使用电池电压监测 (CVM) 进行燃料电池堆监测
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燃料电池堆监测为何重要？
单个 PEM 燃料电池 (PEMFC) 最多只能产生 1.5 V 的电压。为了增加产生的电压并提供足够的功率，电池串联排列，从而形成所谓的 PEMFC 堆栈。堆栈中的电池数量范围从 5 或 10 个（通常用于研发过程）到 400 或 600 个（主要用于汽车应用）。
与电池系统一样，测量燃料电池堆中单个燃料电池的电压是监测堆健康状况的重要工具，它直接影响燃料电池堆的效率。它用于识别可能导致堆故障的所谓关键操作（例如燃料和空气不足），并允许堆控制单元做出相应反应。因此，电池电压监测对于保护堆并确保其最大使用寿命至关重要。此外，电池电压监测 (CVM) 也是一种廉价的表征方法，在运行期间不间断运行，因此可提供有关电堆健康状况的实时信息。除了实际读取氢燃料电池电压外，改变电堆工作点时电池电压的变化率对于正确识别堆中的关键工作条件也很重要。例如，在点堆关闭过程中 OCV 的快速下降可能表明相应电池存在问题。
图 1：包含 80 个电池的健康电堆示例（来源：Vivas，FJ 等人：电池电压监测一体机。一种对风冷聚合物电解质燃料电池进行退化分析的新型低成本解决方案。”《国际氢能杂志》44.25（2019）：12842-12856。）
图 2：故障电堆的示例。与电堆中的其他电池相比，6 至 24 号电池的电压明显下降（来源：Vivas, FJ 等人：电池电压监控一体机。一种对风冷聚合物电解质燃料电池进行退化分析的新型低成本解决方案。”《国际氢能杂志》44.25（2019 年）：12842-12856。）
哪些是 CVM 系统的决定性参数？
需要考虑电池电压监测系统的几个重要参数。电池电压是差分测量的，因此电堆中的电池数量决定了 CVM 系统所需的通道数。对于燃料电池堆，一个通道的足够电压测量范围为 ±1.5 V。现代 CVM 系统提供更大的通道电压范围，允许监测电池组（对于具有大量电池的电堆很有用，例如，CVM-24P 提供 ±5V 的范围）。此外，它们还可用于监测其他电气系统，例如电池或电解槽。
通道的采样率（通常以每秒样本数或赫兹表示）是另一个关键规格，特别是当 CVM 系统按顺序测量电池时。应该区分所谓的内部采样率（更高且与架构相关的值）和全通道采样率（描述整个系统测量率的更实用的值）。为了实时监控电堆的健康状况，采样率应尽可能高，以便即使在快速负载瞬变中也能可靠地检测异常（例如，CVM-24P 捕获 500sps）。为了能够将获取的数据传输到电池组的控制单元而没有进一步的延迟，需要一个实时通信接口，例如 CAN 总线。
CVM 系统的第三个决定性参数是精度。现代 CVM 系统提供 0.02% 的量程（例如 CVM-24P 0.02% 的范围 + 0.05% 的读数）。为了减少电缆拾取的噪声量，CVM 系统应尽可能靠近烟囱，并且应尽量缩短电缆长度。带屏蔽的电缆可以进一步减轻噪声。
由于电池电压是差分测量的，因此各个通道的测量值可能高达数百伏（具体取决于电池组大小）。为了避免损坏 CVM 系统，需要对通道进行高压绝缘。
其他重要标准包括菊花链支持（通过连接多个 CVM 模块能够测量数百个通道）以及 CVM 系统足够高的工作温度弹性（允许尽可能靠近运行中的堆栈运行）。此外，在运输应用中，CVM 系统以及电压分接和电缆需要特别抗振。最后同样重要的是，CVM 系统的成本也是一个决定性因素，尤其是对于大批量生产电堆的电堆制造商而言。
组件电池电压监视器示例
燃料电池电压拾取器设计有多少种类型，哪种是最佳选择？
通常，使用所谓的 CVM 拾取组件来收集堆栈中每个电池的电压。燃料电池堆监控系统与各个电池的连接（电压分接）可以使用简单的连接器、弹簧连接器、弹簧线甚至焊接连接来完成。最佳连接的选择受堆栈设计的限制，特别是电池间距（即双极板之间的距离）。
汽车电堆通常更紧凑，因此仅提供狭窄的空间用于将电压分接器连接到双极板。理想情况下，电压分接器应在电池组设计阶段进行规划。
燃料电池堆监控设备需要哪些配件？
根据具体应用，电池电压监测系统 (CVM) 可以连接到 PC（通常用于研究应用）或燃料电池堆控制单元（例如实时微控制器）。现代 CVM 系统可以配备堆栈控制单元，从而实现紧凑型解决方案，特别适用于运输和便携式应用。
另一个所需的附件是带有 GUI 的软件，提供电池电压的实时图形表示（研究和开发）以及实时诊断和控制（现场应用）。
图 3：控制软件示例：Kolibrik.net 的 CVM Manager（电池电压监控选项卡）
内容由 Kolibrik.net 提供
Kolibrik.net 主要为氢能燃料电池技术和电化学提供解决方案和产品。Kolibrik.net 制造的电子产品和软件可涵盖从基础和应用研究、高功率电池和电池组测试、电池组控制系统原型设计到目标应用解决方案等许多任务。所有展示的产品均采用模块化平台，因此可以根据确切需求或参数进行修改。
最后更新：2023.1.15