本实用新型涉及燃料电池电动汽车电池技术领域，特别涉及一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统。
背景技术：
新能源汽车是指使用非常规车用燃料(或使用常规车用燃料但装载新型动力装置)，具有新技术、新结构和先进技术原理的汽车。其中纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)发展前景最为良好，也是目前国家大力推广的主要新能源车型。
燃料电池电动汽车是治理汽车尾气污染和解决燃料问题最现实的途径，燃料电池技术将成为21世纪汽车工业的核心。燃料电池不是传统意义上的蓄电池的能量储存装置，它是通过燃料(氢气)和氧化物的电化学反应，将燃料的化学能直接转换为电能的高效发电装置。质子交换膜燃料电池(PEM-FC)因低噪音、零污染、无腐蚀、长寿命和占地相对较少等优点，而成为21世纪最有前途的“绿色能源”。大功率燃料电池堆通常由几百片单片燃料电池串联组成。由于电池堆中单片燃料电池的串联结构，在燃料电池堆运行过程中，单片燃料电池的异常会影响整个电池堆的性能与安全，因此需要实时监测各单片燃料电池电压，便于控制系统作出正确的决策，保障燃料电池安全可靠运行。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统，采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测。
(二)技术方案
一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统，包括检测单元和CAN网络控制单元；所述检测单元采集燃料电池堆的单片燃料电池电压数据，输出通过检测CAN子网连接所述CAN网络控制单元，所述CAN网络控制单元通过RS232串口与上位机建立通信连接，所述CAN网络控制单元还通过光纤接入车载光纤CAN主网，经由所述车载光纤CAN主网与行车电脑进行数据交换。
进一步的，所述检测单元包括信号处理电路、多路模拟选择开关、基准电压、第一控制单片机、第一拨码开关和第一CAN接口电路。
进一步的，所述CAN网络控制单元包括第二CAN接口电路、第二控制单片机、第三控制单片机、第二拨码开关、MAX232电路和光纤CAN接口电路。
再进一步的，所述信号处理电路包括第一～第三运算放大器、二极管和第一～第八电阻；其中所述第一～第三运算放大器选用通用运放OP07Z，所述二极管为齐纳二极管。
再进一步的，所述多路模拟选择开关选用16路模拟开关CD4067。
再进一步的，所述基准电压由基准稳压芯片LM336-5提供。
再进一步的，所述第一控制单片机、所述第二控制单片机和所述第三控制单片机均选用高性价比微控制器PIC18F258。
再进一步的，所述第一CAN接口电路和所述第二CAN接口电路均选用通用CAN隔离收发器CTM8251AT。
再进一步的，所述光纤CAN接口电路包括光纤驱动器、光纤发射器和光纤接收器，其中所述光纤驱动器选用光纤LED驱动器SN75451，所述光纤发射器选用HFBR-1528，所述光纤接收器选用HFBR-2528。
(三)有益效果
本实用新型提供了一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统，采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测，能实时显示存储电池电压数据，并将各单片电池电压传给行车电脑根据电池电压数据的异常情况采取有效措施，维护燃料电池堆的运行安全，也可将各单片电池典雅数据上传给上位机，便于科研人员分析研究燃料电池堆的工况和性能，其结构简单，系统功耗低，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，能应用到多点检测和控制系统的多种场合。
附图说明
图1为本实用新型所涉及的一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统的结构框图。
图2为本实用新型所涉及的一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统的检测单元结构框图。
图3为本实用新型所涉及的一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统的检测单元信号处理电路原理图。
图4为本实用新型所涉及的一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统的检测单元多路模拟选择开关电路原理图。
图5为本实用新型所涉及的一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统的CAN接口电路原理图。
图6为本实用新型所涉及的一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统的CAN网络控制单元结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统，包括检测单元和CAN网络控制单元；检测单元采集燃料电池堆的单片燃料电池电压数据，输出通过检测CAN子网连接CAN网络控制单元，CAN网络控制单元通过RS232串口与上位机建立通信连接，CAN网络控制单元还通过光纤接入车载光纤CAN主网，经由车载光纤CAN主网与行车电脑进行数据交换。
燃料电池堆通常是由几百片单片燃料电池串联组成，虽然单片燃料电池电压不高(正常工作时电压为0.5～1.2V之间)，但几百片电池串联使得单片燃料电池对地端累积电势达到数百伏的电压。常规检测芯片输入电压一般在几十伏之内，难以承受燃料电池数百伏的电压。为了解决单片燃料电池电压对地累积电势高与检测芯片耐压值之间的矛盾，系统采用分布式检测，从而使检测单元中所有芯片都能满足耐压要求。
整个系统由多个检测单元和CAN网络控制单元构成，每个检测单元检测多路单片燃料电池电压，各个检测单元之间彼此独立。检测单元和CAN网络控制单元通过检测CAN子网进行通信，CAN网络控制单元通过RS232串口与上位机进行通信，检测单元采集的单片燃料电池电压数据经CAN网络控制单元上传给上位机进行实时存储显示。CAN网络控制单元通过光纤与车载光纤CAN主网交换数据，检测CAN子网和车载光纤CAN主网彼此独立，构成网络拓扑结构。
如图2所示，检测单元包括信号处理电路、多路模拟选择开关、基准电压、第一控制单片机、第一拨码开关和第一CAN接口电路。
检测单元和CAN网络控制单元均采用PIC18F258单片机作为控制MCU，PIC18F258单片机是一款高性价比的8位单片机，它的工作电压范围是2.0～5.5V，具有高达32KB的Flash存储器和1.5KB的SRAM及256KB的EEPROM。其采用精简指令集、哈佛总线结构和流水线取指令方式，具有实用、低价、抗干扰性能好、功耗低、速度高、体积小和功能强等特点，广泛应用于汽车电子、工业控制、低功耗测量仪表等各种仪器和控制设备中。PIC18F258内部集成了10位8通道高精度A/D转换器、3路SPI和1路I2C、1个UART和CAN总线控制器等，内部丰富的外设功能简化了外围电路设计，增强了系统的可靠性和可扩展性。
单片燃料电池电压采用分组测量方法，将燃料电池堆每16片单片燃料电池分为一组，每个检测单元采集16路电压，可根据电池片的总数相应的增减检测单元的数量。各检测单元采用隔离型DC-DC供电，彼此不共地。
在检测单元中，选择第N+1片的燃料电池负极为信号处理电路的共地端，燃料电池堆各个串联电池两端的电压经信号处理电路后得到差分电压，即单片燃料电池的电压放大信号。输出的差分电压信号共地，通过多路模拟选择开关输入到PIC18F258的模拟信号输入通道。多路模拟选择开关由PIC18F258的IO口控制，进行循环顺序选通，将16路电压信号分别送入PIC18F258内部A/D转换器采样。第一拨码开关用来设定各个检测单元的ID号，PIC18F258将电压数据通过第一CAN接口电路发送到检测CAN子网上面。
单片燃料电池电压信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此要求信号处理电路的运算放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。可选用差分集成仪表放大器，但考虑到每个单片燃料电池都要配备一个差分集成仪表放大器的话，成本太高，故采用3个通用运放构成精密差分运算放大电路。结合图3和图4，信号处理电路包括运算放大器U1A、U1B和U1C，稳压二极管D1和电阻R1～R8；其中运算放大器U1A、U1B和U1C选用通用运放OP07Z，稳压二极管D1为齐纳二极管。多路模拟选择开关U2选用16路模拟开关CD4067。Up和Un端分别与单片燃料电池的正负两端相连，差分放大后的电压信号Uout经多路模拟选择开关U2送入PIC18F258内部A/D转换器。运放U1C的输出端为限幅输出保护电路，由限流电阻R7与稳压管D1组成，它一方面限制了运放U1C的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值，使运放U1C输出电压钳位于稳压管D1稳压值0～0.7V之间，保护后续器件的安全，以免电路故障输出电压过大而损坏其他电路。
当燃料电池堆在输出较大功率时，部分性能不佳的单片燃料电池输出电压会降为0V左右，甚至输出负电压，因此在燃料电池堆组装筛选单片燃料电池过程中，要求检测单元能够测量小的负电压。为此，在信号处理电路的后续电路中采用地电平相对平移的方法，解决了PIC18F258内部A/D转换器不能测量负电压的问题。CD4067和PIC18F258等芯片共地，供电电压为5V，其共地端VSS电平对信号处理电路输出地端GND电平相对平移-1.25V，即在供电方式上，使VSS电平相对信号处理电路GND电平低1.25V。这样经过信号处理电路输出的16路电压放大信号在分别送入PIC18F258时叠加了一个直流电压分量。因信号处理电路输出电压对GND端钳位于-0.7V～+3.6之间，所以电压信号送入PIC18F258的A/D转换器转换时对PIC18F258的VSS端均为正电压，检测单元的检测范围扩大到-0.23～1.2V之间。
A/D转换的基准电压精度和稳定度直接决定了检测结果的准确性。PIC18F258可以直接使用芯片的电源电压VDD作为基准参考电压，也可以在其AN3引脚上外接一个基准电压Vref。单片燃料电池电压需要较高的检测精度，因此采用基准稳压芯片LM336-5提供外部基准电压。LM336-5是微功耗电压基准，具有动态阻抗极低、低噪声、温度稳定性好的特点。PIC18F258内部A/D转换器为10位分辨率，单片燃料电池电压的检测分辨率可达到1.5625mV。检测的电池电压信号相当于叠加了一个直流电压分量，要得到实际单片电池电压值，需要准确知道该直流电压分量大小，这样才能确保单片电压检测的准确性。为此，将信号处理电路的GND端与PIC18F258的A/D模拟通道输入端AN1连接，PIC18F258对某路电压信号采样时，同时对此事叠加的直流电压分量采样，数据处理后即可得到准确的单片电池电压值。
如图5所示，第一CAN接口电路和所述第二CAN接口电路均选用通用CAN隔离收发器U3CTM8251AT，电压数据通过CAN接口电路发送到检测CAN子网上。CAN接口电路的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差动电平。CTM8251AT还具有对CAN控制器与CAN总线之间的隔离作用，隔离电源可达DC2500V。CAN控制器PIC18F258通过其UART1口与CAN隔离收发器CTM8251AT通信连接，CTM8251AT的CAN_H脚接CAN总线高数据位，CAN_L接低数据位。PIC18F258通过CTM8251AT采集检测CAN子网中的电压数据。
如图6所示，CAN网络控制单元包括第二CAN接口电路、第二控制单片机、第三控制单片机、第二拨码开关、MAX232电路和光纤CAN接口电路。网络控制单元采用双PIC18F258单片机架构，其中第二单片机管理检测CAN子网，并通过串口与第三单片机交换数据，同时将数据经MAX232上传给上位机。第三单片机经光纤CAN接口电路与光纤CAN主网交换数据。第二拨码开关用来设定检测CAN子网所挂接的总检测单元数量。光纤CAN接口电路包括光纤驱动器、光纤发射器和光纤接收器。其中光纤驱动器选用光纤LED驱动器SN75451，SN75454具有低阻抗、高电流速率的特点。光纤选用直径为1mm的POF，光纤发射器选用HFBR-1528，光纤接收器选用HFBR-2528，HFBR-1528和HFBR-2528可在直径1mm的POF中达到10MB/s的速率，此时距离最长为50m。
第二单片机定时循环向检测CAN子网发送检测单元ID号，各检测单元接收到ID号后与自身ID号进行对比，如果与自身ID号匹配，该检测单元将16路电压数据上传给第二单片机，第二单片机接收到数据经检验后，如果正确则将数据打包上传给第三单片机和上位机，同时第二单片机发送下一个检测单元ID号。如果第二单片机在一个定时周期内没接收到数据或数据不正确，则再次发送该检测单元ID号。如果在下一个定时周期内仍然没接收到数据或数据不正确，则发送下一个检测单元ID号。如此循环往复，实现燃料电池堆单片电压巡回检测。
由于系统采用分布式检测，各个检测单元彼此独立工作，巡回检测电压的速度仅与通信速率有关。检测CAN子网的通信速率为500KB/s，第二单片机与上位机串口通信速率为38.4KB/s，巡检系统可在75ms内完成160路单片燃料电池电压检测。第三单片机与车载光纤CAN主网交换数据，车载光纤CAN主网上传燃料电池发动机ECU、整车控制ECU、电池管理ECU等模块的控制和状态数据。为了减轻车载光纤CAN主网的通信负荷，第三单片机只将出现异常情况的单片燃料电池片号和电压数据发送到车载光纤CAN主网上。上位机可以实时显示单片燃料电池电压、记录历史数据和异常情况报警，并且可实现单片燃料电池电压数据的统计分析、报表、绘制曲线和打印等功能。
本实用新型提供了一种基于双层CAN网络的燃料电池堆单片电压巡检系统，采用分布式巡检方式较好地实现了对燃料电池堆单片电池电压的实时高精度检测，能实时显示存储电池电压数据，并将各单片电池电压传给行车电脑根据电池电压数据的异常情况采取有效措施，维护燃料电池堆的运行安全，也可将各单片电池典雅数据上传给上位机，便于科研人员分析研究燃料电池堆的工况和性能，其结构简单，系统功耗低，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，能应用到多点检测和控制系统的多种场合。
上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。