CN111239478A - 燃料电池单片电压采集解析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了燃料电池技术领域的燃料电池单片电压采集解析系统，包括与燃料电池碳板电连接的电压采集电路、SPI数据隔离电路、单片机和通讯电路，所述电压采集电路加载有均衡电路和测温电路，所述电压采集电路信号连接SPI数据隔离电路，所述SPI数据隔离电路信号连接单片机，所述单片机信号连接通讯电路，该系统主要是针对单片碳板电压进行数据采集，电压采集范围可高达58V，运用芯片LTC6803‑4对碳板电压进行采样分析，具有采样误差小，抗EMI能力强，待机电流低的特点；同时该芯片提供RS485和SPI两种通讯方式，方便烧录调试，应用便捷。

Description

燃料电池单片电压采集解析系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为燃料电池单片电压采集解析系统。

背景技术

甲醇燃料电池是燃料电池中常用的一种类型，其电堆一般由8片、14片、18片单片电池组成，单片电池碳板的性能影响着整个电堆的性能。实时检测单片电池电压便于研究人员研究分析电堆的工作状况和性能、改进电堆结构，以确保电堆中单片电池性能的一致性；便于控制系统及时做出正确决策，维持电堆安全、可靠和稳定运行。燃料电池单片电压检测不仅在电堆的设计和研发阶段极其重要，在维护电堆正常运行中也是必不可少的。故亟需设计一种用于12片单片电池电压的实时侦测系统，基于此，本发明设计了燃料电池单片电压采集解析系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供燃料电池单片电压采集解析系统，以解决上述背景技术中提出的亟需设计一种用于12片单片电池电压的实时侦测系统的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：燃料电池单片电压采集解析系统，包括与燃料电池碳板电连接的电压采集电路、SPI数据隔离电路、单片机和通讯电路，所述电压采集电路加载有均衡电路和测温电路，所述电压采集电路信号连接SPI数据隔离电路，所述SPI数据隔离电路信号连接单片机，所述单片机信号连接通讯电路，所述电压采集电路包括芯片LTC6803-4、电容C38、C39、C44、C54和C55、电阻R30～R33、电阻R40、R41、R44～48、R55，所述电容C38和C39接地后通过电阻R40与芯片LTC6803-4的V+脚连接，所述电阻R30～R33的一端分别与芯片LTC6803-4的CSBI、SDO、SDI和SCKI脚连接，所述电阻R30～R33的另一端连接有+5VCC，所述芯片LTC6803-4的A3脚连接电阻R41，所述电阻R41的另一端连接有+5VCC和电阻R44～46，所述电阻R44～46另一端分别与芯片LTC6803-4的GPIO2、GPIO1和WDTB脚连接，所述电容C44和C45接地后与芯片LTC6803-4的VREG脚连接，所述电阻R47、R48和R55分别与芯片LTC6803-4的VREF、VTEMP2和VTEMP1脚连接，所述电阻R55的另一端通过电容C55接地，所述芯片LTC6803-4的A0、A1、A2、TOS、NC和V-脚接地。

进一步的，所述芯片LTC6803-4的C0～C12脚分别与燃料电池的12片碳板连接，将侦测到的初始电压通过SPI通讯系统传到单片机上。

进一步的，所述SPI数据隔离电路包括芯片SI8441BB-D-IS、电容C49～C52和电阻R87～R94，所述电容C49和C50并接后的两端分别接地和连接+5V端，所述电容C49和C50并接后的两端还分别与芯片SI8441BB-D-IS的VDD1和GND1脚连接，所述电阻R87、R89、R91和R93分别与芯片SI8441BB-D-IS的A1～A4脚连接，所述芯片SI8441BB-D-IS的B1～B4脚分别与电阻R88、R90、R92和R94连接，所述芯片SI8441BB-D-IS的VDD2和EN2脚连接后并接有电容C51和C52，所述电容C51和C52并接后的两端分别接地、连接+5VCC端和芯片SI8441BB-D-IS的GND2脚。

进一步的，所述单片机采用FS32K144HFT0MLLT单片机。

进一步的，所述通讯电路采用通讯芯片如ADM2687E及配套电路。

进一步的，所述测温电路包括贴在电堆内外两边的热敏电阻NTC1和NTC2，所述电阻NTC1和NTC2分别串接普通电阻R66和R67后并接，所述并接电路的两端分别接地和连接VREG端，所述普通电阻R66与热敏电阻NTC1的中间节点和热敏电阻NTC2与普通电阻R67的中间节点分别与芯片LTC6803-4的VTEMP2和VTEMP1脚。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首先通过外置锂电池组给前端电源提供一个12V直流电压，运用一系列外设电源转换电路分别转出5V、3.3V等分路电压，运用外设电源转化芯片从5V电压处转出5VCC的模拟电压，同时需要数字地和模拟地的隔离，电源供应正常的情况下，单片机利用SPI总线读取芯片LTC6803-4采集的碳板单体电压，并通过SPI通讯将数据传送到外设的主控制板，主控制板在接收到采集的数据后进行分析，控制电堆工作，每一路电压采集通路均有一个MOS开关，对于碳板电压进行充放电，单片机通过对MOS的通断实现电芯电流均衡；

该系统主要是针对单片碳板电压进行数据采集，电压采集范围可高达58V，运用芯片LTC6803-4对碳板电压进行采样分析，具有采样误差小，抗EMI能力强，待机电流低的特点；同时该芯片提供RS485和SPI两种通讯方式，方便烧录调试，应用便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统原理图；

图2为本发明电压采集电路图；

图3为本发明SPI数据隔离电路图；

图4为本发明通讯电路图；

图5为本发明均衡电路图；

图6为本发明测温电路图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-电压采集电路，2-均衡电路，3-测温电路，4-SPI数据隔离电路，5-单片机，6-通讯电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：燃料电池单片电压采集解析系统，包括与燃料电池碳板电连接的电压采集电路1、SPI数据隔离电路4、单片机5和通讯电路6，电压采集电路1加载有均衡电路2和测温电路3，电压采集电路1信号连接SPI数据隔离电路4，SPI数据隔离电路4信号连接单片机5，单片机5信号连接通讯电路6，电压采集电路1包括芯片LTC6803-4、电容C38、C39、C44、C54和C55、电阻R30～R33、电阻R40、R41、R44～48、R55，电容C38和C39接地后通过电阻R40与芯片LTC6803-4的V+脚连接，电阻R30～R33的一端分别与芯片LTC6803-4的CSBI、SDO、SDI和SCKI脚连接，电阻R30～R33的另一端连接有+5VCC，芯片LTC6803-4的A3脚连接电阻R41，电阻R41的另一端连接有+5VCC和电阻R44～46，电阻R44～46另一端分别与芯片LTC6803-4的GPIO2、GPIO1和WDTB脚连接，电容C44和C45接地后与芯片LTC6803-4的VREG脚连接，电阻R47、R48和R55分别与芯片LTC6803-4的VREF、VTEMP2和VTEMP1脚连接，电阻R55的另一端通过电容C55接地，芯片LTC6803-4的A0、A1、A2、TOS、NC和V-脚接地。

其中，芯片LTC6803-4的C0～C12脚分别与燃料电池的12片碳板连接，将侦测到的初始电压通过SPI通讯系统传到单片机5上。

SPI数据隔离电路4包括芯片SI8441BB-D-IS、电容C49～C52和电阻R87～R94，电容C49和C50并接后的两端分别接地和连接+5V端，电容C49和C50并接后的两端还分别与芯片SI8441BB-D-IS的VDD1和GND1脚连接，电阻R87、R89、R91和R93分别与芯片SI8441BB-D-IS的A1～A4脚连接，芯片SI8441BB-D-IS的B1～B4脚分别与电阻R88、R90、R92和R94连接，芯片SI8441BB-D-IS的VDD2和EN2脚连接后并接有电容C51和C52，电容C51和C52并接后的两端分别接地、连接+5VCC端和芯片SI8441BB-D-IS的GND2脚。

单片机5采用FS32K144HFT0MLLT单片机。

通讯电路6采用通讯芯片如ADM2687E及配套电路。

测温电路3包括贴在电堆内外两边的热敏电阻NTC1和NTC2，电阻NTC1和NTC2分别串接普通电阻R66和R67后并接，并接电路的两端分别接地和连接VREG端，普通电阻R66与热敏电阻NTC1的中间节点和热敏电阻NTC2与普通电阻R67的中间节点分别与芯片LTC6803-4的VTEMP2和VTEMP1脚。

多节电池的芯片LTC6803-4和单片机FS32K144HFT0MLLT及其外设电路组成了初步的单片电压采集系统，芯片LTC6803-4有12位ADC，精密的基准电压，高电压输入复接器和1MHz串行接口,具有可堆栈的架构，每个器件可测试多达12个串接的电池或超级电容，总测试误差最大为0.25％、在芯片内部，每节电池电压采样单元具有一个MOS开关，用于对每节电池进行均衡放电，如图1，将12片碳板分别接入对应的电压监测端C0～C12，将侦测到的初始电压通过SPI通讯传到单片机上，同时注意做好单片机控制部分与电池监测芯片部分的隔离工作，防止外部的干扰串到传输信号当中，影响数据传输的准确性；本发明使用芯片SI8441BB-D-IS对芯片LTC6803-4与单片机端的SPI通讯进行了完整隔离，并通过电源转换芯片B0512S-1WR3对电源输入部分进行了隔离；同时在PCB布局设计时，将GND与GND_V-的铜箔表层和内电层进行完全切割；

电堆电压采集的设计还需要考虑到电池的消耗问题，最初，电池组的电芯可能匹配得相当好，但随着时间推移，电芯匹配度会因充电/放电循环、高温和一般老化而降低，弱电芯的充放电速度将快于强(或较高容量)电池单元，因此前者成为系统运行时间的限制因素，芯片LTC6803-4加载有被动均衡电路，被动均衡会让电池组每个电芯的容量看起来与最弱电芯相同，它在充电周期中使用相对较低的电流，从高SoC电池消耗少量能量，使得所有电池单元充电至其最大SoC，这是通过与每个电芯并联的开关和泄放电阻来实现的；被动均衡使得所有电池具有相同的SoC，但它并未改善电池供电系统的运行时间，它提供了一种成本相当低的电池均衡方法，但由于放电电阻的存在，该过程中会浪费能量；这就需要主动均衡与芯片内部的被动均衡相结合，来提高电池组的性能，在充电和放电期间，主动均衡不会浪费能量，而是将能量重新分配给电池组中的其他电池单元；放电时，较强的电池单元会给较弱的电池单元补充能量，从而延长电池单元达到其完全耗尽状态的时间，如图5是一个外部的均衡电路，C0～C12接到12片碳板的对应端，S1～S12对外部的MOS开关进行控制，控制均衡电路的开启和关闭，本设计中一共有12路均衡电路，这里以第一路控制电路为例。MOS管Q3的开关瞬间会导致信号出现毛刺，即瞬间变化波形，这就需要在电压侦测时加入滤波电路，在输入通道中串入电阻R1(100Ω)，电阻不会导致太大的测量误差，同时在电池输入端C1与电池C0之间加一颗电容C36，与电阻R1一同构成了RC滤波电路；

单片电压测试过程中，电堆充放电期间电堆会出现一定程度的温度变化，这就需要对电堆温度进行实时检测，以便更加清楚的知道电堆的性能，芯片LTC6803-4有两路温度监测通道，如图6，这两路温度侦测为VTEMP1和VTEMP2，NTC1和NTC2为两颗热敏电阻，贴在电堆内外两边，根据热敏电阻温度变化阻值变化的特性对电堆温度进行实时监测；

通讯电路利用通讯芯片如ADM2687E，ADM2687E采用isoPowerTM集成式隔离DC/DC技术，是一款隔离的RS-485/RS-422收发器，可配置成半双工或全双工模式，通信速率分别为数据速率：16Mbps/500kbps，采用20引脚宽体SOIC封装，管脚兼容，其额定工作温度范围为工业温度范围(-40℃to+85℃)，如图4是芯片ADM2687E与单片机进行半双工RS485网络配置的电路图，由于ADM2687E后端有A、B、Y、Z四路输出，当用作半双工电路时，需要将A和Y连接，作为半双工的A信号线，将B和Z连接，作为半双工的B信号线，两个VCC引脚的输入端和GND1引脚之间接有0.01uF、10uF及2个0.1uF电容，这些电容是必要的，能够去耦及滤波，保证输入电源的平稳。同样，Visoin与GND2引脚之间的0.1uF和0.01uF电容，Visoout和GND2引脚之间的0.1uF和10uF电容都是芯片工作所需要的。在ADM2687E的总线输出侧Visoout引脚是ADM2687E内部隔离电源的输出引脚，而Visoin引脚是内部集成RS-485/RS-422收发器的电源输入引脚，所以这里Visoin引脚和Visoout引脚必须连接在一起；

整体线路板设计时采用信号层-地层-电源层-信号层的叠构设计，其中通讯电路采用独立地设计，并使用带有隔离功能的芯片ADM2687E进行信号处理，所以信号衰减小，通讯稳定，使用芯片LTC6803-4和SI8441BB-D-IS对双极板电压信号进行采集和处理，采样精准，误差范围小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.燃料电池单片电压采集解析系统，包括与燃料电池碳板电连接的电压采集电路(1)、SPI数据隔离电路(4)、单片机(5)和通讯电路(6)，其特征在于：所述电压采集电路(1)加载有均衡电路(2)和测温电路(3)，所述电压采集电路(1)信号连接SPI数据隔离电路(4)，所述SPI数据隔离电路(4)信号连接单片机(5)，所述单片机(5)信号连接通讯电路(6)，所述电压采集电路(1)包括芯片LTC6803-4、电容C38、C39、C44、C54和C55、电阻R30～R33、电阻R40、R41、R44～48、R55，所述电容C38和C39接地后通过电阻R40与芯片LTC6803-4的V+脚连接，所述电阻R30～R33的一端分别与芯片LTC6803-4的CSBI、SDO、SDI和SCKI脚连接，所述电阻R30～R33的另一端连接有+5VCC，所述芯片LTC6803-4的A3脚连接电阻R41，所述电阻R41的另一端连接有+5VCC和电阻R44～46，所述电阻R44～46另一端分别与芯片LTC6803-4的GPIO2、GPIO1和WDTB脚连接，所述电容C44和C45接地后与芯片LTC6803-4的VREG脚连接，所述电阻R47、R48和R55分别与芯片LTC6803-4的VREF、VTEMP2和VTEMP1脚连接，所述电阻R55的另一端通过电容C55接地，所述芯片LTC6803-4的A0、A1、A2、TOS、NC和V-脚接地。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单片电压采集解析系统，其特征在于：所述芯片LTC6803-4的C0～C12脚分别与燃料电池的12片碳板连接，将侦测到的初始电压通过SPI通讯系统传到单片机(5)上。

3.根据权利要求1所述的燃料电池单片电压采集解析系统，其特征在于：所述SPI数据隔离电路(4)包括芯片SI8441BB-D-IS、电容C49～C52和电阻R87～R94，所述电容C49和C50并接后的两端分别接地和连接+5V端，所述电容C49和C50并接后的两端还分别与芯片SI8441BB-D-IS的VDD1和GND1脚连接，所述电阻R87、R89、R91和R93分别与芯片SI8441BB-D-IS的A1～A4脚连接，所述芯片SI8441BB-D-IS的B1～B4脚分别与电阻R88、R90、R92和R94连接，所述芯片SI8441BB-D-IS的VDD2和EN2脚连接后并接有电容C51和C52，所述电容C51和C52并接后的两端分别接地、连接+5VCC端和芯片SI8441BB-D-IS的GND2脚。

4.根据权利要求1所述的燃料电池单片电压采集解析系统，其特征在于：所述单片机(5)采用FS32K144HFT0MLLT单片机。

5.根据权利要求1所述的燃料电池单片电压采集解析系统，其特征在于：所述通讯电路(6)采用通讯芯片如ADM2687E及配套电路。

6.根据权利要求1所述的燃料电池单片电压采集解析系统，其特征在于：所述测温电路(3)包括贴在电堆内外两边的热敏电阻NTC1和NTC2，所述电阻NTC1和NTC2分别串接普通电阻R66和R67后并接，所述并接电路的两端分别接地和连接VREG端，所述普通电阻R66与热敏电阻NTC1的中间节点和热敏电阻NTC2与普通电阻R67的中间节点分别与芯片LTC6803-4的VTEMP2和VTEMP1脚。

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