专利名称：一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路的制作方法
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。本发明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 不是本发明要阐述的内容。该发明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Vl的大小就是这个参考基准电压Vref，即Vl = 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+Vcel 1)-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。 本发明的有益效果是它是一种简洁实用、低成本的单体燃料电池电压测量电路， 测量精度可以满足要求。同时该方法还可以应用在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方面。
图1为本发明系统结构原理图。图2为本发明单节单体电池电压测量电路原理图。图3为本发明双节单体电池电压测量电路原理图。图中，1、被测量电池组，2、单体电池取样开关控制网络，3、低通滤波器，4、参考基 准电压源，5、AD转换器，6、微控制器及调试接口。
具体实施例方式如图2和图3，测量电路主要基于对系统性能、抗干扰能力、成本等问题的考虑，微 处理器采用ATMEL公司的AVR的8位微处理器ATMEGA8L，其工作温度范围宽，电磁兼容特性 好，内有多路AD转换通道、PWM输出及看门狗电路等，在实际应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。测量系统包括RC滤波器、有稳压二极管组成的 参考基准电压源、ATMEGA8L微控制器及调试接口，系统通过开关网络选取被测量的单体电 池后，为了提高测量的实时性和精度，取得的信号需经R3C4与R4C5滤波后再送入微控制器 的两个AD通道(微控制芯片的PCl和PCO端口)，滤波电阻R3，R4与滤波电容C4，C5取值影响测量的实时性和精度，R3C4与R4C5滤波常数取小了滤波效果不好，其在巡回测量时的 实时性好，但精度会差些；反过来滤波电阻和电容取值大，滤波效果好，有助测量精度提高， 但在逐个测量燃料电池组的每节单体电池电压的实时性就会受到影响；这里的滤波电阻还 具有电压取样时限流作用所以在选择滤波器的电阻电容的值时要兼顾测量的精度与巡回 检测的实时性。首先考虑到所使用的微处理器的AD转换的最高采样频率为100KHZ，再根据 采样定律，那么滤波器的截止频率(f = 1/2 π RC)应该低于50KHZ。R3与R4以IK电阻为 例，C4和C5应该选取3300PF的电容最为合适。另外在测量双节单体电池的电路中在电压 信号输入PCO端口这个AD通道前增设一个钳位二极管D2，其目的是防止该通道输入电压信号超过5V，在单节单体电池测量电路中就无需这个做法。测试系统的参考基准电压源是由一个高于2. 5V的稳压二极管D1、限流电阻R2、调 节电阻RW组成。微控制系统的复位电路由Rl和Cl组成。此外调试接口 ISP是用于对微处理器进行程序下载之用。这个接口电路采用标准 电路，ISP调式接口的2引脚接电源VCC，其4，6，8，10引脚接地，其5引脚接微控制系统的 复位端，其1引脚连接微控制芯片的PB3端口，其7引脚连接微控制芯片的PB5端口，其9 弓丨脚连接微控制芯片的PB4端口，其3引脚悬空。实验证明该方法能够很好地实现对燃料电池电堆每节电池的电压测量，而且整个 测量系统的电路简洁、成本低，测量的精度较高，测量误差可控制在士5mV以内。该方法也 存在一些不足，那就是在循环测量电池组每节单体电池时的实时性还不是很高，在保证高 测试精度时，单次测试周期表现略长一点(实验测试18节单体电池时大约在需要3秒)，如 果牺牲一点测量精度就可以提高测量整个电池组的实时性.测试实时性不是很高，所以要 合理选择电路中滤波器电容C4和C5的参数，通过实验来看，该方法对一般的小功率低压燃 料电池系统而言还是能够满足要求。本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改 变，均列为本发明的保护范围。
权利要求
一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路，其特征在于测量系统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，测量系统与被测量电池组不共地，经过低通滤波器连接微控制器两个AD转换器通道的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，然后该连接点与微控制器的一个AD转换器通道接口相连，调试接口与微处理器连接进行程序下载。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路，其特征在于两 节相邻的单体电池作为一个基本测量单元，即连接微控制器两个AD转换器通道的是相邻 两节单体电池的两个电极端；在微控制器电压信号输入PCO端口这个AD通道前增设一个钳 位二极管。
全文摘要
一种燃料电池电堆的单体电池电压测量电路，测量系统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转换器及微控制器，测量系统与被测量电池组不共地，连接微控制器两个AD转换器通道的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，然后该连接点与微控制器的一个AD转换器通道接口相连。它是一种简洁实用、低成本的单体燃料电池电压测量电路，测量精度可以满足要求。
文档编号G01R31/36GK101806866SQ20101014121
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者刘木林, 曾洁, 贾世杰, 陈少华 申请人:大连交通大学
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