CN201464550U - 一种通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置，它包括通道管理单元、仪表放大器组、多路A/D转换器、微处理器MCU，其特点是：燃料电池堆中的单电池与通道管理单元输入端连接，通道管理单元的输出端与仪表放大器组相连，通道管理单元将燃料电池堆分为多个电池组，每个电池组由15片单电池组成，在微控制器MCU的控制下使得同一时刻至多仅有一个电池组在线，仪表放大器组对在线电池组的多路输出信号分别进行差分运算，并与多路A/D转换器相连接，多路A/D转换器将各差分电压信号转换为数字信号后通过SPI通信接口传送至微处理器MCU。本实用新型简洁、清晰，可靠性高，成本较低，可扩展性强，能够实现对燃料电池堆单片电压的高精度检测。

Description

一种通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置

技术领域

本实用新型属于一种串联电源各单体电压检测装置，特别是一种通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，根据实际应用中对燃料电池功率要求，通常燃料电池堆由几十片到几百片单电池串联组成，在燃料电池运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了确保燃料电池的正常工作并评估其性能，必须对运行参数进行实时监控。毋庸置疑，单片电池电压是电池发电性能的最直接反映，必须实时监测，发送给燃料电池主控制器以维护电堆安全运行，并将数据显示，存储，方便科研人员分析研究。

目前的燃料电池单片电压检测装置均存在一定的不足，如：采用光电隔离继电器通过译码器逐一选通采集的方法要求微控制器MCU要有大量的I/O口或外扩译码器作继电器选通切换，结构复杂，实时性较低；采用电阻分压和多路模拟开关的方法会使测量精度达不到要求，且大量的分压电阻会影响电堆的性能；基于多个检测单元和一个CAN网络控制器组成的双CAN网燃料电池单片在测量大功率燃料电池堆时，所需检测单元电路板过多，整个电压巡检仪体积大，功耗较高，系统成本较高。

发明内容

本实用新型的目的在于为燃料电池发动机的产业化提供易布局，提供一种功耗低，成本较低，精确性和可靠性高，实时性较好，可扩展性强的通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置。

为了实现上述目的，本实用新型包括通道管理单元、仪表放大器组、多路A/D转换器、微处理器MCU。其特点是：燃料电池堆中的单电池与通道管理单元输入端连接，通道管理单元的输出端与仪表放大器组相连，通道管理单元将燃料电池堆分为多个电池组，每个电池组由15片单电池组成，在微控制器MCU的控制下使得同一时刻至多仅有一个电池组在线，仪表放大器组对在线电池组的多路输出信号分别进行差分运算，并与多路A/D转换器相连接，多路A/D转换器将各差分电压信号转换为数字信号后通过SPI通信接口传送至微处理器MCU。依次对各小组循环顺序切换，从而实现整堆单片电池的电压检测。同时，微处理器MCU的CAN通讯接口与总CAN网相连，方便与总CAN网上其它设备通讯，微处理器MCU的SCI通讯接口与PC机相连。

上述通道管理单元由多个光电隔离通道组、多个DC/DC电源和多个光隔继电器组成.燃料电池堆各单电池两端直接与各光电隔离通道组输入端相连，各光电隔离通道组的输出端与仪表放大器组相连.每个光电隔离通道组由16个常开型光电隔离开关芯片组成，此16个芯片的控制端统一封装为V+，V-，每个V+端分别接电阻R1、R2...Rn，分别连接各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN的输出端O+，每个V-端分别连接各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN的输出端O-，构成统一通断的各个光电隔离通道组，各个光电隔离通道组的通断由各自的DC/DC电源控制.各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN电源的输入端I+分别与各自的光隔继电器相连，其输入端I-与12V电源地12V_GND相连.各光电隔离通道组中光电隔离开关芯片主要参数如下：LED开启电压为3～5V，开启电流小于3mA，导通电阻典型值为70欧，负载电压最大为600V，开路状态漏电流最大为1uA，I/O隔离电阻典型值为1000MΩ，开启时间典型值约为0.3ms，关断时间典型值约为0.04ms.

上述各光隔继电器用于控制各DC/DC电源，各DC/DC电源为小功率DC/DC模块，功率约2W，输入电压12V，输出电压5V。光隔继电器采用常开型光电隔离继电器芯片，此光电隔离继电器芯片主要参数如下：LED开启电压为3～5V，开启电流小于3mA，导通电阻不到0.2Ω，负载电压最大为60V，负载电流最大为2A，开路状态漏电流最大为10uA，I/O隔离电阻典型值为1000MΩ，开启时间典型值约为2.5ms，关断时间典型值约为0.2ms。每个光隔继电器的输入端阳极分别通过电阻R1’、R2’...Rn’接+5V电源，各个阴极分别与译码器的输出端C1、C2...Cn相连。在微处理器MCU的控制下，译码器输出端Cn(n＝1，2，3...)仅有一个为低电平，使得多个光隔继电器在同一时刻至多只有一个处于导通状态。对应的DC/DC电源得电，相应光电隔离通道组在线。微处理器MCU不断发送相应控制指令使得译码器输出端Cn(n＝1，2，3...)轮流为低电平，实现光隔继电器的顺序循环导通。对应的DC/DC电源轮流得电，相应光电隔离通道组轮流在线。

上述仪表放大器组由15个高性能仪表放大器，精密电阻和稳压管组成。多路A/D转换器采用多通道模数转换芯片，它与微控制器MCU通过SPI方式通信。仪表放大器组将在线通道传送过来的16个电压数据进行运算，得到15个差分电压数据，由多路A/D转换器将其数据转换为相应数字信号后通过SPI通信传送至微处理器MCU，微处理器MCU的CAN通讯接口与总CAN网相连，微处理器MCU的SCI通讯接口与PC机相连。

本实用新型电路简洁、清晰，可靠性高，成本较低，可扩展性强，能够实现对燃料电池堆单片电压的高精度检测。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型包括通道管理单元、仪表放大器组、多路A/D转换器、微处理器MCU(图1)，其中：燃料电池堆中的单电池与通道管理单元输入端连接，通道管理单元的输出端与仪表放大器组相连，通道管理单元将燃料电池堆分为多个电池组，每个电池组由15片单电池组成，在微控制器MCU的控制下使得同一时刻至多仅有一个电池组在线，仪表放大器组对在线电池组的多路输出信号分别进行差分运算，多路A/D转换器将各差分电压信号转换为数字信号后通过SPI通信接口传送至微处理器MCU。依次对各小组循环顺序切换，从而实现整堆单片电池的电压检测。微处理器MCU的CAN通讯接口与总CAN网相连，方便与总CAN网上其它设备通讯，微处理器MCU的SCI通讯接口与PC机相连。整个检测装置电路简洁、清晰，可靠性高，成本较低，可扩展性强，能够实现对燃料电池堆单片电压的高精度检测。

如测量480片燃料电池单片电压，整个电堆累计电压接近480V，则上述通道管理单元由32个光电隔离通道组、32个DC/DC电源和32个光隔继电器组成。故选取光电隔离通道组中的光电隔离芯片参数如下：LED开启电压为3～5V，开启电流小于3mA，导通电阻典型值为70欧，负载电压最大为600V，开路状态漏电流最大为1uA，I/O隔离电阻典型值为1000MΩ，开启时间典型值约为0.3ms，关断时间典型值约为0.04ms；燃料电池堆各单电池两端直接与各光电隔离通道组输入端相连，每个光电隔离通道组由16个常开型光电隔离开关芯片组成，此16个芯片的控制端统一封装为V+，V-，每个V+端分别接电阻R1、R2...Rn，分别连接各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN的输出端O+，每个V-端分别连接各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN的输出端O-，构成统一通断的各个光电隔离通道组，各个光电隔离通道组的通断由各自的DC/DC电源控制。图1所示各个DC/DC电源选取功率2W，输入电压12V，输出电压5V的DC/DC；各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN电源的输入端I+分别与各自的光隔继电器相连，其输入端I-与12V电源地12V_GND相连。各光隔继电器用于控制各DC/DC电源，光隔继电器采用常开型光电隔离继电器芯片，此光电隔离继电器芯片主要参数如下：LED开启电压为3～5V，开启电流小于3mA，导通电阻不到0.2Ω，负载电压最大为60V，负载电流最大为2A，开路状态漏电流最大为10uA，I/O隔离电阻典型值为1000MΩ，开启时间典型值约为2.5ms，关断时间典型值约为0.2ms；每个光隔继电器的输入端阳极分别通过电阻R1’、R2’...Rn’接+5V电源，各个阴极分别与译码器的输出端C1、C2...Cn相连。在微处理器MCU的控制下，译码器输出端Cn(n＝1，2，3...)仅有一个为低电平，使得多个光隔继电器在同一时刻至多只有一个处于导通状态。对应的DC/DC电源得电，相应光电隔离通道组在线。微处理器MCU不断发送相应控制指令使得译码器输出端Cn(n＝1，2，3...)轮流为低电平，实现光隔继电器的顺序循环导通。对应的DC/DC电源轮流得电，相应光电隔离通道组轮流在线。各光电隔离通道组的输出端与仪表放大器组相连。仪表放大器组中的仪表放大器芯片选择AD公司的AD620；多路A/D转换器选择16通道12位以上的A/D转换芯片，如TI公司的ADS7953；微处理器MCU选择带有SPI，SCI，CAN模块的芯片，如MICROCHIP公司的PIC18F258。

本实用新型采用定时周期为15ms切换的方式，由MCU发送命令开通第一个光电隔离通道组10ms，实现本在线小组的15片单电压的检测，然后关闭并延时5ms后开通下一组，如此循环，实现整个电堆的单片电压巡检需要大约为(10ms+5ms)*32＝480ms。由于整个系统的实时性主要取决于光电隔离开关芯片的时间，在所选取器件允许的情况下，可以减小定时周期，使得实时性更高。需要说明的是，此时总组数32组，故所需2个4线-16线译码器芯片，由微处理器MCU对此2片4线-16线译码器芯片进行片选，确保每次C1～C32中只有一个控制信号为低电平，从而保证每次仅有一个通道组在线。仪表放大器组将在线的16个电压数据进行运算，得到15个差分电压数据，由多路A/D转换器将其数据转换为相应数字信号后通过SPI接口传送至微处理器MCU，完成当前在线光电隔离通道组的单片电池电压检测，依次对各通道组循环顺序切换，从而实现整堆单片电池的电压检测。

最后应说明，本实用新型的实施仅用于说明技术方案而非限制。一切不脱离本实用新型技术方案的精神和范围的修改和替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置，它包括通道管理单元、仪表放大器组、多路A/D转换器、微处理器MCU，其特点是：燃料电池堆中的单电池与通道管理单元输入端连接，通道管理单元的输出端与仪表放大器组相连，通道管理单元将燃料电池堆分为多个电池组，每个电池组由15片单电池组成，在微控制器MCU的控制下使得同一时刻至多仅有一个电池组在线，仪表放大器组对在线电池组的多路输出信号分别进行差分运算，并与多路A/D转换器相连接，多路A/D转换器将各差分电压信号转换为数字信号后通过SPI通信接口传送至微处理器MCU，依次对各小组循环顺序切换，从而实现整堆单片电池的电压检测。

2.如权利要求1所述的通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置，其特征在于：通道管理单元由多个光电隔离通道组、多个DC/DC电源和多个光隔继电器组成，燃料电池堆各单电池两端直接与各光电隔离通道组输入端相连。每个光电隔离通道组由16个常开型光电隔离开关芯片组成，此16个芯片的控制端统一封装为V+，V-，每个V+端分别接电阻R1、R2...Rn，分别连接各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN的输出端O+，每个V-端分别连接各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN的输出端O-，构成统一通断的各个光电隔离通道组，各个光电隔离通道组的通断由各自的DC/DC电源控制。各自的DC/DC1、DC/DC2...DC/DCN电源的输入端I+分别与各自的光隔继电器相连，其输入端I-与12V电源地12V_GND相连。

3.如权利要求1或2所述的通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置，其特征在于：通道管理单元中的每个光隔继电器的输入端阳极分别通过电阻R1’、R2’...Rn’接+5V电源，各个阴极分别与译码器的输出端C1、C2...Cn相连。在微处理器MCU的控制下，译码器输出端仅有一个为低电平，使得多个光隔继电器在同一时刻至多只有一个处于导通状态。微处理器MCU不断发送相应控制指令实现光隔继电器的循环顺序导通。

4.如权利要求1所述的通道管理式燃料电池堆单片电压检测装置，其特征在于：信号处理单元的差分放大电路由仪表放大器、精密电阻和稳压管构成；A/D转换电路中的A/D转换芯片为多通道模数转换芯片，它与微控制器MCU通过SPI方式通信；微处理器MCU的CAN通讯接口与总CAN网相连，微处理器MCU的SCI通讯接口与PC机相连。

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