氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置設計

韓冬林

（天津中德應用技術大學 新能源系，天津300350）

經過近十年的持續研發，質子交換膜氫燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動等功能特性方面已經取得了突破性進展，新一輪的氫燃料電池產業化浪潮正在迫近[1]。

質子交換膜氫燃料電池發電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對復雜的管理控制系統，主要包括燃料供應、氧化劑供應、水熱管理及電控單元等子系統[2]。 在質子交換膜氫燃料電池系統中，有許多關鍵參數需要控制如水、供氫、供氧參數及溫度、壓力參數等[3]，而這些控制參數都可以從氫燃料電池堆膜電極單體電壓中得到體現。 膜電極單體電壓反映了整個氫燃料電池堆及其管理控制系統的工作狀態[4]，通過檢測膜電極單體電壓，不僅能夠及時發現氫燃料電池堆及其管理控制系統的異常狀況，而且膜電極單體電壓的均衡性能夠直接反映并影響整個氫燃料電池堆的性能和壽命[5]。

在此，設計了一種氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置，實現了對氫燃料電池堆膜電極單體電壓精確同步檢測的功能，從而達到對整個氫燃料電池堆體及其管理控制系統工作狀態的準確檢定。

1 混合動力汽車電控系統的構成

由氫燃料電池和鋰離子動力電池構成的混合動力汽車電控系統如圖1 所示。該系統主要由燃料電池堆、單膜電壓檢測單元CVU、燃料電池堆主控單元FCU、升壓式DC-DC 轉換器、鋰離子動力電池組、鋰電池管理系統、整車電控單元ECU、牽引電動機及其驅動單元組成。

圖1 燃料電池混合動力汽車電控系統Fig.1 Electric control system of fuel cell hybrid electric vehicle

圖中， 燃料電池堆主控單元FCU 通過A/D 轉換口采集燃料電池堆的傳感器信號，同時還通過數字I/O口輸出控制信號， 驅動燃料電池堆的執行器工作。單膜電壓檢測單元CVU 通過電壓隔離選擇通道MUX， 順序選通燃料電池堆膜電極單體C00—C61的電壓輸入信號線，經過內部的高壓差分放大器和A/D 轉換器，讀取燃料電池堆的61 路膜電極單體電壓信號，并通過CAN 1 通訊口上報給主控單元FCU。

質子交換膜氫燃料電池堆膜電極單體的理想輸出電壓Uo為[6]

式中：P（H2），P（O2），P（H2O）分別為氫氣、氧氣和水蒸氣的壓力；Eo為氫燃料電池堆膜電極單體的理想標準電動勢；R 為通用氣體常數；T 為氫燃料電池堆工作溫度；F 為法拉第常數[5]。

由式（1）可知，Uo的數值不僅取決于Eo，而且與T，P（H2），P（O2）等控制變量的數值緊密相關。 因此得出：

Uo數據的采集與檢測必須與氫燃料電池堆主控單元的T，以及P（H2），P（O2）等控制參數嚴格同步；只有將Uo的數據與T，P（H2），P（O2）的數據在時序上做到同一時刻同步并行觸發采集并綁定，才能準確檢定氫燃料電池堆體及其管理控制系統的工作狀態。

2 膜電極單體電壓同步檢測裝置硬件電路的設計

氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置的硬件構成如圖2 所示。

圖2 膜電極單體電壓同步檢測裝置硬件系統框圖Fig.2 Block diagram of membrane electrode cell voltage synchronous detection device

圖中，氫燃料電池堆由n 個膜電極單體E1—En串聯構成。 在此，采用在每個膜電極單體中都對應加入獨立的單體電壓檢測單元，每個獨立的單體電壓檢測單元實時檢測所對應的每個膜電極單體工作電壓。

氫燃料電池堆主控單元負責電堆的燃料供應、氧化劑供應、水熱管理等控制功能，主控單元在實時并行采集氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數的同時，會給n 個膜電極單體電壓檢測單元發送同步脈沖信號，同步并行觸發n 個膜電極單體電壓檢測單元，在同一時刻實時并行采集氫燃料電池堆中的n 個膜電極單體電壓數據，且采集到的n 個膜電極單體電壓檢測數據與同一時刻的氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數嚴格同步綁定，能夠保證實現對氫燃料電池堆膜電極單體電壓精確同步檢測的功能，從而達到對整個氫燃料電池堆體及其管理控制系統工作狀態的準確檢定。

氫燃料電池堆主控單元由通訊總線實現與n 個膜電極單體電壓檢測單元聯網功能。 每個單體電壓檢測單元根據同步脈沖信號的索引序號將膜電極單體電壓數據打包并上報給氫燃料電池堆主控單元，主控單元再根據收到的膜電極單體電壓數據中的同步脈沖索引序號，將氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數與膜電極單體電壓數據嚴格同步綁定。

所提出的氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置中的單體電壓檢測單元電路如圖3 所示。

圖3 膜電極單體電壓檢測單元電路原理Fig.3 Schematic of membrane electrode cell voltage detection unit

由圖可見， 采用DSPIC30F6014 數字信號控制器作為主控芯片，光耦AQW214 的LED 輸入側控制信號Ex+.CS 和Ex-.CS 由DSPIC30F6014 的RG15 和RC1管腳產生， 由氫燃料電池堆主控單元發送的同步脈沖信號SYN 經過光耦TLX9304 隔離后， 生成的SYN.IN信號輸入到DSPIC30F6014 的RC2 管腳，用于同步并行觸發膜電極單體電壓檢測單元電路中的光耦AQW214 的LED 輸入側控制信號Ex+.CS 和Ex-.CS。

AQW214 的隔離輸出側MOSFET 的OS1 和OS2管腳分別接到燃料電池堆膜電極單體的正負極板Ex+和Ex-，MOSFET 的OD1 和OD2 管腳分別接到差分放大器INA149 的輸入端IN+和IN-，INA149差分放大器的輸出接到數模轉換芯片AD7321 的VIN0，AD7321 芯片內置高速SPI 串行通訊控制器，可以直接與主控制器DSPIC30F6014 芯片接口，將DSPIC30F6014 的RG6，RG7，RG8 分 別 配 置 為 與AD7321 芯片SPI 串行通訊的SCLK，DOUT，DIN 管腳，就可以按照Ex+.CS 和Ex-.CS 的控制信號時序，讀出膜電極單體Ex+和Ex-之間的電壓轉換數據。

每個單體電壓檢測單元電路中的主控芯片DSPIC30F6014 讀出的膜電極單體電壓數據通過CAN 總線通訊管腳CAN.TX 和CAN.RX， 再經過CAN 總線收發器CTM1051KT 發送到CAN 通訊總線上，氫燃料電池堆主控單元根據收到的膜電極單體電壓數據中的同步脈沖索引序號，將氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數與膜電極單體電壓數據同步綁定。

3 膜電極單體電壓同步檢測裝置控制軟件的設計

氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置中，主控單元的程序流程如圖4 所示。

氫燃料電池堆主控單元采用MC9S12XEP100作為主CPU。 主控單元上電后，首先執行自檢程序，自檢通過后讀取EEROM 中的電堆型號及材料數據，等待電堆運行命令。 電堆啟動后，主控單元進入運行程序主循環，具體如下：

步聚1發送同步觸發脈沖信號給每個單體電壓檢測單元；

步聚2并行采集燃料電池堆的溫度及壓力傳感器的數據；

步聚3通過通訊總線接收每個單體電壓檢測單元上報的各個膜電極單體電壓數據；

步聚4將此次采樣的膜電極單體電壓數據與燃料電池堆的溫度及壓力傳感器的數據同步綁定；

圖4 主控單元軟件流程Fig.4 Software flow chart of main control unit

步聚5檢測是否收到電堆停機信號， 若收到電堆停機信號則退出運行程序主循環，否則程序跳轉回運行程序主循環入口，繼續執行。

4 結語

所設計的氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置， 能夠克服現有的氫燃料電池堆膜電極單體電壓檢測裝置及其控制軟件的技術缺陷。 該裝置由氫燃料電池堆主控單元同步并行觸發每個膜電極單體電壓檢測單元， 在同一時刻同步并行采集每個膜電極單體電壓數據， 并且由主控單元根據同步脈沖信號的索引序號將膜電極單體電壓數據與同一時刻的氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數嚴格同步綁定，能夠實現對氫燃料電池堆膜電極單體電壓精確同步檢測的功能， 從而達到對整個氫燃料電池堆體及其管理控制系統工作狀態的準確檢定。