CN203941227U - 一种车用燃料电池的单电池电压检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了车用燃料电池的单电池电压检测装置，由于所述第二运算放大器的正向输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与固定值电压端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述A/D转换接口连接；通过第一运算放大器的运算放大后输入到第二运算放大器，是差分信号经过第二运算放大器放大后输入到A/D转换接口的电压在0.5V～4.5V之间，符合A/D口的输入范围要求。本实用新型提供的车用燃料电池单电池电压检测装置，全部电路结构都布置在一块电路板上，能够采集105路单电池电压，并且体积小巧，紧凑安装在车用燃料电池电堆中。

Description

一种车用燃料电池的单电池电压检测装置

技术领域

本实用新型涉及电子检测装置，特别是指一种车用燃料电池的单电池电压检测装置。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为低压直流电能的装置。燃料电池具有能量效率高、没有或极少产生污染物排放等传统的化石燃料不具备的优点，当今燃料电池作为新能源越来越受到重视。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，具有反应温度低、启动迅速、可小型化等特点，极具产业化发展潜力。

一个电池堆往往是由许多电池单体串联组成的。燃料电池正常运行时各个单电池电压应该保持一致性，如果由于单电池的制造因素或流道积水造成个别单电池电压低于总体的平均电压并达到一定程度，为了保护燃料电池必须停止燃料电池的运行，否则这个别的单电池就会损坏。所以需要对燃料电池的单电池电压进行检测。一般而言，采集到的燃料电池电压信号会直接通过CAN总线发送到上位控制PC机，对每路均采用CAN控制器和收发器，设置冗余，且当发生故障时，该路的通信信号将被中断，就无法监控。

原有的燃料电池单电池电压检测装置，对N个单电池，采用N+1个光藕作为开关，用移位寄存器产生选通信号，分时选中某一个单电池的两极的信号，通过传输电缆输出到主控制器，再由主控制器来处理这个信号。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种车用燃料电池的单电池电压检测装置，解决了现有技术中的不足。

基于上述目的本实用新型提供的一种车用燃料电池的单电池电压检测装置，所述车用燃料电池包括多片单电池，包括设置在电路板上的取电接口、光耦控制开关、移位寄存器、第一运算放大器、第二运算放大器、A/D转换接口、CAN总线接口转换电路和供电电路，相邻的两片单电池两两串联组成一组单电池；

所述第二运算放大器的正向输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与固定值电压端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述A/D转换接口连接；

所述每一组单电池都与所述取电接口连接，所述取电接口与所述光耦控制开关连接，所述移位寄存器与所述光耦控制开关连接；所述移位寄存器与单片机连接，所述CAN总线接口转换电路与单片机连接，所述A/D转换接口设置在单片机上，所述光耦控制开关与单片机连接；

每一组单电池通过所述取电接口将多组单电池的电压存入所述移位寄存器，所述移位寄存器通过移位后对每一组单电池的电压进行分组测量后储存，储存为一路差分信号后传入到所述第一运算放大器，所述第一运算放大器将所述差分信号放大后输入第二运算放大器，所述第二运算放大器将所述差分信号电压范围转化为所述A/D转换接口可接收的范围传递到A/D转换接口；

所述供电电路分别与所述移位寄存器、第一运算放大器、第二运算放大器和CAN总线接口转换电路连接。

在一些实施例中，所述车用燃料电池包括210片单电池，所述每片单电池通过串联连接，其中相邻的两片单电池两两串联一共组成105组单电池。

在一些实施例中，所述第二运算放大器的反向输入端与固定值为-2.5V的电压端连接，所述-2.5V的电压端与所述供电电路连接。

在一些实施例中，所述电路板固定在所述燃料电池的壳体上，所述取电接口与相邻两片单电池引出的引线连接。

在一些实施例中，所述供电电路与24V车用电源连接并转换成两路5V电压信号和±9V差分电压信号，其中一路5V电压信号与所述CAN总线接口转换电路中的通讯接口外电路连接；另一路5V电压与所述CAN总线接口转换电路中的内电路、单片机和移位寄存器连接；所述±9V差分电压信号分别与所述第一运算放大器和所述第二运算放大器连接。

在一些实施例中，所述CAN总线接口转换电路包括CAN信号隔离单元和驱动单元，所述驱动单元与所述隔离单元连接，所述驱动单元与单片机连接，所述CAN信号隔离单元分别所述两路5V电压信号连接。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的车用燃料电池的单电池电压检测装置，由于所述第二运算放大器的正向输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与固定值电压端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述A/D转换接口连接；通过第一运算放大器的运算放大后输入到第二运算放大器，是差分信号经过第二运算放大器放大后输入到A/D转换接口的电压在0.5V～4.5V之间，符合A/D口的输入范围要求。

另外因为车内空间有限，所以对体积功率密度有一定的要求，本实用新型提供的车用燃料电池单电池电压检测装置，全部电路结构都布置在一块电路板上，能够通过测量相邻两个电池间的电压，采集总共105路单电池电压，并且体积小巧，紧凑安装在车用燃料电池电堆中。

附图说明

图1为本实用新型实施例中车用燃料电池的单电池电压检测装置的电路连接关系示意图；

图2为本实用新型实施例中车用燃料电池的单电池电压检测装置中第一运算放大器和第二运算放大器电路连接示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

请参考图1，一种车用燃料电池的单电池电压检测装置，所述车用燃料电池1包括多片单电池，包括设置在电路板上的取电接口7、光耦控制开关2、移位寄存器3、第一运算放大器8、第二运算放大器9、A/D转换接口10、CAN总线接口转换电路5和供电电路6，相邻的两片单电池两两串联组成一组单电池；将所述相邻两片单电池串联后组成的电池组，可以采用取电接口7进行采集，每没两片单电池引出一根引线固定到电路板的取电接口7上，引线通过取电接口7接入方便检修时的拆卸。

所述第二运算放大器9的正向输入端与所述第一运算放大器8的输出端连接，所述第二运算放大器9的反向输入端与固定值电压端连接，所述第二运算放大器9的输出端与所述A/D转换接口10连接；这是本实用新型的核心改进之处，因为经过了上述移位寄存器3的移位和寄存会产生一个结果：奇数次测量的电压值是正值；偶数次测量的电压值是负值。但是当第二运算放大器9的输出端与所述A/D转换接口10连接时，需要保证其电压的范围在A/D转换接口10可接收的范围内，采集到的电压信号才有意义。

移位寄存器3包括多个，组成了一个轮询转换电路，原理为：初始化后移位寄存器3的输出Q1、Q2为低电平，其他为高电平，连接最右边的两片单电池两端引线的光耦导通，电压信号传送到第一运算放大器8，测量到第N和N+1片单电池的串联电压。下一个CLK上升沿，因为A是高电平，Q1变成高电平，Q2、Q3为低电平，其他为高电平，连接第N+2、N+3片单电池两端引线的光耦导通，测量到第N+2、N+3片单电池的串联电压，其中N为不小于1的常数。所以移位寄存器3通过这样依次移位，可以把210片单电池两两一组分成的105组依次选通。，

所述每一组单电池都与所述取电接口7连接，所述取电接口7与所述光耦控制开关2连接，所述移位寄存器3与所述光耦控制开关2连接；所述移位寄存器3与单片机连接，所述CAN总线接口转换电路5与单片机连接，所述A/D转换接口10设置在单片机上，所述光耦控制开关2与单片机连接；所述取电接口7与所述光耦控制开关2连接是用于通过所述光耦控制开关2控制所述取电接口7的取电情况。所述移位寄存器3与单片机连接，是用于对移位寄存器3的取电进行控制，控制其采集信号。所述CAN总线接口转换电路5与单片机连接是用于控制CAN总线接口转换电路5的隔离和驱动。所述A/D转换接口10设置在单片机上是用于将模拟信号转化为数字信号后输入到单片机中。所述光耦控制开关2与单片机连接是用于通过单片机控制光耦控制开关2，包括各个光藕控制端正极，以提供选通有效信号。对于N个串联的单电池，可以采用N+1个光藕作为开关。

本领域技术人员公知，这里的单片机是现有技术中用于实现多种逻辑功能的，进而实现不同的控制和有效操作。本领域技术人员可以采用如：AVR单片机、MSP单片机等都能够实现上述的功能。

每一组单电池通过所述取电接口7将多组单电池的电压存入所述移位寄存器3，所述移位寄存器3通过移位后对每一组单电池的电压进行分组测量后储存，储存为一路差分信号后传入到所述第一运算放大器8，所述第一运算放大器8将所述差分信号放大后输入第二运算放大器9，所述第二运算放大器9将所述差分信号电压范围转化为所述A/D转换接口10可接收的范围传递到A/D转换接口10。上述过程包括：通过取电接口7将多组路单电池电压引入单电池取电装置中，然后移位寄存器3对每组串联的单电池进行测量，并将多组单电池信号转为为一路差分信号，得到差分信号后输入第一运算放大器8将信号放大，再输入第二运算放大器9经过调理将一路差分信号转为0～5V范围所述A/D转换接口10能够接收的范围。

所述供电电路6分别与所述移位寄存器3、第一运算放大器8、第二运算放大器9和CAN总线接口转换电路5连接。所述供电电路6是单独的供电模块分别给第一运算放大器8、第二运算放大器9供电，以及移位寄存器3和CAN总线接口转换电路5的内外侧电路供电。

在本实施例中，优选地，所述车用燃料电池1包括210片单电池，所述每片单电池通过串联连接，其中相邻的两片单电池两两串联一共组成105组单电池。优选地，在本实施例中设计了105路单电压测量通道，每路测量2片单电池串连电压。因为车内空间有限，所以对体积功率密度有一定的要求，为此把移位寄存器3以及第一运算放大器8、第二运算放大器9等集成在一块电路板上，并配合单片机使这套检测装置成为一个能独立工作的装置，且装置体积更小，与车用燃料电池1能更紧凑地集成在一起，提高车用燃料电池1整体的体积功率密度。

在本实施例中，优选地，所述第二运算放大器9的反向输入端与固定值为-2.5V的电压端连接，所述-2.5V的电压端与所述供电电路连接。因为经过移位寄存器3的轮询检测，奇数路输出信号的电压信号是正值，范围在0～2.4V之间；偶数路输出信号的电压信号是负值，范围在-2.4～0V之间，总的输入范围是-2.4～2.4V。所以不符合A/D转换接口10中0～5V的输入范围。将第一运算放大器8的放大倍数设置为0.8倍，那么第一运算放大器8输出信号在-2～2V范围内，抬高2.5V。将第二运算放大器9的反向输入端与固定值为-2.5V，使单电池的电压信号均抬高了2.5V，第二运算放大器9的放大倍数设置为1，第二运算放大器9的输出信号在0.5V～4.5V之间，符合A/D口的输入范围要求。

在本实施例中，优选地，所述电路板固定在所述燃料电池的壳体上，所述取电接口与相邻两片单电池引出的引线连接。所述电路板通可以过螺钉固定在壳体上可以便于安装和拆卸，每没两片单电池引出一根引线固定到电路板的取电接口7上，引线通过取电接口7接入方便检修时的拆卸。

在本实施例中，优选地，所述供电电路6与24V车用电源连接并转换成两路5V电压信号和±9V差分电压信号，其中一路5V电压信号与所述CAN总线接口转换电路5中的通讯接口外电路连接；另一路5V电压与所述CAN总线接口转换电路5中的内电路、单片机和移位寄存器3连接；所述±9V差分电压信号分别与所述第一运算放大器8和所述第二运算放大器9连接。

在本实施例中，优选地，所述CAN总线接口转换电路5包括CAN信号隔离单元和驱动单元，所述驱动单元与所述隔离单元连接，所述驱动单元与单片机连接，所述CAN信号隔离单元分别所述两路5V电压信号连接。其中，所述CAN总线接口转换电路5提供CAN信号隔离和驱动的功能，供电电路6把输入的24V电源转换成两路5V和±9V，电源转换芯片是隔离供电的，并且防反接。两路5V是相互隔离的，一路给CAN通讯接口外电路侧供电；一路给CAN总线接口转换电路5内侧电路和其他电路供电，±9V给运算放大器供电。

如图2所示，所述第二运算放大器9的反向输入端连接R1＝100K欧姆，R2＝100k欧姆；9V供电电压上连接R3＝5.1K欧姆，R4＝2K欧姆。LIN1和LIN2分别表示已对差分信号。其中，-2.5V由供电电路6中的-9V电阻分压获得。

综上，本实施例中由于所述第二运算放大器9的正向输入端与所述第一运算放大器8的输出端连接，所述第二运算放大器9的反向输入端与固定值电压端连接，所述第二运算放大器9的输出端与所述A/D转换接口连接；通过第一运算放大器8的运算放大后输入到第二运算放大器9，是差分信号经过第二运算放大器9放大后输入到A/D转换接口10的电压在0.5V～4.5V之间，符合A/D转换接口的10输入范围要求。所以能够简化单电池检测装置，同时该装置能够独立实现检测和判断电压信号，并不用输出到主控制器进行控制。克服了原有的燃料电池单电池电压检测装置先要对N个单电池，采用N+1个光藕作为开关，用移位寄存器3产生选通信号，分时选中某一个单电池的两极的信号，通过传输电缆输出到主控制器，再由主控制器来处理这个信号。这种冗余、复杂的检测装置的不足。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车用燃料电池的单电池电压检测装置，所述车用燃料电池包括多片单电池，其特征在于，包括设置在电路板上的取电接口、光耦控制开关、移位寄存器、第一运算放大器、第二运算放大器、A/D转换接口、CAN总线接口转换电路和供电电路，相邻的两片单电池两两串联组成一组单电池；

所述第二运算放大器的正向输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与固定值电压端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述A/D转换接口连接；

所述每一组单电池都与所述取电接口连接，所述取电接口与所述光耦控制开关连接，所述移位寄存器与所述光耦控制开关连接；所述移位寄存器与单片机连接，所述CAN总线接口转换电路与单片机连接，所述A/D转换接口设置在单片机上，所述光耦控制开关与单片机连接；

每一组单电池通过所述取电接口将多组单电池的电压存入所述移位寄存器，所述移位寄存器通过移位后对每一组单电池的电压进行分组测量后储存，储存为一路差分信号后传入到所述第一运算放大器，所述第一运算放大器将所述差分信号放大后输入第二运算放大器，所述第二运算放大器将所述差分信号电压范围转化为所述A/D转换接口可接收的范围传递到A/D转换接口；

所述供电电路分别与所述移位寄存器、第一运算放大器、第二运算放大器和CAN总线接口转换电路连接。

2.根据权利要求1所述的车用燃料电池的单电池电压检测装置，其特征在于，所述车用燃料电池包括210片单电池，所述每片单电池通过串联连接，其中相邻的两片单电池两两串联一共组成105组单电池。

3.根据权利要求1或2所述的车用燃料电池的单电池电压检测装置，其特征在于，所述第二运算放大器的反向输入端与固定值为-2.5V的电压端连接，所述-2.5V的电压端与所述供电电路连接。

4.根据权利要求1所述的车用燃料电池的单电池电压检测装置，其特征在于，所述电路板固定在所述燃料电池的壳体上，所述取电接口与相邻两片单电池引出的引线连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的车用燃料电池的单电池电压检测装置，其特征在于，所述供电电路与24V车用电源连接并转换成两路5V电压信号和±9V差分电压信号，其中一路5V电压信号与所述CAN总线接口转换电路中的通讯接口外电路连接；另一路5V电压与所述CAN总线接口转换电路中的内电路、单片机和移位寄存器连接；所述±9V差分电压信号分别与所述第一运算放大器和所述第二运算放大器连接。

6.根据权利要求5所述的车用燃料电池的单电池电压检测装置，其特征在于，所述CAN总线接口转换电路包括CAN信号隔离单元和驱动单元，所述驱动单元与所述隔离单元连接，所述驱动单元与单片机连接，所述CAN信号隔离单元分别所述两路5V电压信号连接。