韓冬林，劉旸，徐紅亮

（天津中德職業(yè)技術(shù)學院，天津300350）

基于dsPIC30F4011的氫燃料電池管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

韓冬林，劉旸，徐紅亮

（天津中德職業(yè)技術(shù)學院，天津300350）

采用高性能數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011和新型的電池組電壓檢測芯片LTC6803-3，完成了氫燃料電池管理系統(tǒng)的電池電壓檢測電路和管理系統(tǒng)主控電路硬件設(shè)計，開發(fā)了基于C語言的電池電壓采集程序和管理系統(tǒng)主控程序，并且用樣機驗證了設(shè)計。

電池管理系統(tǒng)；氫燃料電池；dsPIC30F4011；LTC6803-3

隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池逐漸被業(yè)界認識到在后備電源領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，被認為是取代蓄電池和柴油發(fā)電機作為后備電源的最有應用前景的新能源技術(shù)[1]。氫燃料電池是一種優(yōu)質(zhì)的清潔電源供電系統(tǒng)，電化學反應產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品就是純凈水，節(jié)能環(huán)保，完全避免了鉛、硫酸以及其他酸性污染物的排放[2]。由于氫燃料電池本身是一個非常復雜的非線性電源系統(tǒng)，其輸出電能特性不僅受到電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，同時也受溫度、氣體壓力、氣體流量以及負載等因素的制約[3]，所以氫燃料電池管理系統(tǒng)必須采用柔性化、可編程的軟硬件設(shè)計方案，主控芯片需要具備多種數(shù)據(jù)總線通訊能力。dsPIC30F4011是美國Microchip公司生產(chǎn)的一款高性能數(shù)字信號控制器芯片，它由30 MIPS的16位MCU、單周期17位累乘器DSP內(nèi)核、高速4通道同時采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊、SPI串行通訊模塊、全雙工USART異步通訊模塊、控制器局域網(wǎng)CAN總線模塊等主要功能模塊構(gòu)成[4]?；赿sPIC30F4011數(shù)字信號控制器，本文設(shè)計了一種氫燃料電池管理系統(tǒng)，采用C語言編程方式，實現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)軟硬件的多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

1 氫燃料電池電壓檢測電路設(shè)計

1.1 電池電壓檢測電路硬件設(shè)計

氫燃料電池管理系統(tǒng)需要檢測每個電池單體的輸出電壓數(shù)據(jù)，并要求檢測數(shù)據(jù)具備較高的實時性和準確性。本設(shè)計采用美國Linear公司的LTC6803-3作為電池組電壓檢測芯片，其應用電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。每個芯片最多可檢測12個電池單體電壓，可以在13ms內(nèi)完成一個系統(tǒng)所有電池的測量，最大總測量誤差在0.25%以內(nèi)[5]，可以滿足本設(shè)計對電壓檢測電路實時性和準確性的技術(shù)要求。

圖1 LTC6803-3應用電路系統(tǒng)框圖

本文設(shè)計的LTC6803-3檢測電路原理圖如圖2所示，因為LTC6803-3芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了一個多路輸入復用器MUX和一個12位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，所以可將電池組的各個單體電壓檢測線CELL0～CELL12依次接至由L0～L12、R0～R12、C0～C12、DW0～DW12組成的輸入濾波和輸入保護電路，濾波和保護電路的輸出端就可以直接接至LTC6803-3芯片的電池單體電壓輸入檢測管腳C0～C12。

因為LTC6803-3芯片中的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)需要主控制器由一個兼容的SPI串行通訊接口讀出，所以選用美國Microchip公司的高性能數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011芯片作為主控制器。dsPIC30F4011芯片內(nèi)部的通訊接口資源非常豐富，不僅具有一個支持4種幀模式的高速SPI通訊接口模塊，而且內(nèi)嵌了2個帶FIFO緩沖區(qū)的UART通訊模塊和1個2.0B標準CAN總線模塊[4]。因為圖2中的dsPIC30F4011芯片（IC2）的SPI通訊管腳SDO1、SDI1和程序調(diào)試管腳PGD、PGC復用，所以本設(shè)計采用dsPIC30F4011芯片的通用I/O口RE2、RE3、RE4作為SCK、SDI、SDO管腳，用軟件的方法產(chǎn)生SPI通訊接口信號。圖2中的IC3、IC5、IC7組成隔離的UART通訊接口電路，IC4、IC6、IC8組成隔離的CAN總線通訊接口電路，電池電壓檢測電路可以通過UART通訊接口和CAN總線通訊接口與氫燃料電池管理系統(tǒng)主控電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。

圖2 LTC6803-3檢測電路原理圖

1.2 電池電壓采集電路軟件設(shè)計

因為圖2中dsPIC30F4011芯片（IC2）的RE2、RE3、RE4、RE5管腳依次接至LTC6803-3芯片的SCKI、SDO、SDI、CSBI管腳，所以在軟件設(shè)計上只需按照圖3所示的LTC6803-3串行通訊接口時序[5]，在RE2/SCK、RE4/SDO、RE5/CSB輸出管腳上產(chǎn)生時序正確的控制脈沖序列SCKI、SDI、CSBI，就可以通過讀取RE3/SDI輸入管腳的電平信號狀態(tài)值，實現(xiàn)主芯片dsPIC30F4011和電池組電壓檢測芯片LTC6803-3之間的SPI串口通訊功能。

圖3 LTC6803-3串行通訊接口時序圖

根據(jù)圖3中LTC6803-3芯片串行通訊接口的時序要求，以dsPIC30F4011作為通訊主芯片，采用C語言編寫的SPI總線讀寫程序如下：

#defineLTC6803_CSBLATEbits.

LATE5//RE5=CSB

#defineLTC6803_CLK LATEbits.LATE2//RE2=SCK

#defineLTC6803_MISOPORTEbits.RE3//RE3=MISO

#defineLTC6803_MOSILATEbits.LATE4//RE4=MOSI

unsigned char LTC6803_RDBUF；//讀數(shù)據(jù)緩存單元

unsigned char LTC6803_WRBUF；//寫數(shù)據(jù)緩存單元

unsigned char LTC6803_MISO_DATA；//MISO引腳電平數(shù)據(jù)緩存單元

unsigned char LTC6803_RDBUF，LTC6803_RDATA；

void SpiWrite(unsigned char byte)//寫SPI總線函數(shù)

{unsigned char i；

LTC6803_CSB=0；//SPI片選線有效

LTC6803_WRBUF=byte；//裝載入口參數(shù)

LTC6803_CLK=0；//SPI時鐘線清零

for（i=0；i＜8；i++）//設(shè)置8位循環(huán)

{if（（LTC6803_WRBUF&0x80）==0x80）//查驗LTC6803_WRBUF.7數(shù)據(jù)

{LTC6803_MOSI=HIGH；}//SPI主機數(shù)據(jù)輸出線置位

else LTC6803_MOSI=LOW；//SPI主機數(shù)據(jù)輸出線清零

delay(2)；//延時2 μs子程序

LTC6803_CLK=HIGH；//SPI時鐘線置位

LTC6803_WRBUF＜＜=1；//入口參數(shù)左移1位

delay(2)；//延時2 μs子程序

LTC6803_CLK=LOW；//SPI時鐘線清零

delay(2)；//延時2 μs子程序

LTC6803_CSB=1；//SPI片選線無效

}

}

unsigned char SpiRead(void)//讀SPI總線函數(shù)

{unsigned char i；

LTC6803_CSB=0；//SPI片選線有效

LTC6803_RDBUF=0；//讀數(shù)據(jù)緩存單元清零

LTC6803CLK=LOW；//SPI時鐘線清零

for（i=0;i＜8;i++）//設(shè)置8位循環(huán)

{LTC6803_RDBUF＜＜=1；//讀數(shù)據(jù)緩存單元左移1位

LTC6803CLK=HIGH；//SPI時鐘線置位

LTC6803_MISO_DATA=LTC6803_MISO；//讀取MISO引腳電平

if(LTC6803_MISO_DATA==1)//查驗MISO引腳電平數(shù)據(jù)

{LTC6803_RDBUF|=0x01；//LTC6803_RDBUF.0位置1

}

delay(2)；//延時2 μs子程序

LTC6803CLK=LOW；//SPI時鐘線清零

delay(2)；//延時2 μs子程序

LTC6803_CSB=1；//SPI片選線無效

}

LTC6803_RDATA=LTC6803_RDBUF；//8位數(shù)據(jù)保存

return LTC6803_RDATA；//將讀取到的數(shù)據(jù)返回給調(diào)用程序

}

2 氫燃料電池管理系統(tǒng)主控電路設(shè)計

2.1 電池管理系統(tǒng)主控電路硬件設(shè)計

氫燃料電池主控系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示，以dsPIC30F4011作為主控芯片，因為dsPIC30F4011芯片內(nèi)部集成了高速4通道同時采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊，該A/D轉(zhuǎn)換模塊最多可以支持9路模擬量輸入通道（AN0～AN8），所以本設(shè)計將氫氣進氣壓力1、氫氣排氣壓力2、氧氣進氣壓力3、氧氣排氣壓力4、冷卻水進口溫度1、冷卻水出口溫度2等傳感器的輸出信號經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換接口電路送入dsPIC30F4011芯片的AN0～AN5通道，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，作為控制程序的入口參數(shù)。dsPIC30F4011芯片的輸出口主要用于控制氫氣進氣閥V1、氫氣側(cè)排水閥V2、氧氣進氣閥V3、氧氣側(cè)排水閥V4等電磁閥的工作狀態(tài)，除此之外，dsPIC30F4011的CAN總線模塊用于實現(xiàn)與電池電壓采集電路間的數(shù)據(jù)通訊，USART模塊經(jīng)RS485總線用于實現(xiàn)與SK70AE觸摸屏間的人機接口通訊功能。

圖4 氫燃料電池主控系統(tǒng)框圖

2.2 電池管理系統(tǒng)主控電路軟件設(shè)計

由式(1)可以得出結(jié)論：理想狀態(tài)下，通過精確控制氫燃料電池的實際反應溫度、氫氣有效分壓H2、氧氣有效分壓O2等變量的數(shù)值，就可以得到穩(wěn)定的氫燃料電池單體電壓輸出。在電池管理系統(tǒng)主控電路軟件設(shè)計中，采用檢測氫氣進氣壓力1、氫氣排氣壓力2、氧氣進氣壓力3、氧氣排氣壓力4、冷卻水進口溫度1、冷卻水出口溫度2等傳感器的實時數(shù)值，通過控制氫氣進氣閥V1、氫氣側(cè)排水閥V2、氧氣進氣閥V3、氧氣側(cè)排水閥V4等電磁閥的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對氫燃料電池的實際反應溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等自變量的精確控制，從而達到控制氫燃料電池堆內(nèi)的單體電池電壓輸出的目標。

本設(shè)計采用的電池管理系統(tǒng)主控電路軟件控制流程如圖5所示。

圖5 電池管理系統(tǒng)主控電路軟件流程

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文提出的基于dsPIC30F4011數(shù)字信號控制器的氫燃料電池管理系統(tǒng)樣機采用模塊化設(shè)計方案，分別設(shè)計了燃料電池電壓檢測電路板與電池管理系統(tǒng)主控電路板，由于采用了高集成度的數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011芯片和新型的電池組電壓檢測芯片LTC6803-3，顯著地降低了電路板的元器件數(shù)量，既降低了PCB的布線難度，又有效地提高了氫燃料電池管理系統(tǒng)的性能。圖6(a)和圖6(b)分別是燃料電池電壓檢測電路板和電池管理系統(tǒng)主控電路板的實物照片。

圖6 氫燃料電池管理系統(tǒng)電路板實物圖

4 結(jié)論

基于Nernst公式，本文設(shè)計的氫燃料電池管理系統(tǒng)樣機采用了高性能的數(shù)字信號控制器dsPIC30F4011和新型的電池組電壓檢測芯片LTC6803-3，實現(xiàn)了對氫燃料電池運行狀態(tài)實時精確調(diào)控的設(shè)計目標。通過對電池管理系統(tǒng)主控電路軟件程序的優(yōu)化，已經(jīng)在由36個單體構(gòu)成的氫燃料電池堆組件上，實現(xiàn)了4.6 kW的連續(xù)電功率輸出，峰值電功率輸出達到了5.0 kW。

[1]詹姆斯·拉米尼.燃料電池系統(tǒng)—原理·設(shè)計·應用[M].2版.朱紅，譯.北京：科學出版社，2006.

[2]張富剛，樊越甫，劉方，等.氫燃料電池在電力系統(tǒng)后備電源的應用研究[J].高壓電器，2012（2）：76-80.

[3]謝銳.氫燃料電池發(fā)電DC_DC電能變換研究[D].北京：北京化工大學，2012.

[4]Microchip Technology Inc.dsPIC30F family referencemanual[M].Arizona,United States ofAmerica:Microchip Technology Inc,2006.

[5]Linear Technology Corporation.LTC6803-1/LTC6803-3multicell battery stackmonitor[M].California,United States ofAmerica: Linear Technology Corporation,2011.

Design ofhydrogen fuel cellsmanagement system based on digital signal controller dsPIC30F4011

HAN Dong-lin,LIU Yang,XU Hong-liang

Usinghigh performance digital signal controller dsPIC30F4011 and new type of cells voltagemeasurement chip LTC6803-3,thehardware design of cells voltagemeasurement circuit andmain control circuit were completed. The cells voltagemeasurement slave programs and cellsmanagement systemmaster programs based on the C language were developed.At last,the design was verified by using prototype.

cellsmanagement system;hydrogen fuel cells;dsPIC30F4011;LTC6803-3

TM 91

A

1002-087 X(2014)10-1828-03

2014-02-27

韓冬林(1966—)，男，天津市人，正高級工程師，主要研究方向為傳感器與電控技術(shù)。