一种燃料电池用电压巡检装置

技术领域

本发明涉及燃料电池生产加工技术领域，具体涉及一种燃料电池用电压巡检装置。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高，同时燃料电池用燃料和氧气作为原料，且没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。其中，质子交换膜燃料电池（以下简称燃料电池）有望成为汽车的主要动力源，进入普通人的生活。燃料电池正常工作时，单片电压通常在0.7V左右，开路电压一般小于1V。因此，实际应用中往往采用多片串联的方式提高电压。为了保证电池安全和提高效率，对单片电压的实时监控是必要的。目前的电压巡检方案普遍价格较高，巡检速度不理想，扩展不够灵活，单通道电压范围较小。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池用电压巡检装置。

本发明采用如下方案实现：

一种燃料电池用电压巡检装置，包括：

微处理器，用于电压测量、控制各组成部件及对外通讯；

运算放大器，与所述微处理器连接，所述微处理器控制运算放大器按一定的规律轮流与燃料电池的各单片电池正负极进行电连接；

隔离电子开关，与所述运算放大器连接，所述隔离电子开关的输出端按一定规律与所述运算放大器的输入端连接；

巡检接口，与所述隔离电子开关连接，所述巡检接口用于连接燃料电池，与燃料电池各单片电池的正负极连接；

隔离电源，所述微处理器、精密整流电路、运算放大器、隔离电子开关均与所述隔离电源连接。

进一步的，所述燃料电池用电压巡检装置还包括精密整流电路，所述精密整流电路连接于与所述微处理器和运算放大器之间，所述精密整流电路的输入端与运算放大器的输出端连接，精密整流电路用于将负电压转换为正电压，并对电压幅值进行缩放。

进一步的，所述精密整流电路包括整流电路和跟随限位电路。

进一步的，所述燃料电池用电压巡检装置还包括一辨向电路，所述精密整流电路、微处理器、运算放大器均与辨向电路连接，所述辨向电路的输入端与运算放大器的输出端连接，用于指示被测量电压的正负极性。

进一步的，所述微处理器还连接有隔离CAN，所述隔离CAN将巡检电压数据发送到外部目标。

进一步的，所述微处理器与所述隔离电子开关之间还连接有一译码器，所述微处理器通过所述译码器控制所述隔离电子开关，所述微处理器的输出端与所述译码器连接，所述译码器的输出引脚与隔离电子开关的控制端电连接。

进一步的，所述隔离电子开关的数量不少于燃料电池的单片电池数量。

进一步的，所述微处理器采用STM32。

进一步的，所述巡检接口采用Molex 43045连接器。

对比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的微处理器控制隔离电子开关的导通，轮流将各单片电池的正负极连接到运算放大器的输入端进行电压测量，运算放大器的输出电压经过整流后由微处理器进行模数转换，并根据辨向电路得到单电池的正负极性，最后通过隔离的CAN总线将巡检电压数据发送出去，从而在具有同等精度的情况下，本发明降低了成本，加快了巡检速度，同时可以进行灵活扩展，调节单通道电压范围，从而适应不同的使用需求，泛用性强。

附图说明

图1为本发明提供的一种燃料电池用电压巡检装置的结构示意图。

图中包括有：

微处理器1、运算放大器2、隔离电子开关3、巡检接口4、隔离电源5、精密整流电路6、辨向电路7、隔离CAN 8、译码器9。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参照图1，本发明提供的一种燃料电池用电压巡检装置，包括：微处理器1、运算放大器2、隔离电子开关3、巡检接口、译码器9、隔离CAN 8、隔离电源5、精密整流电路6、辨向电路7。

其中，微处理器1，用于电压测量、控制各组成部件及对外通讯。本实施例中，所述微处理器1采用STM32系列的芯片,本实施例中采用STM32F103C8，当然此处仅是举例说明，并不具体限制使用该型号芯片，具体实施时可依据具体需求选择合适型的芯片。

运算放大器2，与所述微处理器1连接，所述微处理器1控制运算放大器2按一定的规律轮流与燃料电池的各单片电池正负极进行电连接，保证任意单电池的正负极均可以通过隔离电子开关3的选择性导通连接到运算放大器2的同相、反相输入端；运算放大器2具有高共模输入特性，能承受巡检接口的最大电压差。运算放大器2在本实施例中表示高共模特性的仪表放大器，其增益为1。本实施例中运算放大器采用AD8479，当然此处仅是举例说明，并不具体限制使用该型号，具体实施时可依据具体需求选择合适型的型号。

隔离电子开关3，与所述运算放大器2连接，所述隔离电子开关3的输出端按一定规律与所述运算放大器2的输入端连接，微处理器1通过控制隔离电子开关3的通断，使运算放大器2按一定的规律轮流与各单电池正负极进行电连接，运算放大器2的输出经过整流后连接到微处理器1的模数转换引脚，微处理器1同步采集辨向电路7的高低电平信号。所述隔离电子开关3的数量不少于燃料电池的单片电池数量，本实施例中，隔离电子开关3的数量和燃料电池单片电池数量一致，采用双路PhotoMos芯片，内部通过光耦合的方式控制导通与断开。

巡检接口，与所述隔离电子开关3连接，所述巡检接口用于连接燃料电池，与燃料电池各单片电池的正负极连接。本实施例中，所述巡检接口采用Molex 43045连接器，共有63个测量通道，可实现63通道电压巡检。

隔离电源5，所述微处理器1、精密整流电路6、运算放大器2、隔离电子开关3均与所述隔离电源5连接，隔离电源5是用于向各个组成部件供电的。隔离电源5可采用DC-DC芯片和外围电路实现，或采用隔离DC-DC模块，本实施例采用后者。

所述燃料电池用电压巡检装置还包括精密整流电路6，所述精密整流电路6连接于与所述微处理器1和运算放大器2之间，所述精密整流电路6的输入端与运算放大器2的输出端连接，精密整流电路6用于将负电压转换为正电压，并对电压幅值进行缩放。

所述精密整流电路6包括整流电路和跟随限位电路，整个电路只需要3个普通运算放大器即可实现。

所述燃料电池用电压巡检装置还包括一辨向电路7，所述精密整流电路6、微处理器1、运算放大器2均与辨向电路7连接，所述辨向电路7的输入端与运算放大器2的输出端连接，用于指示被测量电压的正负极性。具体地说，辨向电路7用于指示被整流电路处理掉的电压极性信息，可用运放或比较器或分立器件实现。

所述微处理器1还连接有隔离CAN 8，所述隔离CAN 8将巡检电压数据发送到外部目标，具体地说，是发送到外部目标主机。隔离CAN 8可采用隔离的CAN通讯芯片，或普通通讯芯片，再对TTL信号进行隔离，本实施例采用后者。为了增大总线吞吐量，在具体实施时，隔离CAN 8也可用隔离的CAN FD代替。本实施例中，隔离CAN采用CAN芯片（SN65HVD230）和数字隔离芯片（ADuM1281），当然此处仅是举例说明，并不具体限制使用该型号，具体实施时可依据具体需求选择合适型的型号。

所述微处理器1与所述隔离电子开关3之间还连接有一译码器9，所述微处理器1通过所述译码器9控制所述隔离电子开关3，所述微处理器1的输出端与所述译码器9连接，所述译码器9的输出引脚与隔离电子开关3的控制端电连接，精简控制引脚数量。译码器9可采用普通的译码器9芯片和非门实现，本实施例采用8个3-8译码器9，分为2组，每组4个，分别控制运算放大器2的同相端与反向端的导通/断开。

本实施例可实现63通道电压巡检，巡检速率20Hz以上，每通道电压±3.3V，误差≤±1mV，同时只需要更改本实施例中精密整流电路6的电阻值即可改变单通道电压测量范围。另外，通过减少燃料电池用电压巡检装置的通道数量，增加装置数量，可进一步提高巡检速率。

实施例2

本发明提供的一种燃料电池用电压巡检装置，包括：微处理器1、运算放大器2、隔离电子开关3、巡检接口、译码器9、隔离CAN 8、隔离电源5。

其中，微处理器1，用于电压测量、控制各组成部件及对外通讯。本实施例中，所述微处理器1采用STM32系列的芯片。

运算放大器2，与所述微处理器1连接，所述微处理器1控制运算放大器2按一定的规律轮流与燃料电池的各单片电池正负极进行电连接，保证任意单电池的正负极均可以通过隔离电子开关3的选择性导通连接到运算放大器2的同相、反相输入端；运算放大器2具有高共模输入特性，能承受巡检接口的最大电压差。运算放大器2在本实施例中表示高共模特性的仪表放大器，其增益为1。

隔离电子开关3，与所述运算放大器2连接，所述隔离电子开关3的输出端按一定规律与所述运算放大器2的输入端连接，微处理器1通过控制隔离电子开关3的通断，使运算放大器2按一定的规律轮流与各单电池正负极进行电连接，运算放大器2内部自带偏置电路，其输出端与微处理器1的模数转换引脚相连。所述隔离电子开关3的数量不少于燃料电池的单片电池数量，本实施例中，隔离电子开关3的数量和燃料电池单片电池数量一致，采用双路PhotoMos芯片，内部通过光耦合的方式控制导通与断开。

巡检接口，与所述隔离电子开关3连接，所述巡检接口用于连接燃料电池，与燃料电池各单片电池的正负极连接。本实施例中，所述巡检接口采用Molex 43045连接器，共有63个测量通道，可实现63通道电压巡检。

隔离电源5，所述微处理器1、精密整流电路6、运算放大器2、隔离电子开关3均与所述隔离电源5连接，隔离电源5是用于向各个组成部件供电的。隔离电源5可采用DC-DC芯片和外围电路实现，或采用隔离DC-DC模块，本实施例采用后者。

所述微处理器1还连接有隔离CAN 8，所述隔离CAN 8将巡检电压数据发送到外部目标，具体地说，是发送到外部目标主机。隔离CAN 8可采用隔离的CAN通讯芯片，或普通通讯芯片，再对TTL信号进行隔离，本实施例采用后者。为了增大总线吞吐量，在具体实施时，隔离CAN 8也可用隔离的CAN FD代替。

所述微处理器1与所述隔离电子开关3之间还连接有一译码器9，所述微处理器1通过所述译码器9控制所述隔离电子开关3，所述微处理器1的输出端与所述译码器9连接，所述译码器9的输出引脚与隔离电子开关3的控制端电连接，精简控制引脚数量。译码器9可采用普通的译码器9芯片和非门实现，本实施例采用8个3-8译码器9，分为2组，每组4个，分别控制运算放大器2的同相端与反向端的导通/断开。

本实施例中不采用精密整流电路6和辨向电路7，而直接将运算放大器2的输出进行偏置，使其输出电压始终不超出微处理器1可采集的电压范围；可以使用运算放大器2本身的偏置功能，或使用单独的偏置电路。本实施例可实现63通道电压巡检，巡检速率20Hz以上，每通道电压±3.3V，误差≤±1mV。另外，通过减少燃料电池用电压巡检装置的通道数量，设置多个装置，可进一步提高巡检速率。

实施例3

本实施例中，不使用微处理器1采集单电池电压信号，而采用单独的模数转换芯片进行模拟量采集，经过IIC、SPI等通信接口将数据传输到微处理器1。其余部分内容均与实施例1或实施例2相同，在此不再做累赘叙述。

本发明的微处理器1控制隔离电子开关3的导通，轮流将各单片电池的正负极连接到运算放大器2的输入端进行电压测量，运算放大器2的输出电压经过整流后由微处理器1进行模数转换，并根据辨向电路7得到单电池的正负极性，最后通过隔离的CAN总线将巡检电压数据发送出去，从而在具有同等精度的情况下，本发明降低了成本，加快了巡检速度，同时可以进行灵活扩展，调节单通道电压范围，从而适应不同的使用需求，泛用性强。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化，是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的范围内。