CN113176432A - 一种燃料电池电压巡检装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池电压巡检装置，包括巡检采集接头结构和巡检PCB板，所述巡检采集接头结构包括若干个弹性预成型针，所述弹性预成型针与所述燃料电池的双极板一一对应，所述双极板上开设有楔形槽，所述弹性预成型针卡嵌于所述楔形槽中；所述巡检PCB板上集成5有巡检电路，所述弹性预成型针与所述巡检PCB板焊接，所述巡检电路与所述弹性预成型针连通，所述巡检电路用于采集从所述弹性预成型针输出的采集电压，并对所述采集电压进行处理后输出至上位机。本发明解决了目前燃料电池巡检线与双极板接触不良、冲击振动容易松动、巡检采集接头内连接不方便拆装、电压信号采集与处理分开线束过多而导10致的电压检测精度不够的问题。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电压巡检装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池已广泛应用于交通汽车，公共汽车，船舶，水下航行器和航天器等领域。与其它电能源类型技术相比，质子交换膜燃料电池具有许多优点，包括启动时间短、***体积小、污染物排放低、***效率相对较高以及噪音级别低等，是21世纪重要的潜在新能源发展方向。
在质子交换膜燃料电池在正常使用过程中，性能与进气状态的过干、过湿、缺气等不良操作条件及机械损伤等因素相关，进而影响燃料电池的单体电压发生改变。因此，需要采集燃料电池单体电压信号，并将其发送到燃料电池***控制器，通过对单体电压信号的检查，来判断燃料电池的工作状态，并做出对应的控制操作。所谓的电压巡检装置即是通过巡检采集线与燃料电池电堆上的单体电池进行连接，以实现电压的采集，再通过电路信号处理传输给控制中心。
现有传统石墨板燃料电池电堆巡检技术通常是将巡检引线***到双极板设置的孔中实现连接；或者在石墨板双极板之间预先焊接小块金属箔片材料，通过焊接的方式固定巡检引线；再或者是通过胶粘的方式将引线与极板固定在一起。但是，由于目前行业对电堆体积功率密度要求越来越高，双极板做的越来越薄，使得双极板之间的彼此间距很小，因此焊接部位的焊点大小不当或者焊接碎料掉落均会造成双极板之间短路，从而破坏燃料电池；此外焊接的方式必须预先在电堆装配之前完成，一旦出现虚焊等接触不良问题，需要拆下重新焊接。此外，对于传统的巡检装置，巡检采集端和信号处理端是分开的，两端之间需要采用大量的线束连接，造成线束体积过大过重占空间，不利于抵抗使用过程中的冲击振动而脱落，且线束过长容易遭受电磁信号干扰，造成信号波动失真等问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种燃料电池电压巡检装置，用以解决目前燃料电池巡检线与双极板接触不良、冲击振动容易松动、巡检采集接头内连接不方便拆装、电压信号采集与处理分开线束过多而导致的电压检测精度不够的问题。
本发明提供一种燃料电池电压巡检装置，与燃料电池连接，包括巡检采集接头结构和巡检PCB板，其中，
所述巡检采集接头结构包括若干个弹性预成型针，所述弹性预成型针与所述燃料电池的双极板一一对应，所述双极板上开设有楔形槽，所述弹性预成型针卡嵌于所述楔形槽中；
所述巡检PCB板上集成有巡检电路，所述弹性预成型针与所述巡检PCB板焊接，所述巡检电路与所述弹性预成型针连通，所述巡检电路用于采集从所述弹性预成型针输出的采集电压，并对所述采集电压进行处理后输出至上位机。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述巡检电路包括电源滤波电路、电源变换电路、CAN通讯收发电路、抗电磁干扰电路、中央处理器、SPI通讯电路和若干个电压检测电路，每一电压检测电路分别与若干个弹性预成型针连通，各个所述电压检测电路均通过所述SPI通讯电路与所述中央处理器连接，所述中央处理器还连接所述电源变换电路和抗电磁干扰电路，所述电源变换电路与所述电源滤波电路连接，所述抗电磁干扰电路与所述CAN通讯收发电路连接，其中，
所述电源滤波电路用于对输入的直流电源进行滤波处理；
所述电源变换电路用于对滤波处理后的电压进行电压转换；
所述电压检测电路用于检测若干个弹性预成型针输入的采集电压；
所述SPI通讯电路用于将所述电压检测电路输入的采集电压输出至所述中央处理器；
所述中央处理器用于对采集电压进行模数转换，经过所述抗电磁干扰电路进行处理后，通过所述CAN通讯收发电路输出至上位机。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述电源变换电路采用SPX1117系列的电源芯片，所述电源芯片的+24V端和0V端连接所述电源滤波电路的输出端，所述电源芯片的VDD5端和VDD3.3端分别输出5V电压和3.3V电压。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述电压检测电路采用型号为LTC6804或LTC6811的电压采集芯片，所述电压采集芯片的各个采集端分别与一弹性预成型针连通，所述电压采集芯片的TP+端和TP-端均连接所述SPI通讯电路。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述电压采集芯片具有12个采集端。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述SPI通讯电路包括SPI隔离芯片，所述SPI隔离芯片的TP+端和TP-端均连接所述各个所述电压检测电路，所述SPI隔离芯片的MOSI端、MISO端、SCK端和SSEL端均连接所述中央处理器的SPI通讯接口。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述中央处理器采用ARM系列的控制芯片。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述抗电磁干扰电路为连接所述中央处理器和CAN通讯收发电路的光纤电缆。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述CAN通讯收发电路采用型号为CTM1051KAT的CAN芯片，所述CAN芯片的RD端和TD端通过所述抗电磁干扰电路连接所述中央处理器，所述CAN芯片的CANH端和CANL端连接所述上位机。
优选的，所述的燃料电池电压巡检装置中，所述巡检电路中的各个电子元器件为耐高温型电子元器件。
相较于现有技术，本发明提供的燃料电池电压巡检装置，与电堆相互独立，不受其他影响，便于检查和维护，且弹性预成型针与极板的连接方式属于预紧接触式，无需焊接，适合各种非金属材料，可灵活固定使用，大大提高了使用效率。同时巡检电路采用采集和处理集成化设计，避免使用大量线束占据电堆及发动机设计空间，提升燃料电池整体紧凑性。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池电压巡检装置的一较佳实施例的结构示意图；
图2为图1中A处的放大示意图；
图3为本发明提供的燃料电池电压巡检装置中，所述巡检电路的一较佳实施例的结构框图；
图4为本发明提供的燃料电池电压巡检装置中，所述巡检电路的一较佳实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的燃料电池电压巡检装置，与燃料电池100连接，用于采集燃料电池100的各个双极板的电压，所述燃料电池100包括燃料电池电堆110、电堆阳极端板120、电堆阴极端板130、锁紧绑带140和若干个双极板150，所述燃料电池电堆110和若干个双极板150设置于所述电堆阳极端板120和电堆阴极端板130之间，所述锁紧绑带140与所述电堆阳极端板120和电堆阴极端板130固定连接，以使所述燃料电池电堆110固定于所述电堆阳极端板120和电堆阴极端板130之间，若干个所述双极板150与所述燃料电池电堆110固定连接。
请继续参阅图1和图2，所述燃料电池电压巡检装置包括巡检采集接头结构200和巡检PCB板300，所述巡检采集接头结构200用于实现采集电压的传输，所述巡检PCB板300用于实现采集电压的采集和处理。
具体的，请继续参阅图1和图2，所述巡检采集接头结构200包括若干个弹性预成型针210，所述弹性预成型针210与所述燃料电池的双极板150一一对应，所述双极板150上开设有楔形槽150a，所述弹性预成型针210卡嵌于所述楔形槽150a中。换而言之，所述的巡检采集接头结构200采用外部固定方式，而且为了保证接头能够紧贴电堆的双极板侧面，接头采用弹性预成型针210，在具体实施时，所述弹性预成型针210的材料可选用弹力足够的弹簧钢，保证足够的预紧力。此外，为保证接触的良好性，所述的弹性预成型针210的表面具有镀金结构。另外，为防止弹性预成型针210在与双极板150的侧面接触时滑移，本发明实施例将所述双极板150的侧面设计成楔形槽结构，将弹性预成型针210卡嵌在楔形槽150内，在冲击振动中保证足够的稳定性。进一步的，所述巡检装置通过锁紧螺钉固定在电堆两端的端板侧面，阵列排置的弹性预成型针210与电堆双极板一一对应，可保证巡检装置快速安装、拆卸及调整对位等操作。
所述巡检PCB板300上集成有巡检电路，所述弹性预成型针210与所述巡检PCB板300焊接，具体实施时，所述巡检PCB板300上设置有若干个焊盘400，每一弹性预成型针210与所述焊盘400焊接，所述巡检电路与所述弹性预成型针210连通，所述巡检电路用于采集从所述弹性预成型针210输出的采集电压，并对所述采集电压进行处理后输出至上位机。此外，所述巡检电路还用于接收上位机发送的控制指令来进行巡检动作。本发明直接将弹性预成型针210与巡检电路连通，减少了采集接头与巡检电路连接的线束，避免线束体积过大过重而导致大量空间被占用，而且因线束过长而产生的电磁信号，避免信号波动失真。其中，所述上位机可以为上位工控主机或者燃料电池中控***。
本发明的燃料电池电压巡检装置与电堆相互独立，不受其他影响，便于检查和维护，且弹性预成型针与极板的连接方式属于预紧接触式，无需焊接，适合各种非金属材料，可灵活固定使用，大大提高了使用效率。同时巡检电路采用采集和处理集成化设计，避免使用大量线束占据电堆及发动机设计空间，提升燃料电池整体紧凑性。
进一步的实施例中，请参阅图3，所述巡检电路包括电源滤波电路310、电源变换电路320、CAN通讯收发电路330、抗电磁干扰电路340、中央处理器350、SPI通讯电路360和若干个电压检测电路370，每一电压检测电路370分别与若干个弹性预成型针210连通，各个所述电压检测电路370均通过所述SPI通讯电路360与所述中央处理器350连接，所述中央处理器350还连接所述电源变换电路320和抗电磁干扰电路340，所述电源变换电路320与所述电源滤波电路310连接，所述抗电磁干扰电路340与所述CAN通讯收发电路330连接，所述电源变换电路320还给各个需要供电的电路供电。
具体的，请参阅图4，所述电源滤波电路310用于对输入的直流电源进行滤波处理，具体实施时，所述电源滤波电路310将电源进行谐波处理，放置电源谐波对电压采集信号的干扰，保证输入电压的稳定。此外，所述电源滤波电路310的输入电源为直流电源，具体可采用24V蓄电池进行供电，与燃料电池控制器电源保持相同。在具体实施时，所述电源滤波电路310可以由电容和/或电感组成，以滤除电源中的谐波，其具体的电路结构，本发明不做限制，只需满足谐波滤除功能即可。
请继续参阅图4，所述电源变换电路320用于对滤波处理后的电压进行电压转换，具体的，所述电源变换电路320用于将输入电压变换成各芯片电路中所需电压，其中包括高电位3.3V和5.0V两种电压类型，同时将输入电源电压和采集电压进行隔离，保证采集电压不受输入电压影响。具体实施时，所述电源变换电路320包括电源芯片U1，所述电源芯片采用SPX1117系列的电源芯片，所述电源芯片U1的+24V端和0V端连接所述电源滤波电路310的输出端，所述电源芯片U1的VDD5端和VDD3.3端分别输出5V电压和3.3V电压，分别给需要5V电源和3.3V电源的芯片电路供电。
请继续参阅图4，所述电压检测电路370用于检测若干个弹性预成型针210输入的采集电压，具体实施时，所述电压检测电路采用型号为LTC6804或LTC6811的电压采集芯片U2，所述电压采集芯片U2的各个采集端分别与一弹性预成型针210连通，所述电压采集芯片U2的TP+端和TP-端均连接所述SPI通讯电路360。优选的，所述电压采集芯片具有12个采集端。换而言之，所述电压采集芯片U2是连接燃料电池各单片双极板的电压采集电路，12个电压采集点为一组，模块化设计若干个电压检测模组，进行阵列排放，可采集成百上千个电压采集点。在一个具体实施例中，所述电压采集芯片U2的数量为15个，故本发明实施例可采集180(15*12)片燃料电池单膜电压。
请继续参阅图4，所述SPI通讯电路360包括SPI隔离芯片U3，所述SPI隔离芯片U3的TP+端和TP-端均连接所述各个所述电压检测电路370，所述SPI隔离芯片U3的MOSI端、MISO端、SCK端和SSEL端均连接所述中央处理器350的SPI通讯接口，具体分别连接所述中央处理器350的MOSI、MISO端、SCK端和SSEL端。所述SPI隔离芯片U3通过SPI总线将采集电压传输至所述中央控制器350，以使所述中央控制器350对采集电压进行处理，此外，所述SPI通讯电路360中间设计有电源隔离通道，保证信息传递准确。
请继续参阅图4，所述中央处理器350用于对采集电压进行模数转换，经过所述抗电磁干扰电路340进行处理后，通过所述CAN通讯收发电路330输出至上位机。具体实施时，所述中央处理器350采用ARM系列的控制芯片U4，所述控制芯片U4的RD和TD端通过所述抗电磁干扰电路340连接所述CAN通讯收发电路330。所述控制芯片U4用于将采集的电压信号进行处理转换出数字信号后通过CAN通讯向上位机传递。
所述抗电磁干扰电路340为连接所述中央处理器和CAN通讯收发电路的光纤电缆，用于保证通讯信息在传送过程中不受杂波电磁信号的干扰，保持通讯信号的真实性。
请继续参阅图4，所述CAN通讯收发电路330采用型号为CTM1051KAT的CAN芯片U5，所述CAN芯片U5的RD端和TD端通过所述抗电磁干扰电路340连接所述中央处理器350，所述CAN芯片U5的CANH端和CANL端连接所述上位机。所述CAN通讯收发电路330用于将上位机或燃料电池发动机中控***指令下达至中央控制器350，完成信息通讯指令接收；或将采集的电压信号通过中央控制器350上传至上位机或燃料电池中控***，完成信息通讯的发送。
优选的实施例中，所述巡检电路中的各个电子元器件为耐高温型电子元器件，避免因巡检电路紧贴电堆侧面导致所处温度较高而损坏，保证巡检装置在使用环境下的耐久性。
在一个具体实施例中，采用15套LTC6804芯片对燃料电池的180片单膜电压进行采集，在采集转换结束后通过SPI总线传输到CPU控制芯片ARM内，控制芯片通过CAN总线将采集到的数据传输到上位机和主控器。上位机和主控器根据采集到的电压数据监测燃料电池电堆的实时状况。
综上所述，本发明提供的燃料电池电压巡检装置，与电堆相互独立，不受其他影响，便于检查和维护，且弹性预成型针与极板的连接方式属于预紧接触式，无需焊接，适合各种非金属材料，可灵活固定使用，大大提高了使用效率。同时巡检电路采用采集和处理集成化设计，避免使用大量线束占据电堆及发动机设计空间，提升燃料电池整体紧凑性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池电压巡检装置，与燃料电池连接，其特征在于，包括巡检采集接头结构和巡检PCB板，其中，
所述巡检采集接头结构包括若干个弹性预成型针，所述弹性预成型针与所述燃料电池的双极板一一对应，所述双极板上开设有楔形槽，所述弹性预成型针卡嵌于所述楔形槽中；
所述巡检PCB板上集成有巡检电路，所述弹性预成型针与所述巡检PCB板焊接，所述巡检电路与所述弹性预成型针连通，所述巡检电路用于采集从所述弹性预成型针输出的采集电压，并对所述采集电压进行处理后输出至上位机。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述巡检电路包括电源滤波电路、电源变换电路、CAN通讯收发电路、抗电磁干扰电路、中央处理器、SPI通讯电路和若干个电压检测电路，每一电压检测电路分别与若干个弹性预成型针连通，各个所述电压检测电路均通过所述SPI通讯电路与所述中央处理器连接，所述中央处理器还连接所述电源变换电路和抗电磁干扰电路，所述电源变换电路与所述电源滤波电路连接，所述抗电磁干扰电路与所述CAN通讯收发电路连接，其中，
所述电源滤波电路用于对输入的直流电源进行滤波处理；
所述电源变换电路用于对滤波处理后的电压进行电压转换；
所述电压检测电路用于检测若干个弹性预成型针输入的采集电压；
所述SPI通讯电路用于将所述电压检测电路输入的采集电压输出至所述中央处理器；
所述中央处理器用于对采集电压进行模数转换，经过所述抗电磁干扰电路进行处理后，通过所述CAN通讯收发电路输出至上位机。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述电源变换电路采用SPX1117系列的电源芯片，所述电源芯片的+24V端和0V端连接所述电源滤波电路的输出端，所述电源芯片的VDD5端和VDD3.3端分别输出5V电压和3.3V电压。
4.根据权利要求2所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述电压检测电路采用型号为LTC6804或LTC6811的电压采集芯片，所述电压采集芯片的各个采集端分别与一弹性预成型针连通，所述电压采集芯片的TP+端和TP-端均连接所述SPI通讯电路。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述电压采集芯片具有12个采集端。
6.根据权利要求2所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述SPI通讯电路包括SPI隔离芯片，所述SPI隔离芯片的TP+端和TP-端均连接所述各个所述电压检测电路，所述SPI隔离芯片的MOSI端、MISO端、SCK端和SSEL端均连接所述中央处理器的SPI通讯接口。
7.根据权利要求2所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述中央处理器采用ARM系列的控制芯片。
8.根据权利要求2所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述抗电磁干扰电路为连接所述中央处理器和CAN通讯收发电路的光纤电缆。
9.根据权利要求2所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述CAN通讯收发电路采用型号为CTM 1051KAT的CAN芯片，所述CAN芯片的RD端和TD端通过所述抗电磁干扰电路连接所述中央处理器，所述CAN芯片的CANH端和CANL端连接所述上位机。
10.根据权利要求1所述的燃料电池电压巡检装置，其特征在于，所述巡检电路中的各个电子元器件为耐高温型电子元器件。
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