CN107632192A - 一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，包括数据采集模块、主控单片机模块和上位机模块；所述数据采集模块采样燃料电池堆的单片燃料电池电压值模拟信号，输出通过RS485总线连接所述主控单片机模块，所述主控单片机模块通过RS232串口与所述上位机模块进行通信连接。本发明采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测，上位机实时显示储存检测数据，便于科研人员分析研究电池堆的工况和性能，其结构简单，系统功耗低，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，能应用到多点检测和控制系统的多种场合。

Description

一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置

技术领域

本发明涉及燃料电池电动汽车电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置。

背景技术

新能源汽车是指使用非常规车用燃料(或使用常规车用燃料但装载新型动力装置)，具有新技术、新结构和先进技术原理的汽车。其中纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)发展前景最为良好，也是目前国家大力推广的主要新能源车型。

燃料电池电动汽车是治理汽车尾气污染和解决燃料问题最现实的途径，燃料电池技术将成为21世纪汽车工业的核心。燃料电池不是传统意义上的蓄电池的能量储存装置，它是通过燃料(氢气)和氧化物的电化学反应，将燃料的化学能直接转换为电能的高效发电装置。质子交换膜燃料电池(PEM-FC)因低噪音、零污染、无腐蚀、长寿命和占地相对较少等优点，而成为21世纪最有前途的“绿色能源”。大功率燃料电池堆通常由几百片单片燃料电池串联组成。由于电池堆中单片燃料电池的串联结构，在燃料电池堆运行过程中，单片燃料电池的异常会影响整个电池堆的性能与安全，因此需要实时监测各单片燃料电池电压，便于控制系统作出正确的决策，保障燃料电池安全可靠运行。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测。

(二)技术方案

一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，包括数据采集模块、主控单片机模块和上位机模块；所述数据采集模块采样燃料电池堆的单片燃料电池电压值模拟信号，输出通过RS485总线连接所述主控单片机模块，所述主控单片机模块通过RS232串口与所述上位机模块进行通信连接。

进一步的，所述数据采集模块包括信号处理电路和多路模拟开关。

进一步的，所述主控单片机模块包括单片机电路和RS485接口电路。

进一步的，所述上位机模块包括上位机和报警电路。

再进一步的，所述信号处理电路包括第一～第三运算放大器、二极管和第一～第八电阻；其中所述第一～第三运算放大器选用通用运放OP07Z，所述二极管为齐纳二极管。

再进一步的，所述多路模拟开关选用16路模拟开关CD4067。

再进一步的，所述单片机电路包括单片机芯片、石英晶振、第九电阻、第一和第二电容，其中所述单片机芯片选用8位嵌入式控制器PIC16F873。

再进一步的，所述RS485接口电路包括电平转换芯片、连接器、第一和第二发光二极管、第十和第十一电阻，其中所述电平转换芯片选用MAX485。

再进一步的，所述上位机为工控机。

(三)有益效果

本发明提供了一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测，上位机实时显示储存检测数据，便于科研人员分析研究电池堆的工况和性能，其结构简单，系统功耗低，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，能应用到多点检测和控制系统的多种场合。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置的系统结构框图。

图2为本发明所涉及的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置的信号处理电路原理图。

图3为本发明所涉及的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置的16路模拟开关电路原理图。

图4为本发明所涉及的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置的主控单片机模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，包括数据采集模块、主控单片机模块和上位机模块；数据采集模块采样燃料电池堆的单片燃料电池电压值模拟信号，输出通过RS485总线连接主控单片机模块，主控单片机模块通过RS232串口与上位机模块进行通信连接。

燃料电池堆通常是由几百片单片燃料电池串联组成，虽然单片燃料电池电压不高(正常工作时电压为0.5～1.2V之间)，但几百片电池串联使得单片燃料电池对地端累积电势达到数百伏的电压。常规检测芯片输入电压一般在几十伏之内，难以承受燃料电池数百伏的电压。为了解决单片燃料电池电压对地累积电势高与检测芯片耐压值之间的矛盾，装置采用分布式检测，从而使所有检测芯片都能满足耐压要求。

本装置中单片燃料电池电压值的采集是由多个数据采集模块来完成的，数据采集模块包括信号处理电路和多路模拟开关。采用分组测量方法，将燃料电池堆每16片单片燃料电池分为一组，每个数据采集模块采集16路电压，可根据电池片的总数相应的增减数据采集模块的数量。各数据采集模块采用隔离型DC-DC供电，彼此不共地。选择第N+1片的燃料电池负极为信号处理电路的共地端，燃料电池堆各个串联电池两端的电压经信号处理电路后得到差分电压，即单片燃料电池的电压放大信号。输出的差分电压信号共地，通过多路模拟开关输入到主控单片机的模拟信号输入通道。

单片燃料电池电压信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此要求信号处理电路的运算放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。可选用差分集成仪表放大器，但考虑到每个单片燃料电池都要配备一个差分集成仪表放大器的话，成本太高，故采用3个通用运放构成精密差分运算放大电路。如图2所示，信号处理电路包括运算放大器U1A、U1B和U1C，稳压二极管D1和电阻R1～R8；其中运算放大器U1A、U1B和U1C选用通用运放OP07Z，稳压二极管D1为齐纳二极管。Up和Un端分别与单片燃料电池的正负两端相连，差分放大后的电压信号Uout经多路模拟开关送入主控单片机内部A/D转换器。运放U1C的输出端为限幅输出保护电路，由限流电阻R7与稳压管D1组成，它一方面限制了运放U1C的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值，使运放U1C输出电压钳位于稳压管D1稳压值0～0.7V之间，保护后续器件的安全，以免电路故障输出电压过大而损坏其他电路。

主控单片机模块包括单片机电路和RS485接口电路。结合图3和图4，单片机电路包括单片机芯片U3、石英晶振X1、电阻R9、电容C1和C2，其中单片机芯片U3选用8位嵌入式控制器PIC16F873。RS485接口电路包括电平转换芯片U4、连接器J1、发光二极管LED1和LED2、电阻R10和R11，其中电平转换芯片U4选用MAX485。PIC16F873单片机是一款精简指令集、哈佛双总线和两级指令系统流水线结构的高性价比的8位嵌入式控制器，具有集成度高、速度快、工作电压低、功耗低、I/O直接驱动等特点，其内置8K×14Flash存储器，1个10位四输入通道A/D转换器和1个UART口，所需外围扩展器件少，开发和使用都很方便。在数据采集模块中多路模拟信号的输入是通过16路模拟开关CD4067来选择的，主控单片机PIC16F873通过I/O口RC1～RC4来选择具体哪一路输入。由于单片燃料电池电压较低，在CD4067的准许范围内，故CD4067的输入口无需加隔离电路。检测的电池电压信号相当于叠加了一个直流电压分量，要得到实际单片电池电压值，需要准确知道该直流电压分量大小，这样才能确保单片电压检测的准确性。为此，将信号处理电路的GND端与PIC16F873的A/D模拟通道输入端AN1连接，PIC16F873对某路电压信号采样时，同时对此事叠加的直流电压分量采样，数据处理后即可得到准确的单片电池电压值。由于数据采集模块和PIC16F873之间是通过RS485总线进行通信的，因此单片机的串口输入/输出需要经过MAX485进行电平转换后才能接到RS485总线上，采样速率由PIC16F873控制。

上位机模块包括上位机和报警电路。上位机为一台工控机，其主要功能是通过RS232串口实现和主控单片机之间的通信，接收采集数据和发送控制命令，实时显示单片燃料电池的电压值和绘制同一时刻单片燃料电池电压变化趋势曲线，将测量数据分类保存到数据库，并具有对测量结果进行多种数学分析的功能。主控单片机接收来自上位机的控制命令，实现对各个数据采集模块的控制，并将各个数据采集模块发来的数据通过RS232串口转发给上位机。主控单片机和各个数据采集模块之间采样RS485总线进行通信，并设成主从结构，主控单片机设为主机，各个数据采集模块为从机。主控单片机在收到上位机的检测开始命令后，按照轮循的方式依次给各个数据采集模块发送采集命令，在每发出一个采集命令后就等待接收该数据采集模块的采集数据，如果在等待时间内收到数据采集模块发回的采集数据，就将数据打包转发给上位机；如果等待超时仍然没有接收到数据就直接向下一个数据采集模块发送采集命令，如此反复循环下去。各个数据采集模块通过RS485总线实现和主控单片机之间的通信。每个数据采集模块在收到来自主控单片机的测试命令后开始对其负责测试的16片燃料电池电压值进行采样，然后将采样所得的16片燃料电池电压值打包一起发送给主控单片机。

本发明提供了一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测，上位机实时显示储存检测数据，便于科研人员分析研究电池堆的工况和性能，其结构简单，系统功耗低，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，能应用到多点检测和控制系统的多种场合。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：包括数据采集模块、主控单片机模块和上位机模块；所述数据采集模块采样燃料电池堆的单片燃料电池电压值模拟信号，输出通过RS485总线连接所述主控单片机模块，所述主控单片机模块通过RS232串口与所述上位机模块进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述数据采集模块包括信号处理电路和多路模拟开关。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述主控单片机模块包括单片机电路和RS485接口电路。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述上位机模块包括上位机和报警电路。

5.根据权利要求2所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述信号处理电路包括第一～第三运算放大器、二极管和第一～第八电阻；其中所述第一～第三运算放大器选用通用运放OP07Z，所述二极管为齐纳二极管。

6.根据权利要求2所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述多路模拟开关选用16路模拟开关CD4067。

7.根据权利要求3所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述单片机电路包括单片机芯片、石英晶振、第九电阻、第一和第二电容，其中所述单片机芯片选用8位嵌入式控制器PIC16F873。

8.根据权利要求3所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述RS485接口电路包括电平转换芯片、连接器、第一和第二发光二极管、第十和第十一电阻，其中所述电平转换芯片选用MAX485。

9.根据权利要求4所述的一种燃料电池电动汽车的单片电池电压巡检装置，其特征在于：所述上位机为工控机。