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1、单片机在燃料电池监控系统中的应用 （北京中国科学院电工研究所） 李然 孙晓 Li,Ran Sun,Xiao 摘要： 本文所述的是一种用于对燃料电池单体电压及其性能进行监控的系统。 本文简要的介 绍了燃料电池的特点、该监控系统软硬件设计要点及其功能。 关键字：燃料电池; 单片机; 单体电池; : , , : 引言 燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。它是一种不经过燃烧，直 接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。 从理论上讲， 只要连续供 给燃料，燃料电池便能连续发电。由于燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点，所以 它一直被认为是未来的发电技术之一，并
2、已经应用于电动汽车等新型环保项目中。 由于燃料电池的特性所决定， 若一组燃料电池中有一片损坏而未及时发现， 对整个电池组就 会产生比较大的影响。 所以系统应对燃料电池的单体电压进行实时的监控。 本文所述的监控 系统采用微机、工业控制板、系统监控板并结合开发平台，很好地完成了燃 料电池单体电压的采集、模数转换、故障电池显示和报警等功能，为燃料电池系统的正常 运行提供了保证。 燃料电池的结构和监控系统的作用 燃料电池组由若干片毫米宽的单体电池串联而成。 氢气从电池的内部循环流过。 每片单体 电池的电压在未通氢气时近似为，通过一定流量的氢气后迅速升高至左右。当 有某片单体电池电压与其它单体电池电压相
3、差以上时，即可认为该片电池损坏。这 时，监控系统便检索出该片电池的位置，由发光管显示并发出警示。 监控系统的软硬件设计 （）软件设计 监控系统的软件分为两部分： 单片机部分采用汇编语言编程。 微机接收部分采用 开发平台。下面分别说明各部分的功能： * 单片机部分 单体电压引入监控板后， 在某一时刻只能检测一路电压值， 通过多路集成模拟开关阵列可以 顺序选通各片单体电池。下面以第一片单体电池为例：选通第 片单体电池后， 经负反馈放大电路倍放大， 由转换成为数字信号通过数据总线存入 单片机。 将所有单体电池电压全部采集并转换成数字信号后， 单片机一方面将数据由串行通 讯口输送至微机，另一方面对数据
4、进行处理，搜索是否有已损坏的单体电池。如果有，就可 以将损坏电池的位置显示出来并报警。 单片机汇编语言编程部分的流程图如图所示： 编程要点： 单片机与微机串行通讯时必须同步，否则微机接收到的将是错误的数据。本系统采用 方式，定时器初值设为。 系统外部干扰比较大时，转换时可多采集几组数据，去除极端数据后，将剩下 的数据做算术或几何平均运算。 每采集完一路电压值后，应令指针指向下一路，使程序可以循环往复运行。 * 微机部分 开发平台功能强大，电压值采集到微机中后，先被恢复为原始值，然后以队列排列方式每小时存储一次电压值， 并保留一个月的数据以便观测燃料电池的性能变化。 当 有单体电池不能正常工作时
5、，软件控制工控机关闭氢气供气阀门，人工进行检修。 （）硬件设计 系统的硬件设计原理图如图所示： 由于系统的工作环境具有较大的干扰（交直流电路同在一个控制柜中） ，若采用扁平 芯总线电缆，虽然接线时简单方便，但由于系统中的高频信号较多，电缆中的电容效应不 可忽视。所以结合实际，单体电压的传输线采用多芯屏蔽电缆。 单片机选用，它本身带有的，不用另外扩展，配 晶振，以保证转换器可以正常运行。 多路集成模拟开关阵列，具有多选一的传输功能，双片配 合使用即可在某一时刻采集到一片单体电池的电压差。 燃料电池单体电压比较小， 而系统不 仅要监控每一片单体电池电压， 还要知道它从升高至正常工作电压的时间。 为
6、了使数据 更加准确，就需要将电压值放大。实现这一环节，本系统采用了集成运放，以 负反馈的形式将采集到的电压差倍放大。 串行通信采用，它具有传输距离远，抗干扰性强等优点，而且外围电 路简单，只需个钽电容即可。 监控板外接电源， 电源由获得。因为双七段码显示需要较大 电流，所以应外接散热器。 由于系统的外界干扰较大，为了防止由于干扰进入死机状态，本系统不仅在每 片芯片的电源部分加入了抗干扰电容， 还在程序中添加了抗干扰部分， 使系统具有较高的稳 定性。 结束语 利用监控板与微机相配合的这套监控系统，反应迅速、抗干扰能力强、性能稳定，取得了很 好的实验效果。工作人员在操作室中足不出户即可实时准确的掌握燃料电池的情况。 参考文献 李华主编，系列单片及应用接口技术，北京航空航天大学出版社， 林维明主编，燃料电池系统，化学工业出版社， 作者简介：李然，助理工程师，毕业于北京机械工业学院，现工作于中国科学院电工研究所 新能源及可再生能源研究室， 主要从事单片机的应用开发工作。 孙晓， 副研究员， 硕士导师， 现任新能源组课题组长。电话： （） （ 北京中国科学院电工研究所一室）李 然 孙 晓
