CN202166691U - 一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统，由巡检主控制器、CANBUS和N个检测单元组成；每个检测单元检测30片单电池电压，可以检测总片数为30*N的燃料电池单片电压。微控制器MCU通过译码器控制选通单元，保证任意时刻有且只有一片单电池在线，其电压信号送入信号调理单元，经A/D转换送入微控制器MCU，微控制器MCU将单片数字电压信号通过CANBUS传送至巡检主控制器。巡检主控制器发送命令，启动各个检测单元，完成每个检测单元30片单片电压的检测，依次循环接收各个检测单元的单片电压信号，从而实现整个燃料电池堆的单片电压检测。整个巡检系统电路简洁、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。

Description

一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统

技术领域

本实用新型属于一种串联电源各单体电压巡检系统，是一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，它直接将贮存在燃料氧化剂中的化学能转化为电能。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燃料电池堆的性能与安全，为了确保燃料电池的正常工作并评估其性能，应对运行参数进行实时监控。而单片电池电压是电池发电性能的最直接反映，因此应对其进行实时监测，将采集到的单片电压数据发送给燃料电池主控制器，并将其显示、存储，方便科研人员分析研究，以维护燃料电池系统安全运行。

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(控制局域网)网络控制器组成的双CAN网络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，使整个电压巡检仪体积大，功耗较高，系统成本较高。

发明内容

本实用新型的主要目的在于为燃料电池系统的产业化提供易布局，功耗低，成本低，精确性和可靠性高，实时性较好，可扩展性强的单片电压检测装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统，由巡检主控制器、CANBUS(控制局域网总线)和N个检测单元组成；每个检测单元检测n片单电池电压，每个检测单元包括选通单元、精密基准电压源、信号调理单元、A/D转换器、CAN收发器、微处理器MCU，其特点是：各个检测单元的每个单片电池的正负极分别与相对应的每个选通单元的输入端连接；选通单元的输出端分别与信号调理单元的输入端Vi和信号地GND相连接；选通单元的控制端与译码器的输出端连接；微控制器MCU的I/O口与译码器的译码输入端相连，控制选通单元任意时刻只有一片单电池在线，该单片电压信号送入信号调理单元的输入端Vi，调理单元的输出端Vo与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端通过SPI内部总线与微控制器MCU相连，微控制器MCU通过内部CAN通信模块与CAN收发器连接，将获取的各个单片电压数字信号通过CANBUS发送至巡检主控制器。

上述每个检测单元检测30片单电池电压，可以检测总片数为30*N的燃料电池单片电压。每个检测单元包括选通单元、精密基准电压源、信号调理单元、A/D转换器、CAN收发器、微处理器MCU。其特点是：巡检系统各个检测单元中的每个单片电池B_i(i＝1，2......30)的正负极与选通单元的每个输入端I_n(n＝0，1，......30)连接，选通单元中光电隔离继电器J_n(n＝0，1，......30)的编号为偶数的输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号调理单元的信号地GND相连，光电隔离继电器J_n(n＝0，1，......30)的编号为奇数的输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元的输入端Vi相连接，选通单元中每个发光二极管阴极控制端C_n(n＝0，1，......30)分别与第一译码器I和第二译码器II输出端D_n和D_n’连接。微控制器MCU的I/O_n(n＝1，2，3，4)和I/O_n(n＝5，6，7，8)分别与第一译码器I的译码输入端S_n(n＝1，2，3，4)和第二译码器II的译码输入端S_n’(n＝1，2，3，4)相连，控制选通单元在任意时刻有且只有1片单电池在线，在线的单电池电压信号送入信号调理单元的输入端Vi，调理单元的输出端Vo与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端通过SPI内部总线与微控制器MCU相连，微控制器MCU将从A/D转换器获取的微处理器MCU的CAN通讯模块通过光电隔离器件连接CAN收发器与CANBUS相连，将电压数字信号传送至巡检主控制器。巡检主控制器发送命令，启动各个检测单元，完成每个检测单元30片单片电压的检测，对燃料电池堆每个检测单元进行循环顺序切换，接收各个检测单元的单片电压信号，从而实现整个燃料电池堆的单片电压检测。

上述每个选通单元由31个单路常开型光电隔离继电器芯片J_n(n＝0、1......30)组成，其输入端的发光二极管阳极通过限流电阻R₁接+V电源，发光二极管阴极偶数控制端C_n(n＝0，2......30)与第一译码器I的输出端D_n(n＝0，1，2......15)相连接，发光二极管阴极奇数控制端C_n(n＝1，3......29)与第二译码器II的输出端D_n′(n＝1，2......15)相连接。光电隔离继电器输入端I₀，I₁...I₂₉，I₃₀分别与相对应燃料电池组的每片电池正、负极相连，选通单元中的光电隔离继电器编号为偶数的输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号地GND相连，光电隔离继电器编号为奇数的输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元的输入端Vi相连接。

微处理器MCU的I/O₁、I/O₂、I/O₃、I/O₄与第一译码器I的控制输入端S₁、S₂、S₃、S₄相连，I/O₅、I/O₆、I/O₇、I/O₈与第二译码器II控制输入端S₁′、S₂′、S₃′、S₄′相连；在微处理器MCU的控制下，I/O₁、I/O₂、I/O₃、I/O₄和I/O₅、I/O₆、I/O₇、I/O₈分别依次从0000到1111进行16种状态切换，第一译码器I输出端D₀-D₁₅和第二译码器II输出端D₀′-D₁₅′分别依次输出为低电平，即同一时刻第一译码器I和第二译码器II的输出端D_n和D_n′(n＝0，1，......15)各自仅有1个输出端同时为低电平，对应的光电隔离继电器J_n(n＝0，1，2，......30)中相邻的两个开关同时处于闭合状态，使该单片电池的电压信号引入信号调理单元；微处理器MCU不断发送相应控制指令实现相邻两个光电隔离继电器的循环顺序导通。当选定编号为奇数的单片电池B_i(i＝1，3......29)时，该片电池的正极通过光电隔离继电器的奇数输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元输入端V_i相连，负极通过相邻光电隔离继电器的偶数输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号调理单元信号地GND相连；当选定编号为偶数的单片电池B_i(i＝，2......30)时，该片电池的正极通过光电隔离继电器的偶数输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号调理单元信号地GND相连；负极通过相邻光电隔离继电器的奇数输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元输入端V_i相连，使单片电池的电压信号引入信号调理单元，实现单片电池正负电压的测量。各光电隔离继电器阵列中光电隔离继电器芯片主要参数如下：开启电流典型值为1.2mA，关断电流典型值为1.1mA，导通电阻典型值为26欧，开启时间典型值约为0.5ms，关断时间典型值约为0.08ms。

信号调理单元由精密轨到轨运放构成的电压跟随器和差分比例放大电路(其中R_n′采用精密电阻(n＝1，2，......7)构成)。信号调理单元的输入端V_i与1个二阶低通有源滤波电路的前级相连接，二阶低通有源滤波电路后级的U1A输出端6经过电阻R₃′与差分比例放大电路的反相端9连接；电压跟随器U1B的输入端3连接1个+2.4V精密基准电压源，电压跟随器U1B输出端1经过电阻R₅′与差分比例放大电路U1C的同相端8连接，当系统采集到单片电池为负电压时，通过精密基准电压源电位的提升，使信号调理单元输出为正电压，实现了负电压的检测，满足A/D转换器的要求；电压跟随器U1B输出端1经过电阻R₅′与差分比例放大电路U1C的同相端8连接，信号调理单元的输出端V0具有电阻R₇′、电容C3和稳压管组成的限幅输出保护电路。使输出电压钳位在0-V_T，以保护后续元器件的安全。A/D转换器将采集到的电压信号转换为相应数字信号，通过SPI通信接口传送至微处理器MCU，微处理器MCU的CAN通信模块通过CAN收发器与总CANBUS网络相连，进行信息传输。CAN通信模块与CAN收发器之间具有光电隔离器件。

系统有分步检测模式和同步检测模式两种工作模式；分步检测模式下，巡检主控制器首先通过CANBUS总线发送第1个检测单元的启动指令，第1个检测单元收到指令后开始启动电压检测，检测完毕后将数据发还给巡检主控制器，巡检主控制器收到第1个检测单元发来的数据后再发送第2个检测单元的启动指令，第2个检测单元再启动检测工作，检测完毕后再将数据发还给巡检主控制器，如此依次下去，直至巡检主控制器收到第N个检测单元发送的检测数据；同步检测模式下，巡检主控制器通过CANBUS总线广播式发送启动命令，N个检测单元同时启动电压检测，巡检主控制器再发送第1个检测单元的传输呼叫指令，第1个检测单元收到传输呼叫指令后将检测所得数据发给巡检主控制器，巡检主控制器收到后再发送第2个检测单元的传输呼叫指令，依次下去，直至巡检主控制器收到第N个检测单元发送的检测数据。

整个巡检系统电路简洁、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为本实用新型巡检系统及检测单元结构原理框图。

图2为本实用新型巡检系统控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

图1所示为一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统，由巡检主控制器、CANBUS和N个检测单元组成；每个检测单元检测30片单电池电压，可以检测总片数为30*N的燃料电池单片电压。每个检测单元包括选通单元、精密基准电压源、信号调理单元、A/D转换器、CAN收发器、微处理器MCU。以第1个检测单元为例，其余类推；检测单元中的每个单电池B_i(i＝1，2......30)的正负极与选通单元的每个输入端I_n(n＝0，1，......30)相连接，选通单元中光电隔离继电器J_n(n＝0，1，......30)的编号为偶数的输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号调理单元的信号地GND相连，光电隔离继电器J_n(n＝0，1，......30)的编号为奇数的输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元的输入端Vi相连接，选通单元中每个发光二极管阴极控制端C_n(n＝0，1，......30)分别与第一译码器I和第二译码器II输出端D_n和D_n′连接。微控制器MCU的I/O_n(n＝1，2，3，4)和I/O_n(n＝5，6，7，8)分别与第一译码器I的译码输入端S_n(n＝1，2，3，4)和第二译码器II的译码输入端S_n’(n＝1，2，3，4)相连，控制选通单元在任意时刻有且只有1片单电池在线，在线的单电池电压信号送入信号调理单元的输入端Vi，调理单元的输出端Vo与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端通过SPI内部总线与微控制器MCU相连，微控制器MCU与A/D转换器连接，将获取的电压数字信号通过内部CAN通讯模块经光耦隔离后再通过CAN收发器传送至CANBUS，再由巡检主控制器接收。巡检主控制器发送命令，启动各个检测单元，完成每个检测单元30片单片电压的检测，对燃料电池堆每个检测单元进行循环顺序切换，接收各个检测单元的单片电压信号，从而实现整个燃料电池堆的单片电压检测。

每个选通单元由31个单路常开型光电隔离继电器芯片J_n(n＝0、1......30)组成，其输入端的发光二极管阳极通过限流电阻R₁接+V电源，发光二极管阴极偶数控制端C_n(n＝0，2......30)与第一译码器I的输出端D_n(n＝0，1，2......15)相连接，发光二极管阴极奇数控制端C_n(n＝1，3......29)与第二译码器II的输出端D_n′(n＝1，2......15)相连接。。光电隔离继电器输入端I₀，I₁...I₂₉，I₃₀分别与相对应燃料电池组的每片电池正、负极相连，选通单元中的光电隔离继电器编号为偶数的输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号地GND相连，光电隔离继电器编号为奇数的输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元的输入端Vi相连接。

微处理器MCU的I/O₁、I/O₂、I/O₃、I/O₄与第一译码器I的控制输入端S₁、S₂、S₃、S₄相连，I/O₅、I/O₆、I/O₇、I/O₈与第二译码器II控制输入端S₁′、S₂′、S₃′、S₄′相连；在微处理器MCU的控制下，I/O₁、I/O₂、I/O₃、I/O₄和I/O₅、I/O₆、I/O₇、I/O₈分别依次从0000到1111进行16种状态切换，第一译码器I输出端D₀-D₁₅和第二译码器II输出端D₀′-D₁₅′分别依次输出为低电平，即同一时刻第一译码器I和第二译码器II的输出端D_n和D_n′(n＝0，1，......15)各自仅有1个输出端同时为低电平，对应的光电隔离继电器J_n(n＝0，1，2，......30)中相邻的两个开关同时处于闭合状态，使该单片电池的电压信号引入信号调理单元；微处理器MCU不断发送相应控制指令实现相邻两个光电隔离继电器的循环顺序导通。当选定编号为奇数的单片电池B_i(i＝1，3......29)时，该片电池的正极通过光电隔离继电器的奇数输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元输入端V_i相连，负极通过相邻光电隔离继电器的偶数输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号调理单元信号地GND相连；当选定编号为偶数的单片电池B_i(i＝，2......30)时，该片电池的正极通过光电隔离继电器的偶数输出端O_n(n＝0，2，4......30)与信号调理单元信号地GND相连；负极通过相邻光电隔离继电器的奇数输出端O_n(n＝1，3，5......29)与信号调理单元输入端V_i相连，使单片电池的电压信号引入信号调理单元，实现单片电池正负电压的测量。各光电隔离继电器阵列中光电隔离继电器芯片主要参数如下：开启电流典型值为1.2mA，关断电流典型值为1.1mA，导通电阻典型值为26欧，开启时间典型值约为0.5ms，关断时间典型值约为0.08ms。

信号调理单元由精密轨到轨运放构成的电压跟随器和差分比例放大电路(其中R_n′采用精密电阻(n＝1，2，......7)构成)。信号调理单元的输入端V_i与1个2阶低通有源滤波电路的前级相连接，2阶低通有源滤波电路后级的U1A输出端6经过电阻R₃′与差分比例放大电路的反相端9连接；电压跟随器U1B的输入端3连接1个+2.4V精密基准电压源，电压跟随器U1B输出端1经过电阻R₅′与差分比例放大电路U1C的同相端8连接，当系统采集到单片电池为负电压时，通过精密基准电压源电位的提升，使信号调理单元输出为正电压，实现了负电压的检测，满足A/D转换器的要求；电压跟随器U1B输出端1经过电阻R₅′与差分比例放大电路U1C的同相端8连接，信号调理单元的输出端V0具有电阻R₇′、电容C3和稳压管组成的限幅输出保护电路。使输出电压钳位在0-V_T，以保护后续元器件的安全。A/D转换器将采集到的电压信号转换为相应数字信号，通过SPI通信接口传送至微处理器MCU，微处理器MCU的CAN通讯模块通过CAN收发器与总CANBUS相连，CANBUS连接有巡检主控制器、终端电阻R1和R2，进行信息传输。CAN通讯模块与CAN收发器之间具有光电隔离器件。

如测量由300片燃料电池组成的燃料电池堆的各单片电压。电堆累计电压接近300V，选通单元中光电隔离继电器芯片的主要参数如下：开启电流典型值为1.2mA，关断电流典型值为1.1mA，导通电阻典型值为26欧，开启时间典型值约为0.5ms，关断时间典型值约为0.08ms。信号调理电路中运算放大器可选择精密运放TLV274；A/D转换器选择单通道12位以上的A/D转换芯片，如TI公司的TLV2541；微处理器MCU选择带有SPI、CAN模块的芯片，如MICROCHIP公司的PIC18F258。

整个电堆中单片电池数为300片，故检测单元数(也即选通单元数)为300÷30＝10组。系统有分步检测模式与同步检测模式两种工作模式，如图2所示。为了在上位机实时显示数据，可以选择工作在分步检测模式下，采用定时周期为30ms切换的方式，由巡检主控制器给第1个检测单元的MCU发送命令启动该检测单元进入工作状态20ms，实现该检测单元30片单片电压的检测，然后停止该检测单元并延时10ms；再启动下1个检测单元，如此循环，实现整个燃料电池堆的单片电压检测。由于整个系统的实时性主要取决于选通单元中光电隔离继电器芯片的开关时间，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。系统工作在同步检测模式下时，由巡检主控制器通过CANBUS总线广播式发送启动命令，N个检测单元同时启动电压检测，巡检主控制器再发送第1个检测单元的传输呼叫指令，第1个检测单元收到传输呼叫指令后将检测所得数据发给巡检主控制器，巡检主控制器收到后再发送第2个检测单元的传输呼叫指令，依次下去，直至巡检主控制器收到第N个检测单元发送的检测数据。同步检测模式可以测得在同一个时刻，各个单片燃料电池的电压值。

对于每个检测单元的30片电池所需两个4线-16线译码器芯片，由微处理器MCU对两片4线-16线译码器芯片进行片选，确保每片电池正负极两端同时选中。采集时依次将在线传送过来的电压信号通过信号调理电路进行电压调理，由A/D转换器将其数据转换为相应数字信号，再通过SPI内部总线送入微处理器MCU，完成当前在线单片电池电压检测，依次对各单电池顺序切换，完成各个检测单元30片单片电压的检测，从而实现整个燃料电池堆单片电压的检测。

最后，本实用新型的实施仅用于说明技术方案而非限制。一切根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合，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 (5)

1.一种可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统，由巡检主控制器、CANBUS和N个检测单元组成；每个检测单元检测n片单电池电压，每个检测单元包括选通单元、精密基准电压源、信号调理单元、A/D转换器、CAN收发器、微处理器MCU，其特征在于：各个检测单元的每个单片电池的正负极分别与相对应的每个选通单元的输入端连接；选通单元的输出端分别与信号调理单元的输入端Vi和信号地GND相连接；选通单元的控制端与译码器的输出端连接；微控制器MCU的I/O口与译码器的译码输入端相连，控制选通单元任意时刻只有一片单电池在线，该单片电压信号送入信号调理单元的输入端Vi，调理单元的输出端Vo与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端通过SPI内部总线与微控制器MCU相连，微控制器MCU通过内部CAN通信模块与CAN收发器连接，将获取的各个单片电压数字信号通过CANBUS发送至巡检主控制器。

2.如权利要求1所述的可检测正负电压的燃料电池堆单片电压巡检系统，其特征在于：每个检测单元检测30片单电池电压，30片单电池按顺序编号为1-30，每个检测单元的选通单元由31个单路常开型光电隔离继电器芯片J_n组成，每个单路常开型光电隔离继电器芯片J_n按顺序编号为J₀～J₃₀，每个单路常开型光电隔离继电器芯片J_n中发光二极管的阳极通过限流电阻R₁接+V电源，每个编号为偶数的常开型光电隔离继电器芯片J_n中发光二极管阴极控制端与第一译码器I的输出端D_n相连接；每个编号为奇数的常开型光电隔离继电器芯片J_n中发光二极管阴极控制端与第二译码器II的输出端D_n′相连接，光电隔离继电器电器芯片J_n输入端分别与相应燃料电池正、负极相连，选通单元中编号为偶数的光电隔离继电器电器芯片J_n输出端与信号地GND相连，编号为奇数的光电隔离继电器电器芯片J_n输出端与信号调理单元的输入端Vi连接。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池堆单片电压巡检系统，其特征在于：所述微控制器MCU的I/O₁、I/O₂、I/O₃、I/O₄口分别与第一译码器I的控制输入端S₁、S₂、S₃、S₄相连，所述微控制器MCU的I/O₅、I/O₆、I/O₇、I/O₈口分别与第二译码器II控制输入端S₁′、S₂′、S₃′、S₄′相连；在微处理器MCU的控制下，微控制器MCU的I/O₁、I/O₂、I/O₃、I/O₄口和微控制器MCU的I/O₅、I/O₆、I/O₇、I/O₈口分别依次从0000到1111进行16种状态切换，第一译码器I输出端D₀-D₁₅和第二译码器II输出端D₀′-D₁₅′分别依次输出为低电平，即同一时刻第一译码器I和第二译码器II的输出端D_n和D_n′各自仅有1个输出端同时为低电平，对应的光电隔离继电器电器芯片J_n中相邻的两个开关同时处于闭合状态，使该单片电池的电压信号引入信号调理单元；微处理器MCU不断发送相应控制指令实现相邻两个光电隔离继电器的循环顺序导通。

4.如权利要求1或2所述的燃料电池堆单片电压巡检系统，其特征在于：当选定编号为奇数的单片电池时，该片电池的正极通过编号为奇数光电隔离继电器电器芯片J_n的输出端O_n与信号调理单元输入端V_i相连，负极通过相邻的编号为偶数的光电隔离继电器电器芯片J_n的输出端与信号调理单元信号地GND相连；当选定编号为偶数的单片电池时，该片电池的正极通过编号为偶数的光电隔离继电器电器芯片J_n的输出端O_n与信号调理单元信号地GND相连；负极通过相邻的编号为奇数的光电隔离继电器电器芯片J_n的输出端O_n与信号调理单元输入端V_i相连，实现单片电池正负电压的测量。

5.如权利要求1所述的燃料电池堆单片电压巡检系统，其特征在于：所述信号调理单元由精密轨到轨运放构成的电压跟随器和差分比例放大电路构成，信号调理单元的输入端V_i连接1个二阶低通有源滤波电路，其U1A输出端6经过电阻R₃′与差分比例放大电路U1C的反相端9连接，电压跟随器U1B的输入端3连接1个+2.4V精密基准电压源，电压跟随器U1B输出端1经过电阻R₅′与差分比例放大电路U1C的同相端8连接，信号调理单元的输出端V0具有电阻R₇′、电容C3和稳压管组成的限幅输出保护电路，微处理器MCU的CAN通讯模块通过光电隔离器件连接CAN收发器与CANBUS相连，CANBUS连接有巡检主控制器、终端电阻R1和R2，进行信息传输。

Images