CN114614053A - 一种燃料电池单节电压巡检系统 - Google Patents

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林永俐
孙树成
陶铁男
耿江涛
邵志刚
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Abstract

本发明提供一种燃料电池单节电压巡检系统，包括：电源单元、CPU单元以及采集单元，其中电源单元用于向CPU单元以及采集单元供电，所述CPU单元一方面用于接收上位机的采集指令并将所述采集指令下发至采集单元，另一方面用于接收采集单元采集的电压数据并将所述电压数据按照固定的通讯协议发送给上位机，所述采集单元用于采集单节电池的电压数据；所述采集单元包括若干个级联的采集控制单元，每个采集控制单元对应采集各电池工作组的电压数据，所述电池工作组由数量一定且相邻的单节电池组成，其中采集控制单元通过压线端子依次采集各单节电池的电压。本发明采用LTC6803系列芯片测量燃料电池单节电压，实现了巡检部件与电池的一体化设计。

Description

一种燃料电池单节电压巡检系统
技术领域
本发明涉及燃料电池单节电压的检测技术，具体而言，尤其涉及一种燃料电池单节电压巡检系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点，已经越多的被应用到电动汽车、固定电站等新能源领域。
PEMFC结构上通常采用多节电池串联工作的方式组合工作。每节电池由于其物理结构的原因电压通常在0-1V左右。串联工作时任何一节电池电压都不能过低甚至降为0V，否则在大电流通过时，该节电池会出现反极问题，严重时甚至会起火发生危险，所以串联电池工作时需要一个多路电压采集检测装置实时检测各个单节电池电压，一旦出现电压过低问题，系统要及时做出处理，如降载等以保护电池不出现危险。
目前应用的巡检系统，大多基于远程通信技术实现，而不能现场执行巡检功能，同时也缺少相应的现场巡检系统装置。
发明内容
根据上述提出的缺少现场电压巡检系统的技术问题，而提供一种燃料电池单节电压巡检系统。本发明主要基于LTC6803系列芯片测量燃料电池单节电压。
本发明采用的技术手段如下：
一种燃料电池单节电压巡检系统，所述燃料电池电堆中包括若干串联的单节电池，巡检系统包括：电源单元、CPU单元以及采集单元，其中电源单元用于向CPU单元以及采集单元供电，所述CPU单元一方面用于接收上位机的采集指令并将所述采集指令下发至采集单元，另一方面用于接收采集单元采集的电压数据并将所述电压数据按照固定的通讯协议发送给上位机，所述采集单元用于采集单节电池的电压数据；
所述采集单元包括若干个级联的采集控制单元，每个采集控制单元对应采集各电池工作组的电压数据，所述电池工作组由数量一定且相邻的单节电池组成，其中采集控制单元通过压线端子依次采集各单节电池的电压。
进一步地，系统还包括放电单元，所述放电单元用于对电池进行单节放电；
对应地，所述CPU还用于接收上位机的放电指令并将所述放电指令下发至放电单元。
进一步地，所述采集指令包括要采集的单节电池序号和采集通道开启指令。
进一步地，所述放电指令包括要放电的单节电池序号和放电通道开启指令。
进一步地，所述采集单元采用SPI串口总线级联的方式与CPU的SPI通讯口进行通讯。
进一步地，所述单节电池间距为2.5mm。
进一步地，所述采集控制单元采用LTC6803芯片。
进一步地，所述CPU单元采用STM32芯片。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的具有放电功能的检测燃料电池单节电压的巡检系统，使用linear公司的LTC6803系列电压采集芯片，开发适用于燃料电池使用特点的巡检系统。
2、本发明还利用LTC6803系列电压采集芯片的放电功能放掉停车后电池的余电，保护燃料电池膜电极性能，提高膜电极寿命。
3、本发明采用多个芯片级联工作，通过设置芯片测量通道数量屏蔽不用的测量通道。单个巡检一般设计为12个芯片级联也就是144节左右。多个电堆可以使用巡检跨接的方式测量。
基于上述理由本发明可在燃料电池监测等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明燃料电池单节电压巡检系统结构示意图。
图2为图1中A部分放大结构示意图。
图中：1、燃料电池；2、巡检；3、CPU单元；4、压线端子；101、单节电池。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种燃料电池单节电压巡检系统，其中燃料电池电堆中包括若干串联的单节电池。巡检系统主要包括：电源单元、CPU单元以及采集单元。
具体地，电源单元提供巡检系统电路板的直流供电，对外采用24VDC电源，内部采用三端电容滤波处理，采用共模电感抑制共模干扰。满足部件的电磁兼容要求。电源单元经过电压变换给各个其他单元供电。
CPU单元一方面用于接收上位机的采集指令并将所述采集指令下发至采集单元，另一方面用于接收采集单元采集的电压数据并将所述电压数据按照固定的通讯协议发送给上位机。采集指令包括要采集的单节电池序号和采集通道开启指令。
采集单元用于采集单节电池的电压数据，其包括若干个级联的采集控制单元，每个采集控制单元对应采集各电池工作组的电压数据，所述电池工作组由数量一定且相邻的单节电池组成，其中采集控制单元通过压线端子依次采集各单节电池的电压。所述采集单元采用SPI串口总线级联的方式与CPU的SPI通讯口进行通讯。
基于上述方案进一步优选地，系统还包括放电单元，所述放电单元用于对电池进行单节放电；对应地，所述CPU还用于接收上位机的放电指令并将所述放电指令下发至放电单元。放电指令包括要放电的单节电池序号和放电通道开启指令。
作为本发明较佳的实施方式，CPU单元采用STM32作为巡检的主控制芯片，负责指挥级联采集数据的采集控制单元采用LTC6803芯片。芯片接受初始使能命令后，向上位机发送采集的电压信号。采集的数据通过SPI级联的串口通道将数据上传给CPU，处理器将数据按照规定的数据通讯协议格式发送给上位机。此外，LTC6803芯片还需要接受放电命令，放电可以精确指定具体节数。6803芯片根据命令打开相应通道，外围电路设计开关管，导通开关管对该节电池进行放电操作。
采集单元使用的LTC6803是一款第二代高压电池监视器，该器件面向混合动力、电动汽车及其他高压高性能电池系统。LTC6803是一款完整的电池电压测量IC，包含12位ADC、一个精确的电压基准，一个电压输入多路复用器和一个串行接口。该IC允许多个芯片通过串口级联，以串联测量多节电池(通常会达到数百节)。
LTC6803具有单节控制功能，使用该功能设计燃料电池停车吹扫单节放电功能，配合为每节电池设计的放电电阻，放电电阻并联在每个相邻两节电池电压采集线路两端，单节电池与放电电阻以及控制电路组成放电回路。单节电压一般在1V左右，电解装置电池电压在2V左右，针对上述电压将电阻阻值设计为2.4Ω、功率0.5W，保证持续放电电流在0.2-1A左右。该放电电流是为了防止放电电阻过热，同时兼顾放电速度。单节放电的好处是可以防止过放，串联电池电压如果统一放电由于每节电池电压不同，会造成电压先达到0的电池还有电流经过，会造成对该节电池的损坏。单节放电就会避免该问题。多节串联统一放电为了保护电压低的单节电池，通常会设计为最低电压到0就停止放电，这会带来放电不彻底的问题。使用单节放电同样也会解决该问题，所以这种方式放电即安全又彻底。
如图1-2所示，本实施例中巡检设计为144节，12个芯片级联。主控芯片采用STM32来控制。负责收集级联的LTC6803芯片采集数据，并将数据上传给上位机；上位机下发的节数指令和放电指令通过控制器发给LTC6803执行。在硬件接口设计上采用上下布置夹线接插件的布局方式直接与每个单节电池对接，如图2所示，各节巡检的压线端子与每个单节电池相连。巡检直接固定在电池的一侧。燃料电池电堆每节单池间距在优选为2.5mm左右，单节电池与接线的压线端子距离优选为2.54mm，以实现接线端子与间距与电堆位置上的一一对应。接线端子按照顺序上下布置依次排列，巡检也采用上下布置与之对应。每一节电池的巡检线直接对应了巡检硬件该路巡检电压的采集接口，方便寻找，且采用弹簧压线接线，这样加快了巡检接线速度。提高了接线的准确性。压接接插件也满足稳固性要求。每个端子的12节采集通道对应一个LTC6803芯片，每个芯片采集12路电池电压。本发明实施例中采用12个芯片级联的方式组成一个144节电池的测量装置。但是该IC要求屏蔽不使用的测量管脚，这就要求通过上位机与通讯设置测量节数并以此为依据屏蔽芯片的没有被使用到的测量管脚。12个芯片采用SPI串口总线级联的方式与CPU的SPI通讯口进行通讯。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池单节电压巡检系统，所述燃料电池电堆中包括若干串联的单节电池，巡检系统包括：电源单元、CPU单元以及采集单元，其中电源单元用于向CPU单元以及采集单元供电，所述CPU单元一方面用于接收上位机的采集指令并将所述采集指令下发至采集单元，另一方面用于接收采集单元采集的电压数据并将所述电压数据按照固定的通讯协议发送给上位机，所述采集单元用于采集单节电池的电压数据；其特征在于，
所述采集单元包括若干个级联的采集控制单元，每个采集控制单元对应采集各电池工作组的电压数据，所述电池工作组由数量一定且相邻的单节电池组成，其中采集控制单元通过压线端子依次采集各单节电池的电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，系统还包括放电单元，所述放电单元用于对电池进行单节放电；
对应地，所述CPU还用于接收上位机的放电指令并将所述放电指令下发至放电单元。
3.根据权利要求1所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，所述采集指令包括要采集的单节电池序号和采集通道开启指令。
4.根据权利要求2所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，所述放电指令包括要放电的单节电池序号和放电通道开启指令。
5.根据权利要求1所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，所述采集单元采用SPI串口总线级联的方式与CPU的SPI通讯口进行通讯。
6.根据权利要求1所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，所述单节电池间距为2.5mm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，所述采集控制单元采用LTC6803芯片。
8.根据权利要求1所述的燃料电池单节电压巡检系统，其特征在于，所述CPU单元采用STM32芯片。
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