摘  要： 根據(jù)電池堆性能測(cè)試及其控制系統(tǒng)研發(fā)需要,，設(shè)計(jì)了一種燃料電池堆單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度高,、實(shí)時(shí)性好,、穩(wěn)定性強(qiáng)，而且電路簡(jiǎn)單,、成本低,、體積小、易布局,。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠有效地完成燃料電池單片電壓實(shí)時(shí)采集,、顯示和保存。已成功應(yīng)用于200 W常溫常壓空冷質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電源控制系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞： 燃料電池,；單片電壓；電壓檢測(cè),；LabVIEW

　當(dāng)今時(shí)代,，環(huán)境保護(hù)已成為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心，既有較高能源利用效率又不污染環(huán)境的新能源是能源發(fā)展的方向,。氫是一種理想的能量載體,，是完全符合人們期待的新能源之一。氫能利用的一個(gè)重要方面就是燃料電池,，它將氫和空氣中的氧反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能,，其最大特點(diǎn)是反應(yīng)產(chǎn)物為純凈水，而且噪聲也很小,，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染,。因此燃料電池及其電源系統(tǒng)的研究對(duì)減少環(huán)境污染和減小溫室效應(yīng)具有重要的意義[1，2],。
　在標(biāo)準(zhǔn)條件下(25 ℃),，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的理論電動(dòng)勢(shì)為1.229 V，但由于存在活化極化,、歐姆極化和濃差極化等電壓損失,，電池工作過(guò)程中的實(shí)際輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于按熱力學(xué)方法計(jì)算出來(lái)的理論電動(dòng)勢(shì)。PEMFC單片電池的開(kāi)路電壓一般為0.9 V～1.0 V,，額定工作電壓在0.6 V左右,。為了滿(mǎn)足負(fù)載的電壓要求，傳統(tǒng)雙極電堆常采用串聯(lián)方式將許多單片電池連接在一起,，一片電池的陰極與下一片電池的陽(yáng)極相連[3],。顯然,，單片電池的性能影響著整個(gè)電池堆的性能。在不同測(cè)試及工作狀況下實(shí)時(shí)檢測(cè)電堆單片電池電壓,，便于研究人員研究分析電堆的工況和性能,、改進(jìn)電堆結(jié)構(gòu)，以確保電堆中各單片電池工作性能的一致性,；便于控制系統(tǒng)及時(shí)做出正確決策，維持電堆安全,、可靠,、穩(wěn)定運(yùn)行。燃料電池堆單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)不僅在電堆設(shè)計(jì),、研發(fā)階段非常重要,，在維護(hù)電堆正常運(yùn)行中也是不可缺少的?；诖?，針對(duì)自行研制的200 W常溫常壓空冷氫空PEM燃料電池堆，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了20片燃料電池堆單片電壓檢測(cè)系統(tǒng),，可以實(shí)時(shí)檢測(cè),、顯示單片電壓數(shù)據(jù)。單片電壓通過(guò)RS232串行通信口上傳給上位PC機(jī)顯示,、保存,、分析、處理,，便于科研人員進(jìn)一步分析研究燃料電池堆的工況和性能,。
1 系統(tǒng)組成
　自行研制的200 W常溫常壓空冷氫空PEM燃料電池堆由20片單片電池串聯(lián)組成，采用一體化散熱和配氣裝置,，使得散熱,、供氧更均勻。根據(jù)電堆具體結(jié)構(gòu)形式和尺寸,，設(shè)計(jì)專(zhuān)用單片電壓檢測(cè)系統(tǒng),，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由下位單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成,。檢測(cè)系統(tǒng)包括信號(hào)取樣,、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換,、CPU控制等單元,，完成單片電壓實(shí)時(shí)精確檢測(cè)、顯示和報(bào)警,。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)RS232串口通信與上位PC機(jī)連接,，完成數(shù)據(jù)顯示,、保存、分析處理等,。
2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　該電堆為空冷電堆,，每個(gè)單片電池都帶有自身的散熱流道，相鄰兩單片電池之間有一定間距,。根據(jù)電堆結(jié)構(gòu)尺寸,，按照單片電池之間精確尺寸設(shè)計(jì)專(zhuān)用檢測(cè)板，電堆中各單片電壓信號(hào)通過(guò)探針與信號(hào)調(diào)理單元連接,，可靠取樣單片電壓信號(hào),。如圖1所示，選擇第0片即燃料電池堆輸出負(fù)極為信號(hào)調(diào)理單元的共地端,，其主要原因是燃料電池堆第1片與其輸出負(fù)極之間有一定的電位,，測(cè)試時(shí)影響第1片電池電壓測(cè)試精度，另外也是為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)地信號(hào)的一致性,。

　燃料電池堆中各單片電壓信號(hào)為差模小信號(hào),，并含有較大的共模部分，要求信號(hào)調(diào)理單元應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力,。該檢測(cè)系統(tǒng)采用差分電壓測(cè)量方法,，僅放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào),。各個(gè)串聯(lián)單片電池電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元后得到差分電壓,，即單片電池電壓放大信號(hào)，輸出的各路差分電壓信號(hào)共地,。信號(hào)調(diào)理單元采用通用放大器,，由6片MC3403實(shí)現(xiàn)20片單片電壓信號(hào)檢測(cè)，具體電路見(jiàn)圖2,。為了提高系統(tǒng)檢測(cè)精度,，彌補(bǔ)通用放大器不足，該系統(tǒng)采用軟件分段線(xiàn)性擬合方法以減小誤差,，修正采樣電壓到真實(shí)電壓,。經(jīng)過(guò)軟件修正，系統(tǒng)精度達(dá)到5 mV以?xún)?nèi),。

　當(dāng)燃料電池堆輸出較大功率時(shí),，部分性能不佳的單片電池輸出電壓將降為0 V左右，甚至出現(xiàn)負(fù)電壓,。在電池堆性能檢測(cè)中,，要求檢測(cè)單元能夠測(cè)量小的負(fù)電壓。為此，設(shè)計(jì)時(shí)在信號(hào)調(diào)理單元采用地電平相對(duì)平移的方法,，巧妙地解決了A/D轉(zhuǎn)換器不能測(cè)量負(fù)電壓的問(wèn)題,。具體方法是在差分放大電路輸入端引入偏置電壓(見(jiàn)圖2中Vref)。該檢測(cè)系統(tǒng)中偏置電壓Vref為2.5 V,，單片電壓信號(hào)放大2倍后再加偏置電壓Vref輸出給A/D轉(zhuǎn)換單元,。單片電壓檢測(cè)范圍為-1.25 V～+1.25 V。
　每片電池電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元輸出后加限幅輸出保護(hù)電路,，由雙二極管與限流電阻組成,，它一方面限制運(yùn)放的輸出電流，另一方面也限制輸出電壓的幅值,，使信號(hào)調(diào)理單元輸出電壓鉗位于電源電壓AVCC和-0.7 V之間,，保護(hù)檢測(cè)單元后續(xù)器件的安全，以免電路故障輸出電壓過(guò)大而損壞其他電路,。
　為了提高檢測(cè)精度,，系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器選用德州儀器公司生產(chǎn)的12位多通道串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543,。該芯片有11個(gè)模擬輸入通道,，采用SPI數(shù)據(jù)接口傳輸A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果[4]。實(shí)際電路中采用兩片TL2543I完成21路單片電壓及偏置電壓采樣,。CPU選用高性能的AVR系列單片機(jī)ATmega16[5],，TLC2543的通道號(hào)由CPU的I/O口控制，進(jìn)行循環(huán)順序選通,，將20路電壓信號(hào)分別送入CPU控制單元,。LCD液晶顯示器選用LCM12864ZK串行液晶顯示器，分頁(yè)顯示單片電池的實(shí)時(shí)電壓值,，每隔5 s自動(dòng)更新一頁(yè),。另外，當(dāng)燃料電池堆中某片或某幾片電池工作異常時(shí),，CPU輸出報(bào)警信號(hào),，協(xié)助及時(shí)做出處理。
3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)
　LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering) 是一種基于圖形語(yǔ)言(G語(yǔ)言)的程序開(kāi)發(fā),、調(diào)試和運(yùn)行集成化環(huán)境,，廣泛用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室,。該語(yǔ)言提供了大量的常用控件,，如旋鈕、開(kāi)關(guān),、按鈕,、圖形顯示等，便于根據(jù)用戶(hù)需要，設(shè)計(jì)各種簡(jiǎn)單,、直觀,，且易于理解、調(diào)試和維護(hù)的專(zhuān)用測(cè)試程序,。
本上位機(jī)界面以LabVIEW8.2[6]為軟件平臺(tái),，采用VISA功能模塊開(kāi)發(fā)燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序。上位機(jī)程序通過(guò)串口每1 s與檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行1次交互,，上位機(jī)發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令,，檢測(cè)系統(tǒng)返回24位數(shù)據(jù)，包括電堆電壓,、電堆電流,、21路單片電壓和偏置電壓數(shù)據(jù)，每片電池的電壓為1位,，每位數(shù)據(jù)8 bit,。上位機(jī)正確接收數(shù)據(jù)后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。采用儀表顯示電堆電壓,、電堆電流；采用波形圖以柱形圖形式實(shí)時(shí)顯示20片單片電池電壓,；采用數(shù)組和數(shù)值控件精確顯示20片單片電池電壓值及其最大值,、最小值、平均值,。如圖3所示,。除了顯示數(shù)據(jù)以外，上位機(jī)監(jiān)控界面還能夠存儲(chǔ)燃料電池堆的電壓,、電流,、20片單片電壓值。系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)選擇的存儲(chǔ)路徑,，將這些值作為歷史文件保存到相應(yīng)TXT文本中,，方便查詢(xún)每片單體電池的歷史及其電壓變化趨勢(shì)，方便分析與管理燃料電池堆單片電池,。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
　該燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)成功應(yīng)用于自行研制的200 W常溫常壓空冷氫空PEM燃料電池堆單片電壓檢測(cè),。電堆由20片單片電池組成，檢測(cè)系統(tǒng)完全貼附于整個(gè)電堆表面,。圖4為該系統(tǒng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,。系統(tǒng)測(cè)量為該系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量的實(shí)際結(jié)果，實(shí)際測(cè)量為采用高精度萬(wàn)用表測(cè)得的值,。測(cè)量結(jié)果表明,，該檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的最大誤差在5 mV以?xún)?nèi)，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)量精度要求。另外,，由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)整個(gè)電堆中單片電池的一致性也比較好,。

　采用差分放大電壓檢測(cè)電路，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)及其上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件,。該系統(tǒng)體積小,、重量輕，可以直接貼附于燃料電池堆表面,，易于與電堆控制系統(tǒng)集成,，實(shí)現(xiàn)電堆單片電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)。實(shí)踐證明該檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,、可靠性高,，能夠?qū)崿F(xiàn)電堆單片電壓實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)。
參考文獻(xiàn)
[1] TORI C,， BALEZTENA M,， PERALTA C， et al. Advances in the development of a hydrogen/oxygen PEM fuel cell stack[J]. International Journal of Hydrogen Energy,，2008,，33(13)：3588-3591.
[2] Chen Jixin， Zhou Biao. Diagnosis of PEM fuel cell stack dynamic behaviors. Journal of Power Sources,， 2008,，177(1)：83-95.
[3] SPIEGEL C.燃料電池設(shè)計(jì)與制造[M].馬欣,，王勝開(kāi),，陳國(guó)順等譯，北京：電子工業(yè)出版社,，2008.
[4] Texas Instrument. TLC2543 Data Book[S]. http：//www.ti.com,，2001.
[5] Atmel Corporation. ATmega16產(chǎn)品手冊(cè).2005.
[6] 豈興明，周建興,，矯津毅. LabVIEW8.2中文版入門(mén)與典型實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社,，2008.