[發明專利]燃料電池電壓監測系統及其方法

有效

• 申請號: 200610157250.1
• 申請日: 2006-12-02
• 公開（公告）號: CN101191822A
• 公開（公告）日: 2008-06-04
• 發明（設計）人: 張振;趙志強;董俊卿
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: G01R31/36
• 分類號: G01R31/36;H01M8/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種燃料電池電壓監測系統，尤其涉及質子交換膜燃料電池電壓監測系統。

背景技術

燃料電池是由燃料和氧化劑產生電能的裝置，可以獲得高發電效率。燃料電池系統中，以高分子電解質膜為中心，其兩側設置有陽極(ANODE)和陰極(CATHODE)，作為燃料的氫氣在上述陽極發生電化學還原反應，作為氧化劑的氧氣在陰極發生電化學氧化反應，此時通過生成的電子的移動，產生電能。

以典型的質子交換膜燃料電池(PEM燃料電池)為例，以氫氣為燃料，在陽極反應中，氫氣經由擴散層進入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催化作用，將氫氣分解為氫質子及電子，前者經由質子交換膜進入陰極反應區，后者則經由集電裝置向外部負載輸出，另一方面，氧氣經由陰極側的擴散層進入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催化反應作用將氧化分解，并結合來自于質子交換膜的氫質子及來自集電裝置的電子，于陰極反應區生成水。

單個PEM燃料電池的理想電壓是1.2V，但是由于電力損失情況的存在，使得其有效工作電壓僅0.4-0.8V。在實際應用中需要多片電池串聯組成燃料電池堆。由于膜電極失水現象和水淹現象都會導致PEM燃料電池兩極之間的直流電壓下降，單片電池電壓可視為燃料電池性能的重要診斷信息。因此，通常燃料電池系統均具有單電池電壓監測裝置，對燃料電池堆中的單電池電壓進行實時監測。

發明名稱為“燃料電池電壓監視系統及其方法”(申請號為02814901.7，公開日為2004年10月6日)的中國專利申請中公開了一種燃料電池電壓監視系統及監視方法，監視系統包括多個差動放大器、一個開關網絡、一個模數轉換器和一個控制器。差動放大器連接到燃料電池組中要測量電壓的接線端，開關網絡在控制器的指示下選擇單個差動放大器的輸出，并由模數轉換器轉換成數字值，控制器利用數字值計算燃料電池電壓。每個差動放大器有一個高共態抑制比。監視方法包括下述步驟：將多個串聯電池接線端連接到具有兩個輸入和一個輸出的差動放大器的輸入；在差動放大器中從兩個接線端的電壓中抑制共態電壓，給出兩個接線端之間的電壓差；將電壓差從模擬值轉換到數字值。

因為串聯而成的燃料電池堆中每個單片電池兩端具有很高的共模電壓，尤其串聯燃料電池堆頂端的單片電池的共模電壓最大，數值上為串聯燃料電池堆的總電壓，所以在上述方案中在對單片電池電壓進行測量時，必須采用高共模抑制比的差動放大器。若不采用高共模抑制比的測量元件或信號調理元件，測量精度將嚴重下降，同時高共模電壓很有可能擊穿測量元件或信號調理元件，但是采用具有高共模抑制比的測量元件和信號調理元件，勢必大大增加電壓監測的成本。

同時在發明名稱為“燃料電池電壓監視系統及其方法”(申請號為02814901.7，公開日為2004年10月6日)的中國專利申請中，為解決測試精度的問題，監視系統還包括至少一個校準器來校準每個差動放大器。至少一個校準器適合提供一個恒定電壓增量，來仿真多個串聯的電池中每個電池中每個電池接線端的電池電壓和共態電壓，校準每個差動放大器。系統還包括至少一個電壓表來測量每個差動放大器輸入和輸出處的電壓。這些無形中都增加了電池電壓監測的成本。

發明內容

本發明的主要目的就是為了解決上述問題，提出一種低成本、監測精度有保證的燃料電池電壓監測系統，實現對燃料電池堆中的單電池進行監測。

本發明的另一目的是提出一種燃料電池電壓監測方法，利用一種低成本、監測精度有保證的燃料電池電壓監測系統，實現對燃料電池堆中的單電池進行監測。

為實現上述目的，本發明提供了一種燃料電池電壓監測系統，包括開關網絡單元、數據采集單元和控制單元，數據采集單元對燃料電池電壓進行調理并轉換成數字信號，其中，還包括隔離通訊接口單元和主控制器；所述燃料電池堆劃分成若單個燃料電池組；一燃料電池組與一開關網絡單元，一數據采集單元，一控制單元，一隔離通訊接口單元構成一電壓監測模塊；燃料電池組中各單電池的正極連接到開關網絡單元的輸入端，開關網絡單元的輸出端連接到數據采集單元，控制單元連接開關網絡單元的控制端并提供開關網絡的控制信號，數據采集單元的輸出端連接控制單元，控制單元通過隔離通訊接口單元向主控制器提供電壓信號，主控制器通過隔離通訊接口單元提供控制信號給控制單元唯一選通監測模塊。

進一步地，本發明還包括電源管理單元，包括燃料電池組和穩壓電路，用于所述電壓監測模塊中單元提供所需工作電壓。

所述隔離通訊接口單元采用光耦合器或變壓器。