一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路

曾 洁，徐升荣，刘宾坤，邹 娟

（大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116023）

一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路

曾 洁，徐升荣，刘宾坤，邹 娟

（大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116023）

通常燃料电池电堆是由多节单体电池组成，基于对燃料电池电堆中的每一节单体电池进行必需的实时、精确地测量和监控的目的，系统采用模拟多路开关完成对每节单体电池的高速循环取样方法。为了保证电堆与微控制器间电气安全，对多路模拟开关的通道选择控制采用光电隔离方式，单体电池的取样电压通过小信号运算放大器放大后再经过光电隔离放大器输送给微控制器。实验中通过对甲醇燃料电池电堆各单体电池的工作电压巡回监测，测量的精度较高，且能够对电堆中劣化的单体电池予以故障报警，因此及时避免因单节电池的故障而造成整个电堆的崩溃等问题出现。

甲醇燃料电池；巡回测量；模拟多路开关；隔离放大

燃料电池作为目前一种正在开发和推广利用的新能源之一[1]，有着高效、环境友好和来源广泛等优点。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产水和二氧化碳，因此在燃料电池电站、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[2-3]。其中甲醇燃料电池（DMFC）是燃料电池中结构较简单，体积较小的一种，以甲醇作为燃料，主要应用于便携式发电设备中，它可以对小功率的负载持续地供电。一个直接甲醇燃料电池电堆是由很多节燃料电池串联而成，电压巡检是甲醇燃料电池电堆运行中的重要环节，因为燃料电池系统各操作参数的变化均反映在电池组内各单节电池工作电压上，因此各种故障可能引起电池组不能正常运行的前兆也首先反映在电池组内某节电池的工作电压变化上[4]。同时在电池系统运行时，监测电池组各节单体电池的电压、依据电池组在稳定功率输出时某节单电池工作电压的变化并分析引起这种变化的原因，在电池组故障发生前采用措施，争取排除故障，使电池组恢复到正常工作状态[5]。明显的单节电压降低往往是极个别的，这种变换在总电压上很难察觉出来，有一个单节电池的死亡就会造成整个电堆的崩溃。因此对燃料电池电堆各单节电池的工作电压予以巡回监测成为必须。

1 甲醇燃料电池的电压巡回测量电路硬件架构设计

小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路系统包括电池隔离取样单元、小信号运算放大器、隔离放大单元、温度采集单元、微控控制器、电池取样切换控制、调试接口、通信接口、显示器接口、故障报警及上位机监控，整个测量电路系统能够对15节串联的燃料电池进行电压巡检[6]。基于对系统性能、抗干扰能力、成本等问题的考虑，电池组电压测量电路的核心微处理器采用了ATMEL公司的AVR的8位微处理器ATMEGA8L，它工作温度范围宽，电磁兼容特性好，内有10位的AD转换通道、PWM输出及看门狗电路等，在实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。系统以AVR微处理器为核心，配合成对的模拟多路开关、小信号运算放大器、隔离放大器、液晶显示器及光耦合器等电子器件和电路研究开发出高精度、实时性强的测量电路。

图1 燃料电池的电压巡回测量系统结构原理图

具体测量电路的工作原理如下：燃料电池电堆一般是由多节单体电池组成，由于燃料电池组的每一节单体电池都需要实时、精确地测量和监控，任何一节单体电池劣化都会影响整个电堆的健康，而单体电池的健康与否是通过其单体工作电压和温度来决定的。本系统中电池取样单元采用模拟多路开关和小信号运算放大器配合完成对每节单体电池的高速循环取样。一对相同模拟多路开关的地址线是一一对应的，每一个地址对应连通一节单体电池。一对模拟多路开关相同的输入端分别连接一节单体电池的两端，他们输出的信号是这两点相对于参考点的绝对值电压。再通过小信号运算放大器做减法运算，从放大器输出的就是一节单体电池的电压。因为被测电堆的整体电压往往较高，所以需要采取一些隔离措施。我们采用隔离放大器完成隔离测量，为控制器通过光电耦合器完成对多路模拟开关的隔离控制。单体电池电压的测量使用AVR单片机内部的高速、10位精度的AD转换器，完全可以满足系统对测量精度和实时性的要求[7]。

2 甲醇燃料电池的电压巡回测量电路设计

2.1 单体电池取样电路设计

采用两个双极性电源的模拟多路开关AD7506对每节单体电池进行高速循环取样，其通道的切换由微处理器通过光电耦合器来控制[8]。为了提高精度，用稳压二极管做了一个基准电压，每测量一个单电池电压都与这个基准电压去比较，使得数据非常准确[9]。

模拟多路[10]开关AD7506的介绍：AD7506是美国AD公司的产品，28脚DIP封装，信号从S端输入，通过开关由OUT端输出。16路开关由4位地址A3-A0及一个是能信号EN选择。每个地址只能接通16个开关中的一个；这时，输出端OUT就输出被选中开关的输入端信号。当EN=“0”时，所有开关都断开。

如图2所示，这个电路主要包括有两个模拟多路开关AD7506、16个限流电阻、4个光电耦合器、微处理器和参考基准电压电路等。模拟多路开关采用VDD1（+15V）和 VSS1（-15V）的隔离电源供电，而COM1为0V，该电路可测15个单电池电压。4根地址输入线通过光电耦合器输入到模拟开关的地址选择线（AD7506 的 A0，A1，A2，A3 端口）上，模拟开关使能端（AD7506的EN端口）直接接电源VDD，模拟开关有16通道的CMOS模拟开关。由两个模拟开关组成16路差动输入的模拟信号采样电路，其中一个由基准电源组成的保准电路接在AD7506的第1通道上，其他15个通道检测单电池电压。由于15节单电池的中点接在了电路的地端，因此电池的最低端的电压绝不会低于-15V，电池的最高端电压绝不会高于+15V，电路各点的电压都处在安全的条件下。电池取样电路的模拟多路开关地址选择线务必通过4个光电耦合器与微处理器的I/O口相连，因为电池电压取样电路与微处理器的供电源是隔离的[11]。光电耦合器采用4个光电隔离器TLP521-2，微处理器的PD2、PD3、PD6、PD7端口输出控制信号是通过四个光电隔离器TLP521-2去控制2个多路模拟开关AD7506 的四位地址选择口（AD7506 的 A0，A1，A2，A3端口）。

图2 电池取样单元电路原理图

2.2 隔离放大单元电路

因为被测电池组往往电压较高，所以必须采取相应的隔离措施，小信号放大器的输出通过一个隔离放大器使得信号的输入和输出得到隔离。电源通过DC/DC电源模块进行了隔离。这样测量的电池电压准确可靠，电路更加安全。

AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。此外，AD620采用8引脚DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低，因而非常适合电池供电及便携式应用。AD620具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外，AD620还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。

ISO124是一款集成了一种新的占空比调制解调技术的精密隔离放大器。信号传输数字化形成跨越一个2 pF的电容的隔离。数字隔离调整不影响信号的完整性，因此信号通过隔离有卓越的可靠性和良好的高频瞬变脉冲抗干扰度。两个隔离电容都嵌入了塑料体的封装之中。ISO124使用简单。不需要其他外部的元件即可工作。其工作原理：ISO124隔离放大器采用匹配1 pF隔离电容进行输入输出部分的隔离，并整体嵌入熟料封装内。输入部分负责信号占空比的调制并将信号数字化通过隔离进行传输。输出部分接收经调制的信号，然后通过解调将信号变回模拟信号并除去纹波成分。输入和输出部分组合在一起，然后对特殊电路与输入输出的公共匹配进行激光微调。输入和输出部分分别置于封装的两端，中间是将两端进行隔离的隔离电容。ISO124中的晶体管数量有250个。

图3 隔离放大电路原理图

如图3所示的隔离放大电路原理图，其主要包括小信号运算放大器AD602、隔离放大器ISO124组成。两个模拟多路开关AD7506取出的电压差Vcell需要接到小信号运算放大器AD620的输入端，由于AD620运算放大器输出端的输出的电压信号还不能直接输入给微处理器的AD通道，因为微处理器系统不能与前段测试系统共地，所以电池取样电路获得电池电压信号需经过一个光电隔离放大器后方可送入微处理器AD通道。光电隔离放大器用ISO124，其输入端供电源与电池取样电路的供电源一致，其输出端供电源与微控制器系统的供电源一致，AD620输出信号端与ISO124的输入端相连，最后电池的电压测量信号经ISO124的输出端输出，送入微控制的AD通道[12]。

2.3 燃料电池温度采集电路

温度采集单元主要是对工作中的燃料电池电堆实施实时温度监控，给用户或燃料电池电堆控制系统提供温度信息，如果温度过高，报警输出向用户提示。使用的温度传感器是DA18B20数字温度传感器。在设计电路时，为了提高温度传感器数据线的抗干扰能力，在数据连线上接上拉电阻[13]。

图4 隔离放大电路原理图

如图4所示，DS18B20的电源端接微控制系统的电源VDD（5 V），DS18B20的GND引脚接微控制系统的电源地，其数据端口接微控制器芯片的PB0端口。本设计的原理是，每4个单体电池配一个温度采集传感器，共有16个单体电池，则需要T1、T2、T3和T4共4个温度传感器。通过总线的方式传给微控制器芯片。当采集到的温度发生突变时，微控制器会通过蜂鸣器进行报警，然后通过电压采集模块迅速定位到具体的某节异常单体电池，并对其进行故障排除。

3 实验测试

如图5所示，此为甲醇燃料[14]电池巡检电路实物，其中包括4片AD7506，通过级联的方式，可以同时对30片甲醇燃料单体电池进行巡回测量检测，经实验验证本系统对单体电池电压的采样周期是70毫秒一个循环，电压测量误差精度可达到99.24%。如图6所示，为实验所用的甲醇燃料[15]电堆，此电堆共计由30节单体电池组成，每节单体电池的开路电压为0.7 V，通过对甲醇燃料电堆单体电池电压测试，得出如表1所示，其测量电压为该巡检电路所测的值，其实测电压为通过万能表测量电堆所得的值，而所测得值得最大误差在毫伏级，完全满足实际要求的精度。

图5 甲醇燃料电池巡检电路实物

图6 实验所用的甲醇燃料电堆

表1 测试结果

4 结束语

文中设计的一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路目的是实现对小功率燃料电池进行电压巡回检测，另外通过温度传感器来对单体电池进行大范围的检测，在双重保障下，使得燃料电池能够正常稳定的工作。该电路简单明了，实现简单，操作方便，还具有报警和指示功能，能随时监测到每个单体电池的工作异常状态并立即做出报警反应，保护燃料电堆的正常工作。

[1][美]杰哈（A.R.JHA）.下一代商业、军事、空间应用电池和燃料电池[M].毛仙鹤，赵维霞，陶钧，译.北京：国防工业出版社，2015.

[2]赵天寿.微型燃料电池原理与应用[M].北京：科学出版社，2011.

[3]陈启宏,全书海.燃料电池混合电源检测与控制[M].北京：科学出版社，2014.

[4]王雷.微型燃料电池混合动力系统的控制研究与实现[D].大连：大连交通大学，2010.

[5]刘木林.基于CAN总线的直接甲醇燃料电池控制系统的设计[D].大连：大连交通大学，2011.

[6]曾洁，郭永伟，贾世杰，等.一种小功率甲醇燃料电池的电压巡回测量电路:中国，10141225.0[P].2012-04-25.

[7]曾洁，胡继胜，陈少华，等.小功率混合动力系统的控制装置:中国，20013732.9[P].2010-08-25.

[8]曾洁，刘木林，谢文豪，等.直接甲醇燃料电池的电压自动巡检系统设计 [J].化工自动化及仪表,2010，37（2）:52-54.

[9]童诗白,模拟电子技术[M].5版.北京：清华大学出版社，2015.

[10]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2013.

[11]周兴华，岑巍，倪敏娜.AVR单片机C语言高级编程设计[M].北京：中国电力出版社，2015.

[12]陈中，顾春雷，沈翠风.基于AVR单片机的控制系统设计[M].北京：清华大学出版社，2016.

[13]冯迅.AVR单片机与传感器模块设计[M].北京：清华大学出版社，2015.

[14]魏浩杰，姜颖，王慢想，等.DMFC放电模式与性能稳定性研究[J].电池，2016（1）:4-8.

[15]王新东，王一拓，刘桂成，等.直接甲醇燃料电池电催化机理及多孔电极传质过程研究[J].电化学,2013（3）:246-254.

One kind of voltage cyclical measurement circuit of small power methanol fuel cell

ZENG Jie，XU Sheng-rong，LIU Bin-kun，ZOU Juan
（Institute of Electrical Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116023，China）

Usually the fuel cell stack is made up of a number of single cells.The system uses analog multiplexers to complete high-speed sampling cycle of each single cell，because of the necessary realtime，accurate measurement and monitoring of every monomer cell.In order to insure electrical safety between the fuel cell stack and the micro controller circuit，the system adopts the way of photoelectric isolation on channel control of multi-channel analog switchs，the sampling voltage of a single cell is amplified by the small signal amplifier and then transferred to the micro controller through the photoelectric isolation amplifier.By working voltage cyclical measurement to each single cell of methanol fuel cell stack，the experiment result shows that the measurement circuit has high precision and can alarm the deteriorated cells，therefore，the collapse of the entire stack is avoided because of trouble of any single cell in time.

methanol fuel cell； cyclical measurement； analog multiplex switches； isolation amplifier

TN721

：A

：1674－6236（2017）14-0068-05

2016-09-08稿件编号：201609083

辽宁省自然科学基金（201602116）；江苏省科技计划项目（BE2015132）

曾 洁（1965—），男，辽宁大连人，硕士，教授。研究方向：新能源汽车技术、嵌入式开发及应用。