基于光電隔離繼電器的燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了保護(hù)燃料電池堆，設(shè)計(jì)了燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)多和電勢累積高的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，124路單片電壓檢測一次的時(shí)間為110ms，測量誤差小于0.01V。該系統(tǒng)能夠有效地保護(hù)燃料電池堆。 關(guān)鍵詞：燃料電池堆 單片電壓檢測系統(tǒng) 光電隔離方法 質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車新型能力的重要發(fā)展方向之一，由燃料電池堆、氫氣進(jìn)排氣系統(tǒng)、空氣進(jìn)排氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。其中，燃料電池堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行參數(shù)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(shí)約為0.9V。電壓異常則表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必須立即采取措施，否則則會(huì)損壞燃料電池堆。 為了保護(hù)燃料電池堆，需要開發(fā)電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)以實(shí)時(shí)測量電池堆單片電壓，并和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器協(xié)作處理電壓異常情況。 1 燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 車載燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)包括電壓檢測卡和通訊網(wǎng)絡(luò)兩部分；燃料電池堆在非移動(dòng)應(yīng)用中，如在實(shí)驗(yàn)室研究及固定電站應(yīng)用中，還應(yīng)增加計(jì)算機(jī)監(jiān)控功能。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 幾百片單電池的燃料電池堆可能會(huì)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(shí)兼顧到以后應(yīng)用于車載的問題，燃料電池堆單片電壓檢測系統(tǒng)的通訊采用CAN網(wǎng)絡(luò)。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分利用第三方的CAN卡模擬CAN通訊，接收電壓檢測卡發(fā)送的單片電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。 電壓檢測卡是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)燃料電池堆單片電壓的連續(xù)采集，同時(shí)對電壓值進(jìn)行判斷，如果電壓值異常，則將對應(yīng)的異常情況指示碼和單片序號(hào)通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到燃料電池堆發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器，主控制器便根據(jù)接收的信息采取相應(yīng)操作。 燃料電池堆單片電壓測量的難點(diǎn)在于對精度要求高（%26;#177;10mV左右）、電壓路數(shù)多和電勢累積高?？紤]到光電隔離繼電器漏電流極小，對1V等級(jí)的電壓測量損失可以忽略，能滿足精度要求；同時(shí)，通過控制光電隔離繼電器的輸入控制端，可保護(hù)有效選擇燃料電池堆任意一片電壓，解決電壓路數(shù)多和電勢累積的問題；另外，光電隔離繼電器還有無觸點(diǎn)、穩(wěn)定性高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用光電隔離繼電器方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(shè)計(jì) 2．1 電壓檢測卡整體設(shè)計(jì) 燃料電池堆單片電壓檢測卡主要分為信號(hào)采集模塊和數(shù)字核心模塊兩部分。信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)從電池堆多個(gè)單電池中采集指定的某片單電池電壓，并發(fā)送給數(shù)字核心模塊。數(shù)字核心模塊主要實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、控制信號(hào)的采集、以及與主控制器及微型計(jì)算機(jī)的通訊。電壓檢測卡的具體結(jié)構(gòu)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(hào)輸入端依次連接燃料電池堆單片電池兩端的電壓信號(hào)端；奇數(shù)序號(hào)光電隔離繼電器的信號(hào)輸出端并到一起，記為COMA端同樣，偶數(shù)序號(hào)光電隔離繼電器的信號(hào)輸出端也并到一起，記為COMB端。COMA和COMB端連接A/D轉(zhuǎn)換芯片模擬信號(hào)輸入端。 只需保證任意時(shí)刻只有一對相鄰序號(hào)的光電隔離繼電器閉合即可測得對應(yīng)的單片電壓值。這可以通過單片機(jī)控制譯碼器來實(shí)現(xiàn)。例如測第一片單片電壓，單片機(jī)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(gè)光電隔離繼電器閉合，就可以將第一片電壓信號(hào)引到COMA和COMB端。值得注意的是，按照此方法測量奇數(shù)序號(hào)和偶數(shù)序號(hào)單片電壓時(shí)，COMA端的電壓相對于COMB端有正有負(fù)。此問題可以通過外加絕對值電路或者外擴(kuò)雙極性A/D轉(zhuǎn)換芯片來解決。本次設(shè)計(jì)選擇了外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器。 2．2 電壓檢測卡速度和精度分析 從信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求出發(fā)，要求電壓監(jiān)控系統(tǒng)在1s內(nèi)能夠完成信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳送，從采集算法可以看出，如果片選、A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)運(yùn)算時(shí)間之和在μs的量級(jí)，那么完成120路電壓信號(hào)采集的時(shí)間在ms的量級(jí)。同時(shí)，CAN總線的通訊速率可以達(dá)到1Mbps。能夠傳送8000幀/秒，而120路電壓信號(hào)的傳送僅需要40幀（假如一幀能傳送三路信號(hào)數(shù)據(jù)），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(zhuǎn)換器的精度、噪聲誤差等。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的輸入為雙極性、滿量程電壓為12V時(shí)，若要精確到0.01V，則需要的轉(zhuǎn)換精度為0.01/12/2=1/2400(除以2是因?yàn)殡p極輸入)，所以需要精度至少為11位的A/D轉(zhuǎn)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(jī)的選型主要考慮其運(yùn)算能力和其集成功能模塊。為了讓單片機(jī)運(yùn)行速率與A/D采集速率和通訊速率匹配，單片機(jī)運(yùn)行單個(gè)指令的時(shí)間應(yīng)該在1μ左右。集成功能模塊主要應(yīng)包括CAN通訊模塊、SPI通訊模塊、16路數(shù)字輸出模塊（以測124路電壓為例）。 考慮到以后進(jìn)一步的開發(fā)，最終選擇C8051F040單片機(jī)。該單片機(jī)具有以下一些特點(diǎn)： %26;#183;CAN總線2.0B %26;#183;流水線指令結(jié)構(gòu) %26;#183;時(shí)鐘頻率為25MHz，速度可達(dá)25MIPS %26;#183;4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM %26;#183;64K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器 %26;#183;64個(gè)I/O口線，所有口線均耐5V電壓 %26;#183;可同時(shí)使用硬件SMBus TM(I2C兼容)、SPITM及兩個(gè)UART串口 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選型要考慮的主要是精度和它與單片機(jī)的接口。應(yīng)選擇精度至少為12位、帶SPI通訊、雙極性的A/D轉(zhuǎn)換芯片。 現(xiàn)選擇的A/D轉(zhuǎn)換芯片為Max1132。Max1132具有以下一些特點(diǎn)： %26;#183;雙極200ksps和單極100ksps采樣速率 %26;#183;16位轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(hào)為AQW210S的光電隔離繼電器。 AQW210S具有以下一些特點(diǎn)： %26;#183;雙單元光繼電器 %26;#183;導(dǎo)通時(shí)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(shí)驗(yàn)分析 此系統(tǒng)目前正用在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小型質(zhì)子交換膜燃料電池堆上，并對該系統(tǒng)的速度和精度進(jìn)行了測試。系統(tǒng)可以在1秒鐘內(nèi)對124片單電池電壓進(jìn)行9次掃描，測量精度在0.01V以內(nèi)，可以滿足檢測與保護(hù)該燃料電池堆的需要。 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，光電隔離繼電器開啟閉合時(shí)間是影響掃描次數(shù)的主要因素，每次耗時(shí)約為0.5ms，測量120路光電隔離繼電器上電壓需時(shí)約60ms。占巡檢總時(shí)間的一半。 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在任意時(shí)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(shù)多和電勢累積高的難題；并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的采集精度和速度能夠滿足實(shí)際要求。