盧 君 戚志東

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）因其低噪音、零污染、無腐蝕、長壽命及空間相對較少等優(yōu)點(diǎn)，成為 21世紀(jì)最有前途的“綠色能源”[1]。但由于PEMFC發(fā)電系統(tǒng)性能輸出的影響因素有很多，包括燃料的溫度、濕度、濃度、壓力、電氣負(fù)載，以及周圍環(huán)境的條件等，導(dǎo)致許多電池系統(tǒng)輸出的總諧波失真較高、效率較低、可靠性不好。為了提高電池系統(tǒng)的通用性，針對風(fēng)冷型的PEMFC，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的測控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。本文針對測控系統(tǒng)的基本組成與功能特點(diǎn)，主要對整個(gè)測控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與討論。

1 PEMFC測控系統(tǒng)簡介

PEMFC系統(tǒng)除了核心部分質(zhì)子交換膜燃料電池堆外，還需要一些輔助系統(tǒng)才能正常工作?？偟膩碚f，一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)大致上由發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。通用的 PEMFC測控系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：傳感器、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元、通信單元、報(bào)警及顯示單元等。本實(shí)驗(yàn)室使用的是百瓦級風(fēng)冷型發(fā)電系統(tǒng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。

圖1 風(fēng)冷型PEMFC發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由以上示意圖可知本發(fā)電系統(tǒng)的核心部分就是系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)的燃料氫氣的供應(yīng)是由連接在氫氣瓶上的二級減壓閥控制，這樣整個(gè)測控系統(tǒng)就主要完成尾氣的排放、電堆的溫度控制、報(bào)警、顯示及通信等幾個(gè)功能。其中對溫度的控制，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，因?yàn)闇囟鹊目刂剖潜ＷC整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)正常工作必不可少的部分。

2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由測控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)分析，針對我們這個(gè)具體的燃料電池，本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為以下幾部分：主控芯片、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、報(bào)警顯示模塊、執(zhí)行模塊等。具體的硬件結(jié)構(gòu)組成框圖如下圖2所示。

圖2 PEMFC測控系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 主控芯片

主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它是系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)的載體。鑒于DSP的高速運(yùn)算特性及特定的控制對象電機(jī)，本系統(tǒng)選用的是飛思卡爾（FreeScale）的 DSP芯片 MC56F8013，該芯片是FreeScale推出的針對電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力電子應(yīng)用的DSP，它采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，不需要外接晶振，工作性能為固定的32MHZMIPS，片內(nèi)六路高速PWM輸出通道，六路12位高速模擬轉(zhuǎn)換器等豐富資源[2]，因此很適合本系統(tǒng)的需要。

2.2 電源模塊

電源模塊是對電池的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，提供整個(gè) DSP控制系統(tǒng)正常工作所需要的穩(wěn)定電源。由于電池的輸出電壓為9-18V的范圍，而系統(tǒng)的供電電壓有四個(gè)電壓等級，分別是12V、6V、5V、3.3V，所以要將輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓等級。其中12V電壓用LM2576-12芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為降溫風(fēng)扇供電；6V電壓用LM7806芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為排氣電磁閥供電，5V電壓用LM2576-5芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要給各種芯片供電，3.3V電壓用AMS1117芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要為處理器供電。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度測量和信號調(diào)理兩部分。其中溫度測量部分主要是對室溫及電堆溫度進(jìn)行測量，其中對室溫的測量是采用單總路線數(shù)字溫度計(jì) DS18B20，對電堆溫度的測量是用 MAX6675配合K型熱電偶。信號調(diào)理部分主要對負(fù)載及風(fēng)扇的電壓電流信號進(jìn)行調(diào)理以便主控芯片內(nèi)的A/D模塊能直接測量。其中對負(fù)載電壓的調(diào)理電路如下圖3所示，采用二階低通濾波器進(jìn)行濾波及調(diào)理，截止頻率為10.44Hz。

圖3 電壓調(diào)理電路

2.4 執(zhí)行模塊

執(zhí)行器件部分包括電機(jī)和電磁閥兩部分。其中電機(jī)部分是對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，用專用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用DSP自帶的PWM模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，保證電池工作在最佳工作溫度。電磁閥部分是通過繼電器由定時(shí)器進(jìn)行排氣的定時(shí)排放控制。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整個(gè)軟件的編寫采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)的方法，對于各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，使整個(gè)程序清晰明了，并且方便對整個(gè)程序的設(shè)計(jì)及代碼的編譯調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)軟件的主程序主要完成三個(gè)功能：(1)通過K型熱電偶檢測電堆溫度，采用積分分離PI算法和PWM調(diào)制方式控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的空氣供應(yīng)、吹掃水蒸汽、電堆溫度控制；(2)定時(shí)開關(guān)電磁閥，排除多余廢氣實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)氣體的回路控制；(3)與上位機(jī)進(jìn)行通信，以便及時(shí)反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并做出相應(yīng)控制。整個(gè)主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 溫度控制子程序

本系統(tǒng)的子程序有很多，包括電磁閥控制子程序、PI控制程序、讀溫度程序、串口程序等。對于本系統(tǒng)來說，最重要的子程序是電堆最佳工作溫度的控制，因?yàn)闇囟汝P(guān)系到整個(gè)電池系統(tǒng)發(fā)電性能的好壞，而對溫度的控制又是通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制間接實(shí)現(xiàn)的。由于溫控系統(tǒng)是一個(gè)帶滯后的慣性系統(tǒng)，所示本部分采用的是積分分離的PI控制算法，其控制框圖如圖5所示。

圖5 溫度控制框圖

圖5中虛線框內(nèi)的部分是由DSP完成的控制算法。在該控制系統(tǒng)中，首先由DSP根據(jù)設(shè)定的期望溫度信號 計(jì)算出一個(gè)期望的轉(zhuǎn)速控制信號 ，再根據(jù)測溫電路的反饋輸入信號 計(jì)算得到轉(zhuǎn)速控制反饋信號 ，計(jì)算出所需PWM的占空比，然后經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ULN2803輸出驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。積分分離PI控制器每100ms調(diào)節(jié)一次，能夠快速而精確的對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，從而最終實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。積分分離PI算法的部分程序具體如下，其中PID參數(shù)采用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行定義。

4 實(shí)驗(yàn)測試

本系統(tǒng)采用 ITECH公司生產(chǎn)的電子負(fù)載IT8512C來進(jìn)行各種性能調(diào)試，它提供了多元化的應(yīng)用范圍，包括電阻負(fù)載、電容負(fù)載、電感負(fù)載、功率負(fù)載四種負(fù)載模式，因此很適合本發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能測試。本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為：環(huán)境溫度為25℃，氫氣壓力為0.045MPA，流量為1.5L/min，負(fù)載電流固定為4A。對于上述的實(shí)驗(yàn)條件，我們根據(jù)曲線擬合及實(shí)際測量數(shù)據(jù)，并結(jié)合文獻(xiàn)資料[4]得出結(jié)論：系統(tǒng)的最佳工作溫度為44℃，此時(shí)系統(tǒng)的輸出功率較高，輸出電壓較穩(wěn)定。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用 NI的虛擬儀器專用開發(fā)平臺LabVIEW進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，LabVIEW是基于流程圖的圖形化編程方式，被稱為G語言，與傳統(tǒng)語言相比，它編程簡單易于理解。當(dāng)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)工作大約10S后我們接上4A電流的負(fù)載，測試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)監(jiān)控曲線如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)監(jiān)控曲線

由監(jiān)控曲線可知，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，電堆的輸出電壓大約為14.3V，此時(shí)能對外提供57.2W的功率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理，軟件算法的實(shí)現(xiàn)也滿足了系統(tǒng)正常工作的需要，達(dá)到了系統(tǒng)要求的參數(shù)性能指標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對PEMFC系統(tǒng)的輸出性能而設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電管理，對系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)測控，以及對外提供穩(wěn)定的直流電。從實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。只要接上穩(wěn)定的氫氣源，系統(tǒng)就能對外提供穩(wěn)定的直流電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的負(fù)載。

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