CN201859204U - 基于can总线技术的大功率燃料电池巡检系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于CAN总线技术的大功率燃料电池巡检系统,整个系统包括若干电池巡检子模块、一个电池巡检中央模块和一个上位机监控模块,所述的若干个对15节单体电池的电压和温度参数采集的电池巡检子模块通过CAN总线接到电池巡检中央模块,所述的电池巡检中央模块与上位机监控模块通过串行通信接口与上位机监控模块保持连接。本系统能实时巡回监测燃料电池每节的电压值,掌握整个燃料电池的工作状态,发现故障及时排除,有效延长大功率燃料电池的寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新能源大功率燃料电池电压检测的电路系统。
背景技术
随着社会的发展,传统的矿物能源越来越无法满足人类的要求,特别是在大力提倡可持续发展和环境保护的今天,关于新能源的开发和利用成为当今热门话题。其中燃料电池就是目前一种被开发和利用的环保新能源之一,其机理是利用燃料与空气中的氧进行化学反应,在产生电流的同时生成水和二氧化碳,它作为一种既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面有着广阔的应用前景。通常一个燃料电池电堆都是由很多节单体燃料电池串联而成,电压巡检是燃料电池电堆运行中的重要环节,因为燃料电池系统各操作参数的变化均反映在电池组内各单节电池工作电压上,因此各种故障可能引起电池组不能正常运行的前兆也首先反映在电堆内的单体电池的工作电压变化上。同时在电池系统运行时,监测电堆各节单体电池的的电压、发现燃料电池电堆在稳定功率输出时单体电池工作电压的变化并分析引这种变化的原因,力争在电池故障发生前采用措施,争取排除故障,使得问题电池尽快恢复到正常工作状态。比如某节单体电池电压突然下降,有可能是液态水在此节单体电池出口积累,导致惰性气体在此节单体电池气腔积累,此时可采用短时间脉冲排气,将此节单体电池出口积累的液态水排出,使整个电池恢复正常运行。
通常大功率燃料电池的单体电池节数比较多,电池内部气体管道比较长压力降比较大,多节电池由于加工造成的不均匀性也可导致进入电池腔内的气体压力极不均匀,就会导致各单节电压也不均匀。明显的单体电池的电压降低往往是极个别的,有一个单体电池的死亡就会造成整个电堆的崩溃。因此对燃料电池电堆各单体电池的工作电压予以巡回监测成为必须。
发明内容
本实用新型针对大功率燃料电池电堆提出了一种总线结构的电压巡回检测电路系统,即基于CAN总线技术的大功率燃料电池巡检系统。该系统的具体技 术方案为:
整个系统包括若干电池巡检子模块、一个电池巡检中央模块和一个上位机监控模块,所述的若干个对15节单体电池的电压和温度参数采集的电池巡检子模块通过CAN总线接到电池巡检中央模块,所述的电池巡检中央模块与上位机监控模块通过串行通信接口与上位机监控模块保持连接。电池巡检中央模块通过CAN总线接收来自各电池巡检子模块采集的数据并对其进行分析,对状态不好的单体电池进行故障报警,以便故障及时得到处理。
电池巡检子模块的电路包括微控制器、调试接口、CAN通信接口、编码单元、电池取样单元、隔离放大单元、温度采集单元;它能够对15节串联的单体电池进行电压和温度的巡回检测。电池巡检子模块电路在空间位置上靠近电堆,所以需要对检测系统性能、抗电磁干扰能力以及成本等问题的考虑,电池巡检子模块电路的微控制器采用MICROCHIP公司的PIC18系列的8位微处理器PIC18F2480,它工作电压和温度范围宽,低功耗、指令执行周期短、电磁兼容特性好,内有10位的AD转换通道、CAN通信接口、PWM输出及看门狗电路等,在实际应用中可以减少外扩电路,所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好卓越。电池巡检子模块以PIC系列的微控制器为核心,配合成对的模拟多路开关、小信号运算放大器、隔离放大器、光电耦合器以及数字温度传感器等电子器件开发出高精度、实时性强的燃料电池电压及温度测量电路。
单体电池电压和温度测量电路的工作原理是:通常燃料电池电堆是由多节单体电池组成,由于然料电池的每一节单体电池的电压都需要实时、精确地测量,采用模拟多路开关和小信号运算放大器配合完成对每节单体电池的高速循环取样。一对相同模拟多路开关的地址线采用并联,每一个地址对应选通一节单体电池,一对相同的模拟多路开关相同的输入端分别连接一节单体电池的两端,他们输出的信号是这两点相对于参考点的绝对值电压。再通过小信号运算放大器做减法运算,从运算放大器输出的就是一节单体电池的电压。由于被测电堆的整体电压往往较高,所以需要采取一些隔离措施,这里采用隔离放大器完成隔离测量;微控制器通过光电耦合器完成对多路模拟开关的隔离控制。微控制器外围还连接着温度采集单元,调试接口、CAN通信接口和编码单元;温度采集单元还连接到燃料电池电堆。
单体电池电压的测量使用PIC系列单片机内部的高速10位精度的AD转换 器,完全可以满足系统对测量精度和实时性的要求。
电池巡检中央模块的电路组成包括微控制器、调试接口、CAN通信接口、RS232串行通信接口、故障报警蜂鸣器、显示器、故障电池参数阅读按键。它能够与所有的电池巡检子模块通过CAN总线保持通信,从而获取所有串联的单体电池的电压和温度参数,并通过对每节单体电池工作参数,最主要是电压参数的分析,对每节单体电池的状况进行评估,对状态差的电池予以报警并设置故障码,用户可以通过故障阅读键调度故障电池的信息,并通过LCD显示器显示出来。此外该中央模块还可通过RS232串行通信接口与上位机监控模块保持通信,把所有测得的参数上传于上位机监控模块。出于对检测系统性能、抗电磁干扰能力以及成本等问题的考虑,电池巡检中央模块电路的微控制器也采用MICROCHIP公司的PIC18系列的8位微处理器PIC18F2480,也因为它工作电压和温度范围宽,低功耗、指令执行周期短、电磁兼容特性好,内有CAN通信接口、RS232通信接口及看门狗电路等优点,在实际应用中可以减少外扩电路,所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好卓越。电池巡检中央模块以PIC系列的微控制器为核心,配合CAN通信收发器芯片、LCD显示器、RS232串行转换芯片、故障报警蜂鸣器等构成整个电路。
上位机监控模块是基于LabVIEW而设计的串口通信监控界面,其作用是实时动态地显示和存储数据,此界面既可监控电池当前状态,又可查询每节电池的历史状态和电压值的走向,如此便于掌握整个燃料电池的工作状态。LabVIEW是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发,LabVIEW使用的是图形化编辑语言来编写程序,产生的程序是框图的形式,用此所开发出的界面具有美观性好、控制简单和兼容性高等优点。主要是采用VISA模块来和微控制器进行通信,在接收到数据并校验无误后显示在Labview设计的界面上。界面上可以检测每节电压的实时电压值,可以查询单节电池在一段时间内的电压走势,可以根据需要存储所有单节单体电池在每个时间段内的电压。在电压异常时,可通过图形的颜色变化来提醒用户及时做出相应决策。
附图说明
本实用新型的有益效果是:能实时巡回监测燃料电池每节的电压值,掌握整个燃料电池的工作状态,发现故障及时排除,有效延长大功率燃料电池的寿命。
图1为本实用新型的原理框图。
图2为本实用新型电池巡检子模块的功能框图。
图3为本实用新型电池巡检中央模块的功能框图。
图4为本实用新型电池巡检子模块的电路图。
图5为本实用新型电池巡检中央模块的电路图。
具体实施方式
本实施例中的电池巡检子模块功能框图如附图2,其电路设计如附图4所示,电池巡检子模块的单节电池取样单元电路部分包括两个多路模拟开关AD7506、一个小信号运算放大器AD620和16个限流电阻,配合完成对每节单体电池的高速循环取样。其通道的切换由微控制器控制通过光电隔离器件来控制。为提高精度,用稳压二极管做了一个基准电压,每测量一个单电池电压都与这个基准电压去比较,使得数据非常准确。
多路模拟开关和运算放大器采用±15V输出的隔离电源供电,该电路可测量15节单体电池电压。多路模拟开关的地址控制线由微控制器通过光电耦合器连接到多路模拟开关的地址选择线(AD7506的A0,A1,A2,A3引脚)引脚上,多路模拟开关使能端(AD7506的EN引脚)直接连接到电源VDD1端,多路模拟开关有16通道(AD7506的S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16引脚)的CMOS模拟开关。由两个相同的模拟开关芯片组成16路差动输入的模拟信号采样电路,其中参考基准电源接在AD7506的第1通道上,其他的15个通道用于检测15节单体电池的电压。由于15节单体电池的中点接在了电源的COM1公共端,因此可以确保被测电池的最低端的电压不会低于-15V,电池的最高端的电压不会高于+15V,电路中被测的各点电位都处在安全的范围内。模拟开关的输出(AD7506DE的OUT引脚)接在差动测量放大器的输入端(AD620的第1和第3引脚),放大器的输入共模信号可能高于10V,但差动信号不会高于1.2V(因为一般1节单体燃料电池的电压最大值是1.2V)。
考虑到被测电池的电压相对控制系统的电源而言较高,所以必须采取相应的隔离措施,小信号运算放大器的输出不能直接输入给微控制器的AD通道,需要再通过一个隔离放大器使得信号得到隔离,因为微控制器系统不能与前段取样系统共地,所以微控制器系统的电源由另外的DC/DC电源模块提供。光电隔离放大器用ISO124,其输入端供电源与电池取样电路的供电源一致,其输出端供电源与微控制器系统的供电源一致,AD620输出信号端(AD620的低6引 脚)与ISO124的输入端(ISO124的15引脚)相连,最后电池的电压测量信号经ISO124的输出端(ISO124的7引脚)输出,送入微控制器的AD通道(即微控制器PIC18F2480的RA0/AN0引脚)。
微处理中心的核心是采用了MICROCHIP公司的PIC系列的8位微处理器PIC18F2480,它工作电压和温度范围宽,指令执行速度快,电磁兼容特性好,内有10位的AD转换通道、多种通信接口、PWM输出及看门狗电路等,在实际应用中无需外扩其他芯片,所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好,它主要完成对电池电压和温度的采样处理,对采样电路的隔离控制,以及与电池巡检中央模块的CAN通信。电池取样单元电路的模拟多路开关地址选择线务必通过4个光电耦合器与微控制器的I/O口相连,因为电池取样单元电路与微控制器的供电源是隔离的。光电隔离器件采用TLP521-2,微控制器的RC0、RC1、RC2、RC3端口输出控制信号是通过两个TLP521-2光电隔离器后去控制2个多路模拟开关AD7506的四位地址选择口(AD7506的A0,A1,A2,A3引脚)。微控制器外围还连接着温度采集单元,调试接口、CAN通信接口和编码单元;温度采集单元还连接到燃料电池电堆。
温度采集单元,对工作中的燃料电池电堆实施实时温度监控,给用户或燃料电池电堆控制系统提供温度信息,如果温度过高,报警输出向用户提示。使用的温度传感器是DS18B20数字温度传感器,其电源端(DS10B20传感器的VCC引脚)接微控制系统的电源VDD(5V),其接地端(DS10B20传感器的GND引脚接微控制系统的地),其数据端口(DS10B20传感器的DATA引脚)接微控制器的RB3端口,为提高温度传感器数据线的抗干扰能力,在数据连线上接上拉电阻。
该系统采用MPLAB ICD调试接口,主要在微控制系统开发过程中用以实现对微控制芯片的程序调试与下载。该接口为一个6针的接头,其1引脚与微控制器的MCLR/Vpp/RE3引脚连接,该引脚接上拉电阻;2引脚与电源VDD连接;3引脚与电源的地连接;4引脚悬空;5引脚与微控制器的RB7引脚连接;6引脚与微控制器的RB6引脚连接。
CAN通信接口设计目的是实现电池巡检子模块与电池巡检中央模块间数据交换,专门基于CAN通信收发芯片PCA28C250设计了CAN通信接口。PCA28C250的TX与RX引脚分别与微控制器的RB2、RB3连接,其输出端CANH与CANL 间连接一个120欧姆的防波反射的电阻。
编码单元的编码开关设计由5位拨码开关组成,用于定义电池巡检子模块的节点地址。这5个开关分别与微控制器的RA1、RA2、RA3、RA4、RA5连接。
本实施例的电池巡检中央模块功能框图如图3所示,其电路设计如图5所示:微控制器采用了与电池巡检子模块系统一样的MICROCHIP公司的PIC系列的8位微处理器PIC18F2480,它工作电压和温度范围宽,低功耗、指令执行周期短、电磁兼容特性好,内有10位的AD转换通道、多通信接口、PWM输出及看门狗电路等,在实际应用中可以减少外扩电路,所以它比一般的8位51单片机芯片性能更好卓越。主要完成对电池参数的分析处理,故障报警和显示,以及与各电池巡检子模块及上位机间的通信。
故障报警蜂鸣器:对采集到的所有电池参数进行分析,存在状态不好的电池时设置故障码,并通过蜂鸣器报警。即检测到电池系统中一些电压较低的电池认为有问题或需要维护,通过触发蜂鸣器向用户故障报警,通过显示器显示出有问题电池的故障码编号及电压数据。报警电路由一个PNP型三极管和一个5V的蜂鸣器组成。控制蜂鸣器的信号来自微控制芯片的RA0.端口,低电平有效。
故障电池参数阅读按键:在有故障时按此键即可通过显示器将故障电池参数读出。故障码阅读键一端接地,另一端通过上拉电阻连接到微控制器的RA1引脚。
显示器:显示故障电池的参数。为节省控制芯片的资源,系统采用通用的串行控制的8位数字液晶模块,主要用于显示测量的电池电压数据和故障码。该显示有电源引脚VCC、接地引脚GND、时钟引脚CLK、数据引脚DATA。VCC引脚接控制系统电源的VDDD端,GND引脚接控制系统电源的地,CLK引脚接控制芯片的RA2端口,数据口D接微控制芯片的RA3端口。
调式接口:采用MPLAB ICD调试接口,主要在微控制系统开发过程中用以实现对微控制芯片的程序调试与下载。该接口为一个6针的接头,其1引脚与微控制器的MCLR/Vpp/RE3引脚连接,该引脚接上拉电阻;2引脚与电源VDD连接;3引脚与电源的地连接;4引脚悬空;5引脚与微控制器的RB7引脚连接;6引脚与微控制器的RB6引脚连接。
CAN通信接口:目的是实现电池巡检子模块与电池巡检中央模块间数据交 换,专门基CAN通信收发芯片PCA28C250设计了CAN通信接口。PCA28C250的TX与RX引脚分别与微控制器的RB2、RB3连接,其输出端CANH与CANL间连接一个120欧姆的防波反射的电阻。
RS-232串行通信接口:考虑到上位机对燃料电池系统的监控,专门基于MAX232芯片设计了控制系统的串行通信接口,以便于上位机与本系统间的数据通信。其目的在于对燃料电池系统的工作参数予以监控,以及对系统中一些系数进行标定。通信接口电路均采用标准电路。
本实用新型不局限于上述实施例,任何在本实用新型披露的技术范围内的等同构思或者改变,均列为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于CAN总线技术的大功率燃料电池巡检系统,其特征在于:整个系统包括若干电池巡检子模块、一个电池巡检中央模块和一个上位机监控模块,所述的若干个对15节单体电池的电压和温度参数采集的电池巡检子模块通过CAN总线接到电池巡检中央模块,所述的电池巡检中央模块与上位机监控模块通过串行通信接口与上位机监控模块保持连接。
2.如权利要求1所述的基于CAN总线技术的大功率燃料电池巡检系统,其特征在于:所述的每一个电池巡检子模块的电路包括微控制器、调试接口、CAN通信接口、编码单元、电池取样单元、隔离放大单元、温度采集单元;电池巡检子模块电路在空间位置上靠近燃料电池电堆,整个电池巡检子模块以微控制器为核心,所述电池取样单元的两个双极性电源的多路模拟开关和双极性的小信号运算放大器连接到每节单体电池,小信号运算放大器输出信号端与隔离放大单元的光电隔离放大器的输入端相连,光电隔离放大器的输出端连接到微控制器的AD通道;所述的电池取样单元电路的模拟多路开关地址选择线通过4个光电耦合器与微控制器的I/O口相连;微控制器外围还连接着温度采集单元,调试接口、CAN通信接口和编码单元;温度采集单元还连接到燃料电池电堆。
3.如权利要求1所述的基于CAN总线技术的大功率燃料电池巡检系统,其特征在于:所述的电池巡检中央模块的微控制器采用了与电池巡检子模块系统一样的微处理器PIC18F2480,其外围连接故障报警蜂鸣器、显示器、故障电池参数阅读按键、调试接口、CAN通信接口、RS-232串行通信接口;所述的CAN通信接口通过CAN总线与各个电池巡检子模块的CAN通信接口连接,所述的RS-232串行通信接口与上位机监控模块相连。
4.如权利要求1所述的基于CAN总线技术的大功率燃料电池巡检系统,其特征在于:所属的上位机监控模块与电池巡检中央模块连接,具有基于Labview而设计的串口通信监控界面。
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