基于光電隔離繼電器的燃料電池堆單片電壓檢測系統的設計

摘要：為了保護燃料電池堆，設計了燃料電池堆單片電壓檢測系統。該系統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、電壓路數多和電勢累積高的問題。實驗結果表明，124路單片電壓檢測一次的時間為110ms，測量誤差小于0.01V。該系統能夠有效地保護燃料電池堆。 關鍵詞：燃料電池堆 單片電壓檢測系統 光電隔離方法 質子交換膜燃料電池發動機是汽車新型能力的重要發展方向之一，由燃料電池堆、氫氣進排氣系統、空氣進排氣系統、熱管理系統、控制系統等五個部分組成。其中，燃料電池堆是燃料電池發動機的核心。 燃料電池堆通常由幾十到幾百片單電池組成。由于運行參數的影響，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出現故障，必須立即采取措施，否則則會損壞燃料電池堆。 為了保護燃料電池堆，需要開發電池堆單片電壓檢測系統以實時測量電池堆單片電壓，并和燃料電池發動機主控制器協作處理電壓異常情況。 1 燃料電池堆單片電壓檢測系統方案設計 車載燃料電池堆單片電壓檢測系統包括電壓檢測卡和通訊網絡兩部分；燃料電池堆在非移動應用中，如在實驗室研究及固定電站應用中，還應增加計算機監控功能。本次設計應用于實驗室研究中，系統結構如圖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，同時兼顧到以后應用于車載的問題，燃料電池堆單片電壓檢測系統的通訊采用CAN網絡。 計算機監控部分利用第三方的CAN卡模擬CAN通訊，接收電壓檢測卡發送的單片電壓數據，同時對這些數據進行顯示和保存。 電壓檢測卡是系統的核心，實現燃料電池堆單片電壓的連續采集，同時對電壓值進行判斷，如果電壓值異常，則將對應的異常情況指示碼和單片序號通過CAN網絡發送到燃料電池堆發動機主控制器，主控制器便根據接收的信息采取相應操作。 燃料電池堆單片電壓測量的難點在于對精度要求高（%26;#177;10mV左右）、電壓路數多和電勢累積高。考慮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，可保護有效選擇燃料電池堆任意一片電壓，解決電壓路數多和電勢累積的問題；另外，光電隔離繼電器還有無觸點、穩定性高、壽命長等優點。因此，采用光電隔離繼電器方法進行設計。此外，設計的系統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計 2．1 電壓檢測卡整體設計 燃料電池堆單片電壓檢測卡主要分為信號采集模塊和數字核心模塊兩部分。信號采集模塊實現從電池堆多個單電池中采集指定的某片單電池電壓，并發送給數字核心模塊。數字核心模塊主要實現模/數轉換、控制信號的采集、以及與主控制器及微型計算機的通訊。電壓檢測卡的具體結構如圖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的單片電壓值。這可以通過單片機控制譯碼器來實現。例如測第一片單片電壓，單片機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序號和偶數序號單片電壓時，COMA端的電壓相對于COMB端有正有負。此問題可以通過外加絕對值電路或者外擴雙極性A/D轉換芯片來解決。本次設計選擇了外擴A/D轉換器。 2．2 電壓檢測卡速度和精度分析 從信號實時性的要求出發，要求電壓監控系統在1s內能夠完成信號采集和數據傳送，從采集算法可以看出，如果片選、A/D轉換和單片機運算時間之和在μs的量級，那么完成120路電壓信號采集的時間在ms的量級。同時，CAN總線的通訊速率可以達到1Mbps。能夠傳送8000幀/秒，而120路電壓信號的傳送僅需要40幀（假如一幀能傳送三路信號數據），這說明通訊速率是足夠的。 影響測量精度的因素主要有A/D轉換器的精度、噪聲誤差等。當A/D轉換的輸入為雙極性、滿量程電壓為12V時，若要精確到0.01V，則需要的轉換精度為0.01/12/2=1/2400(除以2是因為雙極輸入)，所以需要精度至少為11位的A/D轉換芯片。噪聲誤差可以通過多次測量取平均值等方法減小。 2．3 主要硬件選型 單片機的選型主要考慮其運算能力和其集成功能模塊。為了讓單片機運行速率與A/D采集速率和通訊速率匹配，單片機運行單個指令的時間應該在1μ左右。集成功能模塊主要應包括CAN通訊模塊、SPI通訊模塊、16路數字輸出模塊（以測124路電壓為例）。 考慮到以后進一步的開發，最終選擇C8051F040單片機。該單片機具有以下一些特點： %26;#183;CAN總線2.0B %26;#183;流水線指令結構 %26;#183;時鐘頻率為25MHz，速度可達25MIPS %26;#183;4352字節內部數據RAM %26;#183;64K字節FLASH存儲器 %26;#183;64個I/O口線，所有口線均耐5V電壓 %26;#183;可同時使用硬件SMBus TM(I2C兼容)、SPITM及兩個UART串口 A/D轉換芯片的選型要考慮的主要是精度和它與單片機的接口。應選擇精度至少為12位、帶SPI通訊、雙極性的A/D轉換芯片。 現選擇的A/D轉換芯片為Max1132。Max1132具有以下一些特點： %26;#183;雙極200ksps和單極100ksps采樣速率 %26;#183;16位轉換精度 %26;#183;輸入電壓范圍為-12V～12V %26;#183;SPI總線接口 它的精度和轉換速率完全能夠滿足電壓檢測的要求。 譯碼器選擇4線/16線的74h154譯碼器。由于譯碼器的使用已經很普遍，這里不再多述。 光電隔離繼電器的選擇主要考慮漏電流、耐壓和體積。最終選擇型號為AQW210S的光電隔離繼電器。 AQW210S具有以下一些特點： %26;#183;雙單元光繼電器 %26;#183;導通時電阻只有幾十歐姆 %26;#183;耐壓值為350V，漏電流不超過100pA %26;#183;超小型SOP封裝 3 實驗分析 此系統目前正用在清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室的一個小型質子交換膜燃料電池堆上，并對該系統的速度和精度進行了測試。系統可以在1秒鐘內對124片單電池電壓進行9次掃描，測量精度在0.01V以內，可以滿足檢測與保護該燃料電池堆的需要。 實驗研究發現，光電隔離繼電器開啟閉合時間是影響掃描次數的主要因素，每次耗時約為0.5ms，測量120路光電隔離繼電器上電壓需時約60ms。占巡檢總時間的一半。 該系統實現了在任意時刻的一片單電池輸出電壓的測量，解決了對精度要求高、電壓路數多和電勢累積高的難題；并通過實驗驗證了該系統的采集精度和速度能夠滿足實際要求。