燃料電池單電池電壓量測系統設計與實現

燃料電池單電池電壓量測系統設計與實現

林正乾 林易佑 戴亞霖

國立勤益科技大學電機工程系 (所)

摘 要

燃料電池堆運轉時，對每一片單片電池之即時電壓的監控，才能夠掌握每 一片單電池的狀態與性能，單片電池電壓的量測也能提供燃料電池老化程度的 判斷依據，惟燃料電池通常由約10 到 100 片單電池串聯而成，要能即時且同 步的量到每片單電池的電壓，並不是一件容易的工作。本研究開發燃料電池單 電壓量測系統以即時量測、顯示、儲存燃料電池的單片電壓，當燃料電池單電 壓顯示異常 (單一片電壓波動幅度大或電壓過低) 時，可讓操作人員即時採取 保護的措施，以免損壞整個電池堆或降低電池的性能。本文提出植基於微控制 器及差動放大器電路之燃料電池單電壓量測系統方法，並將燃料電池單電池電 壓量測系統以1 個微控制器，對應至 12 片電池電壓方式模組化，並配合燃料 電池量測上之限制，發展特殊的燃料電池多點單片電壓採集量測探頭裝置及固 定方式，包括探頭、整合型端子台以及模組化排線等，最後本文章會呈現長期 運轉測試結果。

關鍵詞：燃料電池，單電池電壓量測，差動放大器。

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SINGLE CELL VOLTAGE MEASUREMENT SYSTEM ON A FUEL CELL STACK

Jeng-Chyan Muti Lin Yi-You Lin Yai-Lin Tai

Department of Electrical Engineering National Chin Yi University of Technology

Taichung, Taiwan 411, R.O.C.

Key Words: fuel cell, single cell voltage measurement, difference amplifier.

ABSTRACT

Monitoring the voltages of every single cell of a fuel cell stack allows full control of the conditions and performance of each cell while the stack is in operation. Measuring the voltages of every single cells provides a reliable means to spot the deteriorating of a fuel stack. Howevery, a fuel stack usually is composed of 10 to 100 single cells connected in series.

It’s not an easy task to simultaneously measure every single cell in real time. This study developed a single cell voltage measurement system to monitor every single cell voltage of a fuel cell stack in real time. Armed with this single cell voltage system, fuel cell stack operators can take precautionary measures when any single cell voltage becomes too low or abnormally unstable. Catastrophic failure of the whole fuel cell stack can therefore be avoided with this single cell voltage monitoring system. A micro controller based single fuel cell measurement circuit mainly con-

sisting of difference amplifiers was designed and assembled in the current study. In consideration of scalability and flexibility, a modular approach was adopted in this study with one module measuring the voltages of 12 single cells. An innovative probe design was also realized in the current study to overcome the difficulty of sticking voltage probes on flat fuel cell surfaces. The current single fuel cell voltage measurement system was tested on a 2.5 kW rating fuel cell stack with 36 single cells. The test results are presented in this article in detail.

一、前 言

燃料電池是一種非常具有潛力的發電工具，它可以被 看作一種具有環保效益的發電機。燃料電池將燃料氫氣透 過電化學反應直接轉換成電能，它與一般二次性充電電池 不同，燃料電池本身並不具有儲存電力的功用，而是以靠 著轉換化學能得到電能的方式來產生電力，所以燃料電池 可以省去二次性電池的重覆充電的時間，只要不斷的供應 燃料，即可讓燃料電池持續的發電[1]。

1. 量測燃料電池單電壓的重要性

燃料電池單片電壓的操作工作範圍約 0.6~0.9 V 之 間，因此在實際運用中會將許多單片電壓串聯而組成一個 燃料電池堆。燃料電池在實際的運轉發電中，電池的輸出 電壓會隨負載變換波動較大[2, 3]，例如外部負載的加載、

降載都會導致燃料電池的電壓波動。燃料電池的單片電壓 類似蓄電池，有所謂的最低的放電電壓，當蓄電池的放電 電壓過低，會導致蓄電池停止工作，甚至造成永久損壞。

燃料電池也有此相同的限制，除了維持每一片燃料電池電 壓在最低的工作電壓以上，亦需維持各個單片電壓的平均 性，二者都是很重要的。為了確保燃料電池電壓能夠在正 常的工作電壓下工作與各個單片電壓的平均性，因此必須 隨時監控電池堆的每一片的單片電壓，用來告知現今燃料 電池堆的工作狀態與性能。因此需要開發燃料電池單電壓 監測系統以即時量測、顯示、儲存燃料電池的單片電壓，

當燃料電池單電壓顯示異常 (單一片電壓波動幅度大或電 壓過低) 時，可讓操作人員即時採取保護的措施，以免損 壞整個電池堆或降低電池的性能[4]。此監測系統對於維護 燃料電池於正常工作上是十分重要。

2. 量測多點串聯電壓的困難與過去的做法

在量測燃料電池單電壓時會先遇見探頭很難固定之 問題，以往在量測燃料電池單片電壓，都是使用傳統探針 碰觸到燃料電池單片cell 的小洞上，藉由探針的導電性來 傳遞類比信號電壓。因施工方面的問題造成探針在平台上 伸出的長度無法完全一致，所以在大量的探針量測單電壓 時，欲同時碰觸到同一平面的燃料電池會有一定程度的難 度，某些部分的探針會無法完全碰觸到燃料電池本體，造 成量測值會不準確，本文即針對此問題提出一可行的設

A/D

A/D

A/D

V3

V2

V1 AN3

MCU

AN2

AN1

圖1 有共地問題之測量電壓電路

計，並經由實測證明其可用性。

假設解決完探頭或探針之裝置問題，事實上只解決了 一半的燃料電池多點單電池電壓量測問題，還必須解決電 池串聯數目很多時的問題。以往都是電池串聯多少數目，

量測系統就對應多少電壓，但以前並不常見這麼多電池堆 疊或串聯而成的系統，也許一個量測電壓微控制系統可以 對應十幾二十幾個電壓沒有問題，但假設電池是由上百個 堆疊或串聯而成的系統，將無法再照以往的方式去做，並 且微控制器在量測每片電壓的間隔縱使極為短暫，但串連 數量大時從第一片量到最後一片電壓的時間將會在不同基 準點上，所以必須將多點單電池電壓量測系統模組化，一 個微控制器只對應十幾個單電池電壓，以本文使用的 PIC18F4520 晶片為例，最大頻率為 40M Hz，一個指令週 期約為100n Sec，在量測少量數目的單片電壓上，輪詢時 間差幾乎可忽略不計，最後再將幾乎在同個時間點上的單 片電壓經由通訊傳輸給中央管理單位或監控端。

多電池串聯在量測單電池電壓時將又會發現共地問 題，且串聯數目多時其頭尾電壓降將會非常大，假設如下 圖1 之接法時，AN1 量到的電壓為 V1，AN2 量到的電壓 將為V1 + V2，AN3 量到的電壓又為 V1 + V2 + V3，以此 類推，一般微控制器最高耐壓約為5 V，不用多少電池，

電壓值就會超過微控制器的上限。

測量串聯的電池電壓還有其他方法，使用分壓電阻 法是很常見的方法，簡單但有些問題，其中有幾個缺點，

首先必須提供開關，以防止從分壓電阻消耗功率在電池 沒有使用時。其次，分壓電阻需要非常精確的計算比例 如圖2，由圖 2 可知第一顆電池電壓通常不會超過微控制

+ − + − + − + − + − V1 V2

V3 V4

V5

R 2R 3R

R R R

AN1 AN2

AN3 AN4

圖2 分壓電阻量測電壓法

器耐壓，所以AN1 = V1，可直接經由類比數位轉換給微 控制器，而AN2 的值是 V1 + V2 的電壓經由分壓電阻分 壓，可得AN2 = (V1 + V2) / 2 的電壓值，所以必須在軟體 中將AN2 的值乘於 2 再減掉 AN1 也是 V1 的值才是 V2 的值，而AN3 = (V1 + V2 + V3) / 3，軟體中就必須將 AN3 的值減掉V2 跟 V1 的值，所以當串聯電池數量大時，不 僅軟體上計算繁複，再來當電阻就算是精密電阻時也有 1%的誤差，累加到尾端電壓的誤差可能非常可觀，並且 在不同溫度時電阻值也會跟著變動，連帶影響最後的量測 準確率[5, 6]。

基於以上敘述到的種種瓶頸及困難，本文提出植基於 微控制器及運算放大器減法器電路之燃料電池單電壓量測 系統研製方法[7, 8]，並將電池單電池電壓量測系統以 1 個 微控制器對應至12 片電池電壓方式模組化，再配合燃料電 池量測上之限制，發展特殊的燃料電池多點單片電壓採集 量測探頭裝置及固定方式，包括探頭、整合型端子台以及 模組化排線等，最後會將通訊及人機監控結果以及將長期 的運轉測試結果呈現。

二、燃料電池單電池電壓量測系統設計

本文之燃料電池單電池電壓量測系統研究方法將分 成兩部份，第一部份為燃料電池單片電壓量測探頭及整合 端子台，第二部份則是以微控制器及運算放大器減法器為 基礎之單片電壓量測電路，兩者必須相輔相成，探頭如果 沒有設計得當會使得電壓採集不穩定，或是單片電壓測量 電路失準，整個系統將會以失敗收場。本段將探討整個量 測的設計及設計上必須注意的重點之研究方法。

1. 電壓量測探頭設計

量測燃料電池單片電壓必須要有碰觸到燃料電池本 體每一片Cell 的裝置，才能確實量測到各片的電壓。為了 讓每一片單片電壓都能確實地被量測，裝置上接觸到電池 本體的探頭不能是堅硬的，因為只要有一組抵觸到電池 後，其兩旁的探頭可能又會被頂開，因此想出一個辦法就 是讓碰觸到電池的探頭是能夠被緩衝的，彈簧就是個很好 的緩衝裝置。

+ 1

+ 2

+ 1

+ 36 37+

Cell 36 MEA Cell 35 MEA

Cell 3 MEA Cell 2 MEA Cell 1 MEA

Cell 36 Cell 35

Cell 3 Cell 2 Cell 1

+

+

− + −

+ −

+ − + − + −

+

− . .

. .

. . . .

. . . .

圖3 燃料電池單片電壓量測探頭示意圖

本研究使用容易取得的五金材料手工打造一可靠的 燃料電池電壓量測探頭平台，平台的示意圖如圖 3。使用 工業界常用的自攻螺絲釘為可調的探頭，將一根根的螺絲 釘鑽入木片內，再將做為緩衝用的彈簧套入剛剛鑽出木片 的螺絲頭，最後將木片固定在燃料電池的兩側端板上，且 必須確定每一片接觸到燃料電池的量測彈簧是準確碰觸到 每一個Cell，否則可能會讓單片電壓短路或是因為接觸電 阻太大而讓量測值不準確。使用彈簧碰觸到電池本體的好 處是讓每一個量測的探頭都能有自己的緩衝長度，若太短 未碰觸到則調整螺絲將其鎖入，鎖到量測電路能接收到電 壓值則停止。

2. 單電池電壓量測系統設計

本文提出之燃料電池單片電壓量測系統在設計上，是 以結合微控制器及運算放大器的方式進行，流程上是先以 運算放大器做成減法器電路測量兩片燃料電池間的壓降，

燃料電池與減法器電路間必須以運算放大器之電壓隨耦器 電路做阻抗隔離，避免電池內阻干擾減法器電路之電阻，

影響輸出，最後再經由微控制器將類比訊號轉換成數位訊 號並經由通訊傳出，圖4 為單電壓量測電路運作流程圖。

電壓採集依照前段章節設計之探頭，並以12 片單片電壓為 單位，裝置排線及模組化接頭如圖5 架構圖。燃料電池單 片電壓經由排線及模組化接頭，接上單電壓量測系統，其 單片電壓量測電路系統架構如圖 6。軟體撰寫上利用微控 制器強大且快速的運算能力，以 PIC18F4520 來說頻率最 高可達40M Hz，等於 1 個指令週期只需要 100n Sec，所以 每個模組間的每片燃料電池之電壓量測，幾乎是位於同一 個時間點上以及基準點上，最後在通訊上設計成使用 Modbus 協定中的 RTU 傳送模式，以 RS-485 介面傳送系統 採集到的數據給工業電腦做後處理，包括輸出至網路型線 上即時人機監控平台，以及做長期運轉測試之數據資料建 立等處理。

RS-485 OPA

圖4 單電壓量測電路運作流程

12

12

12

圖5 燃料電池單片電壓採集及排線架構

ADC ADC ADC

ADC ADC

ADC MCU

ADC ADC

ADC ADC ADC

12 Cell

圖6 燃料電池單片電壓量測系統架構

(一) 模組化

本文將燃料電池單片電壓量測系統電路設計成一塊 模組化電路能對應12 片電壓，雖說本文所量測的燃料電池 組是只由36 片燃料電池堆疊而成，也許由一顆微控制器而 成的電路就能勝任對應至36 片電壓量測工作，但假設燃料 電池組是由上百片堆疊而成，只由一微控制器是無法應付 得來，並且考慮測量每片的間隔時間縱使非常短暫，也因 燃料電池堆疊片數太多使得頭尾的電壓採集時間點間隔太 大，使得在數據判讀上會有很大的誤差，所以在設計上由

(1) 1-12

(2) 13-24

(3) 25-36

(PC or PAC) RS-485

圖7 系統通訊架構

一顆微控制器對應至12 片燃料電池單片電壓，再經由通訊 傳輸給工業電腦數據。在燃料電池上的採集電壓裝置也設 計成模組化模式，將以每12 片燃料電池經由探針整合端子 接成對應的排線，並在排線尾端接上模組化接頭，其優勢 為架設非常容易，經由模組化接頭，可輕易架設好此系統，

也可避免接線錯誤所造成不可挽回的情況發生[9]。

(二) 通訊

通訊是為此系統相當重要的環節，使工業電腦能跟各 模組間溝通，通訊介面將不考慮RS-232，其為全雙工串列 式通訊，缺點為抗雜訊較弱，只適用於點對點短程通訊，

而 選 用 在 業 界 的 工 業 電 子 設 備 上 較 常 見 的 通 訊 介 面 RS-485，其為半雙工串列式通訊，可以應用於配置便宜的 廣域網和採用單機發送，多機接受通訊連結，它提供高速 的資料通訊速率，抗雜訊能力較高，可進行大面積長距離 傳輸，其Modbus 通訊協定是個有效率的串列通信協定，

利用Modbus 協定中的 RTU 傳送模式能有效率地傳輸各燃 料電池單片電壓量測系統模組的數據，不論是要任一片燃 料電池單片電壓或者是某個區間中的燃料電池各單片電壓 都有辦法勝任，圖7 為本系統通訊架構示意圖。

(三) 人機介面

人機介面是以圖形或文字介面的方式來表示監視或 控制的狀況和資訊，具有高度的彈性、極高的效率與高度 的親和力等特性，使人們能利用人機介面非常清楚地了解 一個系統上的狀況，將所有的參數即時的顯示在面板上，

設計上必須要每個值都準確地根據微控制器電壓量測電路 量測結果而來，當電池上參數發生變化，人機介面也將會 跟著改變，並且可直接在面板上直接對控制端做控制和提 供一個完善的警報功能，並且系統長期運轉及測試其資料 傳遞與顯示的過程中必須穩定，沒有信號中斷等錯誤發 生。透過 RS-485 介面通訊與微控制器做雙向溝通，持續 且穩定的接收數據於電腦上，以這些數據能建立趨勢圖及 資料庫。

(四) 微控制器

採用Microchip 公司的 8 位元 PIC184520 晶片，如圖 8，為 40PIN 之 PDIP 包裝 IC，來建立本文中的燃料電池單 片電壓量測系統，此晶片擁有強大的功能但其價格卻非常 的平易近人，其優勢為採用 RISC 架構的指令集，使不同

RD2/PSP2

20 21

RD3/PSP3

19 22

RC4/SDI/SDA

18 23

RC5/SDO

17 24

RC6/TX/CK

16 25

RC7/RX/DT

15 26

RD4/PSR4

14 27

RD5/PSP5/P1B

13 28

RD6/PSP6/P1C

12 29

RD7/PSP7/P1D

11 30

VSS

10 31

VDD

9 32

RB0/INT0/FLT0/AN12

8 33

RB1/INT1/AN10

7 34

RB2/INT2/AN8

6 35

RB3/AN9/CCP2⁽¹⁾

5 36

RB4/KBI0/

4 37

RB5/KBI1/PGM

3 38

RB6/KBI2/PGC

2 39

RB7/KBI3/PGD

1 40

PIC18F4520

RD1/PSP1 RD0/PSP0 RC3/SCK/SCL RC2/CCP1/P1A RC1/T1OSI/CCP2⁽¹⁾ RC0/T1OSO/T13CKI OSC2/CLKO/RA6 OSC1/CLKI/RA7 VSS VDD RE2/CS/AN7 RE1/WR/AN6 RE0/RD/AN5 RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT RA4/T0CKI/C1OUT RA3/AN3/VREF+

RA2/AN2/VREF-/CVREF RA1/AN1 RA0/AN0 MCLR/VPP/RE3

圖8 微控制器引腳圖

R2 R1

R3

Vo V2

V1

R4

圖9 減法器電路

系 列 的 產 品 具 有 高 度 的 相 容 性 可 在 同 樣 的 開 發 軟 體 MPLAB IDE 下，利用最佳化的 C 語言編譯器架構和相容 的指令集完成設計開發。其晶片並整合許多常見的標準通 訊協定，除了本文中使用到的 RS-485 通訊，還有包括 RS232、SPI、I2C、USB、CAN 等都有支援。並且其內建 13 組高達 10 位元精度的類比數位轉換器，使本系統能夠 順利採集到高精度的參數，尤其是其寬廣的溫度操作範圍 及其穩定的性能足以能應付在各種惡劣的環境。並且控制 器的消耗功率表現也是非常的低[10]。

(五) 運算放大器之減法器電路

運算放大器 (Operational Amplifier)，為一常見的電子 元件IC，理想的運算放大器具有無限大的輸入阻抗、趨近 於零的輸出阻抗，無限大的開迴路增益、無限大的共模拒 斥比以及無限大的頻寬，當將運算放大器接成減法器時需 注意抵補電壓的誤差，其誤差值越小越好，否則量測電壓 時會有抵補電壓的誤差值。減法器電路，如圖 9，其工作 原理為正端電壓

V+為 V1 經過 R1 及 R3 的分壓，經過非

R3 = R4 時，Vo 就等於 V1 減去 V2 也就是電池兩端壓差。

3 2 4 1 1 3 2

R R R

V V

R R R

+ = × × +

+ (1)

2 ( 4) 2

V V R

− = × −

R

3 2 4 4

( 1 ) ( 2 )

1 3 2 2

R R R R

Vo V V

R R R R

= × × + − ×

+ (3)

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637Cell 36 MEA Cell 35 MEA Cell 3 MEA Cell 2 MEA Cell 1 MEA

圖10 探頭佈置圖

三、燃料電池單電池電壓量測系統實現

本章節將介紹如何實現前面章節介紹之特殊設計探 頭以及多點單電壓量測基於微控制器及運算放大器之減法 器電路系統，在本章節將會詳細談及如何安裝本文特殊設 計之探頭以及如何在 36 片燃料電池的電壓量測點探頭安 置，接著將介紹單電壓量測基於微控制器及運算放大器之 減法器電路系統實現，最後將敘述如何整合多塊模組及系 統。

1. 電壓量測探頭實現

本研究待量測之燃料電池單片電壓的點數共有 37 個 量測點，如圖10 所示為探頭佈置圖，燃料電池陰陽極中間 夾著一片MEA，共有 36 個 MEA (36 片 Cell)，所以量測單 片電壓探頭的正端必須接在單一個Cell 的陽極側，負端接 在陰極側。以量測第一片電壓為例，若欲量測Cell 1 的單 片電壓，量測第一片電壓的正端的探頭就連接在最下端的 第一個紅點，負端的探頭則連接在最下端的第一個黑點，

以此類推便可量測到燃料電池的 36 片單片電壓，量測到 36 組電壓則拉排線到端子台上，再由端子台上再拉另一組 排線到實體單片電壓量測電路上，目的是為了讓實體探頭 端及量測電路端分別獨立出來，為將來不同量測的目標依 據其需求作準備和設計，圖11 為探頭量測實體圖。

2. 電壓量測電路實現

每個模組電壓來源由單獨的交流110 V 轉 ± 12 V 中 心抽頭變壓器供給，再將交流 ± 12 V 轉直流並穩壓成 ± 5 V，變壓器有電氣隔離的效果使每個模組間不會有干擾，

運算放大器我們使用OP07CP [6]這顆 OPA 經測試發現正 負電壓供電的精度比單電壓供電的精度要好，雖然使電路 比較複雜，但精度可達到小數點第三位，燃料電池單片電 壓訊號及減法器間必須以電壓隨耦器做阻抗隔離，避免燃 料電池的內阻影響減法器上之電阻而造成測量誤差，電路 如下圖12 和 13。通訊電路使用訊號轉換 IC SN75176BP [7]

圖11 探頭量測平台實體圖

T1 1

2 5 6 8 4 110V

AC110V12VX2

1 D1

4

3

RB156 1

U13

3

7805 VIN VOUT 2

GND

2 C2 470u C1 470u

U14

5V

C3 470u

C4 470u

-5V 3

5V 7905

1

IN OUT

GND

SW1 120Ω

120Ω

470Ω 10KΩ MCLR C11 200P

D+

D- 6

7 A B D DE R RE U17

SN75176

5V

D2 LED CON6

MCLR +5V GND PGD PGC 6 5 4 3 2 1 J1 TX 485DE

RX 4 3 1 2

C8 33P C9 33P

10MHz Y1 14 13

C10 33P

C9 33P 32.768K Y2 40 39 25 26 24 15 16

PGD PGC TX RX 485DE U15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 35 36 34 37 12 31 MCLR AN0 AN1 AN2 AN3 AN3 AN4 AN5 AN6 AN7 AN8 AN9 AN10 AN11 V33 V33

+5V +5V

11 32

P18F4520 C5 104 C6 104

J2 CON15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13

圖12 多點單片電壓量測主要電路

這顆通訊晶片將微控制器的通用同步／非同步接收傳輸模 組或稱USART [5]資料傳輸模組輸出的訊號準位信號轉換 為RS-485 準位信號，但因 RS-485 為半雙工串列式通訊，

所以利用晶片上的DE 制能腳位配合軟體控制傳送資料或 讀取資料，當DE = 1 時為傳送資料，DE = 0 時為讀取資 料，第六腳A 接 RS-485 的 D+ 線，第七腳則接 RS-485 的 D−線。

3. 系統整合

本文之全部硬體設備有 36 片燃料電池主體、電壓量

12V

7 14 8 3 2 V+

-12V OP07

6

12V

7 14 8

3 2

-12V OP07 12V 6

7 14 8 3 2 V-

-12V OP07

6

10KΩ

10KΩ 10KΩ 10KΩ

ADC

圖13 電壓量測隨耦器及減法器電路

FC

12 12 12

RS-485

LM1

LM2

LM3

PAC HMI

圖14 系統架構示意圖

測探頭及整合端子台、3 個對應至 12 片電池之單片電壓量 測模組以及主控端PAC，PAC 上有後端人機介面程式，系 統整合架構如圖14。首先我們先將探針及整合端子台固定 於燃料電池上後，利用排線將3 個單片電壓量測模組與燃 料電池連接，而PAC 主控端與三個單片電壓量測模組則是 利用RS-485 介面連接，RS-485 為一對多之通訊介面架構，

PAC 為 Master，3 個單片電壓量測模組為 Slave，PAC 透過 Modbus 通訊協定發送包括站號的命令給所有模組，3 個模 組收到PAC 發送的命令後將會針對命令中的 CRC 檢查碼 做比對，如果 CRC 檢查碼比對無誤代表訊號是正常無誤 的，反之CRC 檢查碼比對錯誤代表此命令是錯誤的，接著 會判斷命令中的站號是否與自己的站號相同，如果是的話 將回應PAC 送出 12 個單片電壓值，反之將等待下個命令，

而此通訊協定還有一優勢為，可同時送出12 筆電壓資料，

在人機介面上的資料更新動作為一次12 筆電壓，並不是一

圖15 Web 型人機介面實際圖

圖16 Web 型人機介面即時單片電壓顯示實際圖

筆一筆資料做更新，而是一個模組同時量12 片電壓並同時 送出12 片電壓資料。PAC 上的人機介面將由 InduSoft Web Studio 的專業圖控軟體撰寫，並且此系統之 PAC 擁有一組 實體IP 位置，利用 InduSoft Web Studio 強大的功能，本文 建置了網路型人機介面如圖15，並且從網頁上或者 PAC 之 螢幕上的人機介面將會從各模組接收來的數據並轉換成人 們能一目了然、快速接受的圖表量化顯現如圖16。

四、實驗結果與討論

1. 實驗步驟及方法

本燃料電池發電系統中，電池剛啟動時，由市電供應 電力於周邊元件以輔助電池啟動運轉，待氫氣供應至燃料 電池的陽極入口端時，電池的開路電壓值會由0 V 上升到 31 V，而燃料電池電壓大於 24 V 時，電池便開始產出電 流，此時電力供應來源即從市電切換至燃料電池本體供 應，在供應啟動電力的需求後，燃料電池的輸出功率達900 W 以上，電池的電壓會下降約 27 V，當電池額外加載時，

電池的電壓會緩緩下降，待電壓與電流不再隨時間劇烈變 動而呈現穩定的狀態時，才可再外加額外負載，加至滿載 時電池約降至23 V。而反應氣體 (氫氣、空氣) 通過燃料

No.4

0.765 0.77 0.775 0.78 0.785 0.79 0.795 0.8 0.805 0.81 0.815

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖17 負載約 300 W 之第 4 片單電壓比較

No.20

0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.8 0.81

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖18 負載約 300 W 之第 20 片單電壓比較

No.33

0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82 0.83

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖19 負載約 300 W 之第 33 片單電壓比較

電池時，每一個單電池的流速都不相同，因此每個單電壓 所輸出的電壓也不同，所以在正常操作時必須隨時監測電 池堆中每一片電池的電壓，告知電池是否處於正常工作的 狀態，一但發現其中任何一片電池電壓低於操作電壓也可 以立即採取保護電池的措施[13, 14]。

2. 實驗結果分析

本研究量測電壓模組共3 組，再從各個電壓量測模組 各挑1 組電壓來呈現，分別為第一組第 4 片電壓、第二組 第20 片電壓、第三組第 33 片電壓，量測到的數據會被儲 存在PAC 主機內的 CF 卡。數位電表方面使用 RS-232 轉 USB 跟電腦做連線，接收到的即時數值會隨著時間被儲存 下來。以上兩種數據蒐集起來製作成圖表來比較，則發現

1000W No.4

0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖20 負載約 1000 W 時第 4 片單電壓比較

1000W No.20

0.74 0.745 0.75 0.755 0.76 0.765 0.77

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖21 負載約 1000 W 時第 20 片電壓比較

1000W No.33

0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖22 負載約 1000 W 時第 33 片電壓比較

不論是第4 或 20 或 33 片的量測，其誤差值ΔV 最大約 0.034 V，最小值約 0.01 V，圖 17 至 19 為僅內部負載約 300 W 之單電壓比較。

圖20 至 22 為總負載加載至約 1000 W (內部負載加上 部份外部負載) 單片電壓量測比較，實驗結果發現不論是 第4 或 20 或 33 片，其誤差值ΔV 最大約為 0.028 V，最小 值約0.001 V。圖 23 至 25 為總負載加載至約 1800 W (內 部負載加上部份外部負載) 單片電壓量測比較，實驗結果 發現不論是第4 或 20 或 33 片，其誤差值ΔV 最大約為 0.023 V，最小值約 0.002 V。

3. 系統量測 36 片電壓

在燃 料電 池供 給負 載時 ，在 供給 只有 內部 負載 約 300 W 時單片電壓會落在 0.8 V 以上，本研究量測的燃料

1800W No.4

0.61 0.63 0.65 0.67 0.69 0.71

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖23 負載約 1800 W 時第 4 片電壓比較

1800W No.20

0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖24 加載至約 1800 W 時第 20 片單電壓比較

1800W No.33

0.59 0.61 0.63 0.65 0.67 0.69

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168

(s)

(V)

圖25 加載至約 1800 W 時第 33 片單電壓比較

電池共有36 個 cell，圖 26 至 28 則紀錄了僅內部負載時分 為三個模組共36 個 cell 所量測到的單片電壓趨勢圖。

五、結 論

本文之全部硬體設備有36 片燃料電池主體、電壓量測 探頭及整合端子台、三個對應至12 片電池之單片電壓量測 模組以及主控端PAC，而 PAC 上有後端人機介面以供使用 者觀察監控電壓，具備以上軟硬體設備便能開始搭配燃料 電池發電系統來量測電池單片電壓。本研究使用植基於微 控制器及運算放大器減法器電路之燃料電池單電壓量測系 統方法，並將燃料電池單電池電壓量測系統以1 個微控制 器，對應至12 片電池電壓方式模組化，最後量測到的電壓 資料透過RS-485 通訊傳送至 PAC 主機，由 IWS 的專業圖

1~12

0.8 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240

(s)

(V)

No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8 No.9 No.10 No.11 No.12

圖26 僅內部負載約 300 W 時第 1~12 片單電壓

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240

(s) 13~24

0.77 0.775 0.78 0.785 0.79 0.795 0.8 0.805 0.81 0.815 0.82

(V)

No.13 No.14 No.15 No.16 No.17 No.18 No.19 No.20 No.21 No.22 No.23 No.24

圖27 僅內部負載約 300 W 時第 13~24 片單電壓

0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240

(s) 25~36

0.77 0.79 0.81 0.83 0.85 0.87

(V)

No.25 No.26 No.27 No.28 No.29 No.30 No.31 No.32 No.33 No.34 No.35 No.36

圖28 僅內部負載約 300 W 時第 25~36 片單電壓

控軟體撰寫並建置了網路型人機介面，從各模組接收來的 電壓數據在網頁上或現場端螢幕以圖表量化的方式來呈 現，並能即時監控目前系統的運作情況。

本研究完成了燃料電池單片電壓量測系統的研製，系 統電壓量測誤差值ΔV 約在 0~3.8%左右，本系統開發出燃 料電池單片電壓量測、即時顯示、歷史資料儲存，當燃料 電池單電壓顯示異常，操作人員得以馬上作出適當的保護 處理，避免燃料電池損壞整個電池堆或降低電池的性能。

參考資料

1. Hirschenhofer, J. H., Stauffer, D. B., Engleman, R. R., and Kleet (Eds.), M. G., Fuel Cell Handbook, Seventh Edition, U.S. Department of Energy, Margantown, WV, USA

(2004).

2. Wang, C., Mao, Z., Bao, F., Li, X., and Xie, X., “Develop- ment and Performance of 5 kw Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stationary Power System,” Interna-

tional Journal of Hydrogen Energy, Vol. 30, No. 9, pp.

1031-1034 (2005).

3. Cleghorn, S. J. C., Mayfield, D. K., Moore, D. A., Moore, J. C., Rusch, G., Shermana, T. W., Sisofoa, N. T., and Beuscher U., “A Polymer Electrolyte Fuel Cell Life Test:

3 Years of Continuous Operation,” Journal of Power

Sources, Vol. 158, No. 1, pp. 446-454 (2006)

4. Kazim, A., Liu, H. T., and Forges, P., “Modelling of Performance of PEM Fuel Cells with Conventional and Interdigitated Flow Field,” Journal of Apply Electro-

chemistry, Vol. 29, No. 12, pp. 1409-1416 (1999).

5. Hande, A. and Kamalasadan, S., “An Electromechanical Transfer Circuit to Measure Individual Battery Voltages in Series Packs,” Journal of Power Sources, Vol. 162, No. 1, pp. 719-726 (2006).

6. Garrett, D. B. and Stuart, T. A., “Transfer Circuit for Measuring Individual Battery Voltage in Series Packs,”

IEEE Tranctions on Aerospace and Electronic Systems,

7. Wang, X. and Stuart, T., “An Op Amp Transfer Circuit to Measure Voltages in Battery Strings,” Journal of Power

Sources, Vol. 109, No.2, pp. 253-261 (2002).

8. Kultgen, M., “Managing High-Voltage Lithium-Ion Bat- teries in HEVs,” EDN, Vol. 54, No. 8, pp. 45-52 (2009).

9. Stuart T., Fang, F., Wang, X., Ashtiani, C., and Pesaran, A.,“A Modular Battery Management System for HEVs,”

SAE Future Car Congress Proceedings, VA, USA (2002).

10. PIC18F4520 Datasheet, MicroChip Inc.

11. OP07CP Datasheet, Texas Instruments Inc.

12. SN75176BP Datasheet, Texas Instruments Inc.

13. Kazim, A., Liu, H. T., and Forges, P., “Modelling of Per- formance of PEM Fuel Cells with Conventional and Interdigitated Flow Field,” Journal of Apply Electro-

chemistry, Vol. 29, No. 12, pp. 1409-1416 (1999).

14. Djilali, N. and Lu, D., “Influence of Heat Transfer on Gas and Water Transport in Fuel Cells,” International Journal

of Thermal Sciences, Vol. 41, No. 1, pp. 29-40 (2002).

2010 年 05 月 10 日 收稿

2010 年 05 月 12 日 初審

2010 年 06 月 29 日 複審

2010 年 08 月 10 日 接受