高速PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

游志宇，汪立偉

(電子信息工程國家民委重點實驗室(西南民族大學)，四川 成都 610041)

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，開發(fā)與利用可再生新能源、降低碳排放成為各國能源開發(fā)與利用的發(fā)展方向.氫燃料電池作為氫能利用裝置，其能量轉(zhuǎn)換效率高、不受卡諾循環(huán)限制、清潔環(huán)保[1]，成為最有前景的新能源發(fā)電裝置，在航空、備用電源、新能源電動汽車等諸多領(lǐng)域得到大量應(yīng)用. 質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC)因啟停快、工作溫度低、動態(tài)響應(yīng)靈敏等特點成為燃料電池領(lǐng)域研究的焦點[1]，處于商業(yè)應(yīng)用的前沿，影響PEMFC 商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其運行性能及使用壽命[2-4].PEMFC 電堆由多個單片電池串聯(lián)形成，電池材料、流場結(jié)構(gòu)、負載加載方式、電堆工作條件(工作溫度、氫氣壓力、氧氣壓力、過氧比)、電堆啟停策略、負載運行工況[5]等均將影響PEMFC 的運行性能及使用壽命[2，6-9].單片電壓過低，將導致質(zhì)子交換膜電化學活性衰退、出現(xiàn)局部“熱點”，嚴重時將引起PEMFC 反極化而永久性損壞電堆[2].因此PEMFC 單片電壓監(jiān)測在PEMFC 流場結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作條件控制[10]、啟停策略制定[7-8]、暫態(tài)分析、故障診斷、剩余壽命預測[11]、控制策略研究[9]等方面起著至關(guān)重要的作用，有必要開發(fā)設(shè)計高速PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足PEMFC 暫態(tài)分析、故障診斷的需要.

PEMFC 單片電池開路電壓理論值約為1.229 V，正常工作時電壓在0.5 ～0.8 V 之間，為滿足大功率高電壓應(yīng)用的需要，常由幾十甚至上百片單電池串聯(lián)構(gòu)成PEMFC 電堆，串聯(lián)結(jié)構(gòu)導致電堆整體性能由性能最差的單片電池反應(yīng)[2，12].為監(jiān)測電堆在不同流場結(jié)構(gòu)、運行條件、運行工況、控制策略下的暫態(tài)響應(yīng)過程，需要高速捕捉單片電池的電壓變化，并通過對單片電池電壓暫態(tài)變化與不一致性的分析，調(diào)整控制策略、加載方式、工作條件等，以改善電堆的運行性能，延長電堆的使用壽命. 鑒于此，本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合電壓分壓法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種高達128片單片電壓采集的高速、高精度PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足PEMFC 電堆在流場結(jié)構(gòu)設(shè)計、不均衡分析、暫態(tài)響應(yīng)分析、控制策略研究等實驗測試場合的應(yīng)用要求.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

不同輸出功率及電壓的PEMFC 電堆單片電池數(shù)量不一致，導致單片電壓采集困難. 已有相關(guān)文獻在PEMFC 應(yīng)用中針對單片電池電壓監(jiān)測采用機械繼電器法、電壓分壓法、差分放大器法、光電隔離法、專用鋰電池監(jiān)測芯片等對單片電壓進行預處理，在結(jié)合單片機、DSP 等微處理器構(gòu)成采集系統(tǒng)[13-17]，為PEMFC 電堆運行與控制提供狀態(tài)參數(shù). 現(xiàn)有的單片電壓采集系統(tǒng)僅作為PEMFC 發(fā)電控制系統(tǒng)的一個監(jiān)控單元，為PEMFC 電堆的運行控制提供狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，并未實現(xiàn)電堆暫態(tài)信息的采集，其測量轉(zhuǎn)換時間長、采集精度低，不能滿足PEMFC 單片電壓暫態(tài)分析與故障診斷的需要.

本文針對PEMFC 的特點設(shè)計了一種高速、高精度PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對1 ～128 片單片電池(目前常用實驗PEMFC 電堆大部分都在128 片以下)構(gòu)成的PEMFC 電堆進行單片電壓監(jiān)測，具體應(yīng)用時可通過監(jiān)測軟件設(shè)置實際采集的單片數(shù)量.所設(shè)計的采集系統(tǒng)最高可以采集128 片單片電池電壓，因此從各單片電池正極引出需要采集的電壓信號最高有128 個，第1 片單片電池的負極作為采集系統(tǒng)公共參考地.對128 個模擬電壓信號最快速的采集方法是采用128 個高速ADC 轉(zhuǎn)換單元進行并行采樣，在同一時刻完成128 個模擬電壓采集. 該方法采集速度雖快，但存在采集電路復雜、成本高、瞬時數(shù)據(jù)量大等問題，其實現(xiàn)較為困難. 為降低采集電路復雜程度及成本，一般采用串行巡檢的方式，用一個高速ADC 轉(zhuǎn)換單元與模擬多路切換電路實現(xiàn)多路模擬信號的串行采集.為保證采集的精度及可靠性，本文選用高速數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)采集. 經(jīng)綜合對比分析后，擬采用最大采樣率為1MS/s、分辨率為16 位的64 通道高速數(shù)據(jù)采集卡USB -2633 進行單片電壓采集. 首先將引出的128 路單片電池正極電壓分成低64 路(C1 -C64)和高64 路(C65 -C128)兩組，再利用模擬多路切換單元將低64 路和高64 路分時切換成一組64 路單片電壓信號，切換后的信號在經(jīng)信號調(diào)理單元處理后與USB -2633 數(shù)據(jù)采集卡連接，由上位機監(jiān)測軟件通過兩次全通道采樣，實現(xiàn)最大128 路單片電壓的采集，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure diagram of system

USB-2633 數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓范圍為-10 V ～+10 V，轉(zhuǎn)換精度為16 位，硬件理論誤差約為0.3 mV；最大采樣率為1 MS/s，完成一次64 通道采集硬件理論時間約為64 μs.信號調(diào)理單元采用單電源供電、低功耗、低偏移的精密JFET 放大器AD8627 進行信號調(diào)理，其帶寬為5 MHz.模擬多路切換單元選擇ADI 公司的ADG1434 進行設(shè)計，其開環(huán)增益為135 MHz，閉合延遲時間約為80 ns，轉(zhuǎn)換時間約為350 ns，再考慮一定的切換穩(wěn)定時間余量，完成一次切換時間約為1 μs.USB -2633 數(shù)據(jù)采集卡具備IO 輸出端口，上位機監(jiān)測軟件根據(jù)當前準備采集的高、低組，輸出高低電平H/L，實現(xiàn)模擬多路切換單元對高64 路與低64 路的切換.輸出切換控制信號的時間根據(jù)系統(tǒng)而定，硬件理論時間約為0.25 ms，再考慮操作系統(tǒng)的延遲，輸出控制信號不會超過1 ms.上位機監(jiān)測軟件實時獲取PEMFC 電堆單片電壓數(shù)據(jù)，并實時顯示與存儲.

PEMFC 單片電池理論開路電壓為1.229 V，正常工作時電壓約為0.5 ～0.8 V， 128 個單片串聯(lián)形成PEMFC 電堆，其第128 片單片電池正極電壓高達157.32 V，第1 片最低電壓僅為0.5 V 左右，不滿足USB-2633 模擬輸入電壓的要求.為使單片電壓信號在數(shù)據(jù)采集卡允許輸入范圍的合理區(qū)間內(nèi)，對引出需要采集的電壓進行預處理，各電壓的縮放系數(shù)如表1所示.

表1 單片電壓信號縮放系數(shù)Table 1 Scale factor of single cell voltage signal

根據(jù)各單片對應(yīng)的縮放系數(shù)，C1 ～C4 利用AD8627 進行信號放大處理，C8 ～C128 利用高精度、低溫漂電阻按比例進行分壓變換，使各單片電壓在0～10 V 范圍中間位置. 按照表1 的縮放系數(shù)，USB -2633 數(shù)據(jù)采集卡各通道的理論誤差不一致，121 片以下理論誤差約為5 mV，122 ～128 片理論誤差最大，約為6.3 mV，但總體理論誤差較小，滿足PEMFC 單片電壓暫態(tài)監(jiān)測的精度要求.

2 信號調(diào)理硬件設(shè)計

2.1 電壓放大電路設(shè)計

從PEMFC 電堆引出的C1 ～C4 電壓較小，為提高采樣精度，利用放大器AD8627 對C1 ～C4 的電壓進行放大，放大倍數(shù)見表1 所示.由于PEMFC 正常工作時單片電壓在0.5 ～0.8 V 之間，C1 ～C4 放大后的值在3.3 V ～8.2 V 之間，位于USB -2633 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入范圍的中間位置，有利于提高采集精度，其放大電路如圖2 所示.

2.2 多路切換電路設(shè)計

模擬多路切換開關(guān)ADG1434 為四通道單刀雙擲，需要對128 路單片電壓信號分成2 組64 路，共需要16 片ADG1434 構(gòu)成模擬多路切換處理單元.單片電壓C1 ～C128 經(jīng)分壓或者放大預處理后，分為Ci1～Ci64 與Ci65 ～Ci128 兩組，Cin 與Ci(n +64)經(jīng)單刀雙擲開關(guān)切換成Xn(n =1，2…..64)，共用一個采集通道，其電路原理圖如圖3 所示.IN1 ～IN4 為多路切換開關(guān)的控制端，當其為低電平時Cin 與Xn 相連接，當其為高電平時Ci(n +64)與Xn 連接.IN1 ～IN4控制信號CTR 由USB -2633 數(shù)據(jù)采集卡的IO 端口輸出，為實現(xiàn)高、低64 路同時切換，將模擬多路切換處理單元的所有控制端并聯(lián)在一起，由同一個控制信號CTR 實現(xiàn)同步切換.經(jīng)模擬切換后的信號Xn 經(jīng)放大器AD8627 構(gòu)成的電壓跟隨單元處理后與USB -2633 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道連接.

圖2 單片電壓放大電路Fig. 2 Amplifier circuit of single voltage

圖3 切換電路原理圖Fig. 3 Schematic diagram of switching circuit

2.3 電源濾波設(shè)計

信號調(diào)理單元主要完成單片電壓信號的變換與調(diào)理，其供電電源的不穩(wěn)定性將影響信號調(diào)理單元的性能，增加噪聲，降低采集精度. 采用開關(guān)電源輸出12V 直流對采集電路供電，為降低開關(guān)電源輸出紋波及固有噪聲的影響，在輸入端并聯(lián)多個濾波電容，在經(jīng)電源靜噪濾波器NFM31KC 消除電源的電磁噪聲，以提高供電電源的質(zhì)量，降低對運算放大器、模擬切換開關(guān)等模擬電路的影響，設(shè)計的電源濾波電路如圖4 所示.

圖4 電源濾波電路Fig. 4 Filter circuit of power supply

3 監(jiān)測軟件設(shè)計

監(jiān)測軟件主要對PEMFC 單片電壓監(jiān)測硬件進行控制，完成PEMFC 電堆單片電壓的采集、數(shù)據(jù)處理，計算出各單片電壓值，并實時顯示與保存. 利用Lab-VIEW 進行監(jiān)測軟件設(shè)計，其流程圖如圖5 所示.

圖5 監(jiān)測軟件流程圖Fig. 5 Flow chart ofmonitoring software

在監(jiān)測軟件啟動后首先進行系統(tǒng)初始化(數(shù)據(jù)緩存、系統(tǒng)參數(shù)、數(shù)據(jù)保存路徑等)，并設(shè)置要監(jiān)測的PEMFC 電堆單片電池數(shù)量，隨后進入待機狀態(tài)，等待單片電壓監(jiān)測啟動. 當啟動單片電壓監(jiān)測后，先對USB-2633 數(shù)據(jù)采集卡硬件(信號采集模式、采樣時間、采樣通道等)、顯示界面、數(shù)據(jù)存儲緩存進行初始化，輸出模擬切換單元控制信號CTR，選擇低64 路單片電壓，延時1 ms 以保證模擬切換單元完成切換并穩(wěn)定，隨后根據(jù)需要采集的單片電池數(shù)量啟動單片電壓監(jiān)測.若需要監(jiān)測的單片數(shù)量不大于64 片，監(jiān)測軟件控制硬件進行一次采樣即可完成一次采集，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各單片的實際電壓值，按需要進行顯示和存儲，隨后開始新的一次單片電壓采集，直到停止采集為止；若需要監(jiān)測的單片數(shù)量大于64 片，監(jiān)測軟件先采集低64 片電壓數(shù)據(jù)并保存，隨后輸出模擬切換單元控制信號CTR，切換到高64 片，再采集高64片電壓數(shù)據(jù)并保存，待高64 片單片電壓數(shù)據(jù)采集完后，根據(jù)實際選擇的單片數(shù)量將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各單片的實際電壓值，按需要進行顯示和存儲. 隨后重新設(shè)置模擬切換單元控制信號CTR，切換到低64 片，開始新的一次采集，直到停止采集為止. 監(jiān)測軟件設(shè)有柱狀圖、數(shù)字兩種顯示界面，也可根據(jù)測試需要增加實時曲線顯示.監(jiān)測單片數(shù)據(jù)保存在指定文件內(nèi)，實驗后可進行數(shù)據(jù)分析，操作顯示界面如圖6 所示，

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)與測試PEMFC 電堆Fig.6 Monitoring system and testing PEMFC stack

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)圖1 所示的PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對單片電壓調(diào)理單元硬件進行了詳細設(shè)計，最終構(gòu)建了PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)，并利用Ballard 公司的80 片空冷自增濕PEMFC 電堆對監(jiān)測系統(tǒng)進行測試，實驗測試實物圖如圖6 所示.將PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)的單片電壓測量端分別插入電堆各單片連接處，啟動檢測軟件即可實時監(jiān)測各單片電池的電壓值，并將監(jiān)測的值保存到系統(tǒng)自動生成的文件中，實驗結(jié)束后可對數(shù)據(jù)進行后期分析.

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件及軟件控制流程，對于單片電池數(shù)量不大于64 片的，在采集過程中不需要進行信號切換，完成一次采集的時間僅為數(shù)據(jù)采集卡的硬件采集時間與監(jiān)測軟件對采集數(shù)據(jù)進行處理(計算、顯示、存儲)的時間，從測試保存的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出完成一次采集的時間約為1 ms. 對于單片電池數(shù)量大于64片的，在采集過程中需要進行兩次信號切換，因此完成一次采集的時間為兩個硬件采集時間、兩個信號切換時間、兩個1 ms 延時時間、監(jiān)測軟件對采集數(shù)據(jù)進行處理的時間，從測試保存的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出完成一次采集的時間約為6 ms. 監(jiān)測系統(tǒng)對低于64 片單片的采集速度非?？?，高于64 片的采集增加了硬件切換及軟件延時時間，導致采集時間稍長，但總體采集時間滿足PEMFC 單片電壓暫態(tài)監(jiān)測的要求.

為測試PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)各通道采集的精度，本文利用高精度直流電源對各通道進行模擬測試.測試的方法是利用高精度可調(diào)直流電源輸出兩個差值在1 V 以內(nèi)的直流電壓信號，分別接到PEMFC單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)相鄰的兩個測量端(如圖1 中的Cn、Cn-1(n=1，2，3…128)，電壓值大的接在采集通道的Cn 端，值小的接在Cn-1 端，監(jiān)測系統(tǒng)分別測量出兩個通道的值，計算其差值作為第n 片單片電池的電壓值)進行測試，將直流電源輸出的差值與監(jiān)測系統(tǒng)測量值對比得出監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差，部分測試結(jié)果如表2 所示.經(jīng)多次測試，將各通道的誤差求算術(shù)平均作為PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)的總誤差. 實驗測試得到的平均誤差為4.52 mV，單片最大誤差為6.32 mV，最小誤差為0.26 mV，測量誤差在數(shù)據(jù)采集卡理論誤差范圍內(nèi)，完全滿足PEMFC 單片電壓采集要求，適合用于PEMFC 電堆單片電壓實驗測試與暫態(tài)分析.

表2 單片電壓采集精度部分測試結(jié)果Table 2 Part test result of single chip voltage acquisition accuracy

5 結(jié)論

在分析PEMFC 單片電壓采集的重要性與作用后，針對PEMFC 暫態(tài)分析與故障診斷的需要，利用電阻分壓、高速模擬切換開關(guān)、高速精密運算放大器設(shè)計了單片電壓調(diào)理單元，并結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建了一種高達128 片單片電壓采集的高速PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng).通過對硬件電路、監(jiān)測軟件的詳細設(shè)計，最終實現(xiàn)了高速PEMFC 單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)樣機.經(jīng)試驗測試表明，監(jiān)測系統(tǒng)測量平均誤差為4.52 mV，測量速度為1 ms(采集單片數(shù)不大于64 片)和6 ms(采集單片數(shù)大于64 片)，樣機系統(tǒng)測量誤差小、采集速度快，能實時采集到單片電壓的暫態(tài)變化，可用于PEMFC 電堆控制策略、均衡性、故障診斷等的分析，具有較強的應(yīng)用價值.