PEMFC电池堆单体电池电压巡检系统开发与实验

王慕之，赵思臣，王　奔，韩　明，贾俊波(.西南交通大学电气工程学院，四川成都6003；.淡马锡理工学院清洁能源研究中心，新加坡59757；3.中国核动力研究设计院反应堆工程研究所，四川成都6004)

PEMFC电池堆单体电池电压巡检系统开发与实验

王慕之1,2，赵思臣2,3，王奔1，韩明2，贾俊波2
(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.淡马锡理工学院清洁能源研究中心，新加坡529757；3.中国核动力研究设计院反应堆工程研究所，四川成都610041)

设计了基于差分运放和光耦开关的硬件采样模块，以及基于LabVIEW的算法程序、数据采集及界面控制的软件处理模块的燃料电池单电池电压特性巡检系统。该系统精度高、抗干扰性强、测试电压路数多，而且能实现数据的实时采集、显示和保存，并对电压异常情况进行警示。本系统已成功应用于百瓦级阴极开放式燃料电池堆的测试，实验证明具有良好的测试精度与稳定性。

质子交换膜燃料电池；单体电池电压巡检系统；差分放大；LabVIEW；燃料电池输出特性

随着现代社会的高速发展，人类对能源的消耗越来越大，传统化石能源已不能满足日益增长的需求。尤其在强调可持续发展的今天，开发和利用新型清洁能源成为大势所趋。燃料电池作为一种高效无污染的新能源技术，不受卡诺循环限制，直接将存储在燃料中的化学能等温、高效地转化为电能，具有体积小、噪音低、无污染、启动迅速等诸多优势。其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)除了具有上述燃料电池的共同优点外，还具有功率密度高、启动快速、开关循环特性及结构简单等突出特点，是汽车新型动力源的重要发展方向之一。

PEMFC单片电池在标准状态 (温度298 K，大气压0.1 MPa)下的理论电动势是1.229 V[1]。但由于存在各种不可逆极化损失(活化极化、欧姆极化和浓差极化)，电池工作时的实际输出电压远低于理论电动势[2]。通常，PEMFC单片电池的开路

本文提出一种基于光电隔离和LabVIEW控制的PEMFC电池堆单体电池电压巡检系统 (single cell voltage monitor syste，SCVM)[4]。该系统实现了可实时检测、显示单体电池电压并在单电池电压异常时发出指示等功能，具有实时性强(63路电路采样周期0.4 s)、精度高(偏差2 mV以内)、界面简洁且能直接导出数据至CSV文件，便于PEMFC电池堆的后续研究等特点。此外，本文还通过实验验证了该系统的可靠性，并对实验室自制的PEMFC电池堆的电压特性进行初步分析，具有较好的实用价值和指导意义。

1 SCVM系统方案

该系统主要由单电池电压采样模块、控制信号模块、电压信号取样与校正模块、PC调控与显示界面、实时数据保存与输出模块组成，如图1所示。当系统运行时，首先由LabVIEW编写控制信号，通过NI公司的USB-6531设备输出信号至电压采样模块进行电压采样。其中电压采样模块将63路单电池的正负极分别引出，形成双通道输出，并用信号通过译码器控制光电隔离继电器以控制正、负通道的通断，使每次测量单片电池的两端电压，并逐次循环输出至NI公司的DAQ设备进行电压信号取样。然后通过LabVIEW编写电压信号校正程序以及调控与显示界面，确保测量精度的同时可调控采样的频率以适应不同工作需求下采样的实时性与持久性要求，并使用LabVIEW保存与导出实时数据，有助于日后的数据分析。

图1　SCVM系统模块框图

此系统中，单电池电压采样和电压信号校正是整个系统的核心问题。其中单电池电压采样主要需解决精度要求高、电压路数多、电势积累高的问题，还需满足适宜的采样频率、较宽的采样电压范围，具备较强的抗干扰性等。考虑到光电隔离器极小的漏电流对电压测量损失可忽略，以及其良好的稳定性、无机械触点、抑制干扰传输等特性，选择其作为单片电压通断的开关，可有效地逐次选择燃料电池堆中的每片电池两端电压，从而解决了电势积累高的问题。同时通过将各单电池的正负极分别引出，并通过差分放大器输出单电池电压，使得最终电压取样时的输出通道控制在2个以内，因而在接线空间允许的前提下可以向上兼容127、255甚至更多电压路数，从而解决电压路数多的问题。在电压信号校正中，主要通过LabVIEW的算法编程来调整取样电压以保证精度，同时可设置采样的频率，以保证实时性的同时减小计算机负担，增加系统长时间运行时的稳定性。此外，设计的系统还须尽量满足低功耗、抗震性等要求。

2 SCVM系统设计

2.1单电池电压采集硬件模块设计

将各单片电池的正、负极接线引出，正极依次接至光电离继电器的信号输入端，标记为奇通道1，3，5，...，63；负极依次接至光电离继电器的信号输入端，标记为偶通道2，4，6，...，64。共32片64路AQW210S光电隔离继电器。采用4片4-16译码器，每片译码器分别对应连接16路光电隔离继电器奇通道或偶通道，如图2所示。

用LabVIEW编程并使用NI公司的USB-6531输出控制信号控制4片译码器，从而控制64路开关的通断。记初始时间为0，各通道开通时间间隔为t，用控制信号使奇通道依次通断，第2n－1个奇通道的开通时间为(n－1)×t；同样用控制信号使偶通道依次通断，第2n个偶通道的开通时间为t/2+(n－1)×t。则在(n－1)×t～[t/2+(×t－1)×t]的时间段内，奇通道2n－1和偶通道2n将同时开通，即单电池片2n－1两端电压将被输出；在[t/2+(n－1)×t]～n×t的时间段内，奇通道2n+1和偶通道2n将同时开通，即单电池片2n两端电压的负数将被输出。因此可以通过控制译码器的信号输出，使各单电池两端的电压逐次分别从奇偶通道输出。再通过差分放大器将奇偶通道的电压相减即可得到各单电池的电压，以正负交替的形式输出。本系统选择THS4521 rail to rail差分放大器，不仅能有效地提高精度，而且能直接输出正负的差分信号，因此只要通过二极管将信号统一取正，即可得到各单电池的电压。

图2　电堆正负极引线

2.2主要硬件选型

光电隔离继电器的选择主要考虑漏电流、耐压和体积。最终选择AQW210S，其特点为：(1)双单元光继电器；(2)导通时电阻较小，只有几十欧姆；(3)耐压值为350 V，漏电流不超过100 pA；(4)超小型SOP封装，节省体积。

差分放大器选择THS4521 rail-rail轨到轨差分放大器，其特点为：(1)较大的电压输入范围；(2)轨到轨电压差分输出，能输出正、负差分信号，可直接由LabVIEW进行处理；(3)电压差分放大后的精度高。

译码器选择74HC154 SOP24封装，节省体积。

2.3控制信号模块

通过LabVIEW编写程序控制4片4-16译码器的状态。并设置可调变量控制采样频率，使采样能适应不同的工作需求，满足测试所需的实时性要求。LabVIEW控制信号程序框图如图3所示。

PEMFC single cell voltage monitor system design and experimental study

WANG Mu-zhi1,2,ZHAO Si-chen2,3,WANG Ben1,HAN Ming2,JIA Jun-bo2
(1.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China;2.Clean Energy Research Center, Temasek Polytechnic,Singapore 529757,Singapore;3.Nuclear Institute of China,Chengdu Sichuan 610041,China)

A multi-channel voltage measurement system was designed and fabricated for PEM fuel cell application. This system consisted of a hardware module using differential amplifier and light-coupled switches,and the LabVIEW functioning as data collection and interface control unit.High-accuracy,strong anti-interference performance,multiple voltage measuring channels were its features,and the real-time data display,collection and save could be achieved.It could be used to monitor voltage abnormally in a fuel cell stack and its system,and to send warning signal/information to user through computer interface.This system was successfully applied in the performance study on a 100W PEM fuel cell stack,and good experimental results were obtained.

proton exchange membrane fuel cell;single-cell voltage monitor system;differential amplifier;LabVIEW; output characteristic of PEMFC

图3　LabVIEW控制信号模块程序框图

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0084-03

2015-06-12

王慕之(1991—)，男，浙江省人，学士，主要研究方向为燃料电池、新能源应用。

赵思臣，E-mail：253032409@qq.com电压为0.9～1.0 V。为了满足负载所需电压，通常需要将几十到几百片单电池串联构成PEMFC电池堆[3]。若单片电池的电压不稳定，将直接影响到整个电池堆的性能甚至损坏整个电池堆，因此单电池的电压实时巡检对保障电池稳定运行以及延长使用寿命而言非常重要。