CN2914100Y - 一种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燃料电池堆单片电压检测装置，它包括检测板、CAN网络控制器、键盘及液晶显示单元、USB存储单元。其特点是：燃料电池堆中的单电池与各检测板输入端连接，多个检测板通过CAN总线构成检测板CAN子网络，CAN网络控制器为双CAN结构，其一方与检测板CAN网络连接，另一方与外部CAN网络连接，两个CAN网络彼此独立，构成网络拓扑结构。键盘及液晶显示单元、USB存储单元分别与CAN网络控制器连接。CAN网络控制器还有RS－232和RS－485接口，可通过RS－232、RS－485或CAN接口与PC机或其它设备连接。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。

Description

一种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，燃料电池堆通常由几十到几百片单电池串联组成。由于电堆中单片电池的串联结构，在燃料电池堆运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，需要实时检测各单片电池电压，显示存储电压数据，并将电压数据传给燃料电池发动机主控制器，维护电堆的运行安全；或将电压数据传给PC机，便于科研人员分析研究电池堆的性能。由于燃料电池堆是由多片单片电池串联组成，单片电压测量存在累积电势的问题。目前，燃料电池单片电压检测装置均存在一定的不足，如：采用PHOTOMOS光电隔离继电器的方法要求至少每一路都要一个PHOTOMOS光电隔离继电器，且微控制器MCU要有大量的I/O口或外扩译码器作继电器选通切换，系统成本高，结构复杂；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。

发明内容

本实用新型的主要目的在于采用更加简单可靠的电路，以提高燃料电池单片电压测量的精确性和可靠性，提供一种燃料电池堆单片电压检测装置，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

该燃料电池堆单片电压检测装置包括多个检测板、CAN(控制局域网)网络控制器、键盘及液晶显示单元、USB存储单元。其特点是：燃料电池堆中的多个单片电池与一个检测板输入端连接，全部单片电池与多个检测板输入端连接，多个检测板通过CAN1总线构成检测板CAN子网络，CAN网络控制器为双CAN结构，其一方与检测板CAN1网络连接，另一方与外部CAN2网络连接，两个CAN网络彼此独立，构成网络拓扑结构。键盘及液晶显示单元、USB存储单元分别与CAN网络控制器连接，CAN网络控制器还有RS-232和RS-485接口，通过RS-232、RS-485或CAN接口与PC机或其它设备连接。

上述检测板由差分运算电路、A/D转换电路、光电隔离电路、微控制器MCU、拨码开关、CAN通信电路组成，其中燃料电池堆各单电池两端直接分别与差分运算电路连接，若干差分运算电路分为一组，各组之间彼此隔离供电，差分运算电路输出端与A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路输出端与微控制器MCU连接，微控制器MCU与CAN通信电路连接，CAN通信电路与检测板CAN1网络连接，有一个拨码开关与微控制器MCU的I/O口连接。

上述检测板中的差分运算电路是由四运放构成的精密运算放大器，输出端有限流电阻R和稳压管Dz构成的限幅输出保护电路。

上述检测板中的A/D转换电路中的A/D转换芯片为一多通道模数转换芯片，检测板中微控制器MCU与外围A/D转换电路及CAN通信电路之间有光电隔离电路，微控制器MCU与外围电路实现光电隔离。

上述检测板中的微控制器MCU通过CAN总线与其它各检测板构成检测板CAN子网络，通过拨码开关设定各检测板的ID号。

本实用新型的有益效果是用简单可靠的电路，根据所测单片数目，增减检测板的个数即可完成整个电堆单片电压的精确检测。与现有技术比较，本实用新型结构简单、可靠性高、成本低、元件少、精确度高，在测量中也不会影响电堆的性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型的检测板的原理框图。

图3为本实用新型的四运放构成的精密差分运算电路原理图。

图4为本实用新型的A/D转换电路及其与微控制器MCU接口电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

图1所示为燃料电池堆单片电压检测装置的结构框图。它包括检测板、CAN网络控制器、键盘及液晶显示单元、USB存储单元。燃料电池堆与各检测板输入端连接，多个检测板通过CAN1总线构成检测板CAN子网络，CAN网络控制器为双CAN结构，其一方与检测板CAN1网络连接，另一方与外部CAN2网络连接，两个CAN网络彼此独立，构成网络拓扑结构。键盘及液晶显示单元、USB存储单元分别与CAN网络控制器连接。CAN网络控制器还有RS-232和RS-485接口，可通过RS-232、RS-485或CAN接口与PC机或其它设备连接。

图2为检测板的原理框图。检测板由差分运算电路、A/D转换电路、光电隔离电路、微控制器MCU、拨码开关、CAN通信电路组成。其特征在于：燃料电池堆各单电池两端直接分别与差分运算电路连接，按单片电压最大累积电势的大小和差分运算电路的运放芯片耐压值要求，若干差分运算电路分为一组，各组之间彼此隔离供电。差分运算电路输出端与A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路输出端与光电隔离电路输入端连接，光电隔离电路输出端与微控制器MCU连接，微控制器MCU经光电隔离与CAN通信电路连接，CAN通信电路与检测板CAN网络连接，拨码开关与微控制器MCU的I/O口连接。

图3为四运放构成的精密差分运算放大器电路。各个串联电池两端的电压经过差分运算电路得到差分电压，即单片电池电压。燃料电池单片电压信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。可选用差分集成仪表放大器，考虑到每个单片电池都要配备一个差分集成仪表放大器，系统成本高，本实用新型采用四个通用运放构成精密差分运算放大电路。如图3所示，电路由A、B、C、D四个运放和电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及稳压管Dz组成。

图中令R1＝R3，R4＝R5，R6＝R7。

$\mathrm{Ui}1-\mathrm{Ui}2=\frac{R2}{2R1+R2}(\mathrm{Uo}1-\mathrm{Uo}2)$

即 $\mathrm{Uo}1-\mathrm{Uo}2=(1+\frac{2R1}{R2})(\mathrm{Ui}1-\mathrm{Ui}2)$

所以输出电压

$\mathrm{Uo}4=\mathrm{Uo}3=-\frac{R6}{R4}(\mathrm{Uo}1-\mathrm{Uo}2)=-\frac{R6}{R4}(1+\frac{2R1}{R2})(\mathrm{Ui}1-\mathrm{Ui}2)$

设Uid＝Ui2-Ui1，则

$\mathrm{Uo}4=\frac{R6}{R4}(1+\frac{2R1}{R2})\mathrm{Uid}$

当Ui1＝Ui2时，输出电压Uo4＝0。可见电路放大差模信号，抑制共模信号。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。

运放D的输出端为限幅输出保护电路，由限流电阻R8与稳压管Dz组成，它一方面限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值，使运放输出电压钳位于+V_Dz与-0.7V之间，保护A/D转换通道和后续器件的安全，以免损坏电路。

该电路具有高输入电阻、低输出电阻、高共模抑制比的优点。

图4为A/D转换电路及其与微控制器MCU接口电路原理框图。本实用新型采用带有16个模拟通道的12位分辨率的A/D转换器，芯片内部带有基准电路，具有转换时间短、精度高的优点。本实用新型的检测板采用其中15个模拟通道，差分运算电路输出的电压信号分别送至A/D转换器的15个通道，A/D转换结果输出给微控制器MCU。A/D转换器与微控制器MCU之间通过SPI方式通信，用光耦TLP113实现A/D转换电路与微控制器MCU之间光电隔离，供电电源隔离用DC/DC实现，使微控制器MCU的供电电源与A/D转换器的供电电源彼此不共地，微控制器MCU与外围器件隔离，避免外部噪声干扰，确保检测板稳定运行。

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。

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。以上对本实用新型进行了详细说明，使普通技术人员也可以理解，并且其依然可以对本实用新型所揭示的技术方案进行修改或者等同替换。而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、一种燃料电池堆单片电压检测装置，它包括多个检测板、CAN网络控制器、键盘及液晶显示单元、USB存储单元；其特征在于：燃料电池堆中的多个单片电池与一个检测板输入端连接，全部单片电池与多个检测板输入端连接，多个检测板通过CAN1总线构成检测板CAN子网络，CAN网络控制器为双CAN结构，其一方与检测板CAN1网络连接，另一方与外部CAN2网络连接，两个CAN网络彼此独立，构成网络拓扑结构，键盘及液晶显示单元、USB存储单元分别与CAN网络控制器连接，CAN网络控制器还有RS-232和RS-485接口，通过RS-232、RS-485或CAN接口与PC机或其它设备连接。

2、如权利要求1所述的燃料电池堆单片电压检测装置，其特征在于：检测板由差分运算电路、A/D转换电路、微控制器MCU、拨码开关、CAN通信电路组成，其中燃料电池堆各单电池两端直接分别与差分运算电路连接，若干差分运算电路分为一组，各组之间彼此隔离供电，差分运算电路输出端与A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路输出端与微控制器MCU连接，微控制器MCU与CAN通信电路连接，CAN通信电路与检测板CAN1网络连接，拨码开关与微控制器MCU的I/O口连接。

3、如权利要求1或2所述的燃料电池堆单片电压检测装置，其特征在于：检测板中的差分运算电路是由四运放构成的精密运算放大器，输出端有限流电阻R和稳压管Dz构成的限幅输出保护电路。

4、如权利要求1或2所述的燃料电池堆单片电压检测装置，其特征在于：检测板中的A/D转换电路中的A/D转换芯片为一多通道模数转换芯片，检测板中微控制器MCU与外围A/D转换电路及CAN通信电路之间有光电隔离电路，微控制器MCU与外围电路有光电隔离电路。

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