一种车用燃料电池单片电压监测装置制造方法及图纸

一种车用燃料电池单片电压监测装置，属于燃料电池电压监测装置技术领域，包括光耦选通电路、隔离电路、绝对值电路、硬件互锁电路、单片机及ＣＡＮ通讯电路。光耦选通电路的输入端与燃料电池各单片顺序相连，输出端与隔离电路输入端相连；隔离电路对信号进行隔离处理后再经绝对值电路输入单片机；单片机通过控制四路Ｉ／Ｏ引脚信号，由硬件互锁电路来保证选通通道的唯一性，单片机通过ＣＡＮ通讯电路与外部主控制器进行通讯。本发明专利技术安全性高，体积小，成本适中；测量精度高，测量速度快；通讯能力强，易扩展，完全满足车载燃料电池堆单片电压监测的需要。本发明专利技术同时适用于非移动式燃料电池堆单片电压的监测，以及类似的由众多单片组成的电池系统的电压监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池电压监测装置，尤其涉及一种车用燃料电池单片电压监测装置。
技术介绍
燃料电池单片电压是燃料电池性能的重要指示参数之一，通过测量其值可以监测燃料电池堆的工作状态，达到保护燃料电池的目的。燃料电池单片电压的工作范围一般小于1V，空载时可略高于1V。作为车用燃料电池单片电压监测装置，需要达到如下技术要求(1)测量速度快车用燃料电池由于功率的要求，一般由几百上千个单片组成，为保证测量的实时性，每个单片的测量速度应尽可能快，一般用时小于1ms，完成所有单片测量小于1s。(2)测量精度高由于燃料电池单片的正常工作范围在0～1V，所以测量精度应达到10mV量级。(3)具有较强的扩展能力，能与主控制器方便的通讯。(4)抗干扰能力强由于燃料电池堆是强电环境，电磁干扰问题严重；此外，为适应车用工况，还需要有较好的抗震、适应温度变化等性能。(5)成本适中。车用燃料电池单片电压测量的首要难题是电势累积的问题，尤其是随着燃料电池单片数目的不断增加，此问题表现得更加明显，对器件的耐压值以及安全性提出了更高的要求。目前，为解决电势积累，常用的单片电压监测方案包括电阻分压，电阻-二极管分压，光耦隔离继电器选通，线性隔离差分运放等方法。但这些方法均存在一定的不足，如电阻分压方法在测量单片数目较大时，误差过大；应用线性隔离差分运算放大器的方法要求每个单电池都配一个隔离差分运放，系统成本高，体积大，接线复杂。现在应用较广的是光电隔离继电器的方法，它是通过光耦选通的方法对每个单片进行直接地测量，精度高，但其安全性还不够完善，尤其是电堆测量参考地与测量电路电源地之间的隔离问题还需要进行改进，此问题如果解决不好，很容易造成单片机电路的烧毁。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种车用燃料电池单片电压监测装置，该装置可对车载的燃料电池各单片电压进行监测，从而给燃料电池主控制器提供控制的参考信息。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案是该车用燃料电池单片电压监测装置包括5个部分光耦选通电路、隔离电路、绝对值电路、硬件互锁电路、单片机及CAN通讯电路。光耦选通电路2用于分别选通各单片电池两端的电势，从而实现对单个单片电池电压的直接测量，并解决了电势积累的问题。其采用了64个双通道光耦隔离继电器作为选通元件，共可选通124个单片电压。隔离电路3用于燃料电池信号选通电路与单片机信号处理电路之间的隔离，从而防止燃料电池的电环境对单片机电路的干扰，提高了电磁兼容性。其采用了隔离运算放大器做为其核心元件。绝对值电路4用于把选通产生的正负交替信号转换为单片机能够接受的正信号，并通过单端正电压供电的同相跟随器滤除负信号。硬件互锁电路5用于控制与光耦选通电路相配合的译码器芯片，防止出现不相邻通道的光耦选通所造成的过压危险，提高了系统的容错能力。其通过一组与非门逻辑电路实现。单片机及CAN通讯电路6用于单片电压信号的AD转换与数据传输，其CAN通讯采用了最新的TTCAN协议，在通讯节奏和可靠性方面都有了很大的改善。整个装置的联接方式为光耦选通电路2的输入端分别与燃料电池各单片1顺序相连，其输出端与隔离电路3的输入端相连，隔离电路3对信号进行隔离处理后再经由绝对值电路4通过两路AI引脚输入单片机6，为提高硬件容错性，单片机6通过控制四路I/O引脚信号，由硬件互锁电路5来保证选通通道的唯一性，单片机又通过CAN通讯电路6与外部主控制器7进行通讯。本专利技术的有益效果是通过隔离电路有效解决了现有方案中测量对象电系统与单片机电系统的隔离问题，提高了电路的电磁兼容性；通过绝对值电路解决了现有方案中采用外扩双极性AD转换芯片的成本问题；通过硬件互锁电路解决了现有光耦选通方案中因为软件和电磁干扰而引起的非相邻通道选通的过压危险问题；该监测装置可测量124路单片电压值，应用多个本装置组成监测系统，并通过采用TTCAN协议的CAN网络进行各装置与主控制器的有序通讯，可实现对单片数目较大的燃料电池堆的全部单片电压的测量。与现有技术比较，本专利技术安全性高，体积小，成本适中；测量精度高(单片测量误差为10mV量级)，测量速度快(单片测量用时小于1ms)；通讯能力强，易扩展应用，完全满足车载燃料电池堆单片电压监测的需要。本专利技术同样适用于非移动式燃料电池堆单片电压的监测，以及类似的由众多单片组成的电池系统的电压监测。附图说明图1是燃料电池单片电压监测装置结构框图，其中，1-燃料电池单片，2-光耦选通电路，3-隔离电路4-绝对值电路，5-硬件互锁电路，6-单片机及CAN通讯电路，7-燃料电池主控制器，8-单片机I/O端口，9-译码器使能端口。图2是光耦选通电路示意图。图3是隔离电路示意图。图4是绝对值电路示意图。图5是硬件互锁电路示意图。图6是TTCAN通讯协议。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。图1所示为燃料电池单片电压监测装置结构框图，其中，1为燃料电池单片，2为光耦选通电路3为隔离电路，4为绝对值电路，5为硬件互锁电路，6为单片机及CAN通讯电路，7为燃料电池主控制器，8为单片机I/O端口，9为译码器使能端口。虚线框内所示即为本装置中的结构，包括光耦选通电路2、隔离电路3、绝对值电路4、硬件互锁电路5、单片机及CAN通讯电路6。光耦选通电路2的输入端分别与燃料电池各单片1顺序相连，其输出端与隔离电路3的输入端相连，而光耦的导通由单片机通过译码器进行控制；隔离电路3对信号进行隔离处理，使前后信号及地之间不发生直接的物理连接；绝对值电路4把隔离后级的正负交替信号进行绝对值化，通过两路AI引脚输入单片机6；为提高硬件容错性，单片机6通过控制四路I/O引脚8信号，由硬件互锁电路5来保证选通通道的唯一性；单片机6对信号进行转换和处理后通过CAN通讯电路6采用TTCAN协议与燃料电池主控制器7进行通讯。图2所示为光耦选通电路示意图。光耦选通电路使用64片AQW214光电隔离继电器，分成4个相同的光耦阵列，每个陈列由两个4选16的译码器74HC154进行组合选通；每组两个译码器的4个片选输入端与单片机P3端口相连，输出端与光电隔离继电器的控制端相连，两个译码器的使能端( )同时与硬件互锁电路的四个输出端之一相连；光电隔离继电器控制端的一极与译码器的输出端相连，并且两者的引脚一一对应，另一级与电阻RVA相连，该电阻与+5V电源相连；光电隔离继电器的被控制端的输入引脚与燃料电池单片电势点(如V0，V1等)相连，输出引脚交替地连接到COMA、COMB输出总线上。该监测装置一共使用64片AQW214光电隔离继电器，分成4个相同的光耦阵列，每个阵列由两个4选16的译码器74HC154进行组合选通，整个装置可监测124个单片电压值。每组两个译码器的4个片选输入信号(A、B、C、D)由单片机的P3端口提供，两个译码器的对应输出端(如YE0和YF0)分别接在同一光耦AQW214的两个通道的控制端的一个引脚(AQW214的2、4引脚)上，AQW214的1、3引脚均通过上拉电阻拉高至5V，光耦的被控制端6、8引脚分别接燃料电池相邻的单片电势点，在单片机软件控制下，两个译码器分别控制光耦阵列中相邻两个通道导通，从而实现对单个单电池电压的测量。译码器的使能端(OE1、OE2)由硬件互锁电路控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车用燃料电池单片电压监测装置，其特征在于，该监测装置包括５个部分；光耦选通电路、隔离电路、绝对值电路、硬件互锁电路、单片机及ＣＡＮ通讯电路；光耦选通电路用于分别选通各单片电池两端的电势，实现对单个单片电池电压的直接测量，并解决电 势积累的问题，采用６４个双通道光耦隔离继电器作为选通元件，共选通１２４个单片电压；隔离电路用于燃料电池信号选通电路与单片机信号处理电路之间的隔离，防止燃料电池的电环境对单片机电路的干扰，提高了电磁兼容性，其采用隔离运算放大器为其核心 元件；绝对值电路用于把选通产生的正负交替信号转换为单片机能够接受的正信号，并通过单端正电压供电的同相跟随器滤除负信号；硬件互锁电路用于控制与光耦选通电路相配合的译码器芯片，防止出现不相邻通道的光耦选通所造成的过压危险，提高系 统的容错能力；其通过一组与非门逻辑电路实现；单片机及ＣＡＮ通讯电路用于单片电压信号的ＡＤ转换与数据传输及各电路间通讯；光耦选通电路的输入端分别与燃料电池各单片顺序相连，其输出端与隔离电路的输入端相连，隔离电路对信号进行隔离处 理后再经由绝对值电路通过两路ＡＩ引脚输入单片机，单片机通过控制四路Ｉ／Ｏ引脚信号，由硬件互锁电路来保证选通通道的唯一性，单片机又通过ＣＡＮ通讯电路与外部主控制器进行通讯。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李中，刘蒙，卢兰光，李建秋，欧阳明高，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]