一种氢燃料发动机模块式巡检控制电路及燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料发动机模块式巡检控制电路及燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池发动机取代传统汽车发动机是必然的趋势，在燃料电池发动机系统中，为了给负载提供所需的电压，单片电池要串联起来构成燃料电池堆。这样每一片电池的工作状态便直接影响到整个电池堆的工作状态。对燃料电池堆的单片电池进行巡检，可及时发现异常情况，采取相应故障处理措施或改变运行策略，从而保护电堆及延长电堆使用寿命，因此巡检电路在燃料电池系统中地位非常重要。目前的巡检系统中存在以下不足之处：1、随着燃料电池电堆功率不断增大所需单片数量越来越多，单点检测所需电路繁多，占用排版空间大；2、单点检测前置调理电路每路单独配置元件多离散性大，引起测量误差大；3、每路需要用一路主控adc，占用芯片资源多；4、非模块化，扩展通道需多块大板，剩余空闭通道多资源浪费。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种氢燃料发动机模块式巡检控制电路及燃料电池系统。
4.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种氢燃料发动机模块式巡检控制电路，包括光继电器切换电路、差分采样电路、电压跟随电路、巡检控制器、电源电路和通讯电路，所述光继电器切换电路的电压信号输入端与燃料电池电堆对应的两端电连接，所述光继电器切换电路的控制信号输入端与所述巡检控制器的控制信号输出端电连接，所述光继电器切换电路的输出端与所述差分采样电路的输入端电连接，所述差分采样电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端电连接，所述电压跟随电路的输出端与所述巡检控制器的电压信号输入端电连接，所述巡检控制器的信号输出端通过所述通讯电路与燃料电池主控制器的信号输入端电连接，所述电源电路分别与所述光继电器切换电路、差分采样电路、电压跟随电路和巡检控制器电连接。
5.本实用新型的有益效果是：本实用新型的氢燃料发动机模块式巡检控制电路，通过所述光继电器电路来切换各通道采集的电压，并通过差分电路处理以及电压跟随电路处理后再接入所述巡检控制器进行模数转换，这样，所述巡检控制器只要要匹配一路模数转换电路即可采集所有通道的电压，电路结构紧凑占用版面空间小，便于做成模块式结构，满足燃料电池依功率电压不同的多通道自由组合的巡检方案。
6.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：
7.进一步：所述光继电器切换电路包括多个切换单元电路，每个所述切换单元电路包括第一电阻、双通道光耦和第二电阻，所述第一电阻的一端与燃料电池电堆对应的负极电连接，所述第一电阻另一端与所述双通道光耦的第一集电极电连接，所述双通道光耦的
第一发射极接地，所述双通道光耦的第一阳极和第二阳极分别与所述电源电路的输出端电连接，所述双通道光耦的第一阴极和第二阴极分别与所述巡检控制器对应的切换信号输出端电连接，所述双通道光耦的第二集电极通过所述第二电阻与燃料电池电堆对应的正极电连接，所述双通道光耦的第二发射极与所述差分采样电路的输入端电连接。
8.上述进一步方案的有益效果是：通过将所述双通道光耦的第一阴极和第二阴极分别与所述巡检控制器对应的切换信号输出端电连接，这样可以通过所述巡检控制器输出的控制信号来控制所述双通道光耦的集电极与发射极之间通断，进而实现燃料电池电堆对应的正负极电压的采集输出，方便所述差分采样电路进行差分采样，实现不同通道采样的切换。
9.进一步：所述差分采样电路包括电阻r51、电阻r52、电阻r53、电阻r54和运算放大器u1a，所述切换单元电路的输出端通过所述电阻r53与所述运算放大器u1a的同相输入端电连接，所述运算放大器u1a的同相输入端通过所述电阻r543接地，所述运算放大器u1a的反相输入端通过所述电阻r51接地，所述运算放大器u1a的反相输入端与输出端之间电连接有所述电阻r52，所述运算放大器u1a的正电源输入端与所述电源电路的输出端电连接，所述运算放大器u1a的负电源输入端接地。
10.上述进一步方案的有益效果是：通过所述电阻r53和电阻r54形成分压电路，这样可以使得分压后的电压与所述运算放大器u1a的电压相匹配，通过所述反馈电阻r52形成负反馈，可以使得所述运算放大器u1a保持在线性区工作。
11.进一步：所述电压跟随电路包括运算放大器u1b、电阻r55和电容c52，所述运算放大器u1b的同相输入端与所述差分采样电路的输出端电连接，所述运算放大器u1b的反向输入端与输出端电连接，所述运算放大器u1b的输出端与地之间串联有所述电阻r55和电容c52，且所述电阻r55和电容c52的公共端作为整个所述电压跟随电路的输出端与巡检控制器的电压信号输入端电连接。
12.上述进一步方案的有益效果是：通过所述运算放大器u1b，可以起到将交流电流放大,以提高整个放大电路的带负载能力，同时可以缓冲以及前后级隔离的作用，避免前后级之间相互影响。
13.进一步：所述运算放大器u1a和运算放大器u1b共用一个双通道运算放大器芯片。
14.本实用新型还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆、燃料电池主控制器和多个所述的氢燃料发动机模块式巡检控制电路，所述燃料电池电堆的中的多个单体电池分别与所述氢燃料发动机模块式巡检控制电路的输入端一一对应电连接，所有所述氢燃料发动机模块式巡检控制电路的输出端分别与所述燃料电池主控制器的信号输入端电连接。
附图说明
15.图1为本实用新型一实施例的氢燃料发动机模块式巡检控制电路的结构示意图；
16.图2为本实用新型一实施例的光继电器切换电路的电路示意图；
17.图3为本实用新型一实施例的差分采样电路和电压跟随电路的电路示意图；
18.图4为本实用新型一实施例的燃料电池系统的结构示意图。
具体实施方式
19.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
20.如图1所示，一种氢燃料发动机模块式巡检控制电路，包括光继电器切换电路、差分采样电路、电压跟随电路、巡检控制器、电源电路和通讯电路，所述光继电器切换电路的电压信号输入端与燃料电池电堆对应的两端电连接，所述光继电器切换电路的控制信号输入端与所述巡检控制器的控制信号输出端电连接，所述光继电器切换电路的输出端与所述差分采样电路的输入端电连接，所述差分采样电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端电连接，所述电压跟随电路的输出端与所述巡检控制器的电压信号输入端电连接，所述巡检控制器的信号输出端通过所述通讯电路与燃料电池主控制器的信号输入端电连接，所述电源电路分别与所述光继电器切换电路、差分采样电路、电压跟随电路和巡检控制器电连接。
21.本实用新型的氢燃料发动机模块式巡检控制电路，通过所述光继电器电路来切换各通道采集的电压，并通过差分电路处理以及电压跟随电路处理后再接入所述巡检控制器进行模数转换，这样，所述巡检控制器只要要匹配一路模数转换电路即可采集所有通道的电压，电路结构紧凑占用版面空间小，便于做成模块式结构，满足燃料电池依功率电压不同的多通道自由组合的巡检方案。
22.在本实用新型的一个或多个实施例中，所述光继电器切换电路包括多个切换单元电路，每个所述切换单元电路包括第一电阻、双通道光耦和第二电阻，所述第一电阻的一端与燃料电池电堆对应的负极电连接，所述第一电阻另一端与所述双通道光耦的第一集电极电连接，所述双通道光耦的第一发射极接地，所述双通道光耦的第一阳极和第二阳极分别与所述电源电路的输出端电连接，所述双通道光耦的第一阴极和第二阴极分别与所述巡检控制器对应的切换信号输出端电连接，所述双通道光耦的第二集电极通过所述第二电阻与燃料电池电堆对应的正极电连接，所述双通道光耦的第二发射极与所述差分采样电路的输入端电连接。通过将所述双通道光耦的第一阴极和第二阴极分别与所述巡检控制器对应的切换信号输出端电连接，这样可以通过所述巡检控制器输出的控制信号来控制所述双通道光耦的集电极与发射极之间通断，进而实现燃料电池电堆对应的正负极电压的采集输出，方便所述差分采样电路进行差分采样，实现不同通道采样的切换。
23.这里，需要指出的是，本实用新型的实施例中，所述相邻两个切换单元中，一个切换单元的第二电阻和与另一个切换单元的第一电阻共用，这样可以在保证电路功能实现的基础上进一步减少电路元器件，比如，以32通道为例，第一通道包括第一电阻r1、第一双通道光耦g1和第二电阻r2，第二通道包括第一电阻r2、第二双通道光耦g2和第二电阻r3，以此类推，第三十二通道包括第一电阻r32、第三十二双通道光耦g32和第二电阻r33，具体的电路结构可以参见图2。
24.如图3所示，在本实用新型的一个或多个实施例中，所述差分采样电路包括电阻r51、电阻r52、电阻r53、电阻r54和运算放大器u1a，所述切换单元电路的输出端通过所述电阻r53与所述运算放大器u1a的同相输入端电连接，所述运算放大器u1a的同相输入端通过所述电阻r543接地，所述运算放大器u1a的反相输入端通过所述电阻r51接地，所述运算放大器u1a的反相输入端与输出端之间电连接有所述电阻r52，所述运算放大器u1a的正电源
输入端与所述电源电路的输出端电连接，所述运算放大器u1a的负电源输入端接地。通过所述电阻r53和电阻r54形成分压电路，这样可以使得分压后的电压与所述运算放大器u1a的电压相匹配，通过所述反馈电阻r52形成负反馈，可以使得所述运算放大器u1a保持在线性区工作。
25.如图3所示，在本实用新型的一个或多个实施例中，所述电压跟随电路包括运算放大器u1b、电阻r55和电容c52，所述运算放大器u1b的同相输入端与所述差分采样电路的输出端电连接，所述运算放大器u1b的反向输入端与输出端电连接，所述运算放大器u1b的输出端与地之间串联有所述电阻r55和电容c52，且所述电阻r55和电容c52的公共端作为整个所述电压跟随电路的输出端与巡检控制器的电压信号输入端电连接。通过所述运算放大器u1b，可以起到将交流电流放大,以提高整个放大电路的带负载能力，同时可以缓冲以及前后级隔离的作用，避免前后级之间相互影响。光继电器切换电路输出的信号通过调理后连接到巡检控制器的adc接口，这样巡检控制器经过计算处理后即可得到各通道电压值。
26.在本实用新型的一个或多个实施例中，所述运算放大器u1a和运算放大器u1b共用一个双通道运算放大器芯片。通过将所述运算放大器u1a和运算放大器u1b共用一个双通道运算放大器芯片，一方面可以大大降低成本，另一方面可以是的电路结果更加紧凑，减小电路版面空间。
27.在本实用新型的一个或多个实施例中，所述通讯电路采用can通信总线进行信号的传输。
28.本实用新型的氢燃料发动机模块式巡检控制电路的工作原理如下：
29.从燃料电池电堆采集的多路电压信号分别接入巡检模块的光继电器切换电路，光继电器切换控制电路的发光二极管正极通过一个限流电阻r65连接至电源vcc,负极分别连接至主控制器p01至p32端口，通过主控制器快速切换p01至p32端口发光二极管的导通，从而在input端输出不同通道信号电压到后级差分采样电路和电压跟随电路，最后通过主控制器的adc处理后得到所需检测通道电压值，所有通道共用同一差分跟随调理电路，电路结构精简，对外采用can通信连接，32路通道组成一个模块，便于扩展维护。
30.本实用新型的氢燃料发动机模块式巡检控制电路，具有以下优点：
31.1、将单一大板采集改为模块化小板采集，可自由增减配置；
32.2、采用同一信号调理电路，电路结构简单，一致性好
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33.3、采用can总线连接，通道扩展灵活；
34.4、采用模块式紧凑设计，节省空间易于安装维护；
35.5、模块式配置便于及时发现问题，维修更换简单成本低。
36.如图4所示，本实用新型还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆、燃料电池主控制器和多个所述的氢燃料发动机模块式巡检控制电路，所述燃料电池电堆的中的多个单体电池分别与所述氢燃料发动机模块式巡检控制电路的输入端一一对应电连接，所有所述氢燃料发动机模块式巡检控制电路的输出端分别与所述燃料电池主控制器的信号输入端电连接。
37.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。