阅读说明：本技术 一种车用燃料电池电堆状态监控系统 (Vehicle fuel cell stack state monitoring system ) 是由 戴洪飞 邓翔 陈勇 张雷 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种车用燃料电池电堆状态监控系统,包括信号处理模块,集成单电池电压巡检、输出电流监测、温度场监测和冲击信号监测等功能,并能够对所采集信号进行数据处理、储存、分析和传输,信号处理模块具有外置辅助供电和电堆供电两种供电模式,在电堆正常启动运行时,信号处理模块从电堆直接得到供电,并使电堆同时对外置辅助电源进行浮充,电堆停止工作或出现异常情况下,可以由外置辅助电源进行辅助供电；信号处理模块具有双端口输出方式,能够以CAN端口与上位的主控机进行数据通讯,同时以485端口与外置PC机进行数据通讯进行电堆性能评估和故障诊断。(The invention discloses a state monitoring system of a fuel cell stack for a vehicle, which comprises a signal processing module, wherein the signal processing module integrates functions of single cell voltage inspection, output current monitoring, temperature field monitoring, impact signal monitoring and the like, can perform data processing, storage, analysis and transmission on collected signals, has two power supply modes of external auxiliary power supply and stack power supply, and can be used for supplying power directly from the stack when the stack is normally started and operated, enabling the stack to simultaneously float and charge an external auxiliary power supply, and performing auxiliary power supply by the external auxiliary power supply when the stack stops working or is abnormal; the signal processing module has a dual-port output mode, CAN perform data communication with an upper main control computer through a CAN port, and performs data communication with an external PC through a 485 port to perform cell stack performance evaluation and fault diagnosis.)

一种车用燃料电池电堆状态监控系统

技术领域

本发明涉及一种车用燃料电池电堆状态监控系统，主要应用于车用燃料电池电堆总成设计、研发、评估及燃料电池车运行控制，属于电池监控技术领域。

背景技术

燃料电池是一种新一代的能源系统，通过特殊的反应过程，可以将化学能通直接转化为电能。其中，目前主流的质子交换膜型燃料电池体系（Proton Exchange MembraneFuel Cell, PEMFC），由于在常温下（<100℃）就可以采用氢气为燃料气，与空气中的氧气反应产生电能，而产物仅为纯净的水，绿色环保并具有高能量/功率密度，已经成为了未来新能源汽车，分布式能源系统和电网架构的理想解决方案。

由于化学反应热力学限制，以2H₂+O₂→2H₂O为反应原理的氢燃料电池的工作电压仅为0.7 V，如果以单体电池的形式，很难满足各种用电器的电压需要。因此，在实际应用中，会采用将电池串联的方法，将单体燃料电池装叠成为电堆以提高工作电压。比如日本丰田公司的Mirai氢燃料电池汽车采用了高达370片单体电池进行堆叠，经过升压变频器升压后电压可达到650V，发电总功率可达114 kW。在这种串联型的电堆体系中，对于单体电池的一致性要求很高，一旦某片单体电池的工作状态出现异常，比如由于电池内部膜电极失水或者水淹，电堆外部物理冲击，或者电池温度大幅变化等状况，导致其输出电压/电流发生很大变化，会对整个电堆造成不可逆转的损害，严重时甚至会导致整个电堆烧毁报废。因此，燃料电池电堆在工作状态下，通常都需要有全面的电池状态监控系统，当电堆出现异常状况时，能够发送相应的报警信号至报警模块，协助电堆辅助系统如燃料气进口阀、排气阀、水泵等进行相应的处理。

在目前主流的燃料电池电堆状态监测方案中，普遍采用的是检测其单体电池电压的方法，通过监测单体电池的电压变化，来判断电池堆中每个发电单元的工作状态。如发明名称为“燃料电池电压监视系统及其方法”(申请号为02814901.7，公开日为2004年10月6日)的中国专利申请中公开了一种燃料电池电压监视系统及监视方法，发明名称为“一种燃料电池监控系统”（申请号为CN201310249181.7）也采用MAX809J芯片监控单体电池的终端电压，实现对燃料电池整体工作状态的监控。但是，我们需要指出的是，作为对燃料电池电堆工作状态的整体评估系统，仅仅监测其单体电池的电压是完全不够的。车用电堆往往会在十分复杂的工况下进行工作，比如在极度寒冷的地区启动，在高度崎岖的山路行驶，爬陡坡，连续高强度行驶等等。在这些复杂的状况下，电堆监控系统非常需要对电堆整体的输出电流，电堆本身温度场以及电堆在移动过程中承受的振动/冲击进行全方位的监测和评估，以能够在多种状况下准确判断电堆实际的工作状态，确保电堆安全、高效的运行。

发明内容

本发明的目的即在于开发一种车用燃料电池电堆状态监控系统，使其能够通过对电堆单电池电压、输出电流、内部温度场以及承受物理振动/冲击情况的实时监测，以能够准确，高效的判断车用电堆的真实工作情况，并能够通过与上位机的交互，完成电堆运行信息的传输、分析、评估等任务。

本发明所采用的技术方案为：

一种车用燃料电池电堆状态监控系统，包括信号处理模块和与信号处理模块连接的若干个监测探针端口，其特征在于：若干个所述监测探针端口与电池电堆连通，所述信号处理模块包括电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块，其中，所述电压巡检模块用于监测电池电堆的电压数据，所述输出电流监测模块用于监测电池电堆的电流数据，所述温度场监测模块用于监测电池电堆的温度数据，所述振动信号监测模块用于监测电池电堆的冲击强度，所述电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块均通过A/D转换器与对应的监测探针端口连通用于监测电池电堆的数据。

优选的是，所述电压巡检模块还包括单片机一和差分放大器，所述差分放大器与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测并放大电池电堆的电压，所述差分放大器与A/D转换器的数据通讯连接将监测并放大后的电池电堆的电压数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至电压巡检模块的单片机一进行处理。

进一步的优选，所述输出电流检测模块包括单片机二和电流传感器，所述电流传感器与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测电池电堆的电流，所述电流传感器与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆的电流进行转换后输出至输出电流检测模块的单片机二进行处理。

进一步的优选，所述温度场监测模块还包括单片机三和热电偶组，所述热电偶组与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测电池电堆的温度，所述热电偶组与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆的温度数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至温度场监测模块的单片机三进行处理。

进一步的优选，所述振动信号监测模块还包括单片机四和三向加速度传感器，所述三向加速度传感器与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测电池电堆受到的冲击力数据，所述三向加速度传感器与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆受到的冲击力数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至振动信号监测模块的单片机四进行处理。

进一步的优选，还包括上位机和外置PC机，所述信号处理模块还具有CAN端口和485端口两种输出端口，且所述信号处理模块采用CAN端口与上位机进行数据通讯连接，同时采用485端口与外置PC机进行数据通讯连接。

进一步的优选，所述上位机还包括显示屏，上位机用于读取信号处理模块的电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块四个模块检测的到电池电堆的电压、电流、温度以及冲击力强度的数据并将读取到的数据呈现在上位机的显示屏上显示。

进一步的优选，所述外置PC机用于对电池电堆的性能进行评估以及对电池电堆故障进行诊断。

进一步的优选，还包括为信号处理模块供电的外置辅助电源，通过在上位机上操作控制外置辅助电源为信号处理模块供电。

本发明的有益效果在于：

采用对电池电堆中的单电池电压，电池电堆输出电流，电池电堆温度场以及电池电堆所承受冲击力或振动多项特征进行检测，进行整体评估继而能够对电池电堆真实运行工况进行更加准确的诊断；采用协同供电模式，并采用与上位机、外置PC机的双端口快速交互，确保电池电堆在出现异常状况时依然能够快速通过信号处理模块与上位机、外置PC机数据通讯对电池电堆的各项运行信息进行传输、分析、评估。

附图说明

图1为本发明的逻辑关系示意图；

图2为实施例1中对应附图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体的介绍。

如图1-2所示：本实施例是一种车用燃料电池电堆状态监控系统，包括信号处理模块和与信号处理模块电性连接的若干个监测探针端口，其特征在于：若干个所述监测探针端口与电池电堆连通，所述信号处理模块包括电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块，其中，所述电压巡检模块用于监测电池电堆的电压数据，所述输出电流监测模块用于监测电池电堆的电流数据，所述温度场监测模块用于监测电池电堆的温度数据，所述振动信号监测模块用于监测电池电堆的冲击强度，所述电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块均通过A/D转换器与对应的监测探针端口连通用于监测电池电堆的数据。

优选的是，所述电压巡检模块还包括单片机一和差分放大器，所述差分放大器与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测并放大电池电堆的电压，所述差分放大器与A/D转换器的数据通讯连接将监测并放大后的电池电堆的电压数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至电压巡检模块的单片机一进行处理。

进一步的优选，所述输出电流检测模块包括单片机二和电流传感器，所述电流传感器与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测电池电堆的电流，所述电流传感器与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆的电流进行转换后输出至输出电流检测模块的单片机二进行处理。

进一步的优选，所述温度场监测模块还包括单片机三和热电偶组，所述热电偶组与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测电池电堆的温度，所述热电偶组与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆的温度数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至温度场监测模块的单片机三进行处理。

进一步的优选，所述振动信号监测模块还包括单片机四和三向加速度传感器，所述三向加速度传感器与电池电堆上对应的检测探针端口连接以监测电池电堆的受到的冲击力数据，所述三向加速度传感器与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆受到的冲击力数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至振动信号监测模块的单片机四进行处理。

进一步的优选，还包括上位机和外置PC机，所述信号处理模块还具有CAN端口和485端口两种输出端口，且所述信号处理模块采用CAN端口与上位机进行数据通讯连接，同时采用485端口与外置PC机进行数据通讯连接。

进一步的优选，所述上位机还包括显示屏，上位机用于读取信号处理模块的电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块四个模块检测的到电池电堆的电压、电流、温度以及冲击力强度的数据并将读取到的数据呈现在上位机的显示屏上显示。

进一步的优选，所述外置PC机用于对电池电堆的性能进行评估以及对电池电堆故障进行诊断。

进一步的优选，还包括为信号处理模块供电的外置辅助电源，通过在上位机上操作控制外置辅助电源为信号处理模块供电。

参见图2所示，该车用燃料电池电堆状态监控系统采用MC3403芯片实现对运行后的电池电堆的单电池的电压进行采集，MC3403芯片采集得到的电压模拟信号经过后端加装的差分放大器放大后由A/D转换器转换为数字信号，A/D转换器再将数字信号传输至信号处理模块内电压巡检模块的单片机一进行处理分析后并通过CAN端口与上位机进行数据通讯、485端口与外置PC机进行数据通讯，进而能够实时得到电池电堆的单电池电压情况；在接线方案的选择上，选取燃料电池电堆上端板集流体（输出负极）为共地端，其主要原因是燃料电池堆第1片与燃料电池电堆上端板集流体（输出负极）之间有一定的电位，测试时影响第1片电池电压测试精度，另外也是为了保证整个监控系统的信号的一致性。

参见图2所示，电池电堆中的单电池为串联连接，电流传感器与下端板上的第一块单电池以及上端板下的第一块单电池连接，参见图2所示，此处下端板上的第一块单电池为第1片单电池，上端板下的第一块单电池为第100片单电池，电流传感器对电池电堆运行后的电流进行监测后，与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆的电流进行转换后输出至输出电流检测模块的单片机二进行处理分析后并通过CAN端口与上位机进行数据通讯、485端口与外置PC机进行数据通讯，进而能够实时得到电池电堆的电流情况。

参见图2所示，热电偶组采用4路探针一组的形式，分布在电堆四周，共3组12个检测点，形成对电池电堆整体温度场的准确探测，热电偶组与A/D转换器的数据通讯连接将监测到的电池电堆的温度数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至温度场监测模块的单片机三进行处理分析后并通过CAN端口与上位机进行数据通讯、485端口与外置PC机进行数据通讯，进而能够实时得到电池电堆的温度情况。

参见图2所示，三向加速度传感器分布于电池电堆的上端板与下端板处，三向加速度传感器对电池电堆受到的振动或者冲击力数据传输至A/D转换器并由A/D转换器转换后输出至振动信号监测模块的单片机四进行处理分析后并通过CAN端口与上位机进行数据通讯、485端口与外置PC机进行数据通讯，进而能够实时得到电池电堆工作时受到的碰撞/冲击情况。

上位机通过CAN端口数据传输与检测系统进行交互，上位机发送读数据指令，信号处理模块中的电压巡检模块、输出电流监测模块、温度场监测模块和振动信号监测模块，将会将监测到的电池电堆中单电池电压、电池电堆电流、电池电堆温度、以及受到的冲击力等数据反馈至上位机，并能够将所得的各项数据分析处理后，采用仪表显示电池电堆单电池电压、电池电堆电流；采用波形图以柱形图形式实时显示电堆中所有单片电池电压；采用数组和数值控件精确显示单电池电压值及其最大值、最小值、平均值。

在电池电堆正常运行时，电池电堆能为信号处理模块供电，并对外置辅助电源进行浮充，主控机以及外置PC机采用外接独立电源；在电池电堆停止工作或出现异常情况下，操作人员通过操作上位机决定是否由外置辅助电源为信号处理模块进行辅助供电，以对异常状态下的电池电堆的数据进行存储并传输至上位机和外置PC机；在实际应用时，除去燃料电池电堆为外置电池进行充电外，辅助电源也可以单独外接充电。

综上所述，本发明提供的以一种车用燃料电池电堆状态监控系统，采用对电池电堆中的单电池电压，电池电堆输出电流，电池电堆温度场以及电池电堆所承受冲击力或振动多项特征进行检测，进行整体评估继而能够对电池电堆真实运行工况进行更加准确的诊断；采用协同供电模式，并采用与上位机、外置PC机的双端口快速交互，确保电池电堆在出现异常状况时依然能够快速通过信号处理模块与上位机、外置PC机数据通讯对电池电堆的各项运行信息进行传输、分析、评估。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。