林健一，葉永武

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 310018）

0 引言

目前，社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，對(duì)能源的要求也越來(lái)越高，如何獲取新型的、高效的、綠色無(wú)污染的能源將是未來(lái)世界發(fā)展的主旋律。氫——綠色無(wú)污染的能源技術(shù)，正被能源界認(rèn)為是未來(lái)能源技術(shù)發(fā)展的主要方案之一。以氫氣為燃料的燃料電池，燃料制取渠道豐富，輸出產(chǎn)物除了電能、熱能等就為水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是理想的新型能源。

備用應(yīng)急電源采用IGBT技術(shù)和脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，結(jié)合微控制芯片技術(shù)控制各高電子集成模塊化結(jié)構(gòu)，常作為重要負(fù)載的第二或第三電源在市電斷電時(shí)提供應(yīng)急電源供應(yīng)，廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，如消防、樓宇電梯、辦公室自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域。目前備用應(yīng)急電源普遍采用蓄電池技術(shù)，但蓄電池比能量較低，持續(xù)供電時(shí)間較短，維護(hù)成本較高。新型綠色無(wú)污染能源技術(shù)——?dú)淙剂想姵?，與傳統(tǒng)的蓄電池、內(nèi)燃機(jī)等相比，效率高、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)以及維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)明顯，前景巨大。

基于上述背景，本文設(shè)計(jì)了一種以dsPIC30F4011微控制芯片為核心的氫燃料電池備用應(yīng)急電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以氫燃料電池為主要備用電源，鋰電池為輔助應(yīng)急電源，實(shí)現(xiàn)市電掉電時(shí)為負(fù)載提供穩(wěn)定的應(yīng)急電源供應(yīng)。

1 原理及架構(gòu)

一個(gè)完整的氫燃料電池包含燃料處理系統(tǒng)、氧化劑處理系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，涉及到傳感器技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域，技術(shù)綜合性極強(qiáng)。將氫燃料電池作為獨(dú)立于市電的備用電源，需要解決如下問(wèn)題：①市電掉電監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)電源切換以及電源切換時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)影響的消除；②燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)電源設(shè)置；③燃料電池本身各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)控；④燃料電池輸出電壓逆變控制策略；⑤燃料電池自身安全性監(jiān)控。

圖1為氫燃料電池備用應(yīng)急電源電路原理框架圖，本燃料電池備用應(yīng)急電源系統(tǒng)由燃料電池系統(tǒng)、輔助電源鋰電池組、全橋逆變器以及繼電器等執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)控制部分組成。系統(tǒng)工作流程如下：①當(dāng)市電正常時(shí)，繼電器J1閉合，負(fù)載由市電供電；②當(dāng)市電斷電時(shí)，繼電器J1斷開，J2閉合，此時(shí)鋰電池輸出直流電壓，經(jīng)逆變器逆變獲得220V，50Hz的交流電源；同時(shí)鋰電池作為氫燃料電池的系統(tǒng)啟動(dòng)電源，啟動(dòng)燃料電池；當(dāng)檢測(cè)到燃料電池輸出端電壓正常時(shí)，繼電器J3閉合，此時(shí)蓄電池與氫燃料電池同時(shí)為負(fù)載提供應(yīng)急電源供應(yīng)；當(dāng)燃料電池輸出端的輸出電壓與功率穩(wěn)定且與市電匹配時(shí)，繼電器J2斷開，此時(shí)負(fù)載由氫燃料電池獨(dú)立提供應(yīng)急電源供應(yīng)；③當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，繼電器J1閉合，J2、J3、J4斷開，系統(tǒng)恢復(fù)由市電提供電源供應(yīng)，此時(shí)燃料電池停止工作等待下次系統(tǒng)啟動(dòng)，輔助電源鋰電池則由市電進(jìn)行充電。

在該系統(tǒng)中，如果遇到以下極端情況時(shí)的處理策略：①高壓儲(chǔ)氫罐中的氫氣耗盡或者不足以提供系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)值時(shí)，警示燈LED閃爍，液晶警示屏顯示警示內(nèi)容，此時(shí)系統(tǒng)將切換到由燃料電池與蓄電池一同為負(fù)載提供電源供應(yīng)；②蓄電池耗盡或不足以供應(yīng)燃料電池的啟動(dòng)電源要求時(shí)，切換到由應(yīng)急交流輸出經(jīng)整流后作為燃料電池的系統(tǒng)電源。

2 系統(tǒng)芯片選型以及關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為：氫燃料電池端電壓輸出為48～56V的直流電壓，經(jīng)逆變器的得到220V，50Hz，3kW交流輸出。在本系統(tǒng)中主要關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容有芯片/器件選型、控制芯片裝置的供電電路設(shè)計(jì)、燃料電池端電壓的逆變控制電路、電池堆電氣參數(shù)監(jiān)控（以氫氣為例）以及RS232通信設(shè)計(jì)等五個(gè)部分。

2.1 芯片/器件選型

（1）蓄電池選取規(guī)則。在本系統(tǒng)中，作為輔助應(yīng)急電源的蓄電池，它主要功能為：提供控制芯片裝置供電，以及在系統(tǒng)掉電初期或氫燃料電池燃料不足時(shí)對(duì)負(fù)載提供短暫的電源供應(yīng)，是一個(gè)過(guò)渡的輔助應(yīng)急電源，故在本系統(tǒng)中，鋰電池的容量要求可以較小，體積也應(yīng)較小，供電時(shí)間允許較短，綜合成本因素，選擇參數(shù)為48V/20AH鋰電池。

（2）微控制芯片選擇。本系統(tǒng)采用dsPIC30F4011微控制芯片，它是一種16位非流水線方式的哈佛RISC的芯片，將MCU的特征同DSP的能力結(jié)合在一起，在異步事件處理能力、精密仿真、以及外圍部件等方面都表現(xiàn)出DSP強(qiáng)大的性能。通過(guò)編程可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，該結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件。

2.2 電池堆電氣參數(shù)與電磁閥等監(jiān)控 （以氫氣為例）

以氫氣監(jiān)控電路為例，電信號(hào)經(jīng)氫氣傳感器NAP－100AH檢測(cè)獲取后，以單電源方法，經(jīng)放大、熱敏電阻TH1溫度補(bǔ)償采集后傳輸至dsPIC30F4011芯片的ADC轉(zhuǎn)換器端口。氫氣采集電路如圖2所示。

2.3 控制芯片裝置的供電電路設(shè)計(jì)

控制芯片的供電電路有兩種方案：鋰電池組供電和220V，50Hz交流輸出經(jīng)RCC電路調(diào)理獲取，鋰電池組供電優(yōu)先級(jí)高于RCC電源電路。正常情況下由鋰電池組經(jīng)為DC－DC降壓變換為控制芯片提供電源供應(yīng)；當(dāng)由輸出交流為微控制芯片供電時(shí)，采用RCC反激式自激開關(guān)電源供電，其RCC反激式開關(guān)電路如圖3所示，該電路經(jīng)RCC處理后，由M34063芯片組成的降壓電路得到高精度的5V電壓。

2.4 燃料電池端電壓的逆變控制電路

由于本系統(tǒng)有應(yīng)急電源氫燃料電池和輔助電源鋰電池組兩個(gè)形式直流電源，其輸出范圍在48～56V之間，可通過(guò)全橋逆變器逆變獲取220V，50Hz的交流電源，在該部分電路中，需采樣備用電源端電壓電流值與逆變后的反饋電壓電流值，經(jīng)控制器處理，由輸出PWM波控制全橋中的IGBT器件開通/關(guān)斷，最終得到穩(wěn)定的220V，50Hz的交流輸出。

2.5 RS232通信

重要負(fù)載設(shè)備如電梯設(shè)備，在其市電掉電而由燃料電池供電時(shí)，電梯設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)尤為重要。設(shè)計(jì)一條通信電路，將掉電情況下負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行狀況如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、啟動(dòng)信號(hào)等參數(shù)傳送到微控制芯片，以便備用應(yīng)急電源系統(tǒng)做出高效率的調(diào)整，使系統(tǒng)更具智能化。系統(tǒng)硬件整體框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件框架圖

3 軟件流程

系統(tǒng)工作于三種供電模式：①市電正常供電；②輔助電源與燃料電池共同供電；③燃料電池獨(dú)立供電。不同供電模式下，系統(tǒng)任務(wù)各不相同：市電正常供電時(shí)，只要保證鋰電池組電池是否充電完畢和燃料電池儲(chǔ)氫罐的安全性；輔助電源跟燃料電池共同供電的情況是市電掉電初期在燃料電池供電不足時(shí)與燃料電池儲(chǔ)氫罐燃料不足兩種情況，故此時(shí)需要監(jiān)測(cè)燃料電池內(nèi)的各個(gè)參數(shù)值以及端電壓逆變器中的輸入電氣參數(shù)；燃料電池獨(dú)立供電工作于燃料電池燃料充足且市電未恢復(fù)下，系統(tǒng)能輸出穩(wěn)定的市電電源。三種供電模式工作策略如下：微控制器復(fù)位上電，系統(tǒng)自檢，當(dāng)市電正常時(shí)，工作于供電模式一，負(fù)載由市電供電；當(dāng)市電掉電時(shí)，繼電器J1斷開，J2閉合，輔助電源鋰電池給負(fù)載供電，同時(shí)啟動(dòng)燃料電池，閉合繼電器J3，燃料電池堆反應(yīng)也為負(fù)載供電，此時(shí)工作于供電模式二；當(dāng)燃料電池可以提供穩(wěn)定可靠的所需交流電源是，斷開繼電器J2，負(fù)載由燃料電池供電，工作于供電模式三。市電恢復(fù)，繼電器J2、J3斷開，J1閉合，系統(tǒng)恢復(fù)到工作模式一。若燃料電池供電不足時(shí)，蓄電池也參與供電。三種供電模式工作原理如圖5所示。

除了電源工作模式策略方案軟件的實(shí)現(xiàn)外，還需保證氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全性。其安全性監(jiān)控軟件流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于dsPIC30F4011微控制器的氫燃料電池備用應(yīng)急電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)備用應(yīng)急電源轉(zhuǎn)換效率低、電源切換時(shí)間較長(zhǎng)、供電時(shí)間較短，以及其反應(yīng)后殘留物對(duì)整個(gè)電梯系統(tǒng)本身腐蝕等問(wèn)題，系統(tǒng)本身對(duì)氫氣罐的安全性進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了該備用應(yīng)急電源運(yùn)用于樓宇電梯等領(lǐng)域中的安全性，具有廣泛的應(yīng)用前景。在后期開發(fā)中，可以采用Ethernet等技術(shù)對(duì)該備用應(yīng)急電源的有效性進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

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