李小君，陳啟宏

(武漢理工大學自動化學院，湖北武漢 430070)

燃料電池是一種通過電化學反應直接將化學能轉(zhuǎn)化為低壓直流電的裝置，燃料電池內(nèi)阻是衡量電子和質(zhì)子在電極內(nèi)傳輸難易程度的主要標志，也是決定電堆發(fā)電效率的關鍵參數(shù)。通過測試內(nèi)阻可以為控制內(nèi)阻(減小內(nèi)阻)、提高發(fā)電效率奠定基礎。因此在燃料電池的發(fā)展與研究中，內(nèi)阻測試具有非常重要的地位。

燃料電池本身是一個非線性、多變量、強耦合、具有純滯后和不可測擾動的時變系統(tǒng)［1］，在實際分析電池性能中，內(nèi)阻值是很難準確測量的，在線實時測量內(nèi)阻也就更加重要。因此，筆者在以TMLM3S5749高性能ARM處理器為主控制器的高精度程控交流激勵源及采樣處理單元的硬件平臺基礎上，采用USB通信接口完成采樣單元與上位機的通信，以Visual C++6.0為開發(fā)平臺，設計了一套燃料電池內(nèi)阻在線測試的上位機軟件。經(jīng)投入樣機實驗驗證，該軟件能實現(xiàn)實時內(nèi)阻值的檢測、曲線顯示、保存試驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢、手動自動檢測和讀入歐姆內(nèi)阻曲線等功能，具有響應速度快、故障診斷能力良好和易于維護等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)整體設計

燃料電池本身是一個復雜的化學電源，從工程電路分析的角度出發(fā)，還可以把燃料電池作為基本電路電源模型來分析，實際電源可以等同于一個理想電壓源與一個實際電源的廣義電阻串聯(lián)的形式［2-3］，其等效電學模型如圖1所示。

圖1 燃料電池等效電學模型

這種廣義內(nèi)阻的電學模型分為活化極化內(nèi)阻、歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。測量電池兩端的交流電壓VAC、通過電池的交流電流IAC，以及它們的相位差α，則可得到歐姆內(nèi)阻，其計算公式如下:

將在交流電源頻率為1 Hz時測得的內(nèi)阻減去α為0時的歐姆內(nèi)阻，就可得到極化內(nèi)阻。只要在該電學模型的兩端加上交流激勵源，測得不同頻率下的電池兩端的交流電流和電壓，系統(tǒng)便會根據(jù)當前燃料電池輸出電流狀態(tài)自動控制交流激勵源輸出信號頻率及幅值，并通過頻率自尋優(yōu)尋找電流電壓相位差為零的交流信號頻率，計算得到燃料電池歐姆內(nèi)阻［4-6］;采用底層測控網(wǎng)絡主控制器嵌入內(nèi)阻在線測試算法，分析從檢測板發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，則可計算得到當前工作點下的燃料電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻［7-8］。所設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖包含程控交流激勵源、采樣單元、底層測控單元和上位機處理單元，如圖2所示。

圖2 燃料電池內(nèi)阻在線測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 燃料電池內(nèi)阻在線測試硬件設計

2.1 程控交流電流激勵源設計

根據(jù)燃料電池內(nèi)阻測試系統(tǒng)的要求，程控交流電流激勵源的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。整個電路由DC/DC直流變換電路、DC/AC逆變電路、控制器MCU電路、通信電路和輔助電源電路6個部分組成。

圖3 程控交流電流激勵源硬件結(jié)構(gòu)框圖

DC/DC直流變換電路的設計采用日本東芝公司生產(chǎn)的帶光電隔離的MOSFET專用驅(qū)動芯片TLP250。選用TLP250光耦，既保證了功率驅(qū)動電路與BUCK斬波電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動MOSFET的能力，使驅(qū)動電路簡單可靠。

在DC/AC逆變電路的設計中，每個單管并聯(lián)快速恢復二極管，每個橋臂共用一個RCD吸收電路。快速恢復二極管的作用是續(xù)流，RCD吸收電路的作用是吸收MOSFET在開關過程中產(chǎn)生的尖峰諧波，便于MOSFET的可靠開關，降低開關干擾，提高其工作可靠性。

燃料電池內(nèi)阻測試主控制器擔負著檢測流程控制、數(shù)據(jù)匯總與處理和人機接口等多方面的工作。該系統(tǒng)采用32位ARM微控制器TMLM3S5749，具有 ARM Cottex-M3內(nèi)核、Stellaris驅(qū)動庫、存儲器、輸入/輸出設備接口、總線接口和網(wǎng)絡接口。ARM處理器配以多個輔助單元共同組成了內(nèi)阻測試主控制器。

2.2 USB通信硬件設計

在主控制器系統(tǒng)中，設計了4組通信接口。其中USB、RS485、RS232為外部通信接口與 PC機相連，將內(nèi)阻測試數(shù)據(jù)傳給PC做進一步地分析處理。CAN通信總線作為內(nèi)阻測試儀內(nèi)部的互聯(lián)總線與程控交流電流源、高精度采樣處理單元相連。采集好的數(shù)據(jù)將以中斷形式通知微控制器。整個硬件結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于調(diào)試。系統(tǒng)中主要采用的是USB通信接口，其接口芯片選用的是周立功公司生產(chǎn)的USB電源控制開關SP2526，設計的電路原理圖如圖4所示。

圖4 USB通信硬件原理圖

該系統(tǒng)使用的USB接口芯片為SP2526，最高USB數(shù)據(jù)傳輸速率高達12 Mb/s。USB UART是一款增強型的接口轉(zhuǎn)換芯片，由USB接口轉(zhuǎn)換成1/2/4通道的UART接口。USB接口完全兼容全速USB 2.0規(guī)范，支持USB掛起、恢復和遠程喚醒操作。具有128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和384字節(jié)的接收緩沖區(qū)，有助于優(yōu)化各種應用的整體數(shù)據(jù)吞吐量，減少CPU的資源。自動收發(fā)方向控制功能，簡化了硬件和軟件的半雙工RS-485應用。

3 USB通信的軟件設計

USB接口適應了當今計算機外部設備的高速度和高通用性，并且使用方便，成本低，使得外設向USB過渡成為必然的趨勢。該系統(tǒng)使用USB2.0協(xié)議［9-10］，采用批量傳輸類型，USB 通信協(xié)議如圖5所示。

圖5 USB通信協(xié)議

協(xié)議幀結(jié)構(gòu)根據(jù)測試系統(tǒng)的要求分為兩種，第一種是自動測試時的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。下位機采樣測試單元會以程控交流源自掃頻率完成整個頻率范圍的測試，前11個字節(jié)是每片電池都有的信息量，由于該系統(tǒng)測試的不只是單片的內(nèi)阻，而是整個電堆的內(nèi)阻，根據(jù)協(xié)議的片號來區(qū)分單片的電池;第二種是手動測試時的配置幀結(jié)構(gòu)。首先由上位機選擇到手動狀態(tài)，配置好起始頻率、步進頻率和截止頻率后發(fā)送給下位機，由下位機根據(jù)上位機的要求完成指定頻率的測試，從第21個字節(jié)開始就與第一種幀結(jié)構(gòu)的重復區(qū)相同了。

協(xié)議配置完成后，添加動態(tài)鏈接庫LumiUSB.dll，調(diào)用讀函數(shù)Int__stdcall LUMReadData()和寫函數(shù)Int__stdcall LUMWriteData()，即可完成與下位機的收發(fā)數(shù)據(jù)功能。USB批量傳輸處理流程圖如圖6所示。

圖6 USB批量傳輸處理流程圖

燃料電池內(nèi)阻在線測試的上位機監(jiān)控界面如圖7所示，整個界面用Visual C++編寫，負責下位機的數(shù)據(jù)收發(fā)，通信狀態(tài)和工作狀態(tài)的監(jiān)控以及對下位機的控制。并且通過Visual C++操作SQL Server數(shù)據(jù)庫保存實驗數(shù)據(jù)。

圖7 上位機操作界面實圖

4 實驗結(jié)果分析

筆者測試內(nèi)阻的方法為交流阻抗法，是一種用小振幅的正弦電流或電壓信號對電極進行擾動，然后測定其響應信號的測量方法。通過這種測量方法，上位機檢測結(jié)果界面圖如圖8所示，與理想的燃料電池內(nèi)阻阻抗譜圖基本一致。如圖9所示，隨著頻率的增大，測得的阻抗虛部為零，與阻抗實部軸的交點就可得到歐姆內(nèi)阻。在實際測試中每片電池的內(nèi)阻曲線圖都可以看到，為分析燃料電池內(nèi)阻濕度軟測量提供了重要依據(jù)。

圖8 上位機檢測結(jié)果界面圖

圖9 燃料電池內(nèi)阻Nyquist圖

5 結(jié)論

PEMFC內(nèi)阻在線測試系統(tǒng)可滿足一個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際需要，以Visual C++6.0為開發(fā)平臺的USB通信協(xié)議的實現(xiàn)使測試系統(tǒng)可以減少由于任務的頻繁調(diào)度所帶來的開銷，同時又能夠?qū)τ布袛嗪陀布喸兊忍貏e任務及時響應，符合項目的實時性需求。上位機的數(shù)據(jù)也為后期的燃料電池內(nèi)阻濕度軟測量以及健康狀態(tài)的監(jiān)測提供了重要依據(jù)。

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