1、自動化與儀器儀表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吳騫，許家群，夏文川，方成（清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京）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，路單片電壓檢測一次的時間為，測量誤差小于。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動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，

2、燃料電池堆是燃料電池發動機的核心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（±考慮到光左右）、電壓路數多和電勢累積高。電隔離繼電器漏電流極小，對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，可保證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

3、外，設計的系此，采用光電隔離繼電器方法進行設計。統還必須滿足巡檢速度和抗震等要求。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，空載時約為。電壓異常則表明系統出現故障，必須立即采取措施，否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。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

4、室研究中，系統結構如圖所示。燃料電池堆單片電壓檢測卡設計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，并發送給數控制信字核心模塊。數字核心模塊主要實現模數轉換、號的采集、以及與主控制器及計算機的通訊。電壓檢測卡的具體結構如圖所示。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

5、片電壓檢測系統的通訊采用網絡。計算機監控部分利用第三方的卡模擬通訊，接收電壓檢測卡發送的單片電壓數據，同時對這些電隔離繼電器的信號輸出端并到一起，記為端，同樣，偶數序號光電隔離繼電器的信號輸出端也并到一起，記為端。和端連接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#本刊郵箱電子技術應用年第期自動化與儀器儀表字節內部數據字節存儲器個口線，所有口線均耐電壓可同時使用硬件（兼容）、及兩個串口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。應選擇精度至少為位、帶通訊、雙極性的轉換芯片。現選擇的轉換芯片為。具有以下一些特點：雙極和單極采樣速率位轉換精度輸入電壓范圍為總線接口繼

6、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和端。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，它的精度和轉換速率完全能夠滿足電壓檢測的要求。譯碼器選擇線線的譯碼器。由于譯碼器的使用已經很普遍，這里不再贅述。光電隔離繼電器的選擇主要考慮漏電流、耐壓和體積。最終選擇型號為的光電隔離繼電器。具有以下一些特點：雙單元光繼電器導通時電阻只有幾十歐姆耐壓值為，漏電流不超過超小型封裝端的電壓相對于端有正有負。此問題可以通過外加絕對

7、值電路或者外擴雙極性轉換芯片來解決。本次設計選擇了外擴轉換器。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、轉換和單片機運算時間之和在的量級，那么完成路電壓信號采集的時間在的量級。同時，總線的通訊速率可以達到，能夠傳送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。系統可以在秒種內對片單電池電壓進行次掃描，測量精度在以內，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，

8、測量路光電隔離繼電器上電壓需時約，占巡檢總時間的一半。該系統實現了在任意時刻對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。參考文獻衣寶廉燃料電池原理技術應用北京：化學工業出版社，屠海令質子交換膜燃料電池的研究開發與應用北京：冶金工業出版社，（），；，（），（收稿日期：）幀秒，而路電壓信號的傳送僅需要幀（假如一幀能傳送三路信號數據），這說明通訊速率是足夠的。噪影響測量精度的因素主要有轉換器的精度、聲誤差等。當轉換的輸入為雙極性、滿量程電壓為時，若要精確到，則需要的轉換精度為（除以是因為雙極輸入），所以需要精度至少為位的轉換芯片。噪聲誤差可以通過多次測量取平均值等方法減小。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采集速率和通