CN110247085A - 一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，包括：输入处理模块，与燃料电池单体的电压输出端连接，用于滤除谐波分量；多路开关导通模块，与输入处理模块连接，包括并联的多个光耦合开关；单体通道选通模块，与多路开关导通模块连接，包括偶数通道选通模块和奇数通道选通模块；单体电压调理电路，与单体通道选通模块连接；微控制器，分别与单体电压调理电路、偶数通道选通模块和奇数通道选通模块连接；通讯处理模块，与微控制器连接；电源模块，用于给装置中各元器件供电。与现有技术相比，本发明可实现灵活扩展及可配置选通，能够在任意时刻对任意通道的选通，满足不同场合不同应用，电路设计简单、高度集成。
Description
技术领域
本发明涉及电池电压检测技术领域，尤其是涉及一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置。
背景技术
大功率燃料电池单体通常由上百片电池组串联组成，电池组单体电压健康状态反映燃料电池系统工作可靠状态，通过对电池组每节单体电压状态监控，完成对电池组工作状态实时诊断，为燃料电池系统提供完善的故障诊断机制。燃料电池单体电压理论最大值可达1.2V，大功率燃料电池正常工作情况下电势累积产生最高可达上百伏的共模电压，因此要求燃料电池单体电压检测装置具有高共模输入，大功率燃料电池在特定工况下会出现电堆反极，瞬时产生上百伏的负向电压，要求单体电压检测装置具备高精度。
现有技术及缺点：传统设计采用电阻分压采样，通过运算放大器放大处理，送至ADC进行采样，硬件结构复杂，成本高，最大共模电压低，精度受限累积电势导致的漏电流影响大。传统设计也有采用机械开关继电器，将每节单体送至运算放大器调理，每节单体的负极作为运算放大器参考地，此种浮地方式测量每节单体电压，易受开关噪声及地偏移影响，精度较差，可靠性难以满足车用需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，包括：
输入处理模块，与燃料电池单体的电压输出端连接，用于滤除谐波分量；
多路开关导通模块，与所述输入处理模块连接，包括并联的多个光耦合开关；
单体通道选通模块，与所述多路开关导通模块连接，包括偶数通道选通模块和奇数通道选通模块；
单体电压调理电路，与所述单体通道选通模块连接；
微控制器，分别与所述单体电压调理电路、偶数通道选通模块和奇数通道选通模块连接；
通讯处理模块，与所述微控制器连接；
电源模块，用于给装置中各元器件供电。
优选的，所述输入处理模块与燃料电池单体的电压输出端之间通过柔性电路板连接。
优选的，所述输入处理模块包括RC吸收电路。
优选的，所述单体电压调理电路包括差分运放调理电路，所述差分运放调理电路的输入端与所述单体通道选通模块连接，输出端与所述微控制器连接。
优选的，所述单体电压调理电路还包括电压偏置电路，所述电压偏置电路的输出端与所述微控制器连接。
优选的，还包括与所述微控制器连接的温度检测电路。
优选的，所述通讯处理模块包括CAN通讯模块。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、应用灵活：通过多路开关导通模块、单体通道选通模块隔离，可实现灵活扩展及可配置选通，能够在任意时刻对任意通道的选通，满足不同场合不同应用，电路设计简单、高度集成。
2、使用寿命长：通过在连接燃料电池单体的输入处理模块内设置RC吸收电路，匹配燃料电池系统负载响应，降低外部瞬态电压电流冲击，提高了装置的可靠性和使用寿命。
3、安全可靠：电堆单体接线方式采用柔性FPC取代线束实现燃料电池单体电压检测装置与电堆可靠相连，降低燃料电池单体电压巡检板与电堆单体电气连接产生的寄生电容、分布电感等杂散参数，保证外部冲击电流和电压在一定范围内变化，不引起燃料电池堆内部短路，提高了使用安全性和可靠性，提高单体检测精度及缩小空间占用体积，将燃料电池单体电压巡检板封装到电堆内部，实现高度集成。
4、使用范围广：通过电压偏置电路实现不同电压范围检测，实现最大绝对误差<5mV高精度测量、最高350V的共模电压及62节单体采样时间<60mS，可以满足多类型平台的燃料电池单体电压检测。
5、通道电压通过车规级差分运放INA148Q检测，INA148Q差分运放具有高共模抑制比，宽输入差分电压，保证了高输入共模电压和电堆瞬态负压检测的可靠性。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明装置的输入处理模块的部分电路图；
图3为本发明装置的多路开关导通模块电路图；
图4为本发明装置的单体通道选通模块电路图；
图5为本发明装置的差分运放调理电路图；
图6为本发明装置的电压偏置电路图；
图7为本发明装置的微控制器电路图；
图8为本发明装置的温度检测电路图；
图9为本发明装置的电源模块电路图；
图10为本发明装置的CAN通讯模块电路图；
图11为本发明装置的外部接口电路图；
图12为本发明装置的FPC转接端子图。
图中标注：1、输入处理模块，2、多路开关导通模块，3、单体通道选通模块，4、偶数通道选通模块，5、奇数通道选通模块，6、单体电压调理电路，7、微控制器，8、电源模块，9、CAN通讯模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本申请提出一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，包括：
输入处理模块1，与燃料电池单体的电压输出端连接，用于滤除谐波分量；多路开关导通模块2，与输入处理模块1连接，包括并联的多个光耦合开关；单体通道选通模块3，与多路开关导通模块2连接，包括偶数通道选通模块4和奇数通道选通模块5；单体电压调理电路6，与单体通道选通模块3连接；微控制器7，分别与单体电压调理电路6、偶数通道选通模块4和奇数通道选通模块5连接；通讯处理模块，与微控制器7连接；电源模块8，用于给装置中各元器件供电，如图9所示，本实施例中具体采用URA2415YMD。
输入处理模块1包括RC吸收电路，用于响应车用燃料电池负载变化特性，降低外部负载突变引起的电压电流冲击，提高系统寿命。输入处理模块1与燃料电池单体的电压输出端之间的连接方式采用柔性电路板(FPC)取代线束，如图12所示，降低本装置的电路板与电堆单体电气连接产生的寄生电容、分布电感等杂散参数，提高单体检测精度并缩小空间占用体积，可将本装置电路板封装到电堆内部，实现高度集成。
如图3所示，本实施例中多路开关导通模块2采用松下PhotoMos开关AQW210S，利用PhotoMos开关对燃料电池单体进行巡检，任意通道开关检测可控。
如图4所示，为单体通道选通模块3的电路图。
单体电压调理电路6包括差分运放调理电路，如图5所示，差分运放调理电路的输入端与单体通道选通模块3连接，输出端与微控制器7连接。本实施例中，通道电压通过车规级差分运放INA148Q检测，INA148Q差分运放具有高共模抑制比，宽输入差分电压，保证了高输入共模电压和电堆瞬态负压检测的可靠性。单体电压调理电路6还包括电压偏置电路，如图6所示，电压偏置电路的输出端与微控制器7连接。通过设置可以更改电压偏置电路，实现采样电压范围调节，分别可以实现±2.5V、±5V、±10V电压采样，同时保持采样精度不变，采样误差<5mV。
如图7所示，为微控制器7的电路图，本实施例具体采用单片机MC9S08DZ60。
如图8所示，本装置还包括与微控制器7连接的温度检测电路，具体采用LMT84温度采集模块。
通讯处理模块具体采用CAN通讯模块9，电路图如图10所示。装置的外部接口电路图如图11所示。
本装置的工作原理为：
燃料电池单体电压通过FPC转接端子与输入处理模块1连接，滤除系统内部产生的谐波分量，保护装置不受外部负载引入的电流冲击；输入处理模块1连接至多路开关导通模块2，多路开关导通模块2提供高共模耐压能力，满足大功率燃料电池电压检测；多路开关导通模块2通过单体通道选通模块3选通相邻两路开关，分别连接至奇数通道选通模块5和偶数通道选通模块4，奇数通道选通模块5和偶数通道选通模块4通过微控制器7的I/O口确定选择的通道；将选定的单体通道电压连接至差分运放调理电路进行调节，通过调节电压偏置电路电压实现负压采集，将差分运放调理电路输出电压连接至微控制器7的A/D转换接口，实现单体电压的采集与处理。
本装置能够单板实现62节单体电压测量，通过简单级联多个本装置可满足更大功率的燃料电池堆单体检测，并通过CAN通讯实现数据实时更新与状态反馈。
Claims (7)
1.一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，包括：
输入处理模块，与燃料电池单体的电压输出端连接，用于滤除谐波分量；
多路开关导通模块，与所述输入处理模块连接，包括并联的多个光耦合开关；
单体通道选通模块，与所述多路开关导通模块连接，包括偶数通道选通模块和奇数通道选通模块；
单体电压调理电路，与所述单体通道选通模块连接；
微控制器，分别与所述单体电压调理电路、偶数通道选通模块和奇数通道选通模块连接；
通讯处理模块，与所述微控制器连接；
电源模块，用于给装置中各元器件供电。
2.根据权利要求1所述的一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，所述输入处理模块与燃料电池单体的电压输出端之间通过柔性电路板连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，所述输入处理模块包括RC吸收电路。
4.根据权利要求1所述的一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，所述单体电压调理电路包括差分运放调理电路，所述差分运放调理电路的输入端与所述单体通道选通模块连接，输出端与所述微控制器连接。
5.根据权利要求4所述的一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，所述单体电压调理电路还包括电压偏置电路，所述电压偏置电路的输出端与所述微控制器连接。
6.根据权利要求1所述的一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，还包括与所述微控制器连接的温度检测电路。
7.根据权利要求1所述的一种通道可配置的燃料电池单体电压检测装置，其特征在于，所述通讯处理模块包括CAN通讯模块。
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