专利名称：一种车用燃料电池堆单片电压监测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池电压监测装置，尤其涉及一种车用燃料电池堆单片电压监测装置。
背景技术：
燃料电池堆由多片单电池串联组成，单片电池工作电压一般不到1V。电堆工作时，需要测量其单片电池电压以达到监测堆的工作状态、保护燃料电池的目的。
车用燃料电池堆单片电压测量面临的难题首先是单电池电势累积对电子器件耐压要求的提高。如电动客车驱动用燃料电池堆的单片电池数目达到600片以上，一个100片单电池组成的燃料电池堆，其输出电压由于电势累积可以达到80V以上，该电势将大大超过常用电子元器件的耐压值，这使得电压监测路数受到极大限制。该问题对于任何工作条件下的燃料电池堆电压监测系统均存在。
与非移动式的燃料电池堆电压监测系统相比，车用燃料电池堆单片电压监测系统又必须满足如下特殊要求(1)体积小、模块化、易扩展，适用于车载工况；(2)具备强大的通讯能力，以满足多个电压监测模块与燃料电池主控制器间的通讯需要；(3)价格低、监测精度高、可靠性高。
目前，国内应用的燃料电池堆单片电压监测装置多是针对非移动式的燃料电池堆电压监测设计，并没有很好地考虑车载工况的要求，用作车用燃料电池堆的单片电压监测均存在一定不足，如应用线性隔离差分运算放大器的方法要求各单电池都要配一个隔离运算放大器，系统成本高、体积大、接线复杂；采用光电隔离继电器的方法也需要为各单电池均配一个光电隔离继电器，从而成本大大增加；而且，通常的串行口通讯方式不能满足车载系统通讯的需要。

发明内容
本发明的目的是提供一种车用燃料电池堆单片电压监测装置，该装置可对车载的燃料电池各单电池的电压进行监测，并提供与燃料电池主控制器的通讯接口。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是该车用燃料电池堆单片电压监测装置由电阻分压电路、多路开关电路、差分运放与A/D转换电路、单片机及CAN通讯电路组成。其特征在于电阻分压电路2的输入端分别与被测的燃料电池堆1各单电池连接，其输出端连接至多路开关电路3的输入端；差分运放与A/D转换电路4的输入端与多路开关电路3的输出相连接，差分运放与A/D转换电路4的输出与单片机5的输入连接，单片机5还通过I/O接口6分别与多路开关电路3、差分运放和A/D转换电路4的控制引脚连接，单片机5的输出与CAN通讯7的输入引脚连接，CAN通讯7的输出引脚与外部的主控制器8相连接。
所述电阻分压电路按照单电池累积电势的大小分别选择1、1/2及1/3三种不同的分压比，从而使监测电路中所有芯片均能满足耐压要求；经过分压的各单电池的相对电势信号通过多路开关的选通进入差分运放得到其差分电压(即单电池电压值)，经A/D转换后通过CAN总线与主控制器进行信息交互；多路开关的循环选通逻辑由单片机控制。
本发明的有益效果是能够监测燃料电池堆59个单电池的电压，应用多个本装置组成监测系统并以CAN网络实现各装置与燃料电池主控制器的通讯可以解决具有更多数目单电池的燃料电池堆全部单片电压的监测。
与现有技术比较，本发明硬件简单、体积小、可靠性高、价格低；通讯能力强、易扩展应用；测量精度高(最大绝对误差小于0.08V)、测量速度快(完成一次59片单电池电压巡检时间小于0.05秒)，完全满足车载燃料电池堆单片电压监测的需要。本发明同样适用于非移动式的燃料电池堆单片电压的监测。


图1是燃料电池堆单片电压监测装置结构框图。
图2为电阻分压电路。
图3为多路开关选通电路。
图4为差分运放与AD转换电路。
图5为单片机系统和CAN通讯电路。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明具体实施做进一步说明。
图1所示为车用燃料电池堆单片电压监测装置框图。其电阻分压电路2的输入端分别与被测的燃料电池堆1各单电池连接，其输出端连接至多路开关电路3的输入端；差分运放与A/D转换电路4的输入端与多路开关电路3的输出相连接，差分运放与A/D转换电路4的输出与单片机5的输入连接，单片机5还通过I/O接口6分别与多路开关电路3、差分运放和A/D转换电路4的控制引脚连接，单片机5的输出与CAN通讯7的输入引脚连接，CAN通讯7的输出引脚与外部的主控制器8相连接。
系统的输入信号为各单电池的电势，经由精密电阻及若干电容组成的单电池累积电势的分压及滤波网络(电阻分压电路2)后，通过多路开关3的选通进入差分运放得到其差分电压(即单片电压的分压值)，然后经过A/D转换，单片机5得到单片电压值，根据该值判断燃料电池堆的工作状态，同时通过CAN通讯7与燃料电池主控制器8进行信息交互，主控制器8根据得到的状态信息，采取相应的措施；多路开关3采用由单片机数字核心决定的循环选通逻辑控制，其选通控制端直接与单片机5的I/O接口6连接。其中，电阻网络分压的作用是使监测电路后续芯片均能够满足各自的耐压要求。
图2所示为电阻分压电路。该电路用于按照单电池累积电势的大小分别选择不同的分压比，以使监测电路中所有芯片均能满足耐压要求。对于59路输入电势信号，本电路分别采用了1、1/2及1/3三种分压比。分压电阻选用0.1％的高精密电阻，阻值为100kΩ或200kΩ。(分压比为1/2选择两个200kΩ电阻，分压比为1/3选择200kΩ和100kΩ电阻各一个)。
分压比为1的电路实际上是一个一阶无源滤波电路，电阻阻值为47kΩ，电容大小为0.01uF，对应的单电池为第21～32片及第34～45片。分压比为1/2的电路中，对应的单电池为第46～64片，该部分电阻与电容分别组成两级滤波。分压比为1/3的电路中，对应的单电池为第1～20片，经过200kΩ和100kΩ电阻进行2∶1分压后进入二级滤波电路。经过电阻分压后，在50片单电池测量范围内，多路开关、差分运放及A/D转换芯片的耐压均可以满足要求。
图3所示为多路开关选通电路。应用Maxim公司的16通道多路开关Max306和4通道开关Max312。每个Max306的输入都有16路，每个Max306通过一路输出进入Max312，由选通逻辑控制来获得每个单电池的输出电压。其中，两个多路开关U10、U12通过单片机的PE0～PE3引脚电平控制，另两个Max306通过单片机的PE4～PE7信号控制。而Max312的选通信号是单片机直接输出的PF1和PF2，经过74HC04的反向，与源信号一起得到4个输出控制信号In1~In4，其中In2由In1反向得到，In4由In3反向得到，这样在选通时候，可以保证每一次选通时只有两个Max306的选通通道进入差分运放。通过这种选通逻辑的设计，能够保证充分利用芯片的资源，而又能避免冲突。
图4所示为差分运放与AD转换电路。可控增益差分运放PGA206的输入引脚与多路开关Max312的输出引脚相连接，其输出引脚与16位转换精度的A/D转换芯片Max1132的输入引脚相连接。PGA206的输出为单电池的实际电压，Max1132通过SPI时序与单片机通讯，将A/D转换结果输出给单片机。其中，Max1132通过SPI方式与单片机通讯，其片选CS、复位RST引脚分别与MC68376的PF4、PF3连接，数据输入Din、输出Dout及时钟引脚分别与MC68376的MOSI、MISO及SCK引脚相连接。
图5所示是单片机及CAN通讯电路。其中，单片机主要包括晶振电路、BDM调试接口、复位电路、上拉电路及存储器电路，通过控制总线和数据总线连接到单片机。晶振电路由标称值4.194MHz晶振及相关电阻电容构成。如图5所示连接后接入U1的XTAL、EXTAL。BDM接口包括BDM所标识的元件和相关电阻构成的电路连接，其中BDM为10针接插口，按照图示的网络标号连接后可以给系统提供BDM调试的功能。复位电路包括MC34064芯片以及相关元件和网络标号所构成的连接。上拉电路包括MC68376芯片的中断信号引脚IRQ0～IRQ7，以及部分和读写相关的引脚通过电阻上拉到高电平VCC的电路连接。存储器电路包括U3～U6及相关电阻。U5、U6为Flash ROM，利用CSBOOT和R/W信号通过74LS00对MC68376的外设读写控制信号进行逻辑变换，产生Flash的读写和复位信号。另外从控制总线上引出片选信号CS0～CS2接入到U3、U4的相关引脚产生使能信号。U3、U4为RAM，用CS0和CS1分别产生两个RAM的写信号，RAM的片选端直接接地。该部分电路中U5、U6的型号为AM29F040；U3、U4型号HY628100。其余元件特性图中均有标注。MC68376芯片输出引脚PE0~PE7及PF0~PF4分别与Max306、Max1132及74LS04的相应引脚相连接。
CAN通讯电路MC68376单片机内部集成的TOUCAN模块实现，主要通过地址、数据和控制总线和MC68376芯片形成连接。CAN收发器选用82C250。为保证良好的电磁兼容性，通讯电路的信号和电源均进行了相应的隔离措施，其中信号的隔离通过6N137光耦并配适当的电阻、电容实现，电源的隔离采用DCP010505DC-DC实现。将5V电平VCC接入DCP010505生成隔离的5V电源CANVCC和CANGND，为CAN通讯部分提供电源。外部CAN信号经CAN收发器82C250后与光隔器件6N137连接，相应的CAN信号CANRXO、CANTXO连接至单片机的相应引脚。此外设计了CAN电路的终端电阻跳线电路，即当CAN节点工作在CAN网络的端点时，需要将Jum1通过短路环短接。
权利要求
1.一种车用燃料电池堆单片电压监测装置，由电阻分压电路、多路开关电路、差分运放与A/D转换电路、单片机及CAN通讯电路组成，其特征在于电阻分压电路(2)的输入端分别与被测的燃料电池堆(1)各单电池连接，其输出端连接至多路开关电路(3)的输入端；差分运放与A/D转换电路(4)的输入端与多路开关电路(3)的输出相连接，差分运放电与A/D转换电路(4)的输出与单片)机(5)的输入连接，单片机(5)还通过I/O接口(6)分别与多路开关电路(3)、差分运放和A/D转换电路(4)的控制引脚连接，单片机(5)的输出与CAN通讯(7)的输入引脚连接，CAN通讯(7)的输出引脚与外部的主控制器(8)相连接。
2.根据权利要求1所述一种车用燃料电池堆单片电压监测装置，其特征在于所述电阻分压电路按照单电池累积电势的大小分别选择1、1/2及1/3三种不同的分压比，从而使监测电路中所有芯片均能满足耐压要求；经过分压的各单电池的相对电势信号通过多路开关的选通进入差分运放得到其差分电压(即单电池电压值)，经A/D转换后通过CAN总线与主控制器进行信息交互；多路开关的循环选通逻辑由单片机控制。
全文摘要
本发明公开了属于燃料电池电压监测装置的一种车用燃料电池堆单片电压监测装置。由电阻分压电路、多路开关电路、差分运放与A/D转换电路、单片机及CAN通讯电路依次连接构成，并提供与燃料电池主控制器的通讯接口。该装置能够监测燃料电池堆59个单电池的电压，应用多个本装置组成监测系统并以CAN网络实现各装置与燃料电池主控制器的通讯可以解决具有更多数目单电池的燃料电池堆全部单片电压的监测。与现有技术比较，本发明硬件简单、体积小、可靠性高、价格低；通讯能力强、易扩展应用；测量精度高(最大绝对误差小于0.08V)、测量速度快(完成一次59片单电池电压巡检时间小于0.05秒)，完全满足车载燃料电池和非移动式的燃料电池堆单片电压的监测的需要。
文档编号G01R31/36GK1564011SQ20041000624
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月17日 优先权日2004年3月17日
发明者方成, 许家群, 李建秋, 欧阳明高 申请人:清华大学