[发明专利]一种燃料电池电堆单片电压监测仪

说明书

本发明公开了一种燃料电池电堆单片电压监测仪，由信号接口电路板和信号处理电路板组成，所述的信号接口电路板和信号处理电路板之间采用排针和排座直插连接；所述的信号接口电路板由电源变换电路、信号隔离转换电路、模拟通道选择电路、译码电路和阻抗变换电路组成；所述的信号处理电路板由DSP最小系统、外扩RAM电路、外扩AD采样电路、基准电压电路、CAN通信电路组成；本发明通过信号接口电路板上的双极性信号隔离转换器将电堆单电池电压一对一进行隔离转换，具有隔离电压大、测量精度高、测量周期短、抗电磁干扰能力强、工作温度范围宽、寿命长、可靠性高等特点，并且实现了监测仪的模块化和小型化。

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆性能和安全监测设备，更具体地，涉及一种燃料电池电堆单片电压监测仪。

背景技术

大功率燃料电池电堆通常由几十到几百片单电池串联组成。由于电堆中单片电池的串联结构，在电堆运行过程中，最严重的故障就是其中某一片或几片单电池的故障，例如电堆中任何一个电池单体的气路被液态水阻挡，都会出现电池反应减慢甚至停止，使输出电压减小甚至反向，这种故障的出现对燃料电池来说是致命的，所以电池单体电压的监测是燃料电池电堆故障检测中至关重要的一环。

因此需要实时监测各单片电池电压，并将各单片电压传给燃料电池控制器，便于控制器根据电压数据的异常情况采取有效措施，保障燃料电池电堆的安全可靠运行；也可将各单片电压传给上位机，便于科研人员分析研究电堆的工作状况和性能。总之，燃料电池电堆单片电压监测仪不仅在电堆研发阶段十分重要，而且在电堆投入使用之后对于维护电堆的正常工作也不可或缺。

针对电堆单体电池电压的监测，有很多种方法被提出来，比较常见的有机械继电器法、光耦继电器法、电阻分压法、差分放大器法等。这些方法在测量准确度、测量速度、使用寿命、使用安全性上各有优劣。

机械继电器法：机械继电器法为依次选通相邻序号的两路继电器，信号经差分放大和隔离后送入AD转换器，便可对每个单体的电压进行测量。优点是电压通过机械继电器开关后压降极小，测量精度高。但是，机械继电器转换时间长（5ms～100ms），开关次数有限（10万～100万次），不宜使用在长期实时的电压监测中；并且开关切换干扰大，严重者产生电火花，在燃料电池工作环境中安全隐患极大。

光耦继电器法：光耦继电器法的测量原理与机械继电器法类似，优点在于响应速度快，理论开关时间在2us～2ms不等，开关工作寿命长，开关无触点。但是，由于电压通过光耦开关后有压降产生，并且光耦开关具有的非线性特点，使得电压偏差无法精确修正，导致测量结果误差较大（大于10mV）。

电阻分压法：电阻分压法为用相应比例的电阻将电池单体串联的电压进行分压，然后通过多路模拟开关依次选通，连接到AD转换器进行测量。此方法的优点是响应速度快，开关寿命长，缺点是不能很好的调节分压比例，测量精度不高（大于5%），且大量的分压电阻会影响电堆的性能。

差分放大器法：差分放大器法是采用运算放大器作为前端检测元件将每一片单体电池的两端接在运算放大器的两个输入端，然后通过多路模拟开关选择某一片单电压进行AD转换，转换后的数字量再经过高速光耦进行电气隔离进入MCU。此方法的优点是响应速度快，开关寿命长，测量精度高。但是，虽然单片电池电压不高，但大功率电堆是由上百片单电池串联组成，单片电池对地累积电势达到上百伏。常规运算放大器的共模电压一般在二、三十伏之内，难以承受电堆上百伏的电压。

综上所述，目前燃料电池电堆单片电压监测技术均存在一定的不足，不能满足电堆单片电压监测的工业应用需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有燃料电池电堆单片电压监测技术存在的不足，提供一种燃料电池电堆单片电压监测装置，以满足电堆单片电压监测的工业应用需求。