作者：吳 騫 許家群 夏文川 方 成

        摘要：為了保護(hù)燃料電池堆，設(shè)計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。實驗結(jié)果表明，124路單片電壓檢測一次的時間為110ms，測量誤差小于0.01V。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)是汽車新型能力的重要發(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)等五個部分組成。其中，燃料電池堆是燃料電池發(fā)動機(jī)的核心。

        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0.7V，空載時約為0.9V。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)以實時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。

        1 燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

        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，如在實驗室研究及固定電站應(yīng)用中，還應(yīng)增加計算機(jī)監(jiān)控功能。本次設(shè)計應(yīng)用于實驗室研究中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        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，同時兼顧到以后應(yīng)用于車載的問題，燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)的通訊采用CAN網(wǎng)絡(luò)。

        計算機(jī)監(jiān)控部分利用第三方的CAN卡模擬CAN通訊，接收電壓檢測卡發(fā)送的單片電壓數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。

        電壓檢測卡是系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)燃料電池堆單片電壓的連續(xù)采集，同時對電壓值進(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CAN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在于對精度要求高（±10mV左右）、電壓路數(shù)多和電勢累積高�？紤]到光電隔離繼電器漏電流極小，對1V等級的電壓測量損失可以忽略，能滿足精度要求；同時，通過控制光電隔離繼電器的輸入控制端，可保護(hù)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、穩(wěn)定性高、壽命長等優(yōu)點。因此，采用光電隔離繼電器方法進(jìn)行設(shè)計。此外，設(shè)計的系統(tǒng)還必須滿足巡檢速度和抗震等要求。

        2 燃料電池堆單片電壓檢測卡設(shè)計

        2．1 電壓檢測卡整體設(shè)計

        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。信號采集模塊實現(xiàn)從電池堆多個單電池中采集指定的某片單電池電壓，并發(fā)送給數(shù)字核心模塊。數(shù)字核心模塊主要實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、控制信號的采集、以及與主控制器及微型計算機(jī)的通訊。電壓檢測卡的具體結(jié)構(gòu)如圖2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)序號光電隔離繼電器的信號輸出端并到一起，記為COMA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COMB端。COMA和COMB端連接A/D轉(zhuǎn)換芯片模擬信號輸入端。

        只需保證任意時刻只有一對相鄰序號的光電隔離繼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、二個光電隔離繼電器閉合，就可以將第一片電壓信號引到COMA和COMB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，COMA端的電壓相對于C