本發(fā)明涉及能源電池控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及電化學(xué)儲能裝置的電壓巡檢裝置。

背景技術(shù)：

氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC)是一種電化學(xué)裝置，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，傳統(tǒng)內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)換受到卡諾循環(huán)限制，而氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)限制，理論上其能量轉(zhuǎn)換效率更高。由于參與反應(yīng)的物質(zhì)為氫氣和空氣，反應(yīng)產(chǎn)物為水，沒有產(chǎn)生有害排放物，因此受到人們的青睞，逐漸應(yīng)用于備用電站、交通運輸和移動電源等領(lǐng)域。

質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性為直流，其單片輸出電壓小于1V，典型為0.7V，為了能夠提供更高的電壓，需要將很多燃料電池單片串聯(lián)在一起，形成燃料電池電堆，其輸出功率相應(yīng)提高。燃料電池單片由陽極氣體擴散層(Gas Diffusion Layer，簡稱GDL)、膜電極組件(Membrane Electrode Assemblies，簡稱MEA)和陰極氣體擴散層組成。

燃料電池電堆是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，在電堆外圍有許多附件系統(tǒng)輔助燃料電池電堆進(jìn)行工作，包括空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等?？諝庀到y(tǒng)負(fù)責(zé)為電堆提供適量的氧化劑即空氣，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的空氣的溫度、壓力和流量；氫氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)為電堆供應(yīng)氫氣，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的氫氣壓力和流量；冷卻系統(tǒng)則通過冷卻劑循環(huán)的方式使電堆溫度保持合適水平，保證電堆穩(wěn)定可靠運行；功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)燃料電池電堆輸出電壓或輸出電流的方式使燃料電池系統(tǒng)輸出特性能滿足負(fù)載需求；增濕系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的空氣的濕度，過干或過濕對質(zhì)子交換膜和電堆都有不利的影響，因此需要對進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行濕度控制；控制系統(tǒng)是整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的“大腦”，尤其對電堆外圍的各個子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，使得電堆處于最佳工作狀態(tài)，保證電堆長期穩(wěn)定可靠運行。

請參閱圖1，一種典型的燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池電堆10、氫氣系統(tǒng)12、空氣系統(tǒng)14、冷卻系統(tǒng)16、回收系統(tǒng)18以及DC/DC控制器19。其中，空氣系統(tǒng)14包括空壓機142、散熱器144、增濕器146以及第一流量控制閥148。所述回收系統(tǒng)18包括冷凝器182以及第二流量控制閥184。環(huán)境空氣經(jīng)由空壓機142壓縮后進(jìn)入散熱器144，由散熱器144冷卻后進(jìn)入增濕器146進(jìn)行增濕，增濕后進(jìn)入燃料電池電堆10，燃料電池電堆10陰極側(cè)的氧氣和來自陽極側(cè)的氫離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在輸出電能的同時產(chǎn)生水(氣態(tài)或液態(tài))。因此在參與反應(yīng)后的陰極空氣中氧氣含量下降，水含量(濕度)增加。在燃料電池電堆10出口的空氣經(jīng)冷凝器182回收水分后，通過第二流量控制閥184排入空氣環(huán)境中。其中，可通過空壓機142、第一流量控制閥148以及第二流量控制閥的協(xié)調(diào)控制來控制進(jìn)入燃料電池電堆10的空氣流量和空氣壓力，可以通過散熱器144調(diào)整進(jìn)氣溫度，通過增濕器146來控制進(jìn)氣濕度。

根據(jù)PEMFC的工作原理和性能特點可知，由于燃料電池電堆內(nèi)部反應(yīng)生成的水(氣態(tài)或者液態(tài))需要經(jīng)過陰極反應(yīng)通道帶出，如果生成的液態(tài)水不及時排除，生成的水會阻礙流道，即所謂的水淹現(xiàn)象，導(dǎo)致電堆性能下降，影響燃料電池的使用。為了提高排水能力，需要提高空氣的流量或流速以便順利吹除液態(tài)水。在怠速或小負(fù)荷時，由于生成的水量偏小，如果一直保持較大的空氣流量，則容易把流道和質(zhì)子交換膜表面水都吹干，導(dǎo)致膜過干而性能下降；如果一直保持較小的空氣流量，則不容易吹走流道內(nèi)的液態(tài)水而導(dǎo)致水淹。

在燃料電池控制系統(tǒng)中，基于現(xiàn)有的傳感器配置，包括陰陽極進(jìn)口溫度和壓力傳感器、陰陽極出口溫度和壓力傳感器、陰極進(jìn)出口濕度傳感器。通常采用集總參數(shù)模型對燃料電池電堆內(nèi)部工作狀態(tài)進(jìn)行觀測，但由于燃料電池電堆由許多單片串聯(lián)而成，受電堆供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，每個燃料電池單片進(jìn)氣壓力、溫度、濕度和進(jìn)氣組分都有所差異。單片供氣狀態(tài)差異和溫度差異導(dǎo)致單片電壓出現(xiàn)不一致性。當(dāng)電堆供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理和單片數(shù)量增加時，單片電壓不一致性更加明顯。由于目前無法實時觀測燃料電池單片的工作狀態(tài)，也無法及時有效判斷單片是否出現(xiàn)水淹或膜干現(xiàn)象。因此，通過對燃料電池供氣系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)的控制實現(xiàn)調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)部工作狀態(tài)難以避免出現(xiàn)局部燃料電池單片出現(xiàn)水淹或膜干現(xiàn)象，這對燃料電池系統(tǒng)性能提升是非常不利的。

如何準(zhǔn)確獲悉燃料電池單片工作狀態(tài)，判斷燃料電池單片是否處于非正常工作狀態(tài)如膜干或水淹，來及時調(diào)整燃料電池供氣系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)，以改善燃料電池性能，是燃料電池系統(tǒng)控制的一個挑戰(zhàn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通過不斷地深入研究，人們發(fā)現(xiàn)燃料電池的性能特性可以用等效電路的方式進(jìn)行研究，燃料電池的工作狀態(tài)與等效電路中阻抗元之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系。因此，根據(jù)燃料電池等效電路與燃料電池性能之間的關(guān)系，根據(jù)燃料電池等效電路電阻元、電容元與燃料電池電堆不同組件所處狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，通過實時獲取燃料電池等效電路中電阻元和電容元的阻抗值變化，就可以準(zhǔn)確預(yù)測燃料電池單片工作狀態(tài)和燃料電池電堆整體工作狀態(tài)。為獲取燃料電池等效電路中電阻和電容參數(shù)，需要進(jìn)行交流阻抗研究。目前市場上的商業(yè)化交流阻抗分析設(shè)備，造價昂貴、工作條件要求高，其工作電壓范圍和電流范圍都無法滿足現(xiàn)有燃料電池大客車系統(tǒng)的要求，自然很難實現(xiàn)大規(guī)模的實車應(yīng)用。進(jìn)行燃料電池整堆或者單片的交流阻抗頻譜辨識，不僅需要能夠產(chǎn)生給電化學(xué)裝置施加電流擾動或者電壓擾動的電力變換裝置，比如可編程電子負(fù)載或者AC/DC變換器等，還需要對電化學(xué)裝置的整個部件和各個單片的電壓、電流信號進(jìn)行采集、處理和分析的配套系統(tǒng)，也就是電壓巡檢裝置。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的電壓巡檢裝置常用于在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，測量電化學(xué)儲能裝置的整堆低頻輸出電壓、整堆低頻輸出電流、各儲能單體的低頻輸出電壓。缺乏在動態(tài)工作狀態(tài)下，同步測量電化學(xué)儲能裝置的整堆低頻輸出電壓、整堆低頻輸出電流、各儲能單體的低頻輸出電壓的電壓巡檢裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，確有必要提供一種在動態(tài)工作狀態(tài)下，可以同步測量電化學(xué)儲能裝置的整堆低頻輸出電壓、整堆低頻輸出電流、各儲能單體的低頻輸出電壓的電壓巡檢裝置。

一種電壓巡檢裝置，用于監(jiān)測由多個儲能單體串聯(lián)組成的電化學(xué)儲能裝置的電壓電流信號，包括：

電流采樣電阻，使用時串聯(lián)在待測電化學(xué)儲能裝置的輸出環(huán)路中；

第一信號處理模塊，用于獲取第一電壓差值，并對該第一電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第一電流信號和第二電流信號，其中，該第一電壓差值為所述電流采樣電阻兩端的電壓差值，所述第一電流信號為低頻信號，所述第二電流信號為頻率可變的信號；

第二信號處理模塊，用于獲取第二電壓差值，并對該第二電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第一單片信號和第二單片信號，其中，該第二電壓差值為所述待測電化學(xué)儲能裝置中單一儲能單體兩端的電壓差值，所述第一單片信號為低頻信號，所述第二單片信號為頻率可變的信號；

第三信號處理模塊，用于獲取第三電壓差值，并對該第三電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第一電壓信號和第二電壓信號，其中，該第三電壓差值為所述待測電化學(xué)儲能裝置輸出端正極與負(fù)極之間的電壓差值，所述第一電壓信號為低頻信號，所述第二電壓信號為頻率可變的信號；

控制模塊，用于接收所述第一電流信號、所述第二電流信號、所述第一單片信號、所述第二單片信號、所述第一電壓信號、所述第二電壓信號，以及控制所述第二信號處理模塊對各儲能單體的電壓進(jìn)行采樣。。

在其中一個實施例中，所述第一信號處理模塊包括依次串聯(lián)的第一高共模差分電路、第一低通濾波和幅值調(diào)整電路以及第一低通濾波電路；以及依次串聯(lián)的第二高共模差分電路、第一高通濾波和反向放大電路、第一低通濾波和幅值調(diào)整電路以及第二低通濾波電路。

在其中一個實施例中，所述第三信號處理模塊包括：依次串聯(lián)的第五高共模差分電路、第三低通濾波和幅值調(diào)整電路、第五低通濾波電路；以及依次串聯(lián)的第六高共模差分電路、第三高通濾波和反向放大電路、第三低通濾波和幅值調(diào)整電路、第六低通濾波電路。

在其中一個實施例中，所述第二信號處理模塊包括：

信號選通子模塊，用于在控制模塊輸出的控制信號的作用下選通待測量的單一儲能單體，得到第二電壓差值；以及

信號處理子模塊，用于對該第二電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第一單片信號和第二單片信號。

在其中一個實施例中，所述信號處理子模塊包括：依次串聯(lián)的第三高共模差分電路、第二低通濾波和幅值調(diào)整電路、第三低通濾波電路；以及依次串聯(lián)的第四高共模差分電路、第二高通濾波和反向放大電路、第二低通濾波和幅值調(diào)整電路、第四低通濾波電路。

在其中一個實施例中，所述信號選通子模塊進(jìn)一步包括一隔離芯片，用于隔離所述儲能單體的強電信號與所述控制模塊的弱電信號。

在其中一個實施例中，所述隔離芯片為光耦隔離模塊或磁耦隔離模塊。

在其中一個實施例中，所述控制模塊進(jìn)一步包括：

A/D轉(zhuǎn)換子模塊，用于對所述第一電流信號、所述第二電流信號、所述第一單片信號、所述第二單片信號、所述第一電壓信號、所述第二電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；以及

通訊子模塊，用于將經(jīng)由所述A/D轉(zhuǎn)換子模塊轉(zhuǎn)換后的電壓電流數(shù)據(jù)傳輸給外部控制器，以及從所述外部控制器接收命令控制所述第二信號處理模塊對各儲能單體的電壓進(jìn)行采樣。

在其中一個實施例中，所述通訊子模塊為CAN或FlexRay通訊模塊。

在其中一個實施例中，所述儲能單體為燃料電池、鋰離子電池以及超級電容器中的至少一種。

在其中一個實施例中，所述第一電流信號、所述第一單片信號、所述第一電壓信號經(jīng)歷的相位移動和幅值縮放相同；以及所述第二電流信號、所述第二單片信號、所述第二電壓信號經(jīng)歷的相位移動和幅值縮放相同。

本發(fā)明提供的電壓巡檢裝置，由于第一信號處理模塊可以獲得得第一電流信號和第二電流信號，第二信號處理模塊可以獲得獲得第一單片信號和第二單片信號，第三信號處理模塊，可以獲得第一電壓信號和第二電壓信號。其中所述第一電流信號、第一單片信號和第一電壓信號用于在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，測量電化學(xué)儲能裝置的整堆低頻輸出電壓、整堆低頻輸出電流、各儲能單體的低頻輸出電壓。其中所述第二電流信號、第二單片信號和第二電壓信號用于在動態(tài)工作狀態(tài)下，同步測量電化學(xué)儲能裝置的整堆動態(tài)輸出電壓、整堆動態(tài)輸出電流，同步測量各儲能單體動態(tài)輸出電壓。因此，本發(fā)明提供的電壓巡檢裝置，在動態(tài)工作狀態(tài)下，可以同步測量電化學(xué)儲能裝置的整堆動態(tài)輸出電壓、整堆動態(tài)輸出電流，同步測量各儲能單體動態(tài)輸出電壓。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的電壓巡檢裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的電壓巡檢裝置信號處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例提供的電壓巡檢裝置中電壓信號通道選擇示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例提供的電壓巡檢裝置中控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

主要元件符號說明

電壓巡檢裝置 20 第二高通濾波和反向放大電路 2324

電流采樣電阻 21 第三低通濾波電路 2325

第一電流信號端 211 第二低通濾波和幅值調(diào)整電路 2326

第二電流信號端 212 第四低通濾波電路 2328

第一信號處理模塊 22 第三信號處理模塊 24

第一高共模差分電路 221 第五高共模差分電路 241

第二高共模差分電路 222 第六高共模差分電路 242

第一低通濾波和幅值調(diào)整電路 223 第三低通濾波和幅值調(diào)整電路 243

第一高通濾波和反向放大電路 224 第三高通濾波和反向放大電路 244

第一低通濾波電路 225 第五低通濾波電路 245

第一低通濾波和幅值調(diào)整電路 226 第三低通濾波和幅值調(diào)整電路 246

第二低通濾波電路 228 第六低通濾波電路 248

第二信號處理模塊 23 控制模塊 25

信號選通子模塊 231 A/D轉(zhuǎn)換子模塊 251

信號處理子模塊 232 通訊子模塊 252

第三高共模差分電路 2321

第四高共模差分電路 2322

第二低通濾波和幅值調(diào)整電路 2323

如下具體實施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，參照附圖。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明提供的電壓巡檢裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明實施例提供一種電壓巡檢裝置，用于監(jiān)測電化學(xué)儲能裝置的電壓電流信號。

本實施例中待監(jiān)測的電化學(xué)儲能裝置通常包括一個或多個儲能單體，該一個或多個儲能單體通過化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。該一個或多個電化學(xué)儲能單體可以為燃料電池、鋰離子電池以及超級電容器中的至少一種。本發(fā)明實施例中的電化學(xué)儲能單體為燃料電池，對應(yīng)地，所述電化學(xué)儲能裝置為多個燃料電池單片串聯(lián)組成的燃料電池電堆，每一燃料電池單片的編號按照電壓相對高低依次記為第1電池單片、第2電池單片至第N電池單片。

本實施例中所述電壓電流信號包括：穩(wěn)態(tài)電壓電流信號以及動態(tài)電壓電流信號。其中，監(jiān)測穩(wěn)態(tài)電壓電流信號是指所述電化學(xué)儲能裝置在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，測量該電化學(xué)儲能裝置的整堆低頻輸出電壓、整堆低頻輸出電流、各儲能單體的低頻輸出電壓；監(jiān)測動態(tài)電壓電流信號是指所述電化學(xué)儲能裝置在動態(tài)工作狀態(tài)下，特別是在交流阻抗測量模式下，同步測量該電化學(xué)儲能裝置的整堆動態(tài)輸出電壓、整堆動態(tài)輸出電流，同步測量各儲能單體動態(tài)輸出電壓。

請參閱圖2，本發(fā)明實施例提供的電壓巡檢裝置20包括：電流采樣電阻21、第一信號處理模塊22、第二信號處理模塊23、第三信號處理模塊24、控制模塊25。

所述電流采樣電阻21在測量時串聯(lián)在待測電化學(xué)儲能裝置的輸出環(huán)路中。電流采樣電阻21的具體安裝位置無特殊要求，只需保證其測量電流與待測電化學(xué)儲能裝置輸出電流一致即可。所述電流采樣電阻21的兩端分別為第一電流信號端211與第二電流信號端212。本實施例中所述電流采樣電阻21將燃料電池整堆輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，即第一電流信號端211和第二電流信號端212的電壓差值。為保證該電壓差值為正電壓，第一電流信號端211相比于第二電流信號端212更加接近燃料電池電堆輸出端正極。

所述第一信號處理模塊22用于獲取第一電壓差值并對該第一電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第一信號簇，該第一電壓差值為所述電流采樣電阻21兩端的電壓差值。所述第一電壓差值即第一電流信號端211和第二電流信號端212之間電壓差值。該第一信號處理模塊22為模擬電路，所述第一電壓差值經(jīng)過模擬電路處理之后的模擬電信號為第一信號簇，該第一信號簇被送入所述控制模塊25。

具體地，所述第一信號處理模塊22對所述第一電壓差值依次進(jìn)行差分運算、低通濾波與幅值調(diào)整、低通濾波以獲得第一電流信號S21，以及對該第一電壓差值依次進(jìn)行差分運算、高通濾波和反向放大、低通濾波和幅值調(diào)整、低通濾波以獲得第二電流信號S22。所述第一電流信號S21為低頻信號，用于滿足穩(wěn)態(tài)工作時對所述待測電化學(xué)儲能裝置實際輸出電流的監(jiān)測，所述第二電流信號S22為頻率可變的信號，其可用頻率范圍為0.1Hz～5kHz，優(yōu)選的頻率范圍為0.1Hz～1kHz。通過控制模塊25的控制可以實現(xiàn)對該第二電流信號S22的同步測量，用于滿足動態(tài)工作時，特別是進(jìn)行交流阻抗測量時，對待測電化學(xué)儲能裝置實際輸出電流的監(jiān)測。該第一電流信號S21與第二電流信號S22合稱為第一信號簇。可以理解，頻率范圍的選擇受測量模式及電化學(xué)儲能裝置的類型、工作狀況等的影響，本實施例中僅給出了一個可選范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況而設(shè)定相應(yīng)的頻率范圍。

請參見圖3，本實施例中所述第一信號處理模塊22包括：依次串聯(lián)的第一高共模差分電路221、第一低通濾波和幅值調(diào)整電路223以及第一低通濾波電路225；以及依次串聯(lián)的第二高共模差分電路222、第一高通濾波和反向放大電路224、第一低通濾波和幅值調(diào)整電路226以及第二低通濾波電路228。

所述第一高共模差分電路221用于對所述第一電壓差值進(jìn)行差分運算。所述第一低通濾波和幅值調(diào)整電路223用于對所述第一高共模差分電路221輸出的信號進(jìn)行低通濾波與幅值調(diào)整。所述第一低通濾波電路225用于對所述第一低通濾波和幅值調(diào)整電路223輸出的信號進(jìn)行低通濾波，以獲得所述第一電流信號S21。

所述第二高共模差分電路222用于對所述第一電壓差值進(jìn)行差分運算。所述第一高通濾波和反向放大電路224用于對所述第二高共模差分電路222輸出的信號進(jìn)行高通濾波和反向放大。所述第一低通濾波和幅值調(diào)整電路226用于對所述第一高通濾波和反向放大電路224輸出的信號進(jìn)行低通濾波和幅值調(diào)整。所述第二低通濾波電路228用于對所述第一低通濾波和幅值調(diào)整電路226輸出的信號進(jìn)行低通濾波，以獲得所述第二電流信號S22。

所述第二信號處理模塊23用于獲取所述待測電化學(xué)儲能裝置中各儲能單體兩端的電壓差值，并對該電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理。在一個實施例中，將待測燃料電池電堆中各電池單片電壓測量引出端按照電壓相對高低依次記為單片電壓輸出端P₀、單片電壓輸出端P₁至單片電壓輸出端P_N。第1電池單片的電壓就是單片電壓輸出端P₀和單片電壓輸出端P₁之間的電壓差，依此類推，第N電池單片的電壓就是單片電壓輸出端P_N-1和單片電壓輸出端P_N之間的電壓差。上述電壓信號均為模擬電信號。

本實施例中，所述第二信號處理模塊23包括信號選通子模塊231與信號處理子模塊232。由于燃料電池單片數(shù)量較多，有時甚至?xí)_(dá)到上百片，通常大于A/D轉(zhuǎn)換器輸入引腳的數(shù)量，因此本實施例中采用信號選通子模塊231進(jìn)行單片采樣之間的切換，可以降低采樣系統(tǒng)復(fù)雜程度，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。所述信號選通子模塊231為可選元件，可以理解，若A/D轉(zhuǎn)換器的輸入接口足夠多，可以省略所述信號選通子模塊231。所述信號處理子模塊232用于對選通的電池單片電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理。所述第二信號處理模塊23通過不斷變換選擇不同通道，實現(xiàn)對各個電池單片電壓的采樣和信號處理。

所述信號選通子模塊231包括多個信號采樣通道輸入端，單片電壓輸出端P₀至單片電壓輸出端P_N全部連接到信號選通子模塊231對應(yīng)的信號采樣通道輸入端。所述信號選通子模塊231在控制模塊25輸出的控制信號的作用下，實現(xiàn)對燃料電池電堆中的某一電池單片電壓信號測量的選擇，得到第一選通單片信號和第二選通單片信號。

具體地，所述控制模塊25通過數(shù)字量輸出引腳輸出控制信號，即通過控制信號簇，對所述信號選通子模塊231進(jìn)行控制，實現(xiàn)燃料電池整堆各個單片輸出電壓采樣的依次選擇。所述信號選通子模塊231的數(shù)量取決于具體采用的通道選擇集成芯片的功能引腳數(shù)量。第一選通單片信號和第二選通單片信號是經(jīng)所述控制模塊25的控制信號確定的信號選通模塊所具體選擇的某個燃料電池單片的正極和負(fù)極。當(dāng)?shù)谝贿x通單片信號為某個燃料電池單片正極時，則第二選通單片信號為該燃料電池單片負(fù)極；當(dāng)?shù)谝贿x通單片信號為某個燃料電池單片負(fù)極時，則第二選通單片信號為該燃料電池單片正極。所述信號選通子模塊231的具體設(shè)計方案可根據(jù)實際情況進(jìn)行針對性選擇，但至少包含一組第一選通單片信號和第二選通單片信號，才能夠保證對一個燃料電池單片進(jìn)行電壓采樣。

請一并參見圖2與圖4，若燃料電池單片數(shù)量為N，為了采集到各單片電壓，需要在所有單片的正負(fù)極兩端分別放置電壓測量線，電壓測量線的總數(shù)量為2N+2根，該2N+2根電壓測量線依次記為單片電壓信號端0至單片電壓信號端N、單片電壓信號端N+1至單片電壓信號端2N+1，其中單片電壓信號端0和單片電壓信號端N+1所連接位置相同，以此類推。

為了方便選擇某單片進(jìn)行信號采集，采用2M個信號選通子模塊進(jìn)行單片選擇，具體的實現(xiàn)方案是：單片電壓信號端0至單片電壓信號端N依次連接到第一信號選通子模塊至第M個信號選通子模塊的信號輸入端，單片電壓信號端N+1至單片電壓信號端2N+1依次連接到第M+1個信號選通子模塊至第2M個信號選通子模塊的信號輸入端。每一個信號選通子模塊都需要來自控制模塊25的控制信號，該控制信號用于控制信號選通子模塊所選擇導(dǎo)通的通道數(shù)，比如控制模塊25需要選擇某單片k，那么就需要找到與該單片正負(fù)端分別相連的信號選通子模塊，假設(shè)分別為第X個信號選通子模塊和第X+M個信號選通子模塊，然后發(fā)送命令給該第X個信號選通子模塊和第X+M個信號選通子模塊，使得第一選通單片信號為單片k的正極、第二選通單片信號為單片k的負(fù)極，反之也可以。

信號選通子模塊231的數(shù)量取決于所選擇的信號選通集成芯片的性能，比如單片數(shù)量N為111片，那么就總共需要224根單片信號引出端，假設(shè)一個信號選通集成芯片能夠?qū)?6個單片信號引出端進(jìn)行選擇，那么就總共需要14個(224/16＝14)該信號選通集成芯片，假設(shè)一個信號選通集成芯片能夠?qū)?0個單片信號引出端進(jìn)行選擇，那么就總共需要24個該信號選通集成芯片。

進(jìn)一步地，所述信號選通子模塊231包括一強電與弱電隔離芯片。這是由于控制模塊(如單片機)所能承受的電壓信號相比于燃料電池整堆各單片實際所處的電壓來說是非常弱的，通常在5V以下，信號選通集成芯片所接受的來自控制模塊的控制命令通常是以弱電的數(shù)字量形式給出，然后信號選通芯片形成信號導(dǎo)通命令，傳遞給所要選擇通道的隔離芯片進(jìn)行導(dǎo)通，然后才能實現(xiàn)單片電壓信號的最終選通。所述隔離芯片可由光耦隔離模塊或磁耦隔離模塊組成的電路實現(xiàn)。

所述信號處理子模塊232用于獲取第二電壓差值，該第二電壓差值為所述第一選通單片信號和第二選通單片信號之間的電壓差值，并對該第二電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第二信號簇。該信號處理子模塊232為模擬電路，所述第二電壓差值經(jīng)過模擬電路處理之后的模擬電信號為第二信號簇，該第二信號簇被送入所述控制模塊25。

具體地，所述信號處理子模塊232對所述第二電壓差值依次進(jìn)行差分運算、低通濾波與幅值調(diào)整、低通濾波以獲得第一單片電壓信號S31，以及對該第二電壓差值依次進(jìn)行差分運算、高通濾波和反向放大、低通濾波和幅值調(diào)整、低通濾波以獲得第二單片電壓信號S32。所述第一單片電壓信號S31為低頻信號，用于滿足穩(wěn)態(tài)工作時對所述待測電化學(xué)儲能裝置中單一儲能單體實際輸出電壓的監(jiān)測，所述第二單片電壓信號S32為頻率可變的信號，其可用頻率范圍為0.1Hz～5kHz，優(yōu)選的頻率范圍為0.1Hz～1kHz。通過控制模塊的控制可以實現(xiàn)對該第二單片電壓信號S32的同步測量，用于滿足動態(tài)工作時，特別是進(jìn)行交流阻抗測量時，對待測電化學(xué)儲能裝置中單一儲能單體實際輸出電壓的監(jiān)測。該第一單片電壓信號S31與第二單片電壓信號S32合稱為第二信號簇?？梢岳斫猓l率范圍的選擇受測量模式及電化學(xué)儲能裝置的類型、工作狀況等的影響，本實施例中僅給出了一個可選范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況而設(shè)定相應(yīng)的頻率范圍。

請參見圖3，本實施例中所述信號處理子模塊232包括：依次串聯(lián)的第三高共模差分電路2321、第二低通濾波和幅值調(diào)整電路2323、第三低通濾波電路2325；以及依次串聯(lián)的第四高共模差分電路2322、第二高通濾波和反向放大電路2324、第二低通濾波和幅值調(diào)整電路2326、第四低通濾波電路2328。

所述第三高共模差分電路2321用于對所述第二電壓差值進(jìn)行差分運算。所述第二低通濾波和幅值調(diào)整電路2323用于對所述第三高共模差分電路2321輸出的信號進(jìn)行低通濾波與幅值調(diào)整。所述第三低通濾波電路2325用于對所述第二低通濾波和幅值調(diào)整電路2323輸出的信號進(jìn)行低通濾波，以獲得所述第一單片電壓信號S31。

所述第四高共模差分電路2322用于對所述第二電壓差值進(jìn)行差分運算。所述第二高通濾波和反向放大電路2324用于對所述第四高共模差分電路2322輸出的信號進(jìn)行高通濾波和反向放大。所述第二低通濾波和幅值調(diào)整電路2326用于對所述第二高通濾波和反向放大電路2324輸出的信號進(jìn)行低通濾波和幅值調(diào)整。所述第四低通濾波電路2328用于對所述第二低通濾波和幅值調(diào)整電路2326輸出的信號進(jìn)行低通濾波，以獲得所述第二單片電壓信號S32。

所述第三信號處理模塊24用于獲取第三電壓，該第三電壓差值為所述待測電化學(xué)儲能裝置輸出端正極與負(fù)極之間的電壓差值，并對該第三電壓差值進(jìn)行信號調(diào)理以獲得第三信號簇。本實施例在燃料電池整堆輸出端正極引出一個第一電壓信號端，在燃料電池整堆輸出端負(fù)極引出一個第二電壓信號端，第一電壓信號端比第二電壓信號端的電壓高，將兩個電壓信號端連接到所述第三信號處理模塊24。該第三信號處理模塊24為模擬電路，所述第三電壓差值經(jīng)過模擬電路處理之后的模擬電信號為第三信號簇，該第三信號簇被送入所述控制模塊25。

具體地，所述第三信號處理模塊24對所述第三電壓差值依次進(jìn)行差分運算、低通濾波與幅值調(diào)整、低通濾波以獲得第一電壓信號S41，以及對該第三電壓差值依次進(jìn)行差分運算、高通濾波和反向放大、低通濾波和幅值調(diào)整、低通濾波以獲得第二電壓信號S42。所述第一電壓信號S41為低頻信號，用于滿足穩(wěn)態(tài)工作時對所述待測電化學(xué)儲能裝置實際輸出電壓的監(jiān)測，所述第二電壓信號S42為頻率可變的信號，其可用頻率范圍為0.1Hz～5kHz，優(yōu)選的頻率范圍為0.1Hz～1kHz。通過控制模塊的控制可以實現(xiàn)對該第二電壓信號S42的同步測量，用于滿足動態(tài)工作時，特別是進(jìn)行交流阻抗測量時，對待測電化學(xué)儲能裝置實際輸出電壓的監(jiān)測。該第一電壓信號S41與第二電壓信號S42合稱為第三信號簇?？梢岳斫?，頻率范圍的選擇受測量模式及電化學(xué)儲能裝置的類型、工作狀況等的影響，本實施例中僅給出了一個可選范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況而設(shè)定相應(yīng)的頻率范圍。

請參見圖3，本實施例中所述第三信號處理模塊24包括：依次串聯(lián)的第五高共模差分電路241、第三低通濾波和幅值調(diào)整電路243、第五低通濾波電路245；以及依次串聯(lián)的第六高共模差分電路242、第三高通濾波和反向放大電路244、第三低通濾波和幅值調(diào)整電路246、第六低通濾波電路248。

所述第五高共模差分電路241用于對所述第三電壓差值進(jìn)行差分運算。所述第三低通濾波和幅值調(diào)整電路243用于對所述第五高共模差分電路241輸出的信號進(jìn)行低通濾波與幅值調(diào)整。所述第五低通濾波電路245用于對所述第三低通濾波和幅值調(diào)整電路243輸出的信號進(jìn)行低通濾波，以獲得所述第一電壓信號S41。

所述第六高共模差分電路242用于對所述第三電壓差值進(jìn)行差分運算。所述第三高通濾波和反向放大電路244用于對所述第六高共模差分電路242輸出的信號進(jìn)行高通濾波和反向放大。所述第三低通濾波和幅值調(diào)整電路246用于對所述第三高通濾波和反向放大電路244輸出的信號進(jìn)行低通濾波和幅值調(diào)整。所述第六低通濾波電路248用于對所述第三低通濾波和幅值調(diào)整電路246輸出的信號進(jìn)行低通濾波，以獲得所述第二電壓信號S42。

本實施例中各個信號處理模塊在進(jìn)行信號處理的過程中，特別是在交流阻抗測量模式下，可以將電化學(xué)儲能裝置總輸出電壓、輸出電流、各單體電壓信號處理電路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，比如將各單體電壓信號處理電路和輸出電流信號處理電路設(shè)為相同，以保證信號處理模塊對各被采樣信號進(jìn)行處理所導(dǎo)致的相位移動和幅值縮放完全相同。即所述第一電流信號、所述第一單片信號、所述第一電壓信號經(jīng)歷的相位移動和幅值縮放相同，所述第二電流信號、所述第二單片信號、所述第二電壓信號經(jīng)歷的相位移動和幅值縮放相同。從而在進(jìn)行分析和計算阻抗時，可以忽略信號處理模塊對被采樣信號的影響，降低信號分析難度，提高信號分析精度。

所述控制模塊25接收所述第一電流信號S21、第二電流信號S22、第一單片信號S31、第二單片信號S31、第一電壓信號S41、第二電壓信號S42，將接收到的上述信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳送給外部控制器或上位機。所述控制模塊25還用于控制所述第二信號處理模塊23對所述待測電化學(xué)儲能裝置各儲能單體的電壓采樣。

本實施例中所述控制模塊25可由單片機實現(xiàn)。請參見圖5，所述控制模塊25包括：A/D轉(zhuǎn)換子模塊251、通訊子模塊252以及其他保證單片機正在工作而必不可少的組件，如CPU、定時器、中斷、寄存器和通用輸入輸出接口等。

所述A/D轉(zhuǎn)換子模塊251輸入引腳與所述第一電流信號S21、第二電流信號S22、第一單片信號S31、第二單片信號S31、第一電壓信號S41、第二電壓信號S42相連，所述A/D轉(zhuǎn)換子模塊251用于對上述信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

所述通訊子模塊252用于與外界控制器或者上位機進(jìn)行通訊，將經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換子模塊251轉(zhuǎn)換后的電壓電流數(shù)據(jù)傳輸給外界控制器或者上位機，所述通訊子模塊252可以采用CAN或FlexRay通訊模塊。該CAN或FlexRay通訊模塊與通訊信號輸入、通訊信號輸出相連。

單片機的數(shù)字量輸出引腳產(chǎn)生控制信號，所述控制信號與信號選通子模塊一一對應(yīng)。本實施例中共有2M個信號選通子模塊，單片機的數(shù)字量輸出引腳產(chǎn)生控制信號1至控制信號2M，每一控制信號控制一信號選通子模塊，實現(xiàn)對燃料電池整堆各個單片輸出電壓采樣的依次選擇。

在單片機的控制下可實現(xiàn)燃料電池整堆輸出電壓和輸出電流的同步采集，可實現(xiàn)燃料電池單片輸出電壓和整堆輸出電流的同步采集。借助通訊模塊，實現(xiàn)單片機與外界控制器或者上位機之間的信息傳遞，包括目標(biāo)控制信號、采集到穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電壓電流數(shù)據(jù)等。

此外，還需要外部電源電路給單片機以及各個信號處理模塊提供所需要的各種穩(wěn)定工作電壓，比如數(shù)字電5V或3.3V、模擬電正負(fù)15V或者正負(fù)12V、模擬電5V或3.3V等。

本發(fā)明提供的電壓巡檢裝置，通過所述第一信號處理模塊獲得的所述第二電流信號、述第二信號處理模塊獲得的第二單片信號和述第三信號處理模塊獲得的第二電壓信號，用于在電化學(xué)儲能裝置處于動態(tài)過程中(特別是在交流阻抗測量模式下)，對其總輸出電壓、輸出電流進(jìn)行高頻同步采樣，以及對該電化學(xué)儲能裝置中各儲能單體的輸出電壓、電化學(xué)儲能裝置總輸出電流進(jìn)行高頻同步采樣。另外，在交流阻抗測量模式下，電化學(xué)儲能裝置的總輸出電壓、輸出電流以及各儲能單體的輸出電壓在其直流分量上都被疊加了一個非常微弱的交流分量，本發(fā)明提供的電壓巡檢裝置中的各個信號處理模塊通過高通濾波與反向放大電路來提取該微弱的交流分量，提高控制模塊對該交流分量采樣時的分辨率，并消除直流分量的影響。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。