CN113092851A - 一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢燃料电池领域，具体是涉及一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，包括，第一从控制器，第一从控制器用于采集氢燃料电池的电压数据；第二从控制器，第二从控制器用于采集氢燃料电池的电流数据；第三从控制器，第三从控制器用于采集氢燃料电池的温度数据；主控制器，主控制器和第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器均无线通讯连接；第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器彼此无线通讯连接以同步采集时间。本发明通过采用无线传输模块可以有效的进行主控制器和从控制器之间的电压、电流、温度信号的传递，彼此之间不需要考虑线束布置、体积过大整体系统不易布置等问题。

Description

一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统

技术领域

本发明涉及氢燃料电池领域，具体是涉及一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统。

背景技术

氢燃料电池具有工作温度低、工作可靠性高、能量密度高、无排放污染和能量转化效率高等优点，因此氢燃料电池被视为首选的清洁能源。单节氢燃料电池的标称电压在0.9V左右，通常采用多节电池串联构成电池组的方法来实现更高的电压等级，电池组中的每一节电池即为电池单体。氢燃料电池的电池管理系统必须实时监控每一个电池单体的电压值、电流值、温度值，才可以实现电池单体的内阻估算、湿度估算、电堆保护功能。因此，实时的电压电流温度采集是燃料电池巡检系统的必不可少的功能之一。

通常，传统的电池电压监测系统只能实现单体电池电压的采集，但是仅对电池单体电压进行采集并不能够有效的反映氢燃料电池的实际状态，电池工作温度的监测也是一项重要参数，监测氢燃料电池的工作温度参数对于分析电池的发电性能及电池工作状态具有指导意义，同时由于需要对电池进行内阻估算，需要监测氢燃料电池单体的实时电流，以便能够更好的计算氢燃料电池的欧姆内阻，可以更准确地预测氢燃料电池的膜的湿度以及电池寿命的衰减。

此外，已有的电压采集系统是通过电压传感器采集到的电压，经过AD转换器件转成数字信号传输至从控的单片机中，再由从控的单片机将集中采集的电压数据经由总线传输至主控制器中，以便进行主控制器对氢燃料电池状态的分析判断。但是，上述电压采集系统存在着布线繁琐、整合后的电压采集系统体积过大、在氢燃料电池中不宜布置等缺点。

鉴于现有的电压采集系统存在的问题，本发明提供一种添加电流采集模块、温度检测模块以及无线传输模块的无线电压电流温度采集监测系统。

发明内容

为解决上述技术问题，提供一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，应用于采集氢燃料电池的数据，包括，

第一从控制器，第一从控制器用于采集氢燃料电池的电压数据；

第二从控制器，第二从控制器用于采集氢燃料电池的电流数据；

第三从控制器，第三从控制器用于采集氢燃料电池的温度数据；

主控制器，主控制器和第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器均无线通讯连接；

第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器彼此无线通讯连接以同步采集时间。

优选的，同步采集系统还包括信号处理单元，第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器均通过信号处理单元与氢燃料电池电连接。

优选的，第一从控制器包括，

电压采集模块，电压采集模块通过信号处理单元与氢燃料电池电连接，电压采集模块用于采集氢燃料电池的电压；

第一单片机，第一单片机与电压采集模块电连接；

第一无线传输模块，第一无线传输模块与第一单片机电连接，第一无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

优选的，第二从控制器包括，

电流采集模块，通过信号处理单元与氢燃料电池电连接，电流采集模块用于采集氢燃料电池的电流；

第二单片机，第二单片机与电流采集模块电连接；

第二无线传输模块，第二无线传输模块与第二单片机电连接，第二无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

优选的，第三从控制器包括，

温度检测模块，温度检测模块包括设置在氢燃料电池各个部位的多个温度传感器，温度传感器用于检测氢燃料电池的温度；

第三单片机，第三单片机通过信号处理单元与每个温度传感器电连接；

第三无线传输模块，第三无线传输模块与第三单片机电连接，第三无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

优选的，主控制器包括，

第四单片机；

第四无线传输模块，第四单片机与第四无线传输模块电连接，第四无线传输模块与第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块均无线通讯连接。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1.本发明通过采用无线传输模块可以有效的进行主控制器和从控制器之间的电压、电流、温度信号的传递，彼此之间不需要考虑线束布置、体积过大整体系统不易布置等问题。

2.本发明通过电压采集模块和电流采集模块可以将电池实时的电压与电流传输至第一单片机和第二单片机中，进而通过无线传输模块传递到主控制器中，能够有效分析燃料电池的实时工作状态，进而进行电池的内阻估算，从而预测氢燃料电池的工作状态、寿命以及氢燃料电池的膜的湿度.

3.本发明通过温度检测模块检测到的氢燃料电池工作过程的温度信号，然后通过第三单片机和第三无线传输模块传至主控制器中，氢燃料电池的工作温度参数间接反映了电池发电性能与工作状态的好坏。

4.本发明的电压采集模块、第一单片机和第一无线传输模块集成为一体，电流采集模块、第二单片机和第二无线传输模块集成为一体，温度检测模块、第三单片机和第三无线传输模块集成为一体，使得第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器体积较小，使该系统更易布置在氢燃料电池上，从而提高了空间利用率。

5.本发明的从控制器的采集模块单片机在完成采集任务后会自动进入睡眠模式，使得耗能极少。

附图说明

图1为本发明的系统图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明的电池单体模拟采样前端信号处理单元电路图；

图4为本发明的电池组电流采样原理图；

图5为本发明的电池组电池单体温度采样及通信原理图。

图中标号为：

1-原边电流；2-霍尔器件；3-磁芯；4-运算放大器。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

为了解决如何设计小型、轻巧、易于布置的采集系统，来采集氢燃料电池的电压、电流和温度技术问题，如图1所示，提供以下技术方案：

一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，应用于采集氢燃料电池的数据，包括，

第一从控制器，第一从控制器用于采集氢燃料电池的电压数据；

第二从控制器，第二从控制器用于采集氢燃料电池的电流数据；

第三从控制器，第三从控制器用于采集氢燃料电池的温度数据；

主控制器，主控制器和第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器均无线通讯连接；

第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器彼此无线通讯连接以同步采集时间。

具体的，主控制器用于向第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器发出工作信号，第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器接收到工作信号之后彼此之间进行通讯，确定采样的时间，然后分别同时进行各自的数据采集工作，采样完成后，第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器将各自的数据发送给主控制器，然后休眠等待下一次的采样命令。

进一步的：

为了解决氢燃料电池在接通与关停时产生小幅的瞬变电压，导致第一从控制器无法精确采集氢燃料电池电压，同时小幅瞬变脉冲会影响到数据传输以及损害互联设备的技术问题，如图1所示，提供以下技术方案：

同步采集系统还包括信号处理单元，第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器均通过信号处理单元与氢燃料电池电连接。

具体的，信号处理单元用于消除氢燃料电池在接通与关停时产生小幅的瞬变电压，使得第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器不受瞬变电压的影响。

进一步的：

为了解决第一从控制器如何采集氢燃料电池的电压，第二从控制器如何采集氢燃料电池的电流，以及第三从控制器如何检测氢燃料电池的温度的技术问题，如图1所示，提供以下技术方案：

第一从控制器包括，

电压采集模块，电压采集模块通过信号处理单元与氢燃料电池电连接，电压采集模块用于采集氢燃料电池的电压；

第一单片机，第一单片机与电压采集模块电连接；

第一无线传输模块，第一无线传输模块与第一单片机电连接，第一无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

如图3所示，每个电池单体的电极分别连接到信号处理单元的输入端，其中最后一节电池的负极作为公共参考地。经过信号处理单元的滤波处理，消除了瞬变电压等的干扰，其输出端连接到电压采集模块。电池单体的电压采集通过电压采集模块的A/D模数转换器实现。

本例采用的电压采集模块，其供电电压监控完成方式通过其A/D模数转换器的VREFINT通道完成。采集到的电压信号经SPI接口传输到第一单片机中，进行处理后再通过其集成的第一无线传输模块打包发送到主控制器。

采用电压采集芯片有三个A/D模数转换器，每个A/D模数转换器对应12通道。A/D模数转换器对其所对应的12节电池单体进行周期轮询采样。

第二从控制器包括，

电流采集模块，通过信号处理单元与氢燃料电池电连接，电流采集模块用于采集氢燃料电池的电流；

第二单片机，第二单片机与电流采集模块电连接；

第二无线传输模块，第二无线传输模块与第二单片机电连接，第二无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

如图4所示，电流的测量通过开环霍尔传感器实现。电池组的电池单体为串联，只需在最后一节电池单体的后方布置霍尔传感器即可。原边电流1产生的磁通量集中于磁性回路，通过气隙中的霍尔器件2感应到这些磁通量，从而进行测量。霍尔器件2输出的电压信号经过运算放大器4放大处理后，直接连接到电流采集模块的A/D模数转换器，再将读取到的电压信号转换成电流值。运算放大器4放大后，使电压转处在A/D模数转换器量程的中间位置，能有效提高采样精度。

第三从控制器包括，

温度检测模块，温度检测模块包括设置在氢燃料电池各个部位的多个温度传感器，温度传感器用于检测氢燃料电池的温度；

第三单片机，第三单片机通过信号处理单元与每个温度传感器电连接；

第三无线传输模块，第三无线传输模块与第三单片机电连接，第三无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

如图5所示，温度检测模块包括多个温度传感器，每个温度传感器设置在每个电池的各个检测部位，温度传感器的个数可以按照需求间隔布置。每个温度传感器通过SCL和SDA连接到从控制器的I2C总线接口并预先为每个温度传感器设定地址。温度检测从控制器根据地址依次向温度传感器发送采集命令并读取温度传感器返回的温度值。

进一步的：

为了解决如何实现电压、电流和温度的同步采集的技术问题，如图1所示，提供以下技术方案：

主控制器包括，

第四单片机；

第四无线传输模块，第四单片机与第四无线传输模块电连接，第四无线传输模块与第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块均无线通讯连接。

具体的，当主控制器需要进行电池参数采集时，第四单片机通过第四无线传输模块向第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块发出采集命令，第一单片机、第二单片机、第三单片机再通过总线分别向电压采集模块、电流采集模块、温度检测模块发出采集命令，同时第一单片机、第二单片机和第三单片机分别通过第一无线传输模块、第二无线传输模块和第三无线传输模块同步彼此的采样时间，使得电压、电流和温度能够同步采集。

具体的，根据电池组电压的采样时间，确定电池组的采样周期T，得到两电池单体间电压采样的间隔td。

电压采集模块的三A/D模数转换器能同时读取三个电压信号，并通过SPI将采集的电池的电压值传递到第一单片机进行处理。为方便说明，可以将电池组的电池单体分成两组，并为每组电池分配ID号，每组的ID号都从1开始。

电流采样周期也设成T，每个采样周期内读取12次电流值，每两次采样间隔设为td。每个周期内的第n次采样的电流值为ID号为n的电池的电流值。12个电流信号采集完成后，4d0的状态等待发送。

第三从控制器通过地址依次向I2C发布采集指令，接收到回复的温度信号后，给出应答，温度传感器节点释放总线，第三单片机发出终止信号，总线处于空闲状态。等待进行下一个温度传感器的温度检测。两次检测命令的发布时间间隔为n*td，n取决于温度传感器布置的个数。

在每个采样周期结束之后，第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器将本次采集得到的电压、温度、电流信号打包通过其集成的无线输模块通过第四无线传输模块向第四单片机发送，如果网络忙碌则等待当前发送完成再向主控制器发送各自信号，主控制器接收信号完毕后再进行下一个周期的采样。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，应用于采集氢燃料电池的数据，其特征在于，包括，

第一从控制器，第一从控制器用于采集氢燃料电池的电压数据；

第二从控制器，第二从控制器用于采集氢燃料电池的电流数据；

第三从控制器，第三从控制器用于采集氢燃料电池的温度数据；

主控制器，主控制器和第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器均无线通讯连接；

第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器彼此无线通讯连接以同步采集时间。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，其特征在于，同步采集系统还包括信号处理单元，第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器均通过信号处理单元与氢燃料电池电连接。

3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，其特征在于，第一从控制器包括，

电压采集模块，电压采集模块通过信号处理单元与氢燃料电池电连接，电压采集模块用于采集氢燃料电池的电压；

第一单片机，第一单片机与电压采集模块电连接；

第一无线传输模块，第一无线传输模块与第一单片机电连接，第一无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，其特征在于，第二从控制器包括，

电流采集模块，通过信号处理单元与氢燃料电池电连接，电流采集模块用于采集氢燃料电池的电流；

第二单片机，第二单片机与电流采集模块电连接；

第二无线传输模块，第二无线传输模块与第二单片机电连接，第二无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

5.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，其特征在于，第三从控制器包括，

温度检测模块，温度检测模块包括设置在氢燃料电池各个部位的多个温度传感器，温度传感器用于检测氢燃料电池的温度；

第三单片机，第三单片机通过信号处理单元与每个温度传感器电连接；

第三无线传输模块，第三无线传输模块与第三单片机电连接，第三无线传输模块与主控制器无线通讯连接。

6.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池组无线电压电流温度同步采集系统，其特征在于，主控制器包括，

第四单片机；

第四无线传输模块，第四单片机与第四无线传输模块电连接，第四无线传输模块与第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块均无线通讯连接。

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