專利名稱：新型可擴(kuò)展燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)，尤其涉及一種新型可擴(kuò)展燃料電池單片 電壓檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著石油能源的全球性緊張，世界各國(guó)都在大力開發(fā)各種新型能源，諸如核能、風(fēng) 能、潮汐能、太陽能等，特別是在公共交通、海洋開發(fā)、軍事裝備等領(lǐng)域，新的動(dòng)力能源顯得 尤為重要。一方面，新能源可以緩解傳統(tǒng)石油能源不足所帶來的消耗問題；另一方面，新能 源在某些方面具備傳統(tǒng)石油能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。譬如在軍事裝備領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國(guó)家的常規(guī) 潛艇已普遍采用AIP裝置增加其續(xù)航時(shí)間。德國(guó)的214型柴電潛艇，采用氫氧燃料電池的 AIP技術(shù)，可以在潛航狀態(tài)保持長(zhǎng)達(dá)3周時(shí)間，這對(duì)于提升常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)能力具有不容忽 視的意義。而在民用領(lǐng)域，裝有燃料電池的汽車，由于不像傳統(tǒng)能源會(huì)產(chǎn)生有害的廢氣，因 而在能源的清潔性上也越來越獲得城市用戶的青睞。燃料電池目前最具有代表性的是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM燃料電池)，其單片燃 料電池的理想電壓一般只有1. 2V，因而一般需要將單片燃料電池進(jìn)行串聯(lián)構(gòu)成燃料電池堆 使用。而燃料電池堆在工作過程中往往會(huì)有幾十片甚至上百片單片電池構(gòu)成，每片電池在 性能上都會(huì)有不同，可能會(huì)出現(xiàn)單片電池性能下降甚至由于擊穿等所導(dǎo)致的零電壓甚至負(fù) 電壓情況。這對(duì)于燃料電池長(zhǎng)時(shí)間可靠工作是極為不利的，因而需要一套行之有效的電壓 檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池的運(yùn)行狀況。專利申請(qǐng)?zhí)枮?0061003^87. 5的專利申請(qǐng)文件中公開了 “一種燃料電池電壓巡 回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過門電路構(gòu)成譯碼電路控制光電開關(guān)導(dǎo)通切換被測(cè)電池組，能夠基 于現(xiàn)有硬件針對(duì)特定數(shù)量的燃料電池堆進(jìn)行有效測(cè)量。但由于采用了門電路設(shè)計(jì)譯碼電 路，并且主控制器沒有網(wǎng)絡(luò)形式的通信接口，因而其可擴(kuò)展性受到了限制，不僅其自身可測(cè) 量的單片燃料電池?cái)?shù)受到已固定硬件的制約，而且不同系統(tǒng)間的協(xié)同測(cè)量也無法實(shí)現(xiàn)，這 就在很大程度上限制了這套系統(tǒng)的通用性和靈活性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新型可擴(kuò)展燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)，使得燃料電 池的檢測(cè)具備靈活可擴(kuò)展的特點(diǎn)，并且能夠可靠、安全的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由光電開關(guān)電池組切換電路、信號(hào)調(diào)理電路、輸入保護(hù)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、隔離 電源電路、CPLD切換控制電路、控制器及CAN通信電路構(gòu)成組成，其連接方式如下CPLD切 換控制電路(6)同光電開關(guān)電池組切換電路(2、9)及其余電池組切換電路相連；控制器和 CAN通信電路(7)同CPLD切換控制電路(6)、A/D轉(zhuǎn)換電路(5)相連；A/D轉(zhuǎn)換電路(5)、輸 入保護(hù)電路G)、信號(hào)調(diào)理電路⑶依次相連；光電開關(guān)電池組切換電路0、9)的輸出連接 到信號(hào)調(diào)理電路⑶的輸入端；單片電壓檢測(cè)組A組同其它測(cè)量組(10)以及上位機(jī)(11)通過CAN總線連接；隔離電源電路⑶同本組內(nèi)的各個(gè)電路部分分別相連?；诒景l(fā)明的燃料電池單片電壓檢測(cè)方法為(1)控制器給出控制信號(hào)，之后經(jīng)過CPLD譯碼電路產(chǎn)生選通信號(hào)控制相應(yīng)的燃料 電池堆組切入測(cè)量電路；(2)信號(hào)調(diào)理電路首先通過集成儀表放大器對(duì)輸入的差模信號(hào)進(jìn)行處理，而后的 由運(yùn)放構(gòu)成的偏置電路主要用于克服可能產(chǎn)生的負(fù)壓信號(hào)，而之后的電阻分壓電路則用于 調(diào)整輸出信號(hào)到A/D轉(zhuǎn)換電路可測(cè)量的范圍內(nèi)； (3)輸入保護(hù)電路主要是限制A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端的電壓幅值，保護(hù)輸入端不被 損壞；(4)A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)輸入模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；(5)控制器在接收到A/D轉(zhuǎn)換電路傳來的數(shù)字量后，對(duì)其進(jìn)行處理、保存等操作， 并在之后給出控制信號(hào)，通過CPLD關(guān)閉本組被測(cè)燃料電池堆，并切入下組待測(cè)燃料電池 堆。(6)CAN總線通信電路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互，將測(cè)得的單片電壓數(shù)據(jù)發(fā)送出去。本發(fā)明的方法還可以包括1、所述的具有CAN總線接口的上位機(jī)。2、所述的控制器對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路傳來的數(shù)字量的濾波和擬合處理。濾波方法主要采用去野值的均值濾波的方法，在減少計(jì)算量的同時(shí)保證能夠有效 利用已有測(cè)量數(shù)據(jù)。擬合處理主要是使用直線擬合的方法，擬合出一條最適合該測(cè)量通道 的直線，從而提高測(cè)量的精度。與現(xiàn)有發(fā)明相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)采用CPLD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立器件構(gòu)成譯碼電路，模塊化的光電開關(guān)電池組切換電 路結(jié)合CPLD的可編程特性增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；同時(shí)吸收了 CAN總線使得不同測(cè)量系統(tǒng) 能夠組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)展了測(cè)量系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。與此同時(shí)，由于采用了隔離電源電路 供電，并配有輸入保護(hù)電路，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也有了足夠的保障。

圖1為新型可擴(kuò)展燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為光電開關(guān)電池組切換電路；圖3a為信號(hào)調(diào)理電路中集成儀表放大器電路，圖北為信號(hào)調(diào)理電路中運(yùn)算放大 器部分、電阻分壓部分以及輸入保護(hù)電路；圖4為A/D轉(zhuǎn)換電路；圖5為CPLD切換控制電路；圖6為控制器和CAN通信電路；圖7隔離電源電路。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述1、新型可擴(kuò)展燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖[0030]如圖1所示，本發(fā)明主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成光電開關(guān)電池組切換電路O)，信 號(hào)調(diào)理電路(3)，輸入保護(hù)電路(4)，A/D轉(zhuǎn)換電路(5)，CPLD切換控制電路(6)，控制器和 CAN通信電路(7)，隔離電源電路(8)。上述組成分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，并在控制器的統(tǒng)一調(diào) 度下完成工作。燃料電池堆組(1)的每片燃料電池的兩端連接到光電開關(guān)電池組切換電路(2)的 輸入端；光電開關(guān)電池組切換電路⑵的控制端接到CPLD切換控制電路(6)的輸出端；光 電開關(guān)電池組切換電路⑵的輸出端接到信號(hào)調(diào)理電路⑶的輸入端；信號(hào)調(diào)理電路⑶ 的輸出端接到輸入保護(hù)電路⑷的輸入端；輸入保護(hù)電路⑷的輸出端接到A/D轉(zhuǎn)換電路 (5)的輸入端；A/D轉(zhuǎn)換電路(5)的輸出端接到控制器和CAN通信電路(7)的SPI接口上； 控制器和CAN通信電路(7)的輸出GPIO接口同CPLD切換控制電路(6)的輸入接口相連； 控制器和CAN通信電路(7)的CAN總線接口連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)上；隔離電源電路(8)的 輸入由燃料電池堆組(1)提供；隔離電源電路(8)的輸出同各個(gè)電路部分相連，作為各電路 的供電電源。2、光電開關(guān)電池組切換電路圖2所示為光電開關(guān)電池組切換電路。采用AQW214H型高速光電開關(guān)，最高開關(guān) 速率可達(dá)800ns，可以有效保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；光電開關(guān)的輸入控制端采用PNP型三極管作 為開關(guān)控制器件，控制光電開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)閉。圖中RA3上拉電阻的作用是保證在上電伊始， 三極管處于斷開狀態(tài)，從而保證不會(huì)發(fā)生短路意外。3、信號(hào)調(diào)理電路圖3a所示為信號(hào)調(diào)理電路的集成儀表放大器電路部分。為了保證儀表放大器的 性能，這里選用INA128P集成儀表放大器，同分立運(yùn)放搭建的儀表放大器相比，INA128P具 有輸入共模阻抗高、電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。圖北所示為信號(hào)調(diào)理電路的運(yùn)算放大器電路部分、電阻分壓部分以及輸入保護(hù) 電路部分。運(yùn)算放大器構(gòu)成加法電路，相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)增加偏置，從而將輸入信號(hào)可能存 在的負(fù)壓情況轉(zhuǎn)換到正電壓范圍內(nèi)；電阻分壓部分通過兩個(gè)金膜精密電阻實(shí)現(xiàn)分壓，將輸 入信號(hào)控制到A/D轉(zhuǎn)換電路可承受的范圍內(nèi)；采用金膜電阻的好處是其溫漂小，不易受外 界溫度影響；輸入保護(hù)電路采用穩(wěn)壓二極管限制A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓，從而保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器 輸入端口不會(huì)被損壞。4、A/D轉(zhuǎn)換電路圖4所示為A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的采樣率為200KSPS，12位 A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的輸入端同信號(hào)調(diào)理電路的輸入相連，SPI接口同控制器的SPI相連。5、CPLD切換控制電路圖5所示為CPLD切換控制電路。CPLD采用ALTERA公司的EMP1270芯片，該芯片 共有116路可編程10，除8路接口同控制器相連外，其余均可作為光電開關(guān)電池組切換電路 的選通信號(hào)。由于CPLD的可編程特性，其IO連接是非常靈活的，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)電池 組數(shù)靈活配置。 6、控制器和CAN通信電路 圖6所示為控制器和CAN通信電路?？刂破鞑捎肨I公司的TMS320F2810數(shù)字信 號(hào)處理器，其GPIOA 口的8路通用IO同CPLD的IO接口相連；用以提供控制信號(hào)，SPI接口
5同串行A/D轉(zhuǎn)換器相連；TMS320F2810本身具有增強(qiáng)型CAN總線接口，其經(jīng)過SN65HVD230接 口芯片連接后直接同CAN網(wǎng)絡(luò)相連。7、隔離電源電路圖7所示為隔離電源電路。隔離電源電路主要采用隔離型電源模塊實(shí)現(xiàn)供電， LH10-10C0515-02型隔離電源模塊可以接受交流和直流電源輸入，從而保證系統(tǒng)的靈活性。 本系統(tǒng)工作時(shí)輸入是從燃料電池堆組獲得的，隔離電源模塊能夠良好的起到將測(cè)量電路同 電池堆組的隔離作用，同時(shí)保證能夠?yàn)闇y(cè)量電路提供穩(wěn)定的電源。
權(quán)利要求1.新型可擴(kuò)展燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)，由光電開關(guān)電池組切換電路、信號(hào)調(diào)理電 路、輸入保護(hù)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、隔離電源電路、CPLD切換控制電路、控制器及CAN通信電 路構(gòu)成組成，其特征在于CPLD切換控制電路(6)同光電開關(guān)電池組切換電路(2、9)及其 余電池組切換電路相連；控制器和CAN通信電路(7)同CPLD切換控制電路(6)、A/D轉(zhuǎn)換電 路(5)相連；A/D轉(zhuǎn)換電路(5)、輸入保護(hù)電路G)、信號(hào)調(diào)理電路(3)依次相連；光電開關(guān) 電池組切換電路0、9)的輸出連接到信號(hào)調(diào)理電路(3)的輸入端；單片電壓檢測(cè)組A組同 其它測(cè)量組(10)以及上位機(jī)(11)通過CAN總線連接；隔離電源電路⑶同本組內(nèi)的各個(gè) 電路部分分別相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型可擴(kuò)展燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 CPLD切換控制電路的可編程IO接口同多個(gè)光電開關(guān)電池組切換電路的控制輸入端相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種新型可擴(kuò)展的燃料電池單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由光電開關(guān)電池組切換電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路、CPLD切換控制電路、隔離電源電路、控制器及CAN通信電路構(gòu)成。系統(tǒng)具備獨(dú)立檢測(cè)和同其他同類系統(tǒng)組網(wǎng)檢測(cè)的能力。由于采用了CPLD控制電池組切換而非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的分立門電路器件，并對(duì)電池組切換電路采用了模塊化設(shè)計(jì)，因而系統(tǒng)本身具備靈活的擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要按組增減電池組，而不需要改動(dòng)硬件。電池組切換電路負(fù)責(zé)切換不同電池組信號(hào)進(jìn)入被測(cè)電路，信號(hào)調(diào)理電路將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換到A/D轉(zhuǎn)換電路可測(cè)量的范圍內(nèi)，控制器處理得到的數(shù)據(jù)并通過CAN總線發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，保護(hù)電路主要是用于提高系統(tǒng)的可靠性。本實(shí)用新型具有測(cè)量電路可擴(kuò)展、可靠性高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK201903578SQ20102026180
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者馮銀鵬, 劉鐵強(qiáng), 吳越媛, 常賽, 李源, 李雪峰, 楊偉, 樊奔, 高川 申請(qǐng)人:樊奔