA简化为异或门、D触发器、寄存器、计数器�？椤� SPI�？楹褪敝幽？樽槌傻淖楹下呒缏罚还惚冉系缏�1、2输入端分别与交流信号V (ν)、 V(i)连接，过零比较电路1输出信号Vv(p)同时与异或门输入端12和D触发器输入端Clk 连接，过零比较电路2输出信号Vi (ρ)同时与异或门输入端I1和D触发器输入端D连接 ’异或门输出信号V(P)与计数器�？槭淙攵讼嗔敝幽？槲剖髂？樘峁┦敝有藕臚clk’； D触发器输出信号V(A)与寄存器输入端连接，寄存器和计数器�？橥ü芟吆蚐PI�？榱�。
5.如权利要求1所述的燃料电池交流阻抗测试装置，其特征在于幅值检测电路由有效值检测电路1、有效值检测电路2，低通滤波电路1、低通滤波电路2和A/D转换器组成， 有效值检测电路1、有效值检测电路2输入端分别与信号V(v)、V(i)相连接；有效值检测电路1、有效值检测电路2的输出信号Vv(M)和Vi (M)分别与低通滤波电路1、低通滤波电路 2输入端连接；A/D转换器CpA/D转换器C2和A/D转换器C3端口分别与低通滤波电路1输出信号Vv(M)’、低通滤波电路2输出信号Vi (M) ’和低通滤波器输出信号Vi (R)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种适用于燃料电池的交流阻抗测试装置，包括程控交流源、隔直电容、前置放大器、I/V转换电路、低通滤波器、双路程控滤波器、相位差检测电路、幅值检测电路、键盘及液晶显示单元以及MCU微处理器；其中程控交流源串接隔直电容后与负载和燃料电池堆输出端并联，MCU微控制器通过CAN总线控制程控交流源输出不同频率的电流激励信号；单个交流阻抗测试装置最多可同时测试16片燃料电池交流阻抗，多个交流阻抗测试装置通过CAN网络相连；可同时实现对任意片燃料电池交流阻抗的测试。该测试装置电路简洁、清晰，可靠性高，成本适中，测量精度高、速度快，接口丰富且易扩展，满足燃料电池交流阻抗实时高精度测试的需要。
文档编号G01R31/36GK202305673SQ201120426939
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者全书海, 全睿, 刘力, 张鸽, 江竑旭, 童亮, 肖朋, 谢长君, 郑丽丽, 郭邑城, 陈启宏, 黄亮 申请人:武汉理工大学
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