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摘 要

燃料电池在当今社会有着重要的应用前景。在实际应用中，燃料电池堆往往由许多单体电池构成。监测每片电池电压是否正常，对于保障整个电池堆正常工作有着重要意义。本文主要内容如下：

本文基于燃料电池电压检测专用芯片LTC6802设计了单片电压巡检系统。首先，研究了燃料电池的基本工作原理，确定正常工作电压范围。随后分析论证本系统的控制方式，制定燃料电池检测系统的总体设计方案。根据总体方案，设计检测单元硬件电路、主控单元硬件电路，以及系统主程序、单片电压检测子程序、SPI通讯程序等。

研究结果表明：系统各项功能均可实现，设计预期目标基本实现。

关键词：燃料电池；单片电压检测；LTC6802

Abstract

Fuel cells have important application prospects in today's society. In practical applications, the fuel cell stack is often composed of many single cells. Monitoring whether the voltage of each battery is normal is of great significance to ensure the normal operation of the entire battery stack. The main contents of this article are as follows:

In this thesis, a single-chip voltage inspection system is designed based on the fuel cell voltage detection chip LTC6802. First, the basic working principle of the fuel cell is studied to determine the normal operating voltage range. Then analyze and demonstrate the control method of the system, and formulate the overall design plan of the fuel cell detection system. According to the overall plan, design the detection unit hardware circuit, the main control unit hardware circuit, as well as the system main program, single-chip voltage detection subroutine, SPI communication program, etc.

The results of the study show that all functions of the system can be realized, and the design goals are basically achieved.

Key Words：fuel cell; single-chip voltage detection; LTC6802

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 燃料电池巡检系统总体方案设计 5

2.1 燃料电池工作原理分析 5

2.2单片电压检测方案论证 6

2.3单片电压巡检系统总体设计 7

2.4 本章小结 8

第3章 燃料电池巡检系统硬件电路设计 9

3.1检测单元硬件电路设计 9

3.2主控单元硬件电路设计 12

3.2.1 时钟、复位电路设计 13

3.2.2 SPI通讯接口电路设计 13

3.2.3 USB接口电路设计 13

3.2.4 JTAG电路设计 14

3.3 PCB图绘制 14

3.4 本章小结 16

第4章 燃料电池巡检系统软件设计 17

4.1检测单元软件设计 17

4.1.1 单片电压采集子模块程序设计 18

4.1.2 SPI总线通信子模块程序设计 19

4.2主控单元软件设计 20

4.3 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1 本文工作总结 22

5.2 设计工作展望 22

致谢 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

近年来质子交换膜燃料电池受到世界范围内的广泛关注，其所具有的能量转化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等优点，对于未来汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等诸多领域的优化和突破都具有可观的应用意义。目前，由于化石能源的使用空间受到全球变暖和空气污染等环境恶化的影响不断被压缩，如何摆脱对石油等不可再生能源的依赖实现未来可持续发展已然成为全世界面临的重要考验。因此，提高对清洁能源的利用效率，促进对风能、太阳能、潮汐能等的发展至关重要。而氢作为一种可再生的能源，能够通过电能与化学能的转变，实现分布式制取、储运、利用，为促进清洁能源利用提供最佳的媒介。与纯电动汽车不同，燃料电池汽车实现了上游发电和终端用电在时间上的“分离”，这就使得与波动性较大的风能和太阳能（纯电动车技术路线）比起来，氢能的互补能力更强。因此，发展氢能和氢燃料电池对于能源发展具有重大的战略意义^[1]。

单片燃料电池的电压往往很小，以质子交换膜燃料电池为例，其理论电动势为1.229V，但由于电池内阻等原因造成的分压，使得其正常工作是电压只有0.7V左右^[2]。其他种类的燃料电池工作电压往往小于1V。为了可以输出上百伏电压，燃料电池堆往往采用串联上百片单体电池的办法。这种情况下，每个单电池运行时如果出现故障，将对整个电池堆的运行产生不利影响，极可能降低电池的输出性能和使用寿命，还可能造成电堆瘫痪甚至事故。在电池的研发阶段，同样需要对电池各项参数进行监测，以找出其工作特性曲线，确定最佳工作条件。在生产制造环节，通过检测可以及时发现性能不达标的电池，避免流向市场对用户造成损失。

电压是电池最重要的参数之一，其实际值是否在正常范围内，很大程度上表征了电池是否正常工作。因此，设计燃料电池单片电压巡检系统，及早发现电池可能存在的故障，对于保障电池安全稳定运行很有意义。

1.2 研究现状

目前燃料电池发展有着巨大的潜力，在全世界范围内普遍受到重视。与此同时，燃料电池测试系统也随之迎来了发展的春天，许许多多的科研机构和商业公司都参与其中。在这方面做的比较突出的公司有，国外美国国家仪器公司NI(National Instrument）、加拿大绿光创新公司（GreenLight）、美国Arbin公司、德国FuelCon公司等。总的来说，国外发展水平高于国内。但是，整个燃料电池测试系统都还处在初级的发展阶段，缺乏衡量产品质量的国际统一标准^[3]。

在燃料电池测试系统行业，美国国家仪器公司(National Instruments, NI)名列前茅。NI公司主要开发基于计算机的测试系统，可以应用于电池研发的各个阶段，深受客户欢迎。NI公司设计的自动化平台也很出色。从20世纪90年代起，全球燃料电池测试设备领先的供应商。加拿大绿光创新公司(Greenlight)是国际燃料电池测试系统的顶尖公司，推出了一系列测试平台（可以测试SOFC,PEMFC,MCFC和DMFC等），而且100W到250kW的测试范围间均有解决方案。比如测试平台6700，可以实现全自动监视测试数据，即使没有工作人员操作也可以稳定运行。美国的Arian公司技术基础雄厚，先后推出多代燃料电池检测设备，拥有多项专利技术。FCTS燃料电池测试系统可以实现水位自动控制，如氢气泄露可第一时间进行报警，安全性较好。德国的FuelCon公司，也是在该领域享誉斐然，其产品型号丰富，测试功率范围从数百瓦到数百千瓦都有。日本在燃料电池研发方面有着雄厚的技术支持，他们国家的燃料电池技术也处于世界先进行列。在日本占有良好市场份额的TOYO公司所生产的燃料电池测试系统，不仅在客户中赢得了很好的口碑，而且受到了国内的一些研究所、高校实验室和著名的汽车企业的欢迎。其产品型号较多，光是针对PEMFC的测试系统就有MiniTest3000,PEMTest8900和AutoPEM等，针对SOFC的测试系统有mini Test6000和AutoSOFC2等。

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