葉云龍，張偉強，李偉杰，吉高卿

(1.河北北方學院，河北張家口075000；2.河北建筑工程學院，河北張家口075000)

簇狀-樹型ZigBee的燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)研究

葉云龍1，張偉強1，李偉杰1，吉高卿2

(1.河北北方學院，河北張家口075000；2.河北建筑工程學院，河北張家口075000)

基于燃料電池控制技術和短距離通信技術，為質子交換膜燃料電池設計了相應的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于簇狀-樹型的ZigBee技術構建底層通信結構，采取分區(qū)域分層次的數(shù)據(jù)采集方式，實現(xiàn)了燃料電池UPS系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程顯示、監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲功能。

燃料電池；UPS；監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee

燃料電池是一種依靠氫和某種氧化物的化學反應產生驅動電能的能源形式，具有將化學能直接轉化為電能且廢物排放量很低的基本特性，是目前最有前途的綠色能源之一。同時，因為燃料電池有較高的比功率，可適應于較低的工作溫度，發(fā)電效率高，噪聲低等其它特性，廣泛用于軍事電源、移動電源和車輛電力系統(tǒng)中。燃料電池UPS是采用多個燃料電池堆組成的燃料電池組在不間斷電源上的實際應用[1-2]。燃料電池UPS必須具有不間斷工作的特性，因此，對燃料電池UPS的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和控制具有重要的意義。

分布式燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)一般有兩部分組成，一部分為本地監(jiān)控單元；另一部分為遠程監(jiān)控單元。本地監(jiān)控單元的功能是根據(jù)監(jiān)控的需要采集燃料電池UPS的各種運行參數(shù)，例如溫度、濕度、電壓、電流及單個燃料電池堆的溫度、燃料進出、電池投入運行與否等參數(shù)；遠程監(jiān)控單元利用遠程通信技術將本地監(jiān)控單元所采集的數(shù)據(jù)輸送至遠程控制中心，以便實現(xiàn)分布式燃料電池UPS的“遙信、遙測、遙控、遙調”等功能。本文基于燃料電池控制技術和短距離通信技術，為質子交換膜(PEM)燃料電池UPS設計了相應的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了分布式燃料電池UPS系統(tǒng)的本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控。

1 燃料電池UPS概述

燃料電池由陰級、陽極和電解質等部分組成，圖1為燃料電池的基本組成結構，基本工作原理是在陽級(負極)上連續(xù)供給氣態(tài)燃料，目前大多數(shù)為氫氣。而陰極(正極)上則連續(xù)供給空氣，提取其中的氧氣后，在電極上就可連續(xù)發(fā)生電化學反應，并產生電流。

圖1 燃料電池工作原理圖

燃料電池具有多種類型，如堿電解質燃料電池(AFC)、質子交換膜燃料電池(PRMFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。其中質子交換膜燃料電池可在室溫下快速啟動，可按照負載的要求快速改變輸出功率，具有廣泛的應用。以質子交換膜燃料電池為基本單元的分布式UPS，單個結點結構由一個控制器，一個1 kW的質子交換膜燃料電池和一個用作儲能單元的超級電容組成，具體結構如圖2所示。

圖2 分布式質子交換膜燃料電池單個結點結構

2 分布式燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)總體結構設計

分布式燃料電池的底層數(shù)據(jù)的采集需要依靠一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)完成，該監(jiān)控系統(tǒng)組成部分主要有：底層運行狀態(tài)采集模塊(包括燃料電池監(jiān)控模塊、電源模塊、故障報警模塊、能量管理模塊、LCD顯示模塊)、底層處理核心和基于以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控單元，具體結構如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

每個燃料電池UPS單元由一個處理器協(xié)調各個模塊之間的運行，處理器由ZigBee節(jié)點CC2530擔任，利用無線射頻與分布式核心處理中心組成基于一定網(wǎng)絡拓撲結構的無線傳感網(wǎng)，分布式核心為該網(wǎng)絡的協(xié)調器，也由CC2530擔任。網(wǎng)絡的拓撲結構可以選擇星形的(當分布式燃料電池單個節(jié)點的個數(shù)較少時)，也可以選擇簇狀-樹型結構(當分布式燃料電池單個節(jié)點較多時)。獨立UPS的核心是處理器。為了采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用了大量傳感器；同時，為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，單個節(jié)點還配置了相應的控制機構，具體結構如圖4所示。

圖4 單個節(jié)點傳感器及控制閥

底層處理中心由CC2530擔任，該芯片沒有數(shù)據(jù)處理功能，除了維護網(wǎng)絡之外，主要功能就是以串口與嵌入式網(wǎng)關相連，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關上傳至遠程服務器。嵌入式網(wǎng)關可以選擇32位或64位的ARM芯片擔任，主要功能是將底層的ZigBee協(xié)議轉換為上層的以太網(wǎng)協(xié)議。

3 簇狀-樹型ZigBee底層通信網(wǎng)設計

本設計底層通信網(wǎng)采取簇狀-樹型結構，以協(xié)調器為樹根，其他分枝節(jié)點為路由器，終端節(jié)點為UPS節(jié)點。網(wǎng)絡的通信采取組播組網(wǎng)，具體代碼為：

每個簇對應一種或兩種操作，這種操作可能是發(fā)送信息的簇，也可能是接收信息的簇，也可以是一路發(fā)，一路收。接收信息簇的方法是SampleApp_MessageMSGCB，發(fā)送信息簇的方法是SampleApp_SendPeriodicMessage。燃料電池溫濕度傳感器發(fā)送程序為：

4 總結

本系統(tǒng)實現(xiàn)的是對分布式燃料電池UPS電源系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能，底層數(shù)據(jù)采集采用的是ZigBee技術，構建了簇狀-樹型結構。經測試證明，該網(wǎng)絡運行穩(wěn)定，安全性好，可以有效地完成分布式燃料電池UPS運行過程的監(jiān)控。

[1]高祖昌.分布式燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學，2009：3-5

[2]江海.蓄電池智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2007：36-39.

表2 不同控制方案的階躍響應性能指標

2.2.2 抗干擾性能分析

維持原本的仿真模型及參數(shù)不變，在副回路上加一個擾動信號，仿真框圖如圖6所示。

圖6 含有擾動的補充電仿真模型

通過點擊手動開關來實現(xiàn)單回路控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)的切換，獲得單回路恒壓補充電控制系統(tǒng)與串級恒壓補充電控制系統(tǒng)在含有擾動的情況下所輸出的響應曲線，如圖7～圖8所示。

由圖7和圖8可知，在副回路受到擾動的情況下，單回路控制系統(tǒng)即使在很長時間內也很難恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，相反，串級回路控制系統(tǒng)基本不受干擾的影響，依舊保持原本的穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，構建的基于串級控制的鋰離子蓄電池恒壓補充電系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)存在更好的抗干擾能力。

圖7 含擾動的單回路控制系統(tǒng)輸出響應曲線

圖8 含擾動的串級控制系統(tǒng)輸出響應曲線

3 結語

通過實驗的仿真以及方案的比較驗證，基于反饋思想設計的鋰離子蓄電池恒壓補充電的方法達到了健康、快速、恒壓補充電的目標。建立的恒壓補充電模型不僅能夠使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，同時還能對外界的干擾有很強的抵抗能力，達到了穩(wěn)定恒壓補充電的目的。

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Research of fuel cell UPS monitoring system based on clusters and tree of ZigBee

The corresponding monitoring system for proton exchange membrane fuel cell was designed based on fuel cell control technology and short distance communication technology.The ZigBee technology based on clusters-tree was used to build the underlying communication structure， and the mode of hierarchical data gathering areas was adopted， implementing the remote data display， data storage and monitoring for running status of fuel cell UPS system.

fuel cell;UPS;monitoring system;ZigBee

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0878-03

2015-09-11

河北省住建廳科研項目(2014-120)

葉云龍(1981—)，男，河北省人，講師，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡。