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專利名稱：一種燃料電池單電池電壓檢測電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種燃料電池，尤其涉及一種燃料電池單電池電壓檢測電路。
背景技術：
燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑發生電化學反應時產生的化學能轉變成電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極由一張質子交換膜和夾在膜兩面的兩張可導電多孔性擴散材料(如碳紙)組成，在質子交換膜與導電材料接觸的兩邊界面上均勻分布有細小分散的可引發電化學反應的催化劑(如金屬鉑)。膜電極兩邊用導電物體將發生電化學反應過程中產生的電子通過外電路引出，就構成了電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，并在催化劑表面發生電化學反應，失去電子形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端一陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體(如空氣)，通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，并在催化劑表面發生電化學反應，得到電子形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的正離子結合，形成反應產物。
在以氫氣為燃料、以含有氧氣的空氣為氧化劑(或以純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區發生失去電子的催化電化學反應，形成氫正離子(質子)，其電化學反應方程式為，氧氣在陰極區發生得到電子的催化電化學反應，形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的氫正離子結合，形成反應產物水。其電化學反應方程式為。
燃料電池中的質子交換膜除了用于發生電化學反應以及遷移交換反應中產生的質子外，其作用還包括將含有燃料氫氣的氣流與含有氧化劑(氧氣)的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆炸式反應。
在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極一般放在兩塊導電的極板之間，兩極板上均開設有導流槽，因此又稱作導流極板。導流槽開設在與膜電極接觸的表面上，通過壓鑄、沖壓或機械銑刻形成，其數量在一條以上。導流極板可以由金屬材料制成，也可以由石墨材料制成。導流極板上的導流槽的作用是將燃料或氧化劑分別導入膜電極兩邊的陽極區或陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極和兩塊導流極板，兩塊導流極板分設在膜電極兩邊，一個作為陽極燃料的導流極板，另一個作為陰極氧化劑的導流極板。這兩塊導流極板既作為電流集流板，也是膜電極兩邊的機械支撐。導流極板上的導流槽既是燃料或氧化劑進入陽極或陰極表面的通道，也是將電池運行過程中生成的水帶走的出水通道。
為了增大質子交換膜燃料電池的功率，通常將兩個或兩個以上的單電池通過直疊的方式或平鋪的方式連在一起組成電池組，或稱作電池堆。這種電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。在電池組中，位于兩質子交換膜之間的極板的兩面都設有導流槽，稱為雙極板。雙極板的其中一面作為一個膜電極的陽極導流面，另一面則作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面。一個典型的電池組通常還包括1)、燃料及氧化劑氣體的進口和導流通道。其作用是將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；2)、冷卻流體(如水)的進、出口與導流通道。其作用是將冷卻流體均勻地分布到各個電池組內的冷卻通道中，吸收燃料電池內產生的反應熱并將其帶出電池組進行散熱；3)、燃料與氧化劑氣體的出口與導流通道。其作用是將沒有參與反應的多余燃料氣體和氧化劑排出，同時將反應生成的液態或氣態的水帶出。上述燃料進出口、氧化劑進出口和冷卻流體的進出口通常都開設在燃料電池組的一個端板上或分別開設在兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可制作成移動式或固定式的發電系統。
由于每個質子交換膜燃料電池堆模塊一般由若干個單電池串聯或并聯而成，因此對燃料電池工作電壓，特別是所有單電池工作電壓進行檢測與監控尤為重要。因為整個燃料電池發電系統的任何不正常情況，如過電流，超出正常工作溫度等都會表現出一些單電池工作電壓處于異常狀態。
目前燃料電池單電池電壓檢測電路中所有光電繼電器都是用單片微電腦開關量引腳直接驅動。單片微電腦上電瞬間或受干擾時存在多組繼電器同時導通短路燒壞光電繼電器的問題。

發明內容
本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供的一種燃料電池單電池電壓檢測電路。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種燃料電池單電池電壓檢測電路，包括單片機U1，CAN總線接口電路U3，若干個光電繼電器組U4，分壓電路U5，其特征在于，還包括譯碼電路U2，該譯碼電路U2為光電繼電器組U4提供驅動信號，實現單片機U1對燃料電池單電池的電壓進行掃描測量，所述的譯碼電路U2輸出端與各光電繼電器組U4輸入端連接，若干個光電繼電器組U4的輸出端與燃料電池單電池相連，與分壓電路U5一起構成電壓檢測電路，單片機U1與譯碼電路U2輸入端連接，控制譯碼器狀態，與CAN總線接口電路U3連接，向CAN總線接口電路發送燃料電池單電池電壓值，與分壓電路U5相連，采集燃料電池單電池電壓信號。
所述的分壓電路U5由若干個精密電阻組成。
所述的光電繼電器組每組內光電繼電器個數可以二到八個。
所述的譯碼電路U2采用標準的譯碼芯片組合，或采用可編程邏輯電路制成或定制芯片。
所述的譯碼電路U2輪流驅動多組光電繼電器U4，譯碼器電路U2的驅動光電繼電器的輸出端口在任一時刻只有一個為低電位，確保只有一組光電繼電器選通。
所述的單片機U1帶有A/D轉換器和通信接口，每次只有一組電壓信號接入單片機模擬量采集端口，單片機計算完成一組電壓，再控制譯碼電路切換到下一組光電繼電器，循環往復，測出所有燃料電池單電池電壓。
所述的單片機U1可采用LPC2119 ARM芯片，譯碼電路U2可采用74HC138芯片，光電繼電器可采用AQW210，分壓電阻可采用千分之一以上精度的精密電阻。
本實用新型由于采用了以上技術方案，克服了現有技術的缺陷。與現有技術相比，本實用新型具有產品可靠性高，實施難度小，可提高采樣速度等優點。


圖1是本實用新型燃料電池單電池電壓檢測電路圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。
參見圖1，由50千瓦集成式燃料電池堆中某一由120個單電池組成的燃料電池堆模塊的單電池電壓檢測，在由各組光電繼電器和分壓電路組成的測量電路中，各組光電繼電器的輸入端管腳1分別與譯碼芯片U2輸出端口K1-K9相連，輸入端管腳2經限流電阻R9連接電源VCC。分壓電路U5含有五條支路，除第一條支路直接接地外，其余每條支路含有兩個串接電阻，每條支路一端接地，一端接光電繼電器的輸出端管腳3，燃料電池電壓信號AIN1-AIN4從分壓電路U5每條支路兩個電阻中間節點取出，送單片機模擬信號采集端口INPOT1-INPOT4。光電繼電器的輸出管腳4接燃料電池單電池。
本實施例中單片機U1采用LPC2119 ARM芯片，譯碼電路U2采用74HC13芯片，光電繼電器M1、M2、M3、......采用AQW210，分壓電阻R1-R8采用千分之一以上精度的精密電阻。把五個光電繼電器分成一組，分成八組。各組光電繼電器的驅動信號通過譯碼電路U2驅動，在任何時刻只有一組光電繼電器選通，實現按組依次采樣。
單片機電路U1的輸出端口A5-A0的狀態全為低時(000000)對應譯碼輸出端口K1腳輸出為低電位，K2-K8全為高電位，當單片機電路U1的輸出端口A5-A0的狀態為(000001)時對應譯碼輸出端口K2腳輸出為低電位，K1、K3-K8全為高電位，以此類推單片機電路U1的輸出端口A5-A0的狀態為全低(000111)時對應譯碼輸出端口K8腳輸出為低電位，K1-K7全為高電位。K1為低電位時對應第一組光電繼電器開關電路導通燃料電池單電池FC1、FC2、FC3、FC4分別接通到分壓電阻R1、R3、R5、R7的一端，此時單片機U1的模擬量端口Ain1-Ain4分別對應的是燃料電池FC1、FC2、FC3、FC4的正極。
以下“燃料電池FC n”簡稱“FC n”，以下“模擬量端口Ain n”簡稱“Ainn”。
Ain1的電壓對應的是FC1的電壓，Ain2對應FC2與FC1的和，Ain3對應FC3、FC2與FC1的和，Ain4對應FC4、FC3、FC2與FC1的和。FC1的電壓等于R1加R2再除以R2再乘以Ain1電壓。FC2的電壓等于R3加R4再除以R4再乘以Ain2電壓再減FC1的電壓。FC3的電壓等于R5加R6再除以R6再乘以Ain3電壓再減FC2的電壓。FC4的電壓等于R7加R8再除以R8再乘以Ain4電壓再減FC3的電壓。單片機軟件可以計算出FC1、FC2、FC3、FC4的單電池電壓。當K2為低電位時FC5、FC6、FC7、FC8的單電池電壓。循環掃描即可對檢測出32組燃料電池單電池電壓。通過CAN總線接口電路或其他通訊電路發送出燃料電池單電池電壓值，當測出某個單電池電壓值低于安全設定值時，單片機發出報警信號，或便于電腦記錄或其他控制器采集以保護燃料電池發電系統。
權利要求1.一種燃料電池單電池電壓檢測電路，包括單片機(U1)，CAN總線接口電路(U3)，若干個光電繼電器組(U4)，分壓電路(U5)，其特征在于，還包括譯碼電路(U2)，該譯碼電路(U2)為光電繼電器組(U4)提供驅動信號，實現單片機(U1)對燃料電池單電池的電壓進行掃描測量，所述的譯碼電路(U2)輸出端與各光電繼電器組(U4)輸入端連接，若干個光電繼電器組(U4)的輸出端與燃料電池單電池相連，與分壓電路(U5)一起構成電壓檢測電路，單片機(U1)與譯碼電路(U2)輸入端連接，控制譯碼器狀態，與CAN總線接口電路(U3)連接，向CAN總線接口電路發送燃料電池單電池電壓值，與分壓電路(U5)相連，采集燃料電池單電池電壓信號。
2.根據權利要求1所述的一種燃料電池單電池電壓檢測電路，其特征在于，所述的分壓電路(U5)由若干個精密電阻組成。
3.根據權利要求1所述的一種燃料電池單電池電壓檢測電路，其特征在于，所述的光電繼電器組每組內光電繼電器個數可以二到八個。
4.根據權利要求1所述的一種燃料電池單電池電壓檢測電路，其特征在于，所述的譯碼電路(U2)采用標準的譯碼芯片組合，或采用可編程邏輯電路制成或定制芯片。
5.根據權利要求1所述的一種燃料電池單電池電壓檢測電路，其特征在于，所述的譯碼電路(U2)輪流驅動多組光電繼電器(U4)，譯碼器電路(U2)的驅動光電繼電器的輸出端口在任一時刻只有一個為低電位，確保只有一組光電繼電器選通。
6.根據權利要求1所述的一種燃料電池單電池電壓檢測電路，其特征在于，所述的單片機(U1)帶有A/D轉換器和通信接口，每次只有一組電壓信號接入單片機模擬量采集端口，單片機計算完成一組電壓，再控制譯碼電路切換到下一組光電繼電器，循環往復，測出所有燃料電池單電池電壓。
7.根據權利要求1所述的一種燃料電池單電池電壓檢測電路，其特征在于，所述的單片機(U1)可采用LPC2119 ARM芯片，譯碼電路(U2)可采用74HC138芯片，光電繼電器可采用AQW210，分壓電阻可采用千分之一以上精度的精密電阻。
專利摘要本實用新型涉及一種燃料電池單電池電壓檢測電路，包括單片機U1，譯碼電路U2，CAN總線接口電路U3，若干個光電繼電器組U4，分壓電路U5，所述的譯碼電路U2為光電繼電器組U4提供驅動信號，實現單片機U1對燃料電池單電池的電壓進行掃描測量，該譯碼電路U2輸出端與各光電繼電器組U4輸入端連接，若干個光電繼電器組U4的輸出端與燃料電池單電池相連，與分壓電路U5一起構成電壓檢測電路，單片機U1與譯碼電路U2輸入端連接，控制譯碼器狀態，與CAN總線接口電路U3連接，向CAN總線接口電路發送燃料電池單電池電壓值，與分壓電路U5相連，采集燃料電池單電池電壓信號。本實用新型具有產品可靠性高，實施難度小，可提高采樣速度等優點。
文檔編號G01R31/36GK2867351SQ20052004731
公開日2007年2月7日 申請日期2005年12月8日 優先權日2005年12月8日
發明者付明竹, 鮑軍輝, 郭磊, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司