CN102338824A - 新型可扩展燃料电池单片电压检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型可扩展的燃料电池单片电压检测系统。系统由光电开关电池组切换电路、信号调理电路、A/D转换电路、保护电路、CPLD切换控制电路、隔离电源电路、控制器及CAN通信电路构成。系统具备独立检测和同其他同类系统组网检测的能力。由于采用了CPLD控制电池组切换而非传统设计中的分立门电路器件，并对电池组切换电路采用了模块化设计，因而系统本身具备灵活的扩展性，可以根据需要按组增减电池组，而不需要改动硬件。电池组切换电路负责切换不同电池组信号进入被测电路，信号调理电路将被测信号转换到A/D转换电路可测量的范围内，控制器处理得到的数据并通过CAN总线发送到网络上，保护电路主要是用于提高系统的可靠性。本发明具有测量电路可扩展、可靠性高的特点。

Description

新型可扩展燃料电池单片电压检测系统

技术领域

本发明涉及燃料电池单片电压检测系统，尤其涉及一种新型可扩展燃料电池单片电压检测系统。

背景技术

随着石油能源的全球性紧张，世界各国都在大力开发各种新型能源，诸如核能、风能、潮汐能、太阳能等，特别是在公共交通、海洋开发、军事装备等领域，新的动力能源显得尤为重要。一方面，新能源可以缓解传统石油能源不足所带来的消耗问题；另一方面，新能源在某些方面具备传统石油能源所不具备的优点。譬如在军事装备领域，发达国家的常规潜艇已普遍采用AIP装置增加其续航时间。德国的214型柴电潜艇，采用氢氧燃料电池的AIP技术，可以在潜航状态保持长达3周时间，这对于提升常规潜艇的作战能力具有不容忽视的意义。而在民用领域，装有燃料电池的汽车，由于不像传统能源会产生有害的废气，因而在能源的清洁性上也越来越获得城市用户的青睐。

燃料电池目前最具有代表性的是质子交换膜燃料电池(PEM燃料电池)，其单片燃料电池的理想电压一般只有1.2V，因而一般需要将单片燃料电池进行串联构成燃料电池堆使用。而燃料电池堆在工作过程中往往会有几十片甚至上百片单片电池构成，每片电池在性能上都会有不同，可能会出现单片电池性能下降甚至由于击穿等所导致的零电压甚至负电压情况。这对于燃料电池长时间可靠工作是极为不利的，因而需要一套行之有效的电压检测系统来实时监测燃料电池的运行状况。

专利申请号为200610034287.5的专利申请文件中公开了“一种燃料电池电压巡回监测系统”。该系统通过门电路构成译码电路控制光电开关导通切换被测电池组，能够基于现有硬件针对特定数量的燃料电池堆进行有效测量。但由于采用了门电路设计译码电路，并且主控制器没有网络形式的通信接口，因而其可扩展性受到了限制，不仅其自身可测量的单片燃料电池数受到已固定硬件的制约，而且不同系统间的协同测量也无法实现，这就在很大程度上限制了这套系统的通用性和灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，使得燃料电池的检测具备灵活可扩展的特点，并且能够可靠、安全的实现实时测量。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的硬件包括，光电开关电池组切换电路(2)，信号调理电路(3)，输入保护电路(4)，A/D转换电路(5)，CPLD切换控制电路(6)，控制器和CAN通信电路(7)，隔离电源电路(8)。

基于本发明的燃料电池单片电压检测方法为：

(1)控制器给出控制信号，之后经过CPLD译码电路产生选通信号控制相应的燃料电池堆组切入测量电路；

(2)信号调理电路首先通过集成仪表放大器对输入的差模信号进行处理，而后的由运放构成的偏置电路主要用于克服可能产生的负压信号，而之后的电阻分压电路则用于调整输出信号到A/D转换电路可测量的范围内；

(3)输入保护电路主要是限制A/D转换电路输入端的电压幅值，保护输入端不被损坏；

(4)A/D转换电路实现输入模拟信号向数字信号的转换；

(5)控制器在接收到A/D转换电路传来的数字量后，对其进行处理、保存等操作，并在之后给出控制信号，通过CPLD关闭本组被测燃料电池堆，并切入下组待测燃料电池堆。

(6)CAN总线通信电路负责数据交互，将测得的单片电压数据发送出去。

本发明的方法还可以包括：

1、所述的具有CAN总线接口的上位机。

2、所述的控制器对A/D转换电路传来的数字量的滤波和拟合处理。

滤波方法主要采用去野值的均值滤波的方法，在减少计算量的同时保证能够有效利用已有测量数据。拟合处理主要是使用直线拟合的方法，拟合出一条最适合该测量通道的直线，从而提高测量的精度。

与现有发明相比，本发明具有如下优点：

采用CPLD代替传统的分立器件构成译码电路，模块化的光电开关电池组切换电路结合CPLD的可编程特性增强了系统的可扩展性；同时吸收了CAN总线使得不同测量系统能够组网的优点，进一步扩展了测量系统的扩展能力。与此同时，由于采用了隔离电源电路供电，并配有输入保护电路，系统的可靠性和稳定性也有了足够的保障。

附图说明

图1为新型可扩展燃料电池单片电压检测系统的总体结构框图；

图2为光电开关电池组切换电路；

图3a为信号调理电路中集成仪表放大器电路，图3b为信号调理电路中运算放大器部分、电阻分压部分以及输入保护电路；

图4为A/D转换电路；

图5为CPLD切换控制电路；

图6为控制器和CAN通信电路；

图7隔离电源电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

1、新型可扩展燃料电池单片电压检测系统的总体结构框图

如图1所示，本发明主要由以下几个部分构成：光电开关电池组切换电路(2)，信号调理电路(3)，输入保护电路(4)，A/D转换电路(5)，CPLD切换控制电路(6)，控制器和CAN通信电路(7)，隔离电源电路(8)。上述组成分别实现不同的功能，并在控制器的统一调度下完成工作。

燃料电池堆组(1)的每片燃料电池的两端连接到光电开关电池组切换电路(2)的输入端；光电开关电池组切换电路(2)的控制端接到CPLD切换控制电路(6)的输出端；光电开关电池组切换电路(2)的输出端接到信号调理电路(3)的输入端；信号调理电路(3)的输出端接到输入保护电路(4)的输入端；输入保护电路(4)的输出端接到A/D转换电路(5)的输入端；A/D转换电路(5)的输出端接到控制器和CAN通信电路(7)的SPI接口上；控制器和CAN通信电路(7)的输出GPIO接口同CPLD切换控制电路(6)的输入接口相连；控制器和CAN通信电路(7)的CAN总线接口连接到CAN总线网络上；隔离电源电路(8)的输入由燃料电池堆组(1)提供；隔离电源电路(8)的输出同各个电路部分相连，作为各电路的供电电源。

2、光电开关电池组切换电路

图2所示为光电开关电池组切换电路。采用AQW214H型高速光电开关，最高开关速率可达800ns，可以有效保证系统的实时性；光电开关的输入控制端采用PNP型三极管作为开关控制器件，控制光电开关导通和关闭。图中RA3上拉电阻的作用是保证在上电伊始，三极管处于断开状态，从而保证不会发生短路意外。

3、信号调理电路

图3a所示为信号调理电路的集成仪表放大器电路部分。为了保证仪表放大器的性能，这里选用INA128P集成仪表放大器，同分立运放搭建的仪表放大器相比，INA128P具有输入共模阻抗高、电路简单、可靠性高等优点。

图3b所示为信号调理电路的运算放大器电路部分、电阻分压部分以及输入保护电路部分。运算放大器构成加法电路，相当于对输入信号增加偏置，从而将输入信号可能存在的负压情况转换到正电压范围内；电阻分压部分通过两个金膜精密电阻实现分压，将输入信号控制到A/D转换电路可承受的范围内；采用金膜电阻的好处是其温漂小，不易受外界温度影响；输入保护电路采用稳压二极管限制A/D转换器输入电压，从而保护A/D转换器输入端口不会被损坏。

4、A/D转换电路

图4所示为A/D转换电路。A/D转换电路采用TI公司的采样率为200KSPS，12位A/D转换器。转换器的输入端同信号调理电路的输入相连，SPI接口同控制器的SPI相连。

5、CPLD切换控制电路

图5所示为CPLD切换控制电路。CPLD采用ALTERA公司的EMP1270芯片，该芯片共有116路可编程IO，除8路接口同控制器相连外，其余均可作为光电开关电池组切换电路的选通信号。由于CPLD的可编程特性，其IO连接是非常灵活的，可以根据现场的被测电池组数灵活配置。

6、控制器和CAN通信电路

图6所示为控制器和CAN通信电路。控制器采用TI公司的TMS320F2810数字信号处理器，其GPIOA口的8路通用IO同CPLD的IO接口相连；用以提供控制信号，SPI接口同串行A/D转换器相连；TMS320F2810本身具有增强型CAN总线接口，其经过SN65HVD230接口芯片连接后直接同CAN网络相连。

7、隔离电源电路

图7所示为隔离电源电路。隔离电源电路主要采用隔离型电源模块实现供电，LH10-10C0515-02型隔离电源模块可以接受交流和直流电源输入，从而保证系统的灵活性。本系统工作时输入是从燃料电池堆组获得的，隔离电源模块能够良好的起到将测量电路同电池堆组的隔离作用，同时保证能够为测量电路提供稳定的电源。

Claims (5)

1.新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，由光电开关电池组切换电路、信号调理电路、输入保护电路、A/D转换电路、隔离电源电路、CPLD切换控制电路、控制器及CAN通信电路构成组成，其特征在于：CPLD切换控制电路(6)同光电开关电池组切换电路(2)(9)及其余电池组切换电路相连；控制器和CAN通信电路(7)同CPLD切换控制电路(6)、A/D转换电路(5)相连；A/D转换电路(5)、输入保护电路(4)、信号调理电路(3)依次相连；光电开关电池组切换电路(2)(9)的输出连接到信号调理电路(3)的输入端；单片电压检测组A组同其它测量组(10)以及上位机(11)通过CAN总线连接。隔离电源电路(8)同本组内的各个电路部分分别相连。

2.根据权利要求1所述新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，其特征在于，光电开关电池组切换电路采用分组分时切换的方式导通，同一时刻只有一组电池被切入测量电路；光电开关使用CPLD作为切换控制电路，同传统的分立式门电路相比，CPLD的可编程特性能够使得在不改变系统硬件的情况下，增加或减少可控的光电开关电池组切换电路的数量，从而使系统能够灵活的配置被测单片电池的数量。

3.根据权利要求1和2所述新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，其特征在于，每组测量模块中，存在多组光电开关电池组切换电路，而信号调理电路、输入保护电路以及A/D转换电路都仅有一组，每组光电开关电池组切换电路通过CPLD的控制信号将对应的燃料电池组切入测量电路中。

4.根据权利要求1所述新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，其特征在于，单片电压检测组可以独立工作也可以多组协同工作；不同组单片电压检测组通过CAN总线连接，最终通过上位机收集各终端数据并统一处理显示；多组协同测量可以在本组扩展容量达到极限的时候继续保证系统的可扩展能力，从而扩大系统的可测量范围和使用范围。

5.根据权利要求书1所述新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，其特征在于，隔离电源电路保证在从燃料电池堆组取电的同时实现隔离，避免测量电路同被测电池堆组间可能存在的干扰或影响。

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