燃料电池膜电极单体电压检测电路设计与对比

燃料电池膜电极单体电压检测电路设计与对比
韩冬林;徐琤颖;陈愚
【摘要】根据质子交换膜燃料电池的特点,完成了2种不同类型的膜电极单体电压检测电路的软硬件设计,分别采用光电继电器隔离法和多节电池组监视器芯片法设计了燃料电池膜电极单体电压检测电路,开发了基于C语言的膜电极单体电压采集程序,并且用样机对比分析了这2种类型的膜电极单体电压检测设计方案的各自特点.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2019(043)006
【总页数】3页(P972-974)
【关键词】燃料电池;膜电极;单体电压;检测电路
【作者】韩冬林;徐琤颖;陈愚
【作者单位】天津中德应用技术大学,天津300350;天津中德应用技术大学,天津300350;天津中德应用技术大学,天津300350
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
在质子交换膜燃料电池系统中，有许多关键参数需要控制，例如水参数、供氢、供氧参数及温度压力参数等，而这些都可以从燃料电池膜电极单体电压中得到体现[1]，膜电极各单体电压反映了整个燃料电池堆和辅助系统的工作状态，通过检测
膜电极单体电压，能够及时发现燃料电池堆和辅助系统的异常状况[2]。

燃料电池膜电极单体电压的均衡性直接反映并影响整个电池堆的性能和寿命，因此膜电极单体电压均衡性是燃料电池系统设计、制造及其运行控制的关键因素与重要技术指标[3]。

燃料电池膜电极单体电压的检测方法，早期通常采用差分放大器隔离法和电压分压法[4]，目前主要采用光电继电器隔离[1]和电池组监视器芯片的方法来实现高速、高精度的膜电极单体电压检测功能。

本课题组采用Panasonic公司的PhotoMOS光电继电器隔离芯片AQW214和Linear公司的多节电池组监视器芯片LTC6804，分别完成了2种不同类型的膜电极单体电压检测电路硬件设计，并开发了相对应的基于C语言的膜电极单体电压采集程序软件，实现了膜电极单体电压检测电路的软硬件优化设计。

1 采用AQW214的检测电路设计
1.1 采用AQW214的单体电压检测电路硬件设计
AQW214是一款高速、高灵敏度的光电继电器隔离芯片，内部封装了2路光电LED-MOSFET耦合隔离器件，其LED输入侧正向导通电流IF为0.9 mA，MOSFET输出侧导通电阻RON为30 W，导通响应时间TON为0.31 ms，关断响应时间TOFF为0.05 ms，负载电压VLOAD为400 V，负载电流ILOAD为100 mA，最大隔离电压VISO为1 500 V[5]，符合膜电极单体电压检测电路对于光电继电器隔离芯片的技术要求。

基于光电继电器隔离方法，本文设计的燃料电池膜电极单体电压检测电路如图1所示。

图1中共有31个AQW214光电继电器隔离芯片，能够检测61个串联的膜电极单体电压C00～C61，采用Microchip公司的高性能数字信号控制器
DSPIC30F6014芯片作为主控制器，AQW214的LED输入侧的选通信号
C00.CS～C61.CS由DSPIC30F6014的数字IO管脚产生，AQW214的隔离输出侧MOSFET的OS管脚分别接到燃料电池膜电极单体C00～C61，MOSFET的
OD管脚分为2组，其中奇数通道OD1并联接到差分放大器INA149的IN－，
偶数通道OD2并联接到INA149的IN+。

INA149是TI公司的高共模电压差动
放大器芯片，输入共模电压范围达到了±275 V，适用于中高压电池组电压检测，
可以取代隔离放大器使用[6]。

INA149差分放大器的输出接到数模转换芯片
AD7321的VIN0，AD7321是ADI公司的双通道、12位逐次逼近型ADC，最高采样速率为500 ksps[7]。

AD7321芯片内置高速SPI串行通讯控制器，可以直接与主控制器DSPIC30F6014芯片接口，将DSPIC30F6014的 RG6、RG7、RG8
分别配置为与AD7321芯片SPI串行通讯的SCLK、DOUT、DIN管脚，就可以按照选通信号C00.CS～C61.CS的时序，读出膜电极单体电压C00～C61的A/D转换数据。

图1 采用AQW214的膜电极单体电压检测电路
1.2 采用AQW214的单体电压检测电路软件设计
如图2所示，数字信号控制器DSPIC30F6014首先将通道计数器i清零，然后根
据i的计数值循环选通C00.CS～C61.CS，并在循环体内用SPI总线依次读取
AD7321的通道电压数据，最后将计算得到的61个串联的膜电极单体电压值存入数组。

图2 采用AQW214的膜电极单体电压检测软件流程
AD7321具备±10 V、±5 V、±2.5 V、0～10 V这 4种软件可预置的输入范围[7]，本设计将AD7321芯片的输入范围预置为±2.5 V，所以理论上AD7321的电压采样数据最高分辨率为：
2 采用LTC6804的检测电路设计
2.1 采用LTC6804的单体电压检测电路硬件设计
LTC6804是Linear公司的第三代多节电池监视器芯片，单个LTC6804芯片最多
可测量12个串联电池单体电压，内部ADC的分辨率为16位，单体电压测量误差低于1.2 mV[8]。

基于LTC6804多节电池监视器芯片，本文设计的燃料电池膜电
极单体电压检测电路如图3所示。

图3 采用LTC6804的膜电极单体电压检测电路
本设计共采用10个LTC6804芯片，能够检测120个串联的膜电极单体电压
C00～C120，限于篇幅，图3中只给出了1个LTC6804芯片与S32K144微控制器芯片之间的电路简图。

S32K144是NXP公司生产的一款新型32位微控制器芯片，基于ARM Cortex-M4F内核，最高主频达到了112 MHz，内部集成了高速12位A/D转换模块、3通道SPI串行通讯模块、UART/LIN通讯模块、FlexCAN 通讯模块[9]。

因为LTC6804芯片内部已经集成了输入选通电路、16位A/D转换电路、SPI串行通讯电路，所以在膜电极单体电压检测电路设计上只需在
LTC6804和S32K144之间加入数字隔离电路，将S32K144作为SPI串行通讯主机，将LTC6804作为串行通讯从机，就可以读取LTC6804采集的单体电压数据。

本设计采用ADI公司的四通道隔离器ADuM5401，该芯片内部集成了三通道输入隔离电路、一通道输出隔离电路及DC/DC隔离电源电路[10]，可以产生隔离稳压输出的5 V电压，再经过非隔离的DC-DC升压转换器，就可以产生LTC6804芯
片所需要的24 V隔离供电电压。

2.2 采用LTC6804的单体电压检测电路软件设计
如图4所示，微控制器S32K144首先配置膜电极单体电压检测电路中的10个LTC6804芯片内部寄存器并启动ADC采样，将通道计数器i数值初始值设为1，然后根据i的计数值循环选通LTC6804#1.CSB～LTC6804#10.CSB，并在循环体
内用SPI总线依次读取LTC6804的电压值数据，最后将120个串联的膜电极单体电压值存入数组。

图4 采用LTC6804的膜电极单体电压检测软件流程
本设计中的10个LTC6804芯片共用S32K144的SPI0.SCK、SPI0.MOSI、
SPI0.MISO信号，每个LTC6804采用单独寻址 CSB片选信号的方法，S32K144依次选中 1～10号LTC6804芯片的CSB片选信号，使用ADCV命令启动单体电压ADC转换，使用PLADC命令轮询ADC转换状态，使用RDCVA～RDCVAD 命令读取膜电极单体电压ADC数据。

3 系统实现与对比
图5是采用光电继电器AQW214芯片的膜电极单体电压检测电路板实物照片，图6是采用电池组监视器LTC6804芯片的膜电极单体电压检测电路板实物照片。

对比电路板实物可以发现采用LTC6804设计方案的硬件集成度优势明显，图6的PCB面积与图5几乎相等，而图6的电路板却能够检测120个膜电极单体电压，几乎是图5电路板的2倍，另外采用LTC6804芯片的检测软件流程图中循环体内采集和读取电压数据的运行效率显著提高，如图2和图4所示，采用LTC6804只需完成10次轮询就可以得到120个单体电压数据，而采用AQW214需要完成61次轮询才可以得到61个单体电压数据，而且LTC6804的120个单体电压数据直接就是精确到mV的实际电压值，而AQW214的61个单体电压数据是12位的ADC转换值，需要在检测软件循环体内完成61次实际电压值的计算，增加了主控制器CPU的负担，也降低了检测程序的运行效率。

采用AQW214设计方案的优势在于输入选通、差分放大、AD转换等外围电路由设计者自己搭建，器件选择和电路设计的灵活度比较高。

图5 采用AQW214的膜电极单体电压检测电路板
图6 采用LTC6804的膜电极单体电压检测电路板
4 结论
本课题组采用AQW214芯片和LTC6804芯片，分别设计了2种不同类型的质子交换膜燃料电池膜电极单体电压检测电路，先后应用于8和15 kW的燃料电池发
动机控制系统中，经实际车载工况测试表明，采用AQW214的检测电路完成1次61个单体电压检测循环需要240 ms，而采用LTC6804的检测电路完成1次120个单体电压检测循环只需要90 ms，这两种类型的膜电极单体电压检测电路均能
够实现对膜电极单体电压的实时检测功能，达到了设计要求，其中采用LTC6804
芯片的检测电路在单体电压检测数量、电压检测精度、检测软件运行效率等方面具有明显优势。

参考文献：
【相关文献】
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