新型可扩展燃料电池单片电压检测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种新型可扩展的燃料电池单片电压检测系统。系统由光电开关电池组切换电路、信号调理电路、Ａ／Ｄ转换电路、保护电路、ＣＰＬＤ切换控制电路、隔离电源电路、控制器及ＣＡＮ通信电路构成。系统具备独立检测和同其他同类系统组网检测的能力。由于采用了ＣＰＬＤ控制电池组切换而非传统设计中的分立门电路器件，并对电池组切换电路采用了模块化设计，因而系统本身具备灵活的扩展性，可以根据需要按组增减电池组，而不需要改动硬件。电池组切换电路负责切换不同电池组信号进入被测电路，信号调理电路将被测信号转换到Ａ／Ｄ转换电路可测量的范围内，控制器处理得到的数据并通过ＣＡＮ总线发送到网络上，保护电路主要是用于提高系统的可靠性。本实用新型专利技术具有测量电路可扩展、可靠性高的特点。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池单片电压检测系统，尤其涉及一种新型可扩展燃料电池单片 电压检测系统。
技术介绍
随着石油能源的全球性紧张，世界各国都在大力开发各种新型能源，诸如核能、风 能、潮汐能、太阳能等，特别是在公共交通、海洋开发、军事装备等领域，新的动力能源显得 尤为重要。一方面，新能源可以缓解传统石油能源不足所带来的消耗问题；另一方面，新能 源在某些方面具备传统石油能源所不具备的优点。譬如在军事装备领域，发达国家的常规 潜艇已普遍采用AIP装置增加其续航时间。德国的214型柴电潜艇，采用氢氧燃料电池的 AIP技术，可以在潜航状态保持长达3周时间，这对于提升常规潜艇的作战能力具有不容忽 视的意义。而在民用领域，装有燃料电池的汽车，由于不像传统能源会产生有害的废气，因 而在能源的清洁性上也越来越获得城市用户的青睐。燃料电池目前最具有代表性的是质子交换膜燃料电池(PEM燃料电池)，其单片燃 料电池的理想电压一般只有1. 2V，因而一般需要将单片燃料电池进行串联构成燃料电池堆 使用。而燃料电池堆在工作过程中往往会有几十片甚至上百片单片电池构成，每片电池在 性能上都会有不同，可能会出现单片电池性能下降甚至由于击穿等所导致的零电压甚至负 电压情况。这对于燃料电池长时间可靠工作是极为不利的，因而需要一套行之有效的电压 检测系统来实时监测燃料电池的运行状况。专利申请号为20061003^87. 5的专利申请文件中公开了 “一种燃料电池电压巡 回监测系统”。该系统通过门电路构成译码电路控制光电开关导通切换被测电池组，能够基 于现有硬件针对特定数量的燃料电池堆进行有效测量。但由于采用了门电路设计译码电 路，并且主控制器没有网络形式的通信接口，因而其可扩展性受到了限制，不仅其自身可测 量的单片燃料电池数受到已固定硬件的制约，而且不同系统间的协同测量也无法实现，这 就在很大程度上限制了这套系统的通用性和灵活性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，使得燃料电 池的检测具备灵活可扩展的特点，并且能够可靠、安全的实现实时测量。本专利技术的目的是这样实现的由光电开关电池组切换电路、信号调理电路、输入保护电路、A/D转换电路、隔离 电源电路、CPLD切换控制电路、控制器及CAN通信电路构成组成，其连接方式如下CPLD切 换控制电路(6)同光电开关电池组切换电路(2、9)及其余电池组切换电路相连；控制器和 CAN通信电路(7)同CPLD切换控制电路(6)、A/D转换电路(5)相连；A/D转换电路(5)、输 入保护电路G)、信号调理电路⑶依次相连；光电开关电池组切换电路0、9)的输出连接 到信号调理电路⑶的输入端；单片电压检测组A组同其它测量组(10)以及上位机(11)通过CAN总线连接；隔离电源电路⑶同本组内的各个电路部分分别相连。基于本专利技术的燃料电池单片电压检测方法为(1)控制器给出控制信号，之后经过CPLD译码电路产生选通信号控制相应的燃料 电池堆组切入测量电路；(2)信号调理电路首先通过集成仪表放大器对输入的差模信号进行处理，而后的 由运放构成的偏置电路主要用于克服可能产生的负压信号，而之后的电阻分压电路则用于 调整输出信号到A/D转换电路可测量的范围内； (3)输入保护电路主要是限制A/D转换电路输入端的电压幅值，保护输入端不被 损坏；(4)A/D转换电路实现输入模拟信号向数字信号的转换；(5)控制器在接收到A/D转换电路传来的数字量后，对其进行处理、保存等操作， 并在之后给出控制信号，通过CPLD关闭本组被测燃料电池堆，并切入下组待测燃料电池 堆。(6)CAN总线通信电路负责数据交互，将测得的单片电压数据发送出去。本专利技术的方法还可以包括1、所述的具有CAN总线接口的上位机。2、所述的控制器对A/D转换电路传来的数字量的滤波和拟合处理。滤波方法主要采用去野值的均值滤波的方法，在减少计算量的同时保证能够有效 利用已有测量数据。拟合处理主要是使用直线拟合的方法，拟合出一条最适合该测量通道 的直线，从而提高测量的精度。与现有专利技术相比，本专利技术具有如下优点采用CPLD代替传统的分立器件构成译码电路，模块化的光电开关电池组切换电 路结合CPLD的可编程特性增强了系统的可扩展性；同时吸收了 CAN总线使得不同测量系统 能够组网的优点，进一步扩展了测量系统的扩展能力。与此同时，由于采用了隔离电源电路 供电，并配有输入保护电路，系统的可靠性和稳定性也有了足够的保障。附图说明图1为新型可扩展燃料电池单片电压检测系统的总体结构框图；图2为光电开关电池组切换电路；图3a为信号调理电路中集成仪表放大器电路，图北为信号调理电路中运算放大 器部分、电阻分压部分以及输入保护电路；图4为A/D转换电路；图5为CPLD切换控制电路；图6为控制器和CAN通信电路；图7隔离电源电路。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做更详细地描述1、新型可扩展燃料电池单片电压检测系统的总体结构框图如图1所示，本专利技术主要由以下几个部分构成光电开关电池组切换电路O)，信 号调理电路(3)，输入保护电路(4)，A/D转换电路(5)，CPLD切换控制电路(6)，控制器和 CAN通信电路(7)，隔离电源电路(8)。上述组成分别实现不同的功能，并在控制器的统一调 度下完成工作。燃料电池堆组(1)的每片燃料电池的两端连接到光电开关电池组切换电路(2)的 输入端；光电开关电池组切换电路⑵的控制端接到CPLD切换控制电路(6)的输出端；光 电开关电池组切换电路⑵的输出端接到信号调理电路⑶的输入端；信号调理电路⑶ 的输出端接到输入保护电路⑷的输入端；输入保护电路⑷的输出端接到A/D转换电路 (5)的输入端；A/D转换电路(5)的输出端接到控制器和CAN通信电路(7)的SPI接口上； 控制器和CAN通信电路(7)的输出GPIO接口同CPLD切换控制电路(6)的输入接口相连； 控制器和CAN通信电路(7)的CAN总线接口连接到CAN总线网络上；隔离电源电路(8)的 输入由燃料电池堆组(1)提供；隔离电源电路(8)的输出同各个电路部分相连，作为各电路 的供电电源。2、光电开关电池组切换电路图2所示为光电开关电池组切换电路。采用AQW214H型高速光电开关，最高开关 速率可达800ns，可以有效保证系统的实时性；光电开关的输入控制端采用PNP型三极管作 为开关控制器件，控制光电开关导通和关闭。图中RA3上拉电阻的作用是保证在上电伊始， 三极管处于断开状态，从而保证不会发生短路意外。3、信号调理电路图3a所示为信号调理电路的集成仪表放大器电路部分。为了保证仪表放大器的 性能，这里选用INA128P集成仪表放大器，同分立运放搭建的仪表放大器相比，INA128P具 有输入共模阻抗高、电路简单、可靠性高等优点。图北所示为信号调理电路的运算放大器电路部分、电阻分压部分以及输入保护 电路部分。运算放大器构成加法电路，相当于对输入信号增加偏置，从而将输入信号可能存 在的负压情况转换到正电压范围内；电阻分压部分通过两个金膜精密电阻实现分压，将输 入信号控制到A/D转换电路可承受的范围内；采用金膜电阻的好处是其温漂小，不易受外 界温度影响；输入保护电路采用稳压二极管限制A/D转换器输入电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．新型可扩展燃料电池单片电压检测系统，由光电开关电池组切换电路、信号调理电路、输入保护电路、Ａ／Ｄ转换电路、隔离电源电路、ＣＰＬＤ切换控制电路、控制器及ＣＡＮ通信电路构成组成，其特征在于：ＣＰＬＤ切换控制电路（６）同光电开关电池组切换电路（２、９）及其余电池组切换电路相连；控制器和ＣＡＮ通信电路（７）同ＣＰＬＤ切换控制电路（６）、Ａ／Ｄ转换电路（５）相连；Ａ／Ｄ转换电路（５）、输入保护电路（４）、信号调理电路（３）依次相连；光电开关电池组切换电路（２、９）的输出连接到信号调理电路（３）的输入端；单片电压检测组Ａ组同其它测量组（１０）以及上位机（１１）通过ＣＡＮ总线连接；隔离电源电路（８）同本组内的各个电路部分分别相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：樊奔，李雪峰，李源，高川，常赛，吴越媛，刘铁强，冯银鹏，杨伟，
申请(专利权)人：樊奔，
类型：实用新型
国别省市：93[中国|哈尔滨]