專利名稱：一種燃料電池堆單片電壓檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種串聯(lián)電源各單體電壓檢測裝置，特別是一種燃料電池堆單片電壓檢測裝置。
背景技術：
燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置，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)結構，在燃料電池堆運行過程中，單片電池的異常會影響整個電堆的性能與安全，需要實時檢測各單片電池電壓，顯示存儲電壓數(shù)據(jù)，并將電壓數(shù)據(jù)傳給燃料電池發(fā)動機主控制器，維護電堆的運行安全；或將電壓數(shù)據(jù)傳給PC機，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，單片電壓測量存在累積電勢的問題。目前，燃料電池單片電壓檢測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口或外擴譯碼器作繼電器選通切換，系統(tǒng)成本高，結構復雜；采用電阻分壓和多路模擬開關的方法會使測量精度達不到要求，且大量的分壓電阻會影響電堆的性能。
發(fā)明內容
本實用新型的主要目的在于采用更加簡單可靠的電路，以提高燃料電池單片電壓測量的精確性和可靠性，提供一種燃料電池堆單片電壓檢測裝置，以克服上述的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案是該燃料電池堆單片電壓檢測裝置包括多個檢測板、CAN(控制局域網(wǎng))網(wǎng)絡控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元。其特點是燃料電池堆中的多個單片電池與一個檢測板輸入端連接，全部單片電池與多個檢測板輸入端連接，多個檢測板通過CAN1總線構成檢測板CAN子網(wǎng)絡，CAN網(wǎng)絡控制器為雙CAN結構，其一方與檢測板CAN1網(wǎng)絡連接，另一方與外部CAN2網(wǎng)絡連接，兩個CAN網(wǎng)絡彼此獨立，構成網(wǎng)絡拓撲結構。鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元分別與CAN網(wǎng)絡控制器連接，CAN網(wǎng)絡控制器還有RS-232和RS-485接口，通過RS-232、RS-485或CAN接口與PC機或其它設備連接。
上述檢測板由差分運算電路、A/D轉換電路、光電隔離電路、微控制器MCU、撥碼開關、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算電路連接，若干差分運算電路分為一組，各組之間彼此隔離供電，差分運算電路輸出端與A/D轉換電路輸入端連接，A/D轉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通信電路與檢測板CAN1網(wǎng)絡連接，有一個撥碼開關與微控制器MCU的I/O口連接。
上述檢測板中的差分運算電路是由四運放構成的精密運算放大器，輸出端有限流電阻R和穩(wěn)壓管Dz構成的限幅輸出保護電路。
上述檢測板中的A/D轉換電路中的A/D轉換芯片為一多通道模數(shù)轉換芯片，檢測板中微控制器MCU與外圍A/D轉換電路及CAN通信電路之間有光電隔離電路，微控制器MCU與外圍電路實現(xiàn)光電隔離。
上述檢測板中的微控制器MCU通過CAN總線與其它各檢測板構成檢測板CAN子網(wǎng)絡，通過撥碼開關設定各檢測板的ID號。
本實用新型的有益效果是用簡單可靠的電路，根據(jù)所測單片數(shù)目，增減檢測板的個數(shù)即可完成整個電堆單片電壓的精確檢測。與現(xiàn)有技術比較，本實用新型結構簡單、可靠性高、成本低、元件少、精確度高，在測量中也不會影響電堆的性能。
圖1為本實用新型的結構框圖。
圖2為本實用新型的檢測板的原理框圖。
圖3為本實用新型的四運放構成的精密差分運算電路原理圖。
圖4為本實用新型的A/D轉換電路及其與微控制器MCU接口電路原理框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。
圖1所示為燃料電池堆單片電壓檢測裝置的結構框圖。它包括檢測板、CAN網(wǎng)絡控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元。燃料電池堆與各檢測板輸入端連接，多個檢測板通過CAN1總線構成檢測板CAN子網(wǎng)絡，CAN網(wǎng)絡控制器為雙CAN結構，其一方與檢測板CAN1網(wǎng)絡連接，另一方與外部CAN2網(wǎng)絡連接，兩個CAN網(wǎng)絡彼此獨立，構成網(wǎng)絡拓撲結構。鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元分別與CAN網(wǎng)絡控制器連接。CAN網(wǎng)絡控制器還有RS-232和RS-485接口，可通過RS-232、RS-485或CAN接口與PC機或其它設備連接。
圖2為檢測板的原理框圖。檢測板由差分運算電路、A/D轉換電路、光電隔離電路、微控制器MCU、撥碼開關、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算電路連接，按單片電壓最大累積電勢的大小和差分運算電路的運放芯片耐壓值要求，若干差分運算電路分為一組，各組之間彼此隔離供電。差分運算電路輸出端與A/D轉換電路輸入端連接，A/D轉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通信電路與檢測板CAN網(wǎng)絡連接，撥碼開關與微控制器MCU的I/O口連接。
圖3為四運放構成的精密差分運算放大器電路。各個串聯(lián)電池兩端的電壓經(jīng)過差分運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為差模小信號，并含有較大的共模部分，其數(shù)值有時遠大于差模信號。因此，要求放大器應具有較強的抑制共模信號的能力?？蛇x用差分集成儀表放大器，考慮到每個單片電池都要配備一個差分集成儀表放大器，系統(tǒng)成本高，本實用新型采用四個通用運放構成精密差分運算放大電路。如圖3所示，電路由A、B、C、D四個運放和電阻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Uid＝Ui2-Ui1，則Uo4=R6R4(1+2R1R2)Uid]]>當Ui1＝Ui2時，輸出電壓Uo4＝0?？梢婋娐贩糯蟛钅Ｐ盘枺种乒材Ｐ盘?。當輸入信號中含有共模噪聲時，也將被抑制。
運放D的輸出端為限幅輸出保護電路，由限流電阻R8與穩(wěn)壓管Dz組成，它一方面限制了運放的輸出電流，另一方面也限制了輸出電壓的幅值，使運放輸出電壓鉗位于+VDz與-0.7V之間，保護A/D轉換通道和后續(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。
圖4為A/D轉換電路及其與微控制器MCU接口電路原理框圖。本實用新型采用帶有16個模擬通道的12位分辨率的A/D轉換器，芯片內部帶有基準電路，具有轉換時間短、精度高的優(yōu)點。本實用新型的檢測板采用其中15個模擬通道，差分運算電路輸出的電壓信號分別送至A/D轉換器的15個通道，A/D轉換結果輸出給微控制器MCU。A/D轉換器與微控制器MCU之間通過SPI方式通信，用光耦TLP113實現(xiàn)A/D轉換電路與微控制器MCU之間光電隔離，供電電源隔離用DC/DC實現(xiàn)，使微控制器MCU的供電電源與A/D轉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，確保檢測板穩(wěn)定運行。
整個檢測裝置電路簡潔、清晰，可靠性高，成本較低，可擴展性強，能夠實現(xiàn)對燃料電池堆單片電壓的高精度檢測。
最后應說明，本實用新型的實施僅用于說明技術方案而非限制。以上對本實用新型進行了詳細說明，使普通技術人員也可以理解，并且其依然可以對本實用新型所揭示的技術方案進行修改或者等同替換。而一切不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍的修改和替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
權利要求1.一種燃料電池堆單片電壓檢測裝置，它包括多個檢測板、CAN網(wǎng)絡控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元；其特征在于燃料電池堆中的多個單片電池與一個檢測板輸入端連接，全部單片電池與多個檢測板輸入端連接，多個檢測板通過CAN1總線構成檢測板CAN子網(wǎng)絡，CAN網(wǎng)絡控制器為雙CAN結構，其一方與檢測板CAN1網(wǎng)絡連接，另一方與外部CAN2網(wǎng)絡連接，兩個CAN網(wǎng)絡彼此獨立，構成網(wǎng)絡拓撲結構，鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元分別與CAN網(wǎng)絡控制器連接，CAN網(wǎng)絡控制器還有RS-232和RS-485接口，通過RS-232、RS-485或CAN接口與PC機或其它設備連接。
2.如權利要求1所述的燃料電池堆單片電壓檢測裝置，其特征在于檢測板由差分運算電路、A/D轉換電路、微控制器MCU、撥碼開關、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算電路連接，若干差分運算電路分為一組，各組之間彼此隔離供電，差分運算電路輸出端與A/D轉換電路輸入端連接，A/D轉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通信電路與檢測板CAN1網(wǎng)絡連接，撥碼開關與微控制器MCU的I/O口連接。
3.如權利要求1或2所述的燃料電池堆單片電壓檢測裝置，其特征在于檢測板中的差分運算電路是由四運放構成的精密運算放大器，輸出端有限流電阻R和穩(wěn)壓管Dz構成的限幅輸出保護電路。
4.如權利要求1或2所述的燃料電池堆單片電壓檢測裝置，其特征在于檢測板中的A/D轉換電路中的A/D轉換芯片為一多通道模數(shù)轉換芯片，檢測板中微控制器MCU與外圍A/D轉換電路及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。
專利摘要本實用新型涉及一種燃料電池堆單片電壓檢測裝置，它包括檢測板、CAN網(wǎng)絡控制器、鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元。其特點是燃料電池堆中的單電池與各檢測板輸入端連接，多個檢測板通過CAN總線構成檢測板CAN子網(wǎng)絡，CAN網(wǎng)絡控制器為雙CAN結構，其一方與檢測板CAN網(wǎng)絡連接，另一方與外部CAN網(wǎng)絡連接，兩個CAN網(wǎng)絡彼此獨立，構成網(wǎng)絡拓撲結構。鍵盤及液晶顯示單元、USB存儲單元分別與CAN網(wǎng)絡控制器連接。CAN網(wǎng)絡控制器還有RS－232和RS－485接口，可通過RS－232、RS－485或CAN接口與PC機或其它設備連接。整個檢測裝置電路簡潔、清晰，可靠性高，成本較低，可擴展性強，能夠實現(xiàn)對燃料電池堆單片電壓的高精度檢測。
文檔編號G01R31/36GK2914100SQ20062009519
公開日2007年6月20日 申請日期2006年1月25日 優(yōu)先權日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, 夏建軍, 李爽, 楊愛民 申請人:武漢理工大學