PEMFC電池堆單體電池電壓巡檢系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)

王慕之，趙思臣，王　奔，韓　明，賈俊波(.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都6003；.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心，新加坡59757；3.中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆工程研究所，四川成都6004)

PEMFC電池堆單體電池電壓巡檢系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)

王慕之1,2，趙思臣2,3，王奔1，韓明2，賈俊波2
(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心，新加坡529757；3.中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆工程研究所，四川成都610041)

設(shè)計(jì)了基于差分運(yùn)放和光耦開關(guān)的硬件采樣模塊，以及基于LabVIEW的算法程序、數(shù)據(jù)采集及界面控制的軟件處理模塊的燃料電池單電池電壓特性巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度高、抗干擾性強(qiáng)、測試電壓路數(shù)多，而且能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、顯示和保存，并對電壓異常情況進(jìn)行警示。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于百瓦級陰極開放式燃料電池堆的測試，實(shí)驗(yàn)證明具有良好的測試精度與穩(wěn)定性。

質(zhì)子交換膜燃料電池；單體電池電壓巡檢系統(tǒng)；差分放大；LabVIEW；燃料電池輸出特性

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人類對能源的消耗越來越大，傳統(tǒng)化石能源已不能滿足日益增長的需求。尤其在強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，開發(fā)和利用新型清潔能源成為大勢所趨。燃料電池作為一種高效無污染的新能源技術(shù)，不受卡諾循環(huán)限制，直接將存儲在燃料中的化學(xué)能等溫、高效地轉(zhuǎn)化為電能，具有體積小、噪音低、無污染、啟動迅速等諸多優(yōu)勢。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)除了具有上述燃料電池的共同優(yōu)點(diǎn)外，還具有功率密度高、啟動快速、開關(guān)循環(huán)特性及結(jié)構(gòu)簡單等突出特點(diǎn)，是汽車新型動力源的重要發(fā)展方向之一。

PEMFC單片電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) (溫度298 K，大氣壓0.1 MPa)下的理論電動勢是1.229 V[1]。但由于存在各種不可逆極化損失(活化極化、歐姆極化和濃差極化)，電池工作時的實(shí)際輸出電壓遠(yuǎn)低于理論電動勢[2]。通常，PEMFC單片電池的開路

本文提出一種基于光電隔離和LabVIEW控制的PEMFC電池堆單體電池電壓巡檢系統(tǒng) (single cell voltage monitor syste，SCVM)[4]。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可實(shí)時檢測、顯示單體電池電壓并在單電池電壓異常時發(fā)出指示等功能，具有實(shí)時性強(qiáng)(63路電路采樣周期0.4 s)、精度高(偏差2 mV以內(nèi))、界面簡潔且能直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)至CSV文件，便于PEMFC電池堆的后續(xù)研究等特點(diǎn)。此外，本文還通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，并對實(shí)驗(yàn)室自制的PEMFC電池堆的電壓特性進(jìn)行初步分析，具有較好的實(shí)用價值和指導(dǎo)意義。

1 SCVM系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)主要由單電池電壓采樣模塊、控制信號模塊、電壓信號取樣與校正模塊、PC調(diào)控與顯示界面、實(shí)時數(shù)據(jù)保存與輸出模塊組成，如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，首先由LabVIEW編寫控制信號，通過NI公司的USB-6531設(shè)備輸出信號至電壓采樣模塊進(jìn)行電壓采樣。其中電壓采樣模塊將63路單電池的正負(fù)極分別引出，形成雙通道輸出，并用信號通過譯碼器控制光電隔離繼電器以控制正、負(fù)通道的通斷，使每次測量單片電池的兩端電壓，并逐次循環(huán)輸出至NI公司的DAQ設(shè)備進(jìn)行電壓信號取樣。然后通過LabVIEW編寫電壓信號校正程序以及調(diào)控與顯示界面，確保測量精度的同時可調(diào)控采樣的頻率以適應(yīng)不同工作需求下采樣的實(shí)時性與持久性要求，并使用LabVIEW保存與導(dǎo)出實(shí)時數(shù)據(jù)，有助于日后的數(shù)據(jù)分析。

圖1　SCVM系統(tǒng)模塊框圖

此系統(tǒng)中，單電池電壓采樣和電壓信號校正是整個系統(tǒng)的核心問題。其中單電池電壓采樣主要需解決精度要求高、電壓路數(shù)多、電勢積累高的問題，還需滿足適宜的采樣頻率、較寬的采樣電壓范圍，具備較強(qiáng)的抗干擾性等。考慮到光電隔離器極小的漏電流對電壓測量損失可忽略，以及其良好的穩(wěn)定性、無機(jī)械觸點(diǎn)、抑制干擾傳輸?shù)忍匦?，選擇其作為單片電壓通斷的開關(guān)，可有效地逐次選擇燃料電池堆中的每片電池兩端電壓，從而解決了電勢積累高的問題。同時通過將各單電池的正負(fù)極分別引出，并通過差分放大器輸出單電池電壓，使得最終電壓取樣時的輸出通道控制在2個以內(nèi)，因而在接線空間允許的前提下可以向上兼容127、255甚至更多電壓路數(shù)，從而解決電壓路數(shù)多的問題。在電壓信號校正中，主要通過LabVIEW的算法編程來調(diào)整取樣電壓以保證精度，同時可設(shè)置采樣的頻率，以保證實(shí)時性的同時減小計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)長時間運(yùn)行時的穩(wěn)定性。此外，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還須盡量滿足低功耗、抗震性等要求。

2 SCVM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1單電池電壓采集硬件模塊設(shè)計(jì)

將各單片電池的正、負(fù)極接線引出，正極依次接至光電離繼電器的信號輸入端，標(biāo)記為奇通道1，3，5，...，63；負(fù)極依次接至光電離繼電器的信號輸入端，標(biāo)記為偶通道2，4，6，...，64。共32片64路AQW210S光電隔離繼電器。采用4片4-16譯碼器，每片譯碼器分別對應(yīng)連接16路光電隔離繼電器奇通道或偶通道，如圖2所示。

用LabVIEW編程并使用NI公司的USB-6531輸出控制信號控制4片譯碼器，從而控制64路開關(guān)的通斷。記初始時間為0，各通道開通時間間隔為t，用控制信號使奇通道依次通斷，第2n－1個奇通道的開通時間為(n－1)×t；同樣用控制信號使偶通道依次通斷，第2n個偶通道的開通時間為t/2+(n－1)×t。則在(n－1)×t～[t/2+(×t－1)×t]的時間段內(nèi)，奇通道2n－1和偶通道2n將同時開通，即單電池片2n－1兩端電壓將被輸出；在[t/2+(n－1)×t]～n×t的時間段內(nèi)，奇通道2n+1和偶通道2n將同時開通，即單電池片2n兩端電壓的負(fù)數(shù)將被輸出。因此可以通過控制譯碼器的信號輸出，使各單電池兩端的電壓逐次分別從奇偶通道輸出。再通過差分放大器將奇偶通道的電壓相減即可得到各單電池的電壓，以正負(fù)交替的形式輸出。本系統(tǒng)選擇THS4521 rail to rail差分放大器，不僅能有效地提高精度，而且能直接輸出正負(fù)的差分信號，因此只要通過二極管將信號統(tǒng)一取正，即可得到各單電池的電壓。

圖2　電堆正負(fù)極引線

2.2主要硬件選型

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AQW210S，其特點(diǎn)為：(1)雙單元光繼電器；(2)導(dǎo)通時電阻較小，只有幾十歐姆；(3)耐壓值為350 V，漏電流不超過100 pA；(4)超小型SOP封裝，節(jié)省體積。

差分放大器選擇THS4521 rail-rail軌到軌差分放大器，其特點(diǎn)為：(1)較大的電壓輸入范圍；(2)軌到軌電壓差分輸出，能輸出正、負(fù)差分信號，可直接由LabVIEW進(jìn)行處理；(3)電壓差分放大后的精度高。

譯碼器選擇74HC154 SOP24封裝，節(jié)省體積。

2.3控制信號模塊

通過LabVIEW編寫程序控制4片4-16譯碼器的狀態(tài)。并設(shè)置可調(diào)變量控制采樣頻率，使采樣能適應(yīng)不同的工作需求，滿足測試所需的實(shí)時性要求。LabVIEW控制信號程序框圖如圖3所示。

PEMFC single cell voltage monitor system design and experimental study

WANG Mu-zhi1,2,ZHAO Si-chen2,3,WANG Ben1,HAN Ming2,JIA Jun-bo2
(1.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China;2.Clean Energy Research Center, Temasek Polytechnic,Singapore 529757,Singapore;3.Nuclear Institute of China,Chengdu Sichuan 610041,China)

A multi-channel voltage measurement system was designed and fabricated for PEM fuel cell application. This system consisted of a hardware module using differential amplifier and light-coupled switches,and the LabVIEW functioning as data collection and interface control unit.High-accuracy,strong anti-interference performance,multiple voltage measuring channels were its features,and the real-time data display,collection and save could be achieved.It could be used to monitor voltage abnormally in a fuel cell stack and its system,and to send warning signal/information to user through computer interface.This system was successfully applied in the performance study on a 100W PEM fuel cell stack,and good experimental results were obtained.

proton exchange membrane fuel cell;single-cell voltage monitor system;differential amplifier;LabVIEW; output characteristic of PEMFC

圖3　LabVIEW控制信號模塊程序框圖

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0084-03

2015-06-12

王慕之(1991—)，男，浙江省人，學(xué)士，主要研究方向?yàn)槿剂想姵?、新能源?yīng)用。

趙思臣，E-mail：253032409@qq.com電壓為0.9～1.0 V。為了滿足負(fù)載所需電壓，通常需要將幾十到幾百片單電池串聯(lián)構(gòu)成PEMFC電池堆[3]。若單片電池的電壓不穩(wěn)定，將直接影響到整個電池堆的性能甚至損壞整個電池堆，因此單電池的電壓實(shí)時巡檢對保障電池穩(wěn)定運(yùn)行以及延長使用壽命而言非常重要。