一种燃料电池发电装置的控制器的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池发电技术领域，具体涉及一种燃料电池发电装置的控制器。


背景技术：

2.燃料电池发电装置的控制涉及到众多不同物理量的测量和不同执行器件的控制：物理量主要有压力、温度、流量、电流、电压等；而执行器件则包含电磁阀、调压阀、水泵、空压机、氢气循环泵、节气门、散热风扇、强电开关等；各个部件还必须彼此协作，优化匹配。因此，燃料电池发电装置需要一个控制器来管理系统中的各个部件。
3.申请号为200580019686.8的发明专利中公开了一种燃料电池发电装置的控制装置及控制方法，可实现然燃料电池发电装置以使燃料电池系统能量成为最小的发电电力指令模式进行工作，但是，其仅仅公开了一种控制方法，并未公开控制器的具体结构，而且目前，燃料电池发电装置普遍使用的是原汽车用控制器来进行控制，它们不能完全满足燃料电池发电装置的控制要求，需外加一定量的匹配电路，才能适用燃料电池发电装置的控制，缺少一个集成化的控制器来实现对燃料电池发电装置的管理。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服上述技术不足，提供一种燃料电池发电装置的控制器，解决现有技术中控制器无法完全满足燃料电池发电装置的控制要求的技术问题。
5.为达到上述技术目的，本实用新型采取了以下技术方案：
6.一种燃料电池发电装置的控制器，包括控制芯片、若干个模拟量输入调理电路、若干个模拟量输出调理电路、若干个开关量输入调理电路、若干个开关量输出功率驱动电路、若干个pwm输出信号功率驱动电路以及通讯电路，若干个模拟量输入调理电路、若干个模拟量输出调理电路、若干个开关量输入调理电路、若干个开关量输出功率驱动电路、若干个pwm输出信号功率驱动电路以及通讯电路均与所述控制芯片电连接，其中，
7.所述模拟量输入调理电路用于对输入的模拟量信号进行调理后输出至所述控制芯片；
8.所述模拟量输出调理电路用于对所述控制芯片输出的信号进行调理后输出；
9.所述开关量输入调理电路用于对输入的开关量信号进行调理后输出至所述控制芯片；
10.所述开关量输出功率驱动电路用于对所述控制芯片输出的开关量信号进行电平转换后输出；
11.所述pwm输出信号功率驱动电路用于根据所述控制芯片输出的pwm信号，输出驱动信号至目标部件；
12.所述通讯电路用于进行通讯。
13.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述控制芯片采用型号为
mc9s12xep100的单片机，所述单片机分别通过一io引脚连接若干个所述模拟量输入调理电路、若干个所述模拟量输出调理电路、若干个所述开关量输入调理电路、若干个所述开关量输出功率驱动电路以及若干个所述pwm输出信号功率驱动电路，所述单片机还通过若干个通讯接口连接所述通讯电路。
14.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述模拟量输入调理电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的一端连接供电电源，所述第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、第四电阻的一端、第一电容的一端和模拟信号输入端，所述第二电阻的另一端连接第三电阻的一端、第二电容的一端和单片机的一io引脚，所述第一电容的另一端、第四电阻的另一端、第三电阻的另一端和第二电容的另一端接地。
15.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述模拟量输出调理电路包括数模转换芯片、第一低通滤波器、放大器和第二低通滤波器，所述数模转换芯片的一输入端连接所述单片机的一io引脚，所述数模转换芯片的一模拟信号输出端连接所述第一低通滤波器的输入端，所述第一低通滤波器的输出端连接所述放大器的同相输入端，所述放大器的反相输入端接地，所述放大器的输出端连接所述第二低通滤波器的输入端，所述第二低通滤波器的输出端用于输出调理后的模拟信号。
16.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述开关量输入调理电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第四电容和第一二极管，所述第五电阻的一端用于输入开关信号，所述第五电阻的另一端连接第三电容的一端、第六电阻的一端和第一二极管的负极，所述第一二极管的正极连接第七电阻的一端、第四电容的一端和所述单片机的一io引脚，所述第三电容的另一端、第六电阻的另一端和第四电容的另一端均接地，所述第七电阻的另一端连接供电电源。
17.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述开关量输出功率驱动电路包括一功率驱动芯片，所述功率驱动芯片的输入端连接所述单片机的一io引脚，所述功率驱动芯片的输出端用于输出信号。
18.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述pwm输出信号功率驱动电路包括一pwm驱动芯片，所述pwm驱动芯片的输入端连接所述单片机的一io引脚，所述pwm驱动芯片的输出端输出驱动信号至目标部件。
19.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述通讯电路包括若干个can通信电路和若干个rs485通信电路，若干个所述can通信电路和若干个所述rs485通信电路均连接所述单片机。
20.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述can通信电路包括一can通信芯片，所述can通信芯片与所述单片机的通信接口连接，用于实现单片机与外部设备的can通信。
21.优选的，所述的燃料电池发电装置的控制器中，所述rs485通信电路包括rs485通信芯片，所述rs485通信芯片与所述单片机的通信接口连接，用于实现单片机与外部设备的485通信。
22.与现有技术相比，本实用新型提供的燃料电池发电装置的控制器，模拟量输入调理电路通过焊接不同的电阻，每一路可以任意配置成测量电流型、电压型或电阻型信号，而
不用重新绘制电路板，开关量输出功率驱动电路可以直接驱动外部电磁阀，而不用在控制器外部增加电磁阀驱动部件，pwm输出信号功率驱动电路可以直接驱动外部氢气调节阀，而不用在控制器外部增加调节阀驱动部件，控制芯片作为cpu完成整个系统的数据处理,具有测量周期短、测量实时性好的特点，综合运用集成技术，使控制器可以管理系统中的各个部件，进而使控制器具有适配信号多，体积小，并具有抗电磁干扰能力强、可靠性高的特点。
附图说明
23.图1是本实用新型提供的燃料电池发电装置的控制器的一较佳实施例的结构框图；
24.图2是本实用新型提供的燃料电池发电装置的控制器中，所述模拟量输入调理电路的一较佳实施例的原理图；
25.图3是本实用新型提供的燃料电池发电装置的控制器中，所述模拟量输出调理电路的一较佳实施例的示意图；
26.图4是本实用新型提供的燃料电池发电装置的控制器中，所述开关量输入调理电路的一较佳实施例的示意图。
具体实施方式
27.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
28.请参阅图1，本实用新型实施例提供的燃料电池发电装置的控制器，包括控制芯片1、若干个模拟量输入调理电路2、若干个模拟量输出调理电路3、若干个开关量输入调理电路4、若干个开关量输出功率驱动电路5、若干个pwm输出信号功率驱动电路6以及通讯电路7，若干个模拟量输入调理电路2、若干个模拟量输出调理电路3、若干个开关量输入调理电路4、若干个开关量输出功率驱动电路5、若干个pwm输出信号功率驱动电路6以及通讯电路7均与所述控制芯片1电连接。
29.本实施例中，所述模拟量输入调理电路2用于对输入的模拟量信号进行调理后输出至所述控制芯片1，模拟量输入调理电路2用于接收外部传感器输出的信号，可以根据外部传感器输出信号类型任意配置成电流型、电压型、电阻型信号电路，控制芯片1可以对传感器提供供电电源。本实施例中，所述模拟量输入调理电路2的数量为23路，可接收不同的传感器发送的模拟量信号。
30.所述模拟量输出调理电路3用于对所述控制芯片1输出的信号进行调理后输出，具体可对所述控制芯片1输出的信号进行数模转换、滤波和放大处理后对外部设备提供信号，例如控制风扇的转速。本实施例中，所述模拟量输出调理电路3的数量为4路。
31.所述开关量输入调理电路4用于对输入的开关量信号进行调理后输出至所述控制芯片1，具体用于对输入的开关量信号进行滤波处理后输出至控制芯片1，可用于接收例如电磁阀类等设备输入的开关量信号。本实施例中，所述开关量输入调理电路4的数量为8路。
32.所述开关量输出功率驱动电路5用于对所述控制芯片1输出的开关量信号进行电平转换后输出，通过电平转换可以起到缓冲作用，隔绝外部高频干扰，而且可以增加输出信
号的驱动能力，减少控制芯片1的负担，可用于输出开关量信号至电磁阀类等设备。本实施例中，所述开关量输出功率驱动电路5的数量为16路。
33.所述pwm输出信号功率驱动电路6用于根据所述控制芯片1输出的pwm信号，输出驱动信号至目标部件，可用于驱动氢气调节阀等部件或者变频风扇等部件。本实施例中，所述pwm输出信号功率驱动电路6的数量为7路。
34.所述通讯电路7用于进行通讯。
35.本实用新型实施例中，模拟量输入调理电路2通过焊接不同的电阻，每一路可以任意配置成测量电流型、电压型或电阻型信号，而不用重新绘制电路板，开关量输出功率驱动电路5可以直接驱动外部电磁阀，而不用在控制器外部增加电磁阀驱动部件，pwm输出信号功率驱动电路6可以直接驱动外部氢气调节阀，而不用在控制器外部增加调节阀驱动部件，控制芯片1作为cpu完成整个系统的数据处理,具有测量周期短、测量实时性好的特点，综合运用集成技术，使控制器可以管理系统中的各个部件，进而使控制器具有适配信号多，体积小，并具有抗电磁干扰能力强、可靠性高的特点。
36.在一个优选的实施例中，所述控制芯片1采用型号为mc9s12xep100的单片机，所述单片机分别通过一io引脚连接若干个所述模拟量输入调理电路2、若干个所述模拟量输出调理电路3、若干个所述开关量输入调理电路4、若干个所述开关量输出功率驱动电路5以及若干个所述pwm输出信号功率驱动电路6，所述单片机还通过若干个通讯接口连接所述通讯电路7。
37.本实施例中，所述控制芯片采用采用飞思卡尔公司制造的mc9s12xep100型芯片。这款单片机可以称的上是飞思卡尔16位单片机的旗舰产品，功能和性能都非常强大。它基于增强型hcs12x cpu，工作频率可达50mhz。该旗舰集成了1mb内部闪存，64kb内部ram，4kb eeprom，16通道12位模数转换器，91个通用i/o引脚。该器件还带有多种外设，sci串口8个，can接口5个，spi接口3个，iic接口1个，而且时钟模块有ect和tim两个。该芯片还带有增强型xgate协处理器，以提升性能，运行速度是主处理器总线频率的两倍。该芯片的外围电路简单，只需要少量的配置，cpu就可以工作。
38.在一个优选的实施例中，请参阅图2，所述模拟量输入调理电路2包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1和第二电容c2，所述第一电阻r1的一端连接供电电源，所述第一电阻r1的另一端连接第二电阻r2的一端、第四电阻r4的一端、第一电容c1的一端和模拟信号输入端，所述第二电阻r2的另一端连接第三电阻r3的一端、第二电容c2的一端和单片机的一io引脚，所述第一电容c1的另一端、第四电阻r4的另一端、第三电阻r3的另一端和第二电容c2的另一端接地。
39.本实施例中，模拟量输入电路2可以根据外部传感器输出信号类型任意配置成电流型、电压型、电阻型信号电路，控制器可以对传感器提供供电电源。配置成电流型采集电路时，第一电阻r1和第三电阻r3不焊接，第四电阻r4作为取样电阻，第二电阻r2和第二电容c2组成低通滤波电路；配置成电压型采集电路时，第一电阻r1和第四电阻r4不焊接，第二电阻r2和第三电阻r3组成分压电路，第二电阻r2和第二电容c2组成低通滤波电路；配置成电阻型采集电路时，第三电阻r3和第四电阻r4不焊接，第二电阻r2和第二电容c2组成低通滤波电路。
40.在一个优选的实施例中，请参阅图3，所述模拟量输出调理电路3包括数模转换芯
片31、第一低通滤波器32、放大器33和第二低通滤波器34，所述数模转换芯片31的一输入端连接所述单片机的一io引脚，所述数模转换芯片31的一模拟信号输出端连接所述第一低通滤波器32的输入端，所述第一低通滤波器32的输出端连接所述放大器33的同相输入端，所述放大器33的反相输入端接地，所述放大器33的输出端连接所述第二低通滤波器34的输入端，所述第二低通滤波器34的输出端用于输出调理后的模拟信号。
41.本实施例中，数模转换芯片31采用microchip公司的mcp4728，该芯片有4个12位模拟输出通道，采用iic通信，标准速率100kbps，既可单独对每一通道进行输出控制，也可以同时对4通道进行输出控制。
42.数模转换芯片31输出信号时，通常叠加有噪声和不必要的频率分量。因此，数模转换芯片31转换生成的信号进入一个第一低通滤波器32进行初次滤波，并经过放大器33放大，最后再经一个第二低通滤波器34平滑滤波，对外提供信号。
43.在一个优选的实施例中，请参阅图4，所述开关量输入调理电路4包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第三电容c3、第四电容c4和第一二极管d1，所述第五电阻r5的一端用于输入开关信号，所述第五电阻r5的另一端连接第三电容c3的一端、第六电阻r6的一端和第一二极管d1的负极，所述第一二极管d1的正极连接第七电阻r7的一端、第四电容c4的一端和所述单片机的一io引脚，所述第三电容c3的另一端、第六电阻r6的另一端和第四电容c4的另一端均接地，所述第七电阻r7的另一端连接供电电源。
44.本实施例中，外部开关信号经过第五电阻r5、第三电容c3组成的低通滤波器滤除高频干扰，经第五电阻r5、第六电阻r6组成的分压电路进行分压，当输入电源地(低电平)时，第一二极管d1导通，单片机引脚接收到低电平信号；当输入为电源(高电平)时，第一二极管d1截止，单片机引脚接收到高电平信号。
45.在一个优选的实施例中，所述开关量输出功率驱动电路5包括一功率驱动芯片，所述功率驱动芯片的输入端连接所述单片机的一io引脚，所述功率驱动芯片的输出端用于输出信号。
46.本实施例中，所述功率驱动芯片采用infineon公司的bts724g，该芯片具有4个开关通道，每通道可以单独控制，单通道内阻低至90mω，电流高达3.3a，开启关断时间为微秒级。而且外围配置电路简单。具体实施时，单片机输出的数字信号不易直接连接驱动电路，故本实施例中，中间增加一个功率驱动芯片进行一级电平转换，一来可以起到缓冲作用，隔绝外部高频干扰；二来可以增加单路输出信号驱动能力，减少单片机的负担。在一个优选的实施例中，功率驱动芯片的输出端增加一电阻，可以在上电瞬间单片机引脚电平不固定的情况下起到下拉电阻的作用，对外输出一稳定低电平信号。
47.在一个优选的实施例中，所述pwm输出信号功率驱动电路6包括一pwm驱动芯片，所述pwm驱动芯片的输入端连接所述单片机的一io引脚，所述pwm驱动芯片的输出端输出驱动信号至目标部件。
48.本实施例中，pwm驱动芯片可以有两种，一种采用infineon公司的bts3028sdr，该芯片为单通道，内阻28mω，负载电流可达5a，可直接驱动氢气调节阀等部件；一种采用toshiba公司的tlp521-4,该芯片为4通道，每通道可单独控制，但通道电流只有10ma，应用于需要pwm信号，不需要驱动能力的场合，例如变频风扇等部件。
49.在一个优选的实施例中，请继续参阅图1，所述通讯电路7包括若干个can通信电路
71和若干个rs485通信电路72，若干个所述can通信电路71和若干个所述rs485通信电路72均连接所述单片机。本实施例中，所述can通信电路71的数量为4路，所述rs485通信电路72的数量为1路，分别用于实现can通信和rs485通信。
50.在一个优选的实施例中，所述can通信电路71包括一can通信芯片，所述can通信芯片与所述单片机的通信接口连接，用于实现单片机与外部设备的can通信。具体实施时，can通信芯片采用tja1040t芯片。该芯片速率最高可达1mbps，最多可扩展的节点数为110个。在canh和cahl引脚与地之间并联了两个电容，可以滤除总线上的高频干扰，并具有一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根can总线输入端与地之间接了tvs管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，可以起到保护作用，具有较高的抗干扰性。
51.在一个优选的实施例中，所述rs485通信电路72包括rs485通信芯片，所述rs485通信芯片与所述单片机的通信接口连接，用于实现单片机与外部设备的485通信。具体实施时，rs485通信芯片采用max485csa芯片。该芯片速率最高可达250kbps，最多可扩展的节点数为32个。在485a+和485a-引脚与地之间并联了两个电容，可以滤除总线上的高频干扰，并具有一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根485总线输入端与地之间接了tvs管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，可以起到保护作用，具有较高的抗干扰性。
52.综上所述，本实用新型提供的燃料电池发电装置的控制器，模拟量输入调理电路通过焊接不同的电阻，每一路可以任意配置成测量电流型、电压型或电阻型信号，而不用重新绘制电路板，开关量输出功率驱动电路可以直接驱动外部电磁阀，而不用在控制器外部增加电磁阀驱动部件，pwm输出信号功率驱动电路可以直接驱动外部氢气调节阀，而不用在控制器外部增加调节阀驱动部件，控制芯片作为cpu完成整个系统的数据处理,具有测量周期短、测量实时性好的特点，综合运用集成技术，使控制器可以管理系统中的各个部件，进而使控制器具有适配信号多，体积小，并具有抗电磁干扰能力强、可靠性高的特点。
53.以上所述本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，包括控制芯片、若干个模拟量输入调理电路、若干个模拟量输出调理电路、若干个开关量输入调理电路、若干个开关量输出功率驱动电路、若干个pwm输出信号功率驱动电路以及通讯电路，若干个模拟量输入调理电路、若干个模拟量输出调理电路、若干个开关量输入调理电路、若干个开关量输出功率驱动电路、若干个pwm输出信号功率驱动电路以及通讯电路均与所述控制芯片电连接，其中，所述模拟量输入调理电路用于对输入的模拟量信号进行调理后输出至所述控制芯片；所述模拟量输出调理电路用于对所述控制芯片输出的信号进行调理后输出；所述开关量输入调理电路用于对输入的开关量信号进行调理后输出至所述控制芯片；所述开关量输出功率驱动电路用于对所述控制芯片输出的开关量信号进行电平转换后输出；所述pwm输出信号功率驱动电路用于根据所述控制芯片输出的pwm信号，输出驱动信号至目标部件；所述通讯电路用于进行通讯。2.根据权利要求1所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述控制芯片采用型号为mc9s12xep100的单片机，所述单片机分别通过一io引脚连接若干个所述模拟量输入调理电路、若干个所述模拟量输出调理电路、若干个所述开关量输入调理电路、若干个所述开关量输出功率驱动电路以及若干个所述pwm输出信号功率驱动电路，所述单片机还通过若干个通讯接口连接所述通讯电路。3.根据权利要求2所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述模拟量输入调理电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的一端连接供电电源，所述第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、第四电阻的一端、第一电容的一端和模拟信号输入端，所述第二电阻的另一端连接第三电阻的一端、第二电容的一端和单片机的一io引脚，所述第一电容的另一端、第四电阻的另一端、第三电阻的另一端和第二电容的另一端接地。4.根据权利要求2所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述模拟量输出调理电路包括数模转换芯片、第一低通滤波器、放大器和第二低通滤波器，所述数模转换芯片的一输入端连接所述单片机的一io引脚，所述数模转换芯片的一模拟信号输出端连接所述第一低通滤波器的输入端，所述第一低通滤波器的输出端连接所述放大器的同相输入端，所述放大器的反相输入端接地，所述放大器的输出端连接所述第二低通滤波器的输入端，所述第二低通滤波器的输出端用于输出调理后的模拟信号。5.根据权利要求2所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述开关量输入调理电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第四电容和第一二极管，所述第五电阻的一端用于输入开关信号，所述第五电阻的另一端连接第三电容的一端、第六电阻的一端和第一二极管的负极，所述第一二极管的正极连接第七电阻的一端、第四电容的一端和所述单片机的一io引脚，所述第三电容的另一端、第六电阻的另一端和第四电容的另一端均接地，所述第七电阻的另一端连接供电电源。6.根据权利要求2所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述开关量输出功率驱动电路包括一功率驱动芯片，所述功率驱动芯片的输入端连接所述单片机的一io引脚，所述功率驱动芯片的输出端用于输出信号。
7.根据权利要求2所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述pwm输出信号功率驱动电路包括一pwm驱动芯片，所述pwm驱动芯片的输入端连接所述单片机的一io引脚，所述pwm驱动芯片的输出端输出驱动信号至目标部件。8.根据权利要求2所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述通讯电路包括若干个can通信电路和若干个rs485通信电路，若干个所述can通信电路和若干个所述rs485通信电路均连接所述单片机。9.根据权利要求8所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述can通信电路包括一can通信芯片，所述can通信芯片与所述单片机的通信接口连接，用于实现单片机与外部设备的can通信。10.根据权利要求8所述的燃料电池发电装置的控制器，其特征在于，所述rs485通信电路包括rs485通信芯片，所述rs485通信芯片与所述单片机的通信接口连接，用于实现单片机与外部设备的485通信。

技术总结
本实用新型公开一种燃料电池发电装置的控制器，包括控制芯片、若干个模拟量输入调理电路、若干个模拟量输出调理电路、若干个开关量输入调理电路、若干个开关量输出功率驱动电路、若干个PWM输出信号功率驱动电路以及通讯电路，若干个模拟量输入调理电路、若干个模拟量输出调理电路、若干个开关量输入调理电路、若干个开关量输出功率驱动电路、若干个PWM输出信号功率驱动电路以及通讯电路均与所述控制芯片电连接。本实用新型解决了现有技术中控制器无法完全满足燃料电池发电装置的控制要求的技术问题。求的技术问题。求的技术问题。


技术研发人员：张聪 孙佳 吴骁
受保护的技术使用者：武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司
技术研发日：2021.08.16
技术公布日：2022/3/8