專利名稱：一種燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種串聯(lián)電源各單體電壓檢測(cè)裝置，特別是一種燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，燃料電池堆通常由幾十到幾百片單電池串聯(lián)組成。由于電堆中單片電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在燃料電池堆運(yùn)行過(guò)程中，單片電池的異常會(huì)影響整個(gè)電堆的性能與安全，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)各單片電池電壓，顯示存儲(chǔ)電壓數(shù)據(jù)，并將電壓數(shù)據(jù)傳給燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器，維護(hù)電堆的運(yùn)行安全；或?qū)㈦妷簲?shù)據(jù)傳給PC機(jī)，便于科研人員分析研究電池堆的性能。由于燃料電池堆是由多片單片電池串聯(lián)組成，單片電壓測(cè)量存在累積電勢(shì)的問(wèn)題。目前，燃料電池單片電壓檢測(cè)裝置均存在一定的不足，如采用PHOTOMOS光電隔離繼電器的方法要求至少每一路都要一個(gè)PHOTOMOS光電隔離繼電器，且微控制器MCU要有大量的I/O口或外擴(kuò)譯碼器作繼電器選通切換，系統(tǒng)成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；采用電阻分壓和多路模擬開(kāi)關(guān)的方法會(huì)使測(cè)量精度達(dá)不到要求，且大量的分壓電阻會(huì)影響電堆的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的主要目的在于采用更加簡(jiǎn)單可靠的電路，以提高燃料電池單片電壓測(cè)量的精確性和可靠性，提供一種燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置，以克服上述的不足。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是該燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置包括多個(gè)檢測(cè)板、CAN(控制局域網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元。其特點(diǎn)是燃料電池堆中的多個(gè)單片電池與一個(gè)檢測(cè)板輸入端連接，全部單片電池與多個(gè)檢測(cè)板輸入端連接，多個(gè)檢測(cè)板通過(guò)CAN1總線構(gòu)成檢測(cè)板CAN子網(wǎng)絡(luò)，CAN網(wǎng)絡(luò)控制器為雙CAN結(jié)構(gòu)，其一方與檢測(cè)板CAN1網(wǎng)絡(luò)連接，另一方與外部CAN2網(wǎng)絡(luò)連接，兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元分別與CAN網(wǎng)絡(luò)控制器連接，CAN網(wǎng)絡(luò)控制器還有RS-232和RS-485接口，通過(guò)RS-232、RS-485或CAN接口與PC機(jī)或其它設(shè)備連接。
上述檢測(cè)板由差分運(yùn)算電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、光電隔離電路、微控制器MCU、撥碼開(kāi)關(guān)、CAN通信電路組成，其中燃料電池堆各單電池兩端直接分別與差分運(yùn)算電路連接，若干差分運(yùn)算電路分為一組，各組之間彼此隔離供電，差分運(yùn)算電路輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出端與微控制器MCU連接，微控制器MCU與CAN通信電路連接，CAN通信電路與檢測(cè)板CAN1網(wǎng)絡(luò)連接，有一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)與微控制器MCU的I/O口連接。
上述檢測(cè)板中的差分運(yùn)算電路是由四運(yùn)放構(gòu)成的精密運(yùn)算放大器，輸出端有限流電阻R和穩(wěn)壓管Dz構(gòu)成的限幅輸出保護(hù)電路。
上述檢測(cè)板中的A/D轉(zhuǎn)換電路中的A/D轉(zhuǎn)換芯片為一多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，檢測(cè)板中微控制器MCU與外圍A/D轉(zhuǎn)換電路及CAN通信電路之間有光電隔離電路，微控制器MCU與外圍電路實(shí)現(xiàn)光電隔離。
上述檢測(cè)板中的微控制器MCU通過(guò)CAN總線與其它各檢測(cè)板構(gòu)成檢測(cè)板CAN子網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定各檢測(cè)板的ID號(hào)。
本實(shí)用新型的有益效果是用簡(jiǎn)單可靠的電路，根據(jù)所測(cè)單片數(shù)目，增減檢測(cè)板的個(gè)數(shù)即可完成整個(gè)電堆單片電壓的精確檢測(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、元件少、精確度高，在測(cè)量中也不會(huì)影響電堆的性能。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本實(shí)用新型的檢測(cè)板的原理框圖。
圖3為本實(shí)用新型的四運(yùn)放構(gòu)成的精密差分運(yùn)算電路原理圖。
圖4為本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換電路及其與微控制器MCU接口電路原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1所示為燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。它包括檢測(cè)板、CAN網(wǎng)絡(luò)控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元。燃料電池堆與各檢測(cè)板輸入端連接，多個(gè)檢測(cè)板通過(guò)CAN1總線構(gòu)成檢測(cè)板CAN子網(wǎng)絡(luò)，CAN網(wǎng)絡(luò)控制器為雙CAN結(jié)構(gòu)，其一方與檢測(cè)板CAN1網(wǎng)絡(luò)連接，另一方與外部CAN2網(wǎng)絡(luò)連接，兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元分別與CAN網(wǎng)絡(luò)控制器連接。CAN網(wǎng)絡(luò)控制器還有RS-232和RS-485接口，可通過(guò)RS-232、RS-485或CAN接口與PC機(jī)或其它設(shè)備連接。
圖2為檢測(cè)板的原理框圖。檢測(cè)板由差分運(yùn)算電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、光電隔離電路、微控制器MCU、撥碼開(kāi)關(guān)、CAN通信電路組成。其特征在于燃料電池堆各單電池兩端直接分別與差分運(yùn)算電路連接，按單片電壓最大累積電勢(shì)的大小和差分運(yùn)算電路的運(yùn)放芯片耐壓值要求，若干差分運(yùn)算電路分為一組，各組之間彼此隔離供電。差分運(yùn)算電路輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出端與光電隔離電路輸入端連接，光電隔離電路輸出端與微控制器MCU連接，微控制器MCU經(jīng)光電隔離與CAN通信電路連接，CAN通信電路與檢測(cè)板CAN網(wǎng)絡(luò)連接，撥碼開(kāi)關(guān)與微控制器MCU的I/O口連接。
圖3為四運(yùn)放構(gòu)成的精密差分運(yùn)算放大器電路。各個(gè)串聯(lián)電池兩端的電壓經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算電路得到差分電壓，即單片電池電壓。燃料電池單片電壓信號(hào)為差模小信號(hào)，并含有較大的共模部分，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，要求放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力?？蛇x用差分集成儀表放大器，考慮到每個(gè)單片電池都要配備一個(gè)差分集成儀表放大器，系統(tǒng)成本高，本實(shí)用新型采用四個(gè)通用運(yùn)放構(gòu)成精密差分運(yùn)算放大電路。如圖3所示，電路由A、B、C、D四個(gè)運(yùn)放和電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及穩(wěn)壓管Dz組成。
圖中令R1＝R3，R4＝R5，R6＝R7。
Ui1-Ui2=R22R1+R2(Uo1-Uo2)]]>即Uo1-Uo2=(1+2R1R2)(Ui1-Ui2)]]>所以輸出電壓
Uo4=Uo3=-R6R4(Uo1-Uo2)=-R6R4(1+2R1R2)(Ui1-Ui2)]]>設(shè)Uid＝Ui2-Ui1，則Uo4=R6R4(1+2R1R2)Uid]]>當(dāng)Ui1＝Ui2時(shí)，輸出電壓Uo4＝0?？梢?jiàn)電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲時(shí)，也將被抑制。
運(yùn)放D的輸出端為限幅輸出保護(hù)電路，由限流電阻R8與穩(wěn)壓管Dz組成，它一方面限制了運(yùn)放的輸出電流，另一方面也限制了輸出電壓的幅值，使運(yùn)放輸出電壓鉗位于+VDz與-0.7V之間，保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換通道和后續(xù)器件的安全，以免損壞電路。
該電路具有高輸入電阻、低輸出電阻、高共模抑制比的優(yōu)點(diǎn)。
圖4為A/D轉(zhuǎn)換電路及其與微控制器MCU接口電路原理框圖。本實(shí)用新型采用帶有16個(gè)模擬通道的12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)部帶有基準(zhǔn)電路，具有轉(zhuǎn)換時(shí)間短、精度高的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型的檢測(cè)板采用其中15個(gè)模擬通道，差分運(yùn)算電路輸出的電壓信號(hào)分別送至A/D轉(zhuǎn)換器的15個(gè)通道，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出給微控制器MCU。A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器MCU之間通過(guò)SPI方式通信，用光耦TLP113實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換電路與微控制器MCU之間光電隔離，供電電源隔離用DC/DC實(shí)現(xiàn)，使微控制器MCU的供電電源與A/D轉(zhuǎn)換器的供電電源彼此不共地，微控制器MCU與外圍器件隔離，避免外部噪聲干擾，確保檢測(cè)板穩(wěn)定運(yùn)行。
整個(gè)檢測(cè)裝置電路簡(jiǎn)潔、清晰，可靠性高，成本較低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃料電池堆單片電壓的高精度檢測(cè)。
最后應(yīng)說(shuō)明，本實(shí)用新型的實(shí)施僅用于說(shuō)明技術(shù)方案而非限制。以上對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，使普通技術(shù)人員也可以理解，并且其依然可以對(duì)本實(shí)用新型所揭示的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換。而一切不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍的修改和替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
本說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置，它包括多個(gè)檢測(cè)板、CAN網(wǎng)絡(luò)控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元；其特征在于燃料電池堆中的多個(gè)單片電池與一個(gè)檢測(cè)板輸入端連接，全部單片電池與多個(gè)檢測(cè)板輸入端連接，多個(gè)檢測(cè)板通過(guò)CAN1總線構(gòu)成檢測(cè)板CAN子網(wǎng)絡(luò)，CAN網(wǎng)絡(luò)控制器為雙CAN結(jié)構(gòu)，其一方與檢測(cè)板CAN1網(wǎng)絡(luò)連接，另一方與外部CAN2網(wǎng)絡(luò)連接，兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元分別與CAN網(wǎng)絡(luò)控制器連接，CAN網(wǎng)絡(luò)控制器還有RS-232和RS-485接口，通過(guò)RS-232、RS-485或CAN接口與PC機(jī)或其它設(shè)備連接。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置，其特征在于檢測(cè)板由差分運(yùn)算電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器MCU、撥碼開(kāi)關(guān)、CAN通信電路組成，其中燃料電池堆各單電池兩端直接分別與差分運(yùn)算電路連接，若干差分運(yùn)算電路分為一組，各組之間彼此隔離供電，差分運(yùn)算電路輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出端與微控制器MCU連接，微控制器MCU與CAN通信電路連接，CAN通信電路與檢測(cè)板CAN1網(wǎng)絡(luò)連接，撥碼開(kāi)關(guān)與微控制器MCU的I/O口連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置，其特征在于檢測(cè)板中的差分運(yùn)算電路是由四運(yùn)放構(gòu)成的精密運(yùn)算放大器，輸出端有限流電阻R和穩(wěn)壓管Dz構(gòu)成的限幅輸出保護(hù)電路。
4.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置，其特征在于檢測(cè)板中的A/D轉(zhuǎn)換電路中的A/D轉(zhuǎn)換芯片為一多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，檢測(cè)板中微控制器MCU與外圍A/D轉(zhuǎn)換電路及CAN通信電路之間有光電隔離電路，微控制器MCU與外圍電路有光電隔離電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種燃料電池堆單片電壓檢測(cè)裝置，它包括檢測(cè)板、CAN網(wǎng)絡(luò)控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元。其特點(diǎn)是燃料電池堆中的單電池與各檢測(cè)板輸入端連接，多個(gè)檢測(cè)板通過(guò)CAN總線構(gòu)成檢測(cè)板CAN子網(wǎng)絡(luò)，CAN網(wǎng)絡(luò)控制器為雙CAN結(jié)構(gòu)，其一方與檢測(cè)板CAN網(wǎng)絡(luò)連接，另一方與外部CAN網(wǎng)絡(luò)連接，兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲(chǔ)單元分別與CAN網(wǎng)絡(luò)控制器連接。CAN網(wǎng)絡(luò)控制器還有RS－232和RS－485接口，可通過(guò)RS－232、RS－485或CAN接口與PC機(jī)或其它設(shè)備連接。整個(gè)檢測(cè)裝置電路簡(jiǎn)潔、清晰，可靠性高，成本較低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃料電池堆單片電壓的高精度檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01R31/36GK2914100SQ20062009519
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月25日
發(fā)明者陳啟宏, 全書海, 潘牧, 楊維, 宋仲康, 鄧堅(jiān), 夏建軍, 李爽, 楊愛(ài)民 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)