專利名稱：一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池電壓監(jiān)測(cè)裝置，尤其涉及一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池單片電壓是燃料電池性能的重要指示參數(shù)之一，通過測(cè)量其值可以監(jiān)測(cè)燃料電池堆的工作狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)燃料電池的目的。
燃料電池單片電壓的工作范圍一般小于1V，空載時(shí)可略高于1V。作為車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，需要達(dá)到如下技術(shù)要求(1)測(cè)量速度快車用燃料電池由于功率的要求，一般由幾百上千個(gè)單片組成，為保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，每個(gè)單片的測(cè)量速度應(yīng)盡可能快，一般用時(shí)小于1ms，完成所有單片測(cè)量小于1s。
(2)測(cè)量精度高由于燃料電池單片的正常工作范圍在0～1V，所以測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到10mV量級(jí)。
(3)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能與主控制器方便的通訊。
(4)抗干擾能力強(qiáng)由于燃料電池堆是強(qiáng)電環(huán)境，電磁干擾問題嚴(yán)重；此外，為適應(yīng)車用工況，還需要有較好的抗震、適應(yīng)溫度變化等性能。
(5)成本適中。
車用燃料電池單片電壓測(cè)量的首要難題是電勢(shì)累積的問題，尤其是隨著燃料電池單片數(shù)目的不斷增加，此問題表現(xiàn)得更加明顯，對(duì)器件的耐壓值以及安全性提出了更高的要求。
目前，為解決電勢(shì)積累，常用的單片電壓監(jiān)測(cè)方案包括電阻分壓，電阻-二極管分壓，光耦隔離繼電器選通，線性隔離差分運(yùn)放等方法。但這些方法均存在一定的不足，如電阻分壓方法在測(cè)量單片數(shù)目較大時(shí)，誤差過大；應(yīng)用線性隔離差分運(yùn)算放大器的方法要求每個(gè)單電池都配一個(gè)隔離差分運(yùn)放，系統(tǒng)成本高，體積大，接線復(fù)雜?，F(xiàn)在應(yīng)用較廣的是光電隔離繼電器的方法，它是通過光耦選通的方法對(duì)每個(gè)單片進(jìn)行直接地測(cè)量，精度高，但其安全性還不夠完善，尤其是電堆測(cè)量參考地與測(cè)量電路電源地之間的隔離問題還需要進(jìn)行改進(jìn)，此問題如果解決不好，很容易造成單片機(jī)電路的燒毀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，該裝置可對(duì)車載的燃料電池各單片電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而給燃料電池主控制器提供控制的參考信息。
為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置包括5個(gè)部分光耦選通電路、隔離電路、絕對(duì)值電路、硬件互鎖電路、單片機(jī)及CAN通訊電路。
光耦選通電路2用于分別選通各單片電池兩端的電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)單片電池電壓的直接測(cè)量，并解決了電勢(shì)積累的問題。其采用了64個(gè)雙通道光耦隔離繼電器作為選通元件，共可選通124個(gè)單片電壓。
隔離電路3用于燃料電池信號(hào)選通電路與單片機(jī)信號(hào)處理電路之間的隔離，從而防止燃料電池的電環(huán)境對(duì)單片機(jī)電路的干擾，提高了電磁兼容性。其采用了隔離運(yùn)算放大器做為其核心元件。
絕對(duì)值電路4用于把選通產(chǎn)生的正負(fù)交替信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接受的正信號(hào)，并通過單端正電壓供電的同相跟隨器濾除負(fù)信號(hào)。
硬件互鎖電路5用于控制與光耦選通電路相配合的譯碼器芯片，防止出現(xiàn)不相鄰?fù)ǖ赖墓怦钸x通所造成的過壓危險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。其通過一組與非門邏輯電路實(shí)現(xiàn)。
單片機(jī)及CAN通訊電路6用于單片電壓信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸，其CAN通訊采用了最新的TTCAN協(xié)議，在通訊節(jié)奏和可靠性方面都有了很大的改善。
整個(gè)裝置的聯(lián)接方式為光耦選通電路2的輸入端分別與燃料電池各單片1順序相連，其輸出端與隔離電路3的輸入端相連，隔離電路3對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離處理后再經(jīng)由絕對(duì)值電路4通過兩路AI引腳輸入單片機(jī)6，為提高硬件容錯(cuò)性，單片機(jī)6通過控制四路I/O引腳信號(hào)，由硬件互鎖電路5來保證選通通道的唯一性，單片機(jī)又通過CAN通訊電路6與外部主控制器7進(jìn)行通訊。
本發(fā)明的有益效果是通過隔離電路有效解決了現(xiàn)有方案中測(cè)量對(duì)象電系統(tǒng)與單片機(jī)電系統(tǒng)的隔離問題，提高了電路的電磁兼容性；通過絕對(duì)值電路解決了現(xiàn)有方案中采用外擴(kuò)雙極性AD轉(zhuǎn)換芯片的成本問題；通過硬件互鎖電路解決了現(xiàn)有光耦選通方案中因?yàn)檐浖碗姶鸥蓴_而引起的非相鄰?fù)ǖ肋x通的過壓危險(xiǎn)問題；該監(jiān)測(cè)裝置可測(cè)量124路單片電壓值，應(yīng)用多個(gè)本裝置組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過采用TTCAN協(xié)議的CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各裝置與主控制器的有序通訊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片數(shù)目較大的燃料電池堆的全部單片電壓的測(cè)量。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明安全性高，體積小，成本適中；測(cè)量精度高(單片測(cè)量誤差為10mV量級(jí))，測(cè)量速度快(單片測(cè)量用時(shí)小于1ms)；通訊能力強(qiáng)，易擴(kuò)展應(yīng)用，完全滿足車載燃料電池堆單片電壓監(jiān)測(cè)的需要。本發(fā)明同樣適用于非移動(dòng)式燃料電池堆單片電壓的監(jiān)測(cè)，以及類似的由眾多單片組成的電池系統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)。


圖1是燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖，其中，1-燃料電池單片，2-光耦選通電路，3-隔離電路4-絕對(duì)值電路，5-硬件互鎖電路，6-單片機(jī)及CAN通訊電路，7-燃料電池主控制器，8-單片機(jī)I/O端口，9-譯碼器使能端口。
圖2是光耦選通電路示意圖。
圖3是隔離電路示意圖。
圖4是絕對(duì)值電路示意圖。
圖5是硬件互鎖電路示意圖。
圖6是TTCAN通訊協(xié)議。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1所示為燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖，其中，1為燃料電池單片，2為光耦選通電路3為隔離電路，4為絕對(duì)值電路，5為硬件互鎖電路，6為單片機(jī)及CAN通訊電路，7為燃料電池主控制器，8為單片機(jī)I/O端口，9為譯碼器使能端口。虛線框內(nèi)所示即為本裝置中的結(jié)構(gòu)，包括光耦選通電路2、隔離電路3、絕對(duì)值電路4、硬件互鎖電路5、單片機(jī)及CAN通訊電路6。光耦選通電路2的輸入端分別與燃料電池各單片1順序相連，其輸出端與隔離電路3的輸入端相連，而光耦的導(dǎo)通由單片機(jī)通過譯碼器進(jìn)行控制；隔離電路3對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離處理，使前后信號(hào)及地之間不發(fā)生直接的物理連接；絕對(duì)值電路4把隔離后級(jí)的正負(fù)交替信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值化，通過兩路AI引腳輸入單片機(jī)6；為提高硬件容錯(cuò)性，單片機(jī)6通過控制四路I/O引腳8信號(hào)，由硬件互鎖電路5來保證選通通道的唯一性；單片機(jī)6對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理后通過CAN通訊電路6采用TTCAN協(xié)議與燃料電池主控制器7進(jìn)行通訊。
圖2所示為光耦選通電路示意圖。光耦選通電路使用64片AQW214光電隔離繼電器，分成4個(gè)相同的光耦陣列，每個(gè)陳列由兩個(gè)4選16的譯碼器74HC154進(jìn)行組合選通；每組兩個(gè)譯碼器的4個(gè)片選輸入端與單片機(jī)P3端口相連，輸出端與光電隔離繼電器的控制端相連，兩個(gè)譯碼器的使能端( )同時(shí)與硬件互鎖電路的四個(gè)輸出端之一相連；光電隔離繼電器控制端的一極與譯碼器的輸出端相連，并且兩者的引腳一一對(duì)應(yīng)，另一級(jí)與電阻RVA相連，該電阻與+5V電源相連；光電隔離繼電器的被控制端的輸入引腳與燃料電池單片電勢(shì)點(diǎn)(如V0，V1等)相連，輸出引腳交替地連接到COMA、COMB輸出總線上。
該監(jiān)測(cè)裝置一共使用64片AQW214光電隔離繼電器，分成4個(gè)相同的光耦陣列，每個(gè)陣列由兩個(gè)4選16的譯碼器74HC154進(jìn)行組合選通，整個(gè)裝置可監(jiān)測(cè)124個(gè)單片電壓值。每組兩個(gè)譯碼器的4個(gè)片選輸入信號(hào)(A、B、C、D)由單片機(jī)的P3端口提供，兩個(gè)譯碼器的對(duì)應(yīng)輸出端(如YE0和YF0)分別接在同一光耦A(yù)QW214的兩個(gè)通道的控制端的一個(gè)引腳(AQW214的2、4引腳)上，AQW214的1、3引腳均通過上拉電阻拉高至5V，光耦的被控制端6、8引腳分別接燃料電池相鄰的單片電勢(shì)點(diǎn)，在單片機(jī)軟件控制下，兩個(gè)譯碼器分別控制光耦陣列中相鄰兩個(gè)通道導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)單電池電壓的測(cè)量。譯碼器的使能端(OE1、OE2)由硬件互鎖電路控制，使得同一時(shí)刻，只有一組譯碼器工作。由于AQW214光電隔離繼電器導(dǎo)通電阻很小，且其后級(jí)連接的是輸入電阻無窮大的運(yùn)算放大器，所以可以不考慮信號(hào)在此處的損耗。所有編號(hào)為偶數(shù)的單片電勢(shì)點(diǎn)V(2n)導(dǎo)通后均接入COMA線，所有編號(hào)為奇數(shù)的單片電勢(shì)點(diǎn)V(2n+1)導(dǎo)通后均接入COMB線，由于選通是交替進(jìn)行的，COMA與COMB之間的電勢(shì)差會(huì)隨之發(fā)生正負(fù)交替變化，但其絕對(duì)值等于與之相對(duì)應(yīng)的單片電池的電壓，在后續(xù)處理時(shí)，把COMB作為測(cè)量的參考地。
圖3所示為隔離電路示意圖。隔離電路使用精密運(yùn)算放大器OP07(I)、隔離運(yùn)算放大器AD202(II)和精密運(yùn)算放大器AD711(III)，并順序連接。運(yùn)放I的正向輸入端(3)分別與電阻IR1和電容IC1相連，電阻IR1另一端與光耦選通電路的輸出總線COMA相連，運(yùn)放I的負(fù)向輸入端(2)與電阻IR2相連，電阻IR2分別與電容IC1和光耦選通電路的輸出總線COMB相連，運(yùn)放I的負(fù)向輸入端(2)還通過電阻IR3與自身的輸出端(6)相連，構(gòu)成反饋；運(yùn)放I的輸出端(6)與隔離運(yùn)放II的正向輸入端(1)相連，隔離運(yùn)放II的反饋端(38)直接與其負(fù)向輸入端(3)相連，在隔離運(yùn)放內(nèi)部構(gòu)成同向跟隨放大器，隔離運(yùn)放II的正向輸出端與電阻IR5相連，負(fù)向輸出端直接接地；電阻IR5通過電容IC7接地的同時(shí)，與運(yùn)放III的正向輸入端(3)相連，運(yùn)放III的負(fù)向輸入端與其輸出端(6)直接相連，構(gòu)成反饋，其輸出端Outab與絕對(duì)值電路的輸入端相連。運(yùn)放I采用±7.5V雙端供電(+VISO、-VISO)，該電源由隔離運(yùn)放II前級(jí)輸出電壓端(36、37)提供，運(yùn)放I正負(fù)供電端(7、4)還分別通過電容與COMB相連；隔離運(yùn)放II前級(jí)共地端(2)與COMB相連，后級(jí)共地端(22)與單片機(jī)電路地相連，該運(yùn)放由+15V供電；運(yùn)放III采用±15V雙端供電，其正負(fù)供電端(7、4)同時(shí)通過電容與單片機(jī)電路地相連；此電路中電阻IR2、IR3采用0.1％的精密電阻。
由于測(cè)量的參考地COMB是一個(gè)不斷變化的浮動(dòng)值，其相對(duì)于燃料電池地的電勢(shì)可能高達(dá)幾百伏，如果把其直接與單片機(jī)電源地相連，很有可能造成電路的燒毀，安全隱患十分嚴(yán)重，需要對(duì)二者進(jìn)行隔離。本裝置中采用隔離運(yùn)算放大器AD202，該運(yùn)放具有很多優(yōu)良的特性其內(nèi)部對(duì)前后級(jí)的信號(hào)和電源都進(jìn)行了有效的隔離；其K級(jí)精度型號(hào)的偏置電壓(OffsetVoltage)最大只有±5mV，J級(jí)精度型號(hào)的偏置電壓最大為±15mV(實(shí)驗(yàn)表明其典型值可以控制在±10mV以內(nèi)，與K級(jí)精度相差無幾)，并且該運(yùn)放造成的增益誤差基本維持在一個(gè)固定值上，可通過標(biāo)定的方法來減小，從而滿足單片采集的精度要求；該運(yùn)放在其前級(jí)輸出一對(duì)±7.5V的電源，該電源由后級(jí)15V供電產(chǎn)生但與之隔離，用于給運(yùn)放前級(jí)的芯片供電且不影響隔離效果。具體的電路原理是光耦選通后的兩路信號(hào)中，把COMB作為參考地，COMA作為信號(hào)線；單片電壓信號(hào)首先經(jīng)過一個(gè)RC一階濾波，然后由精密運(yùn)放OP07組成的同向運(yùn)算放大電路放大一倍，此同向運(yùn)算放大器中選用的電阻IR2、IR3均為0.1％的粘密電阻，OP07的正負(fù)供電引腳7、4分別接AD202前級(jí)輸出的±7.5V電源±VISO，并分別通過1uF電容與COMB相聯(lián)，用于保持供電的穩(wěn)定，進(jìn)行放大處理的目的是相對(duì)減小隔離運(yùn)放AD202的增益誤差對(duì)測(cè)量精度造成的影響；濾波放大后的信號(hào)進(jìn)入AD202的+Input引腳，-Input引腳與AD202的反饋引腳IFeedback相連，Icommon引腳與COMB相連，這樣在AD202內(nèi)部的前級(jí)就構(gòu)成一個(gè)同向跟隨器，AD202后級(jí)的Ocommon引腳與單片機(jī)電路地相連，+15V電源由單片機(jī)電路電源(5V)通過DCDC升壓后提供，AD202輸出的兩路中OutputL直接與單片機(jī)電路地相連，OutputH作為信號(hào)線，這樣信號(hào)在經(jīng)過AD202后，其信號(hào)與地均實(shí)現(xiàn)了有效的隔離；AD202輸出信號(hào)再經(jīng)由一個(gè)RC一階濾波和由精密運(yùn)放AD711組成的同相跟隨器后輸出，AD711的±15V供電由單片機(jī)電路電源(5V)通過一個(gè)雙端輸出的DCDC升壓后提供，并分別通過1uF電容與單片機(jī)電路地相連，保持供電穩(wěn)定，接入同相跟隨器的目的在于AD202的輸出電阻較大(有7kΩ)，帶負(fù)載的能力受到影響，而同相跟隨器的輸入電阻相當(dāng)于無窮大，而輸出電阻很小，所以可以有效地增強(qiáng)電路帶負(fù)載的能力。
圖4所示為絕對(duì)值電路示意圖。絕對(duì)值電路使用2個(gè)精密運(yùn)算放大器AD820(I、III)和1個(gè)精密運(yùn)算放大器OP177(II)，并分成兩路順序連接。第一路中，運(yùn)放I的正向輸入端(3)與隔離電路的輸出端Outab相連，負(fù)向輸入端(2)與輸出端(6)直接相連，構(gòu)成反饋，輸出端(6)與單片機(jī)AIN0.0引腳相連；第二路中，運(yùn)放II的正向輸入端(3)接地，負(fù)向輸入端(2)通過電阻IR7與隔離電路的輸出端Outab相連，同時(shí)負(fù)向輸入端(2)通過電阻IR8與輸出端(6)相連，構(gòu)成反饋，運(yùn)放II的輸出端(6)與運(yùn)放III的正向輸入端(3)相連；運(yùn)放III的負(fù)向輸入端(2)與其輸出端(6)直接相連，構(gòu)成反饋，其輸出端(6)與單片機(jī)AIN0.1引腳相連。運(yùn)放I、III均采用+15V單端供電，其負(fù)供電端(4)均直接按地，正供電端(7)分別通過電容IC9、IC12與單片機(jī)電路地相連；運(yùn)放II采用±15V雙端供電，其正負(fù)供電端(7、4)分別通過電容IC10、IC11與單片機(jī)電路地相連；此電路中電阻IR7、IR8采用0.1％的精密電阻。
由于光耦選通電路產(chǎn)生的是正負(fù)交替變化的信號(hào)，而單片機(jī)引腳是不能承受過大負(fù)電壓的，所以選通隔離后的信號(hào)需要再經(jīng)過絕對(duì)值化才能引入單片機(jī)。如果只用一個(gè)電路、一個(gè)單片機(jī)引腳便完成上述操作是比較理想的，但現(xiàn)有的一些絕對(duì)值電路普遍存在精度不夠、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，另外考慮到該監(jiān)測(cè)裝置功能單一，單片機(jī)引腳有大量富余，于是采用單片機(jī)的兩個(gè)引腳、采用較簡(jiǎn)單的電路來對(duì)正負(fù)信號(hào)進(jìn)行分開處理，具體情況是第一路引入單片機(jī)的AIN0.0引腳，用于正電壓信號(hào)的輸入，該路上放置一個(gè)由精密運(yùn)放AD820組成的單端正電壓供電的同相跟隨器，其正供電引腳與+15V(由DCDC提供)，負(fù)供電引腳與單片機(jī)電路地相連，正電壓信號(hào)可以通過該跟隨器，而負(fù)電壓信號(hào)會(huì)被飽和至接近0電平；第二路引入單片機(jī)的AIN0.1引腳，用于負(fù)電壓信號(hào)的輸入，該路上首先放置一個(gè)由精密運(yùn)放OP177組成的雙端供電的反相跟隨器，其正負(fù)供電引腳分別與±15V(由DCDC提供)相連，所用電阻IR7、IR8均為0.1％的精密電阻，然后再接入與第一路相同的AD820單端正電壓供電的同相跟隨器，這樣負(fù)電壓信號(hào)首先被反相成正電壓信號(hào)，再輸入單片機(jī)引腳，而正電壓信號(hào)反相為負(fù)電壓信號(hào)后被同相跟隨器飽和至0電平。在單片機(jī)內(nèi)部，通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換與通道選通的同步。
圖5為硬件互鎖電路示意圖。硬件互鎖電路使用1個(gè)2輸入4通道與非門芯片74LS00(I)和2個(gè)4輸入2通道與非門芯片74LS20(II、III)。與非門I的4個(gè)通道的各兩個(gè)輸入端(1、2；4、5；9、10；12、13)相互連接后再與單片機(jī)P1.0～P1.3引腳相連，各通道輸出端(3、6、8、11)分別與與非門II、III輸入端相連；與非門II、III各通道的4個(gè)輸入端中，3個(gè)引腳用于連接與非門I的輸出，1個(gè)引腳直接與單片機(jī)P1.0～P1.3引腳之一相連，4個(gè)通道的連接組合互斥，與非門II、III的輸出與光耦選通電路中的譯碼器使能端相連。
在光耦選通時(shí)，必須保證只有兩個(gè)相鄰的通道被選通，否則在后級(jí)ComA和ComB之間會(huì)產(chǎn)生很大電勢(shì)差，特別是當(dāng)兩個(gè)通道分別在不同的光耦陣列中時(shí)，兩者的壓差可以達(dá)到幾十伏，甚至上百伏，這會(huì)在瞬間燒毀整個(gè)監(jiān)測(cè)電路。由于光耦選通的控制是由單片機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的，如果軟件編寫錯(cuò)誤或運(yùn)行出錯(cuò)都很有可能造成上述后果，因此需要從硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行保護(hù)。硬件互鎖電路的原理是通過控制各組譯碼器的使能端，使得在一個(gè)時(shí)刻只有一組譯碼器被使能，這樣非使能的譯碼器即使有輸入信號(hào)也不會(huì)產(chǎn)生通道的選通。實(shí)現(xiàn)該功能的方法是通過單片機(jī)控制一個(gè)邏輯門電路從而產(chǎn)生一組互斥的邏輯控制信號(hào)。這里采用了一片兩輸入與非門芯片74LS00和兩片四輸入與非門芯片74LS20，74LS00內(nèi)有4個(gè)兩輸入與非門，用于產(chǎn)生與單片機(jī)輸入P1.0～P1.3相對(duì)應(yīng)的非邏輯信號(hào)P1.0N～P1.3N，74LS20內(nèi)有兩個(gè)四輸入與非門，兩片74LS20中一共四個(gè)四輸入與非門分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)譯碼器使能端的控制信號(hào)PR1～PR4)。邏輯真值表如下(P1.0～P1.3為單片機(jī)的引腳信號(hào)，PR1～PR4為四組譯碼器的使能端信號(hào))

圖6是TTCAN通訊協(xié)議。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接，采用TTCAN協(xié)議通訊，當(dāng)該CAN網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，合理設(shè)計(jì)TTCAN協(xié)議中時(shí)間矩陣的結(jié)構(gòu)關(guān)乎通訊的安全性。設(shè)計(jì)分析如下由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是完全一樣的，具有很嚴(yán)格的周期性，所以該TTCAN網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)矩陣可以只由一個(gè)基本循環(huán)組成；由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)124個(gè)單片電壓信號(hào)，每個(gè)信號(hào)的采集用時(shí)小于1ms(這里以1ms計(jì))，則單節(jié)點(diǎn)完成一輪采集所需要的時(shí)間為124ms，為保證每次發(fā)送的都是新數(shù)據(jù)，則單節(jié)點(diǎn)的通訊周期應(yīng)為124ms以上，即基本循環(huán)的周期應(yīng)在124ms以上；在基本循環(huán)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)占時(shí)間窗的大小取決于完成124個(gè)單片信號(hào)發(fā)送的用時(shí)，理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，該用時(shí)在16ms左右，為保證一定裕量，設(shè)計(jì)為20ms。如圖7所示，以10個(gè)節(jié)點(diǎn)的TTCAN網(wǎng)絡(luò)為例，該基本循環(huán)由10個(gè)獨(dú)占時(shí)間窗組成，以主控節(jié)點(diǎn)的參考消息為時(shí)間起始標(biāo)志，整個(gè)循環(huán)周期為200ms，滿足在于124ms的要求。
單片機(jī)這里采用了美國(guó)SiliconLab的100腳的C8051F040單片機(jī)。這是一款集成度很高的單片機(jī)，代表了8位單片機(jī)片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)的發(fā)展趨勢(shì)，其主要功能包括13路12位AD轉(zhuǎn)換，8個(gè)8位寬端口I/O，5個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，Bosch CAN控制器(CAN 2.0B)，64KB FLASH/4KB RAM。CAN通訊電路由單片機(jī)內(nèi)部集成的Bosch CAN控制器模塊實(shí)現(xiàn)，其通過CANRX、CANTX引腳與CAN通訊電路連接，CAN收發(fā)器選用82C250，為保證良好的電磁兼容性，通訊電路的信號(hào)和電源均進(jìn)行了相應(yīng)的隔離措施，其中信號(hào)的隔離通過6N137光耦并配適當(dāng)?shù)碾娮?、電容?shí)現(xiàn)，電源的隔離采用DCP010505 DC-DC實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，該監(jiān)測(cè)裝置包括5個(gè)部分光耦選通電路、隔離電路、絕對(duì)值電路、硬件互鎖電路、單片機(jī)及CAN通訊電路；光耦選通電路用于分別選通各單片電池兩端的電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)單片電池電壓的直接測(cè)量，并解決電勢(shì)積累的問題，采用64個(gè)雙通道光耦隔離繼電器作為選通元件，共選通124個(gè)單片電壓；隔離電路用于燃料電池信號(hào)選通電路與單片機(jī)信號(hào)處理電路之間的隔離，防止燃料電池的電環(huán)境對(duì)單片機(jī)電路的干擾，提高了電磁兼容性，其采用隔離運(yùn)算放大器為其核心元件；絕對(duì)值電路用于把選通產(chǎn)生的正負(fù)交替信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接受的正信號(hào)，并通過單端正電壓供電的同相跟隨器濾除負(fù)信號(hào)；硬件互鎖電路用于控制與光耦選通電路相配合的譯碼器芯片，防止出現(xiàn)不相鄰?fù)ǖ赖墓怦钸x通所造成的過壓危險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力；其通過一組與非門邏輯電路實(shí)現(xiàn)；單片機(jī)及CAN通訊電路用于單片電壓信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸及各電路間通訊；光耦選通電路的輸入端分別與燃料電池各單片順序相連，其輸出端與隔離電路的輸入端相連，隔離電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離處理后再經(jīng)由絕對(duì)值電路通過兩路AI引腳輸入單片機(jī)，單片機(jī)通過控制四路I/O引腳信號(hào)，由硬件互鎖電路來保證選通通道的唯一性，單片機(jī)又通過CAN通訊電路與外部主控制器進(jìn)行通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述光耦選通電路使用64片光電隔離繼電器，分成4個(gè)相同的光耦陣列，每個(gè)陣列由兩個(gè)4選16的譯碼器進(jìn)行組合選通；每組兩個(gè)譯碼器的4個(gè)片選輸入端與單片機(jī)P3端口相連，輸出端與光電隔離繼電器的控制端相連，兩個(gè)譯碼器的使能端 同時(shí)與硬件互鎖電路的四個(gè)輸出端之一相連；光電隔離繼電器控制端的一極與譯碼器的輸出端相連，并且兩者的引腳一一對(duì)應(yīng)，另一級(jí)與電阻RVA相連，該電阻與+5V電源相連；光電隔離繼電器的被控制端的輸入引腳與燃料電池單片電勢(shì)點(diǎn)相連，輸出引腳交替地連接到COMA、COMB輸出總線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述隔離電路使用精密運(yùn)算放大器OP07(I)、隔離運(yùn)算放大器AD202(II)和精密運(yùn)算放大器AD711(III)，并順序連接；精密運(yùn)算放大器OP07(I)的正向輸入端(3)分別與電阻IR1和電容IC1相連，電阻IR1另一端與光耦選通電路的輸出總線COMA相連，精密運(yùn)算放大器OP07(I)的負(fù)向輸入端(2)與電阻IR2相連，電阻IR2分別與電容IC1和光耦選通電路的輸出總線COMB相連，精密運(yùn)算放大器OP07(I)的負(fù)向輸入端(2)還通過電阻IR3與自身的輸出端(6)相連，構(gòu)成反饋；精密運(yùn)算放大器OP07(I)的輸出端(6)與隔離運(yùn)算放大器AD202(II)的正向輸入端(1)相連，隔離運(yùn)算放大器AD202(II)的反饋端(38)直接與其負(fù)向輸入端(3)相連，在隔離運(yùn)放內(nèi)部構(gòu)成同向跟隨放大器，隔離運(yùn)算放大器AD202(II)的正向輸出端與電阻IR5相連，負(fù)向輸出端直接接地；電阻IR5通過電容IC7接地的同時(shí)，與精密運(yùn)算放大器AD711(III)的正向輸入端(3)相連，精密運(yùn)算放大器AD711(III)的負(fù)向輸入端與其輸出端(6)直接相連，構(gòu)成反饋，其輸出端Outab與絕對(duì)值電路的輸入端相連；精密運(yùn)算放大器OP07(I)采用±7.5V雙端供電(+VISO、-VISO)，該電源由隔離運(yùn)算放大器AD202(II)前級(jí)輸出電壓端(36、37)提供，精密運(yùn)算放大器OP07(I)正負(fù)供電端(7、4)還分別通過電容與COMB相連；隔離運(yùn)算放大器AD202(II)前級(jí)共地端(2)與COMB相連，后級(jí)共地端(22)與單片機(jī)電路地相連，該運(yùn)放由+15V供電；精密運(yùn)算放大器AD711(III)采用±15V雙端供電，其正負(fù)供電端(7、4)同時(shí)通過電容與單片機(jī)電路地相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述絕對(duì)值電路使用2個(gè)精密運(yùn)算放大器AD820(I、III)和1個(gè)精密運(yùn)算放大器OP177(II)，并分成兩路順序連接；第一路中，精密運(yùn)算放大器AD820(I)的正向輸入端(3)與隔離電路的輸出端Outab相連，負(fù)向輸入端(2)與輸出端(6)直接相連，構(gòu)成反饋，輸出端(6)與單片機(jī)AIN0.0引腳相連；第二路中，精密運(yùn)算放大器OP177(II)的正向輸入端(3)接地，負(fù)向輸入端(2)通過電阻IR7與隔離電路的輸出端Outab相連，同時(shí)負(fù)向輸入端(2)通過電阻IR8與輸出端(6)相連，構(gòu)成反饋，精密運(yùn)算放大器OP177(II)的輸出端(6)與精密運(yùn)算放大器AD820(III)的正向輸入端(3)相連；精密運(yùn)算放大器AD820(III)的負(fù)向輸入端(2)與其輸出端(6)直接相連，構(gòu)成反饋，其輸出端(6)與單片機(jī)AIN0.1引腳相連；精密運(yùn)算放大器AD820(I、III)均采用+15V單端供電，其負(fù)供電端(4)均直接接地，正供電端(7)分別通過電容IC9、IC12與單片機(jī)電路地相連；精密運(yùn)算放大器OP177(II)采用±15V雙端供電，其正負(fù)供電端(7、4)分別通過電容IC10、IC11與單片機(jī)電路地相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述硬件互鎖電路使用1個(gè)2輸入4通道與非門芯片74LS00(I)和2個(gè)4輸入2通道與非門芯片74LS20(II、III)；與非門芯片74LS00(I)的4個(gè)通道的各兩個(gè)輸入端(1、2；4、5；9、10；12、13)相互連接后再與單片機(jī)P1.0～P1.3引腳相連，各通道輸出端(3、6、8、11)分別與與非門芯片74LS20(II、III)輸入端相連；與非門芯片74LS20(II、III)各通道的4個(gè)輸入端中，3個(gè)引腳用于連接非門芯片74LS00(I)的輸出，1個(gè)引腳直接與單片機(jī)P1.0～P1.3引腳之一相連，4個(gè)通道的連接組合互斥，與非門芯片74LS20(II、III)的輸出與光耦選通電路中的譯碼器使能端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述CAN通訊電路其AN通訊采用TTCAN協(xié)議。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述光電隔離繼電器是AQW214光電隔離繼電器，所述譯碼器為74HC154。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述電阻IR2、IR3采用0.1％的精密電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述電阻IR7、IR8采用0.1％的精密電阻。
全文摘要
一種車用燃料電池單片電壓監(jiān)測(cè)裝置，屬于燃料電池電壓監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)領(lǐng)域，包括光耦選通電路、隔離電路、絕對(duì)值電路、硬件互鎖電路、單片機(jī)及CAN通訊電路。光耦選通電路的輸入端與燃料電池各單片順序相連，輸出端與隔離電路輸入端相連；隔離電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離處理后再經(jīng)絕對(duì)值電路輸入單片機(jī)；單片機(jī)通過控制四路I/O引腳信號(hào)，由硬件互鎖電路來保證選通通道的唯一性，單片機(jī)通過CAN通訊電路與外部主控制器進(jìn)行通訊。本發(fā)明安全性高，體積小，成本適中；測(cè)量精度高，測(cè)量速度快；通訊能力強(qiáng)，易擴(kuò)展，完全滿足車載燃料電池堆單片電壓監(jiān)測(cè)的需要。本發(fā)明同時(shí)適用于非移動(dòng)式燃料電池堆單片電壓的監(jiān)測(cè)，以及類似的由眾多單片組成的電池系統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01R19/00GK1746695SQ200510086690
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者李中, 劉蒙, 盧蘭光, 李建秋, 歐陽明高 申請(qǐng)人:清華大學(xué)