单片电压巡检及在燃料电池发动机中的应用

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# L; v/ O1 l) V摘要:燃料电池堆单片电池的工作状态直接影响到整个电池堆的性能,需要对单片电压
5 o: J; ~4 ~- H4 g7 |进行实时监控。以应用于某- - 微型燃料电池汽车的5 kW燃料电池堆系统为例,介绍了
3 D9 O3 Z! u; q( U; w5 m基于单片机MC9S12DP256B的质子交换膜燃料电池(PEMFC)单片电压巡检系统
- S  [* b7 {# H/ M(SCVM)的结构、工作原理、软件设计以及在燃料电池堆系统控制中的应用。通过CAN
  D/ ^4 _; d3 \总线技术,单片电压巡检系统实现了与燃料电池堆控制单元(FCU)的通讯,可以有效地
将各单片电压的状态传递至FCU,使之在电堆出现异常状况下及时采取相关处理措施，
7 v" X+ J3 X% Z; R1 e降低燃料电池堆的损伤,延长使用寿命。还提出了拓展和完善该系统的设想。

  F" e; Z! `) O9 n7 s& n关键词:单片电压巡检;差分放大器;单片机;关键电路分析;智能故障诊断

0 C5 Q! L2 i4 h: d' `- pPEMFC具有转化效率高、启动速度快、工作温度低等特点,广泛应用于固定电站、可移动电源以及交通
) _( U: R8 t/ S# V* v2 U' q运输等方面。单片质子交换膜燃料电池最多可以产生1 v左右的电压。为了给负载提供所需的电压,单片
电池要串联起来构成燃料电池堆。这样,每一片电池的工作状态便直接影响到整个电池堆的工作状态。对
燃料电池堆的单片电池进行巡检,可及时发现异常情况,采取相应故障处理措施或改变运行策略,从而保护
0 u" ?; \' |; Z/ S; g电堆及延长电堆使用寿命。燃料电池从静止状态(i=0)转人工作状态(i>0)时会产生电池电压和电极电位
3 [- ~' c# v: J# G' m! I( V的变化,即极化现象。它可以在一定程度上表示电池由静止状态转人工作状态时能量损失的大小。通常,检
测电池电压和电流,以获得实时的极化曲线(U-1曲线),可以用于电池堆系统的控制策略的一些计算,如对
某一负载请求的空气量的设定,相应工作压力的设定等。并且使用U-I曲线作为燃料电池堆系统控制策
略制定的依据,可以很大程度上优化整个系统的性能,提高效率。
5 q+ F( h& i: T! ]( O, l1硬件结构和工作原 理
典型的U-1曲线如图1所示,分为三段区域。第一段区
( h7 Y) O" ?  g: Q9 ]* j5 l域为活化极化区域;第二段区域为欧姆极化区域,这是由电池
5 H. c9 ]9 i* k; w# ^% M内阻包括隔膜电阻、电极电阻与各种接触电阻引起的极化,在
" Q: y. }( Z' `1 \, d$ o; S这一区域中,电压随电流的变化接近线性,电池的正常工作区
0 C' H3 O( D) q; B7 J3 D+ T域就选在此段;第三段区域为浓差极化区域,这是由于电极反
/ l6 u9 j" O* B8 }6 {7 r应区参加电化学反应的反应物或产物浓度发生变化而导致的
9 y! D9 y1 E: h. m$ d电极电位的变化。
) b4 n) K7 U9 s# y* R/ x图2给出了SCVM系统在整个燃料电池堆系统中的位
+ P; {) c6 Q0 K, A3 J1 m3 J置。SCVM系统运行时通过插在电池堆上的金属PIN针周
5 x; p. K  U% w: G0 @/ t期性地采集每片电池的电压,并对其进行运算处理(如求最大
  l0 O3 {/ B! X2 X电压、最小电压和总电压等),再通过CAN总线将数据传送
# Q% F& _) l6 \+ [4 d到FCU.FCU依据设定的判据进行相关的故障处理(如紧
急关断或降低电流等),从而避免整个电池堆系统失效。
: x) u; ^  L! R& N/ M' \用于车辆动力系统的燃料电池堆通常是由上百个单
- x+ I( M6 D( G# G1 A  |片电池组成的,相应的电压检测系统需要同时测量几十
路甚至上百路通道的电压。因此,产生的电势累积效应
会使信号处理芯片上加载的电压超过了其最大工作电压
的范围，导致芯片不能正常工作甚至损毁。所以,设计
( P/ C7 S' p9 USCVM系统其关键在于解决电势累积问题。

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IC老和尚

PEMFC转化效率高、启动速度快、工作温度低，应用很广泛的