本发明专利技术涉及一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试系统，包括测试单元、程控交流电流激励源、隔直电容、电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其特点是：程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，测试单元通过通信接口周期性地控制交流电流激励源的频率和幅值、依次采集各单片电池电压与电流信号并进行内阻计算；电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元分别与测试单元连接，测试单元通过通信接口与电堆主控制器或其它设备通信。本发明专利技术电路简洁、清晰，可靠性高，成本适中，测量精度高、速度快，接口丰富且易扩展，满足燃料电池堆单片电池内阻与电压实时高精度测试的需要。
On line testing system for internal resistance and voltage of fuel cell stack
The invention relates to a monolithic battery internal resistance and voltage on-line testing system of a fuel cell stack, including the test unit, programmable AC current source, capacitance, current detection module, keyboard and LCD display unit, a storage unit, which is characterized in that the programmable AC current source connected capacitor and fuel cell output end parallel test unit through the acquisition of the monolithic battery voltage and current signal frequency and amplitude, the communication interface control periodically alternating current excitation source in turn and resistance calculation; current detection module, keyboard and liquid crystal display unit and a storage unit are respectively connected with the test unit, test unit reactor main controller or other equipment through communication communication interface and power. The circuit of the invention is simple and clear, high reliability, low cost, high accuracy, fast speed, rich interface and easy to expand, to meet the needs of the fuel cell stack resistance and the voltage of the single cell real time high precision test.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于一种串联电源单体内阻与电压测试系统，特别是一种 燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试系统。
技术介绍
燃料电池是一种通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化 学能转换成电能的装置。这种装置的最大特点是反应过程中不涉及到 燃烧，因此其能量转换效率不受"卡诺循环"的限制，实际使用效率则是普通内燃机的2 3倍。另外，它还具有能量高、噪音小、无污 染、零排放等优点，因此世界各国都把它视为解决环境与能源短缺问 题的重大攻关项目之一。根据实际应用中对燃料电池功率要求，通常 燃料电池堆由几片到几百片单电池串联组成，在燃料电池运行过程 中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了确保燃料电 池的正常工作并评估其性能，必须对运行参数进行实时监控。毋庸置 疑，单片电池电压是电池发电性能的最直接反映，所以必须实时监测。内阻是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要因素，也是决定 燃料电池发电效率的关键参数，而且燃料电池湿度和温度与其内阻具 有较强的耦合关系，通过内阻测试可实现对湿度和温度的软测量，为 湿度、温度等参数的控制提供参考。因此，为了确保燃料电池的安全、 稳定、高效运行，必须对各单片燃料电池内阻进行实时监控。但是， 由于燃料电池内阻可以呈容性、感性和纯阻性，单片内阻大小只在^Q、 mQ级，而且实时变化，现有普通仪器一般无法对它进行精确测当前燃料电池的交流阻抗只能由复杂的实验设备进行测试，而且 这些设备包括许多互连的子系统。这些设备一般包括燃料电池测试 台、电子负载、频率分析仪等高档复杂仪器，而且需要技术人员正确 配置它们的硬件连线、软件程序和接口通信协议等，这使得该类测试 平台非常复杂、成本很高。有关专利显示燃料电池交流阻抗在线测试系统硬件上需要配置可控电子负载、频率分析仪、GPIB接口、电流和 电压波形获取设备等，测试软件需要专用数据分析软件和各种仪表驱 动程序等。例如加拿大安大略省洁能氏公司专利W002/27342和 W02003/083498;加拿大不列颠哥伦比亚省绿光电力技术公司专利 W02003/098769。这些设备通过对电子负载的控制来测试燃料电池内 阻，由于实际燃料电池堆所带负载不能按测试要求控制，所以他们的 方法不能进行在线测试。以上所述测试仪大多也具有燃料电池单片电池电压测试功能，不 过单片电池阻抗测试与单片电池电压测试是分开进行的，这也限制了 其功能的发挥。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种简单、可靠的燃料电池堆单片电池内 阻与电压在线测试系统，以克服现有测试系统的不足。为了实现上述目的，本专利技术包括至少一个测试单元、程控交流电 流激励源、隔直电容、电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其特点是程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输 出端并联，测试单元通过通信接口周期性地控制交流电流激励源的频 率和幅值，依次采集各单片电池电压与电流信号并进行内阻计算；电 流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元(经过USB接口)分别 与测试单元连接，液晶显示单元显示各单片电池内阻与电压，并对内 阻或电压异常的电池报警；测试单元通过通信接口与电堆主控制器或其它设备通信。上述多个测试单元通过通信网络连接对任意片数的燃料电池堆 进行单片内阻与电压测试。上述测试单元由控制器MCU、至少一个仪表放大器、多路模拟开 关、信号调理电路、两个交直流分离电路、相位差检测电路、两个有 效值测量电路、A/D转换器和通信接口组成，其中控制器MCU通过通信 接口与交流电流激励源实现通信，每个仪表放大器两个输入端与对应 的各单电池两端分别连接，多个仪表放大器的输出与一个多路模拟开 关的输入端相连，多路模拟开关的输出端与电压采集通道的交直流分 离电路l的输入端连接，多路模拟开关的控制端与控制器MCU的I/0口 连接；交直流分离电路l的交流输出端与有效值测量电路l的输入端和 相位差检测电路输入端连接；信号调理电路的输入端与电流检测模块 的输出端相连，信号调理电路的输出端与电流采集通道的交直流分离 电路2的输入端连接，交直流分离电路2的交流输出端与有效值测量电 路2的输入端和相位差检测电路输入端连接；两个交直流分离电路的 直流输出端及两个有效值测量电路输出端和相位差检测电路输出端分别通过A/D转换器与控制器MCU连接，相位差检测电路还有一输出端 与控制器MCU连接。上述电流检测电路由精密闭环霍尔电流传感器和精密采样电阻 组成，实现精确I/V转换，其输出端与测试单元的信号调理电路输入 端连接。上述交流电流激励源受控制器MCU实时控制，其输出电流幅值不 大于电堆电流的5%，其输出电流频率在100Hz-20kHz之间周期变化。上述测试单元中信号调理电路由仪表放大器和精密电阻构成。上述测试单元中两个交直流分离电路分别由二阶高通有源滤波 电路、电压跟随器、二阶低通有源滤波电路组成，直流输出端由限流 电阻R、稳压管D构成限幅输出保护电路，交流输出端由限流电阻R、 瞬态电压抑制器TVS构成限幅输出保护电路。上述测试单元中相位差检测电路由相位差绝对值检测与相位差 符号检测组成，相位差绝对值检测引入了电压比较单元、异或门电路、 低通有源滤波电路、限幅输出保护电路，其输出端与A/D转换器输入 端连接；相位差符号检测由电压比较单元、电压跟随器、异或门电路、 RC微分电路与D锁存器组成，其输出端与控制器MCU的I/O 口连接。上述测试单元中A/D转换器为14位分辨率的A/D转换器，它与 控制器MCU通过SPI方式通信，即接收控制信号和发送模数转换结果， 它有8模拟通道、内置4V基准和转换时钟及8XFIF0，而且也可以 使用外部电压基准(本专利技术采用外部+5V作电压基准)，具有转换时 间短、精度高、使用灵活的优点。控制器MCU与A/D转换器、多路模拟开关、相位差检测电路、通信接口之间有光电隔离电路，避免外部 噪声干扰，确保测试单元稳定运行。上述测试单元中存储单元经过USB接口与测试单元中控制器MCU 相连，控制器MCU通过RS485通信接口与程控交流电流激励源相接， 测试单元通过CAN、 RS232/485通信接口与电堆主控制器或其它设备 通信，多个测试单元通过CAN通信网络连接对任意片数的燃料电池堆 进行单片内阻与电压测试。本专利技术与现有技术相比，其有益效果是测量系统实用性强、在测 试过程中不影响燃料电池正常工作。本专利技术电路简洁、清晰，可靠性 高，成本适中，测量精度高、速度快，接口丰富且易扩展，满足燃料 电池堆单片电池内阻与电压实时高精度测试的需要。附图说明图l为本专利技术的结构原理框图。图2为本专利技术的多个测试单元测试任意片数燃料电池堆原理框图。图3为本专利技术的测试单元中交直流分离电路原理图。 图4为本专利技术的测试单元中相位差检测电路原理图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明，但该实施 例不应理解为对本专利技术的限制。本专利技术包括测试单元、程控交流电流激励源与隔直电容，电流检 测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其中测试单元由控制器MCU、仪表放大器、多路模拟开关、信号调理电路、交直流分离电路、相位差检测电路、有效值测量电路、A/D转换器、RS232/485通信接口和CAN (控制局域网)通信接口组成(图l)，其本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试系统，包括至少一个测试单元、程控交流电流激励源、隔直电容、电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元，其特征在于：程控交流电流激励源串接隔直电容后再与燃料电池输出端并联，测试单元通过通信接口周期性地控制交流电流激励源的频率和幅值，依次采集各单片电池电压与电流信号并进行内阻计算；电流检测模块、键盘及液晶显示单元、存储单元分别与测试单元连接，液晶显示单元显示各单片电池内阻与电压，并对内阻或电压异常的电池报警；测试单元通过通信接口与电堆主控制器或其它设备通信。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈启宏，全睿，谢长君，全书海，舒芝锋，黄亮，张立炎，石英，邓坚，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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