基于光电隔离继电器的燃料电池堆单片电压检测系统的设计

1、自动化与仪器仪表基于光电隔离继电器的燃料电池堆单片电压检测系统的设计吴骞，许家群，夏文川，方成（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京）摘要：为了保护燃料电池堆，设计了燃料电池堆单片电压检测系统。该系统采用基于光电隔离继电器测量电压的方法，解决了燃料电池堆单片电压测量中对精度要求高、电压路数多和电势累积高的问题。实验结果表明，路单片电压检测一次的时间为，测量误差小于。该系统能够有效地保护燃料电池堆。关键词：燃料电池堆单片电压检测系统光电隔离方法质子交换膜燃料电池发动机是汽车新型动力的重要发展方向之一，由燃料电池堆、氢气进排气系统、空气进排气系统、热管理系统、控制系统等五个部分组成。其。中，

2、燃料电池堆是燃料电池发动机的核心数据进行显示和保存。电压检测卡是系统的核心，实现燃料电池堆单片电压的连续采集，同时对电压值进行判断，如果电压值异常，则将对应的异常情况指示码和单片序号通过网络发送到燃料电池堆发动机主控制器，主控制器便根据接收的信息采取相应操作。燃料电池堆单片电压测量的难点在于对精度要求高（±考虑到光左右）、电压路数多和电势累积高。电隔离继电器漏电流极小，对等级的电压测量损失可以忽略，能满足精度要求；同时，通过控制光电隔离继电器的输入控制端，可保证有效选择燃料电池堆任意一片电压，解决电压路数多和电势累积的问题；另外，光电隔离继电器还有无触点、稳定性高、寿命长等优点。因此

3、外，设计的系此，采用光电隔离继电器方法进行设计。统还必须满足巡检速度和抗震等要求。燃料电池堆通常由几十到几百片单电池组成。由于运行参数的影响，燃料电池堆单片电压变化较大，通常电池堆正常单片工作电压为，空载时约为。电压异常则表明系统出现故障，必须立即采取措施，否则会损坏燃料电池堆。为了保护燃料电池堆，需要开发电池堆单片电压检测系统以实时测量电池堆单片电压，并和燃料电池发动机主控制器协作处理电压异常情况。燃料电池堆单片电压检测系统方案设计车载燃料电池堆单片电压检测系统包括电压检测卡和通讯网络两部分；燃料电池堆在非移动应用中，如在实验室研究及固定电站应用中，还应增加计算机监控功能。本次设计应用于实验

4、室研究中，系统结构如图所示。燃料电池堆单片电压检测卡设计电压检测卡整体设计燃料电池堆单片电压检测卡主要分为信号采集模块和数字核心模块两部分。信号采集模块实现从电池堆多个单电池中采集指定的某片单电池电压，并发送给数控制信字核心模块。数字核心模块主要实现模数转换、号的采集、以及与主控制器及计算机的通讯。电压检测卡的具体结构如图所示。相邻光电隔离继电器的输入控制端分别连接一对译码器的输出端；光电隔离继电器的信号输入端依次连接燃料电池堆单片电池两端的电压信号端；奇数序号光几百片单电池的燃料电池堆可能会采用多片电压检测卡，考虑到电压检测卡与主控制器之间的通讯，同时兼顾到以后应用于车载的问题，燃料电池堆单

5、片电压检测系统的通讯采用网络。计算机监控部分利用第三方的卡模拟通讯，接收电压检测卡发送的单片电压数据，同时对这些电隔离继电器的信号输出端并到一起，记为端，同样，偶数序号光电隔离继电器的信号输出端也并到一起，记为端。和端连接转换芯片模拟信号输入端。只需保证任意时刻只有一对相邻序号的光电隔离#本刊邮箱电子技术应用年第期自动化与仪器仪表字节内部数据字节存储器个口线，所有口线均耐电压可同时使用硬件（兼容）、及两个串口转换芯片的选型要考虑的主要是精度和它与单片机的接口。应选择精度至少为位、带通讯、双极性的转换芯片。现选择的转换芯片为。具有以下一些特点：双极和单极采样速率位转换精度输入电压范围为总线接口继

6、电器闭合即可测得对应的单片电压值。这可以通过单片机控制译码器来实现。例如测第一片单片电压，单片机先屏蔽其它对译码器，开启第一对译码器，然后控制该对译码器使第一、二个光电隔离继电器闭合，就可以将第一片电压信号引到和端。值得注意的是，按照此方法测量奇数序号和偶数序号单片电压时，它的精度和转换速率完全能够满足电压检测的要求。译码器选择线线的译码器。由于译码器的使用已经很普遍，这里不再赘述。光电隔离继电器的选择主要考虑漏电流、耐压和体积。最终选择型号为的光电隔离继电器。具有以下一些特点：双单元光继电器导通时电阻只有几十欧姆耐压值为，漏电流不超过超小型封装端的电压相对于端有正有负。此问题可以通过外加绝对

7、值电路或者外扩双极性转换芯片来解决。本次设计选择了外扩转换器。电压检测卡速度和精度分析从信号实时性的要求出发，要求电压监控系统在内能够完成信号采集和数据传送，从采集算法可以看出，如果片选、转换和单片机运算时间之和在的量级，那么完成路电压信号采集的时间在的量级。同时，总线的通讯速率可以达到，能够传送实验分析此系统目前正用在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的一个小型质子交换膜燃料电池堆上，并对该系统的速度和精度进行了测试。系统可以在秒种内对片单电池电压进行次扫描，测量精度在以内，可以满足检测与保护该燃料电池堆的需要。实验研究发现，光电隔离继电器开启闭合时间是影响扫描次数的主要因素，每次耗时约，

8、测量路光电隔离继电器上电压需时约，占巡检总时间的一半。该系统实现了在任意时刻对一片单电池输出电压的测量，解决了对精度要求高、电压路数多和电势累积高的难题；并通过实验验证了该系统的采集精度和速度能够满足实际要求。参考文献衣宝廉燃料电池原理技术应用北京：化学工业出版社，屠海令质子交换膜燃料电池的研究开发与应用北京：冶金工业出版社，（），；，（），（收稿日期：）帧秒，而路电压信号的传送仅需要帧（假如一帧能传送三路信号数据），这说明通讯速率是足够的。噪影响测量精度的因素主要有转换器的精度、声误差等。当转换的输入为双极性、满量程电压为时，若要精确到，则需要的转换精度为（除以是因为双极输入），所以需要精度至少为位的转换芯片。噪声误差可以通过多次测量取平均值等方法减小。主要硬件选型单片机的选型主要考虑其运算能力和其集成功能模块。为了让单片机运行速率与采集速率和通