鄧 堅(jiān)，王 姣，鄧 超，全書海

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

燃料電池因其零污染、無腐蝕、低噪音、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，而成為目前最具有開發(fā)潛力的清潔能源。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，燃料電池堆在投入使用時(shí)一般都是由幾十或者幾百片燃料電池單片串聯(lián)組成，因此，在燃料電池堆運(yùn)行過程中，單片電池的異常會(huì)影響整個(gè)電池堆的性能和安全，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各單片電池的電壓，便于控制系統(tǒng)作出正確的決策，保障燃料電池安全可靠運(yùn)行[1-2]。因此在測(cè)試過程中希望能將所有的燃料電池單片電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上，以便于觀察，從而清楚地了解燃料電池堆的狀況。目前的燃料電池單片電壓檢測(cè)裝置有如下幾種:楊維等[3]采用的電阻分壓和多路模擬開關(guān)檢測(cè)系統(tǒng);楊愛民等[4]采用的基于VB6.0和RS-485總線技術(shù)巡檢系統(tǒng)。但是大多數(shù)巡檢系統(tǒng)與上位機(jī)通信采用的是SCI通信，其速度慢，并且因?yàn)榇蟛糠諴C機(jī)上沒有串口而存在一定的局限性。筆者設(shè)計(jì)了一種簡單、可靠、精度高、功耗低、成本低、實(shí)時(shí)性好和可擴(kuò)展性強(qiáng)的燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于光繼電器分布式單片電壓采集方法的雙CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且利用高速USB通信方式與基于VC10.0的上位機(jī)實(shí)時(shí)通信。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

燃料電池巡檢系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制和燃料電池電壓信號(hào)檢測(cè)兩部分。燃料電池堆在投入使用之前和在使用過程中都需要對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)以確保其性能，此時(shí)就需要用到上位機(jī)的監(jiān)測(cè)功能，此外還需要將燃料電池堆數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器以便其根據(jù)燃料電池單片電壓數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)燃料電池堆的工作狀態(tài)[5-6]。燃料電池電壓巡檢系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 燃料電池電壓巡檢系統(tǒng)工作原理圖

該系統(tǒng)由燃料電池檢測(cè)板(從板)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制板(主板)、上位機(jī)、燃料電池堆主控制器等組成。整個(gè)巡檢系統(tǒng)是一個(gè)基于高速雙CAN網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)傳輸速度是傳統(tǒng)RS-232和RS-485通信的上百倍。燃料電池的檢測(cè)部分和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制部分構(gòu)成一主多從的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)從板結(jié)構(gòu)相同，因此從板都有一個(gè)自己的ID以相互區(qū)分和方便主板呼叫。主板根據(jù)ID號(hào)依次循環(huán)呼叫每個(gè)從板，從板收到呼叫信息后，將采集到的燃料電池堆電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到主板，主板把接收到的數(shù)據(jù)打包，利用USB通信發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)一般為PC機(jī)或工控機(jī)等。

由于燃料電池堆一般由幾十或上百片電池單片組成，盡管每個(gè)單片電池正常工作時(shí)的電壓都不高(在0.5～1.2 V之間)，但是上百片燃料電池單片串聯(lián)起來的電壓將會(huì)達(dá)到近百伏，這將會(huì)使燃料電池堆電壓的整體測(cè)量存在積累電勢(shì)的問題，采用分布式測(cè)量(將30片電池單片分為一組測(cè)量)將會(huì)使這一問題得到緩解，同時(shí)在從板中利用雙光繼電器控制每路電池單片電壓數(shù)據(jù)的采集從而徹底解決積累電勢(shì)問題。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 USB主板方案設(shè)計(jì)

主板作為網(wǎng)絡(luò)控制單元，決定著整個(gè)巡檢系統(tǒng)的工作機(jī)制，其不僅要與上位機(jī)通信而且還要與檢測(cè)單元通信，主板與外界通信的速率決定了整個(gè)巡檢網(wǎng)絡(luò)的通信速率。從數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)性的要求出發(fā)，主板采用了高速CAN通信和USB通信，由于各個(gè)檢測(cè)單元是獨(dú)立的，相互不干擾，因此上位機(jī)刷新一次電池堆電壓數(shù)據(jù)的時(shí)間與燃料電池堆的片數(shù)、CAN通信以及USB通信的速率有關(guān)，CAN總線通信的速率可高達(dá)1 Mb/s，USB通信的速率可高達(dá)12 Mb/s，對(duì)于300片的燃料電池堆而言，10塊從板只需要在30 ms內(nèi)就可以完成一輪檢測(cè)。這相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方案，傳輸速率提高了十幾倍[7]。

主板主要由dsPIC、CAN接口電路、USB接口電路等組成，其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。dsPIC30F系列通用數(shù)字信號(hào)控制器含有12位A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部E2PROM存儲(chǔ)器、比較輸出、捕捉輸入、I2C和SPI接口、CAN接口、異步串行通信(USART)接口、Flash程序存儲(chǔ)器讀/寫等控制功能內(nèi)核，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。系統(tǒng)選用該控制器的主要原因是其內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的CAN通信模塊，可避免使用兩塊單片機(jī)。圖2中的兩個(gè)CAN接口電路完全一樣，都采用光耦隔離TLP113和CAN線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250。PCA82C250型號(hào)的CAN收發(fā)器本身具備瞬間抗干擾、降低射頻干擾(RFI)以及實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的能力，其具有的電流限制電路還提供了對(duì)總線的進(jìn)一步保護(hù)功能。由于檢測(cè)系統(tǒng)每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大且燃料電池堆的工作環(huán)境較復(fù)雜，因此CAN接口電路中還選擇了高速光電隔離器件TLP113，以減少CAN總線有效回路信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間[8]。隨著大量支持USB的個(gè)人電腦的普及，USB成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口已是大勢(shì)所趨。在主機(jī)(host)端，最新推出的PC機(jī)幾乎100%支持USB，其使用方便，速度加快，連接靈活，獨(dú)立供電，支持多媒體，鑒于此，USB通信已成為主板與上位機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的重要橋梁。

圖2 主板原理結(jié)構(gòu)框圖

2.2 雙光繼電器從板方案設(shè)計(jì)

從板主要分為電壓信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊。電壓信號(hào)采集模塊可實(shí)現(xiàn)依次對(duì)燃料電池單片電壓數(shù)據(jù)的采集，采集到的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到信號(hào)處理模塊，在數(shù)據(jù)處理模塊電路設(shè)計(jì)中增加一個(gè)電位抬升功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池單片正、負(fù)壓的檢測(cè)。經(jīng)過信號(hào)處理模塊后的輸出信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)PIC18F258實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 光繼電器從板原理結(jié)構(gòu)框圖

雙光繼電器從板主要由單片機(jī)、CAN收發(fā)電路、基準(zhǔn)電壓獲取電路、差分放大電路(信號(hào)處理模塊)、譯碼選通電路和光繼電器陣列(信號(hào)采集模塊)等組成。為了解決積累電勢(shì)的問題，采用了雙繼電器方案，如圖3所示的光繼電器陣列(信號(hào)采集模塊)。每一片燃料電池單片對(duì)應(yīng)一組光繼電器(兩個(gè)單繼電器)，通過外擴(kuò)譯碼器作繼電器選通切換，每一時(shí)刻只有一組光繼電器被選通，因此也只有一路電壓信號(hào)被采集到。一組光繼電器中的兩個(gè)單繼電器分別控制燃料電池單片的兩端，其低電勢(shì)端與地相連，高電勢(shì)端與差分放大電路的輸入端相連，因此每一時(shí)刻只采集一片電池單片電壓數(shù)據(jù)。一般而言電池單片的電壓不超過1.2 V，不存在積累電勢(shì)的問題，這使其后的差分放大電路在選擇運(yùn)放時(shí)不用考慮是否可以承受高電壓[9]。

燃料電池單片電壓為含有大量共模信號(hào)的差模小信號(hào)，因此需要加入信號(hào)處理單元來抑制共模信號(hào)?？紤]到對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求，筆者采用軌到軌精密運(yùn)放芯片TLV274，±5 V供電，TLV274內(nèi)部含有4個(gè)單獨(dú)的精密運(yùn)放。當(dāng)燃料電池堆工作異常時(shí)，電池單片的電壓會(huì)出現(xiàn)降到0 V以下的狀況(如圖4界面所示的燃料電池堆在停止工作過程中燃料電池單片瞬時(shí)電壓情況)，這時(shí)需要檢測(cè)燃料電池單片的負(fù)壓，為此加入了Vref-抬升輸入電壓Vin的電位，以實(shí)現(xiàn)燃料電池單片負(fù)壓的測(cè)量。

圖4 燃料電池堆停機(jī)過程中電壓曲線界面圖

差分運(yùn)放放大電路如圖5所示，電路由U1、U2、U33 個(gè)運(yùn)放，5 個(gè)電阻 R1、R2、R3、R4、R5，穩(wěn)壓管D1和電容C1組成。Vin是燃料電池單片電壓輸入端，Vref-是由LM336集成電路獲得的精密-2.4 V電壓，差分放大后的電壓信號(hào)Vout經(jīng)模擬通道多路選擇開關(guān)送入單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

圖5 差分運(yùn)放放大電路

在實(shí)際應(yīng)用中取R1=R3，R2=R4，則有Vout=R3/R1(Vin-Vref-)。

使R3=1/2R1，則輸出電壓為 Vout=1/2·(Vin-Vref-)。

使 Vref-=-2.4 V，則 Vout=1/2(Vin+2.4)，這使Vin的對(duì)地電位提高了2.4 V，當(dāng)Vout＞0時(shí)，Vin＞-2.4 V。因此，該系統(tǒng)可以檢測(cè)負(fù)壓不超過-2.4 V的電池單片。

圖5中U3的輸出端為限幅輸出保護(hù)電路，由限流電阻R5、電容C1及穩(wěn)壓管D1組成，它一方面限制了運(yùn)放的輸出電流，另一方面也限制了輸出電壓的幅值，使運(yùn)放輸出電壓鉗位于5.1～-0.7 V之間，保護(hù)檢測(cè)單元后續(xù)器件的安全，避免因電路故障導(dǎo)致輸出電壓過大而損壞其他電路。

3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面軟件采用VC10.0設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)顯示單片電壓、電堆總電壓、最大單片電壓和組號(hào)、最小單片電壓和組號(hào)、平均電壓、電壓方差、記錄歷史數(shù)據(jù)及異常情況報(bào)警，還可以實(shí)現(xiàn)單片電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表、繪制曲線和打印等功能。VC10.0采用Unicode編碼，Unicode為每種語言中的每個(gè)字符設(shè)定了統(tǒng)一并且唯一的二進(jìn)制編碼，以滿足跨語言、跨平臺(tái)進(jìn)行文本轉(zhuǎn)換和處理的要求，有利于跨國合作項(xiàng)目的開發(fā)，同時(shí)它采用多線程處理數(shù)據(jù)，可加快數(shù)據(jù)的處理效率。

圖6為實(shí)際檢測(cè)150片燃料電池單片電壓實(shí)時(shí)曲線界面，圖7為燃料電池堆的測(cè)試界面。此時(shí)燃料電池單片平均電壓為0.81 V，單片電壓曲線平滑，波動(dòng)不超過0.04 V，燃料電池堆工作性能穩(wěn)定，檢測(cè)系統(tǒng)精度為0.01 V，穩(wěn)定可靠，刷屏頻率為約30 ms/次，實(shí)時(shí)性好。

圖6 燃料電池單片電壓實(shí)時(shí)曲線界面圖

圖7 巡檢系統(tǒng)測(cè)試界面圖

4 結(jié)論

筆者在研究燃料電池單片電壓巡檢系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前巡檢系統(tǒng)體積大、功耗較高、系統(tǒng)成本較高、與上位機(jī)通信不方便等問題，提出了一種可檢測(cè)正負(fù)壓的燃料電池堆單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光繼電器陣列分布式采集電壓數(shù)據(jù)的方式，可消除燃料電池積累電勢(shì)的問題，并利用USB與上位機(jī)通信，可以使數(shù)據(jù)的傳輸更加便利和迅速，從而使燃料電池堆數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性得到提高。該系統(tǒng)已在武漢理工大學(xué)自動(dòng)化技術(shù)研究所的5 kW高溫燃料電池電源系統(tǒng)(863計(jì)劃項(xiàng)目)和15 kW燃料電池系統(tǒng)(與南非合作項(xiàng)目)等項(xiàng)目上進(jìn)行測(cè)試，其性能穩(wěn)定且精度高，獲得了良好效果。

[1] Maxim Corp.16-Bit ADC 200 ksps，5 V single-supply with reference[R].[S.l.]:[s.n.]，2001.

[2] 衛(wèi)東，鄭東，褚磊民.燃料電池單電池電壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2010，34(7):658-661.

[3] 楊維，全書海，陳啟宏.燃料電池堆單片電壓巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(2):37-43.

[4] 楊愛民，宋仲康.燃料電池單片電壓巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(5):322-324.

[5] 劉和平，劉釗，鄭群英.PIC18FXXX單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:12-29.

[6] 劉和平，鄭群英，江渝.dsPIC通用數(shù)字信號(hào)控制器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:31-96.

[7] 劉榮.圈圈教你玩USB[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:31-128.

[8] 劉洋，全書海，張立炎.燃料電池發(fā)電系統(tǒng)溫度控制策略研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2010，32(2):268-272.

[9] National Instruments Corporation.Fuel cell test[ED/OL].[2012-04-01].http://www.ni.com/automotive/fuel_cell.Htm.