姜雪菲 呂學(xué)賓 楊玉新 李立偉

摘要： 為了提高燃料電池裝置的供電可靠性，本文基于質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，采用高性能、低成本、低功耗的STM32作為控制芯片，模擬了采樣電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式控制方案。該設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化方案，分為主控器模塊和功能子模塊兩部分，每個(gè)模塊之間的通信運(yùn)用控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線協(xié)議，基于labVIEW的設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)了燃料電池的氧氣和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)以及風(fēng)冷系統(tǒng)的控制和監(jiān)測，并以圖形化的方式動態(tài)顯示燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方案提高了質(zhì)子交換膜燃料電池的供電可靠性，具有可實(shí)現(xiàn)性和良好性。該研究具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 質(zhì)子交換膜燃料電池； STM32； 采樣電路

中圖分類號： TM911.4； TP277.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

通訊作者： 李立偉（1970），男，山東青島人，工學(xué)博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的智能監(jiān)測和狀態(tài)維修，可再生能源接入與智能配電網(wǎng)技術(shù)，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與控制，高速列車運(yùn)行監(jiān)測、控制系統(tǒng)及新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)等。Email： ytllw@163.com隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生著重大改變，同時(shí)也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題[1]。近年來，我國出現(xiàn)的大面積霧霾天氣，讓廣大人民深受其害，因此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排刻不容緩[2]。目前，新能源的發(fā)展是一個(gè)熱點(diǎn)問題，它可以替代傳統(tǒng)能源，有效防止污染。燃料電池作為一種新型的清潔能源，廣泛應(yīng)用于汽車，船舶，發(fā)電等領(lǐng)域，燃料電池的發(fā)電技術(shù)，是一種清潔高效的能源技術(shù)[3]，它將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能，能量轉(zhuǎn)換效率比普通的內(nèi)燃機(jī)和蒸汽機(jī)高[4]，現(xiàn)已研發(fā)出以工控機(jī)為核心的燃料電池自動控制系統(tǒng)[5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對燃料電池的性能與簡潔性提出了更高的要求，燃料電池電堆的體積越來越小，對其控制系統(tǒng)的精度以及體積有了更進(jìn)一步的要求[6]。雖然國內(nèi)的燃料電池技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但因該領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)上并不完善。基于此，本文對質(zhì)子交換膜燃料電池設(shè)計(jì)了電堆的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高性能、低成本、低功耗的STM32芯片作為控制芯片，以保證控制系統(tǒng)的精確性和數(shù)據(jù)處理的高速性[7]。同時(shí)，基于labVIEW的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)燃料電池的氧氣和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)及風(fēng)冷系統(tǒng)的控制和監(jiān)測，并以圖形化的方式動態(tài)顯示燃料電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明了該控制方案的可實(shí)現(xiàn)性和良好性。

1燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

隨著燃料電池技術(shù)的日漸成熟，燃料電池的應(yīng)用越來越廣泛，從而對它的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)采用嵌入式方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先嵌入式系統(tǒng)有強(qiáng)穩(wěn)定性弱交互性，而且有更好的硬件適應(yīng)性[8]；其次嵌入式系統(tǒng)可以使設(shè)計(jì)更簡化，使系統(tǒng)的體積與質(zhì)量達(dá)到最小，特別便攜[9]。

為了使燃料電池穩(wěn)定工作，在設(shè)計(jì)方案中，監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)時(shí)測定電堆總電壓、電堆總電流、單個(gè)電池片的電壓、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、空氣以及氫氣的壓力等參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)[10]。燃料電池系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該燃料電池的控制系統(tǒng)包括壓力模塊、氫氣供給模塊、電壓、電流、溫度采樣模塊，基于STM32的主控制器模塊、DCDC轉(zhuǎn)換模塊、CAN通訊總線和PC端監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體運(yùn)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，思路清晰，擴(kuò)展性良好，而且便于升級和維護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1電壓采樣電路

該電池管理系統(tǒng)電壓與均衡部分采用Linear公司電池監(jiān)測芯片LTC6803，該芯片可實(shí)現(xiàn)12串單體電池的測量和均衡，保證單體電池充放電的一致性[11]。該電池管理系統(tǒng)使用LTC6803控制外部的被動均衡電路，實(shí)現(xiàn)電壓采集和均衡電路，電壓采集和均衡電路如圖3所示。當(dāng)通道C（n）與C（n-1）采集單體電池電壓超過閾值，則判定單體電池BAT（n）過充，此時(shí)芯片均衡控制管腳S（n）置低，與外部Q1導(dǎo)通，通過放電電阻R2放電，從而保證電池電壓一致性。

2.2電流采樣電路

電流采樣電路是該系統(tǒng)的重要組成部分之一，因?yàn)槿剂想姵仉姸演敵龅碾娏鞔笮≈苯臃从沉搜鯕夂蜌錃獾姆磻?yīng)速率，從而得到系統(tǒng)的整體性能。該系統(tǒng)的電池充放電電流檢測是通過高精度霍爾電流傳感器采樣實(shí)現(xiàn)，由于霍爾電流是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，輸出電壓僅有幾毫伏[12]，因此該系統(tǒng)采用電壓放大電路對霍爾傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大[13]。電流采樣電路如圖4所示。

考慮到電料電池堆的結(jié)構(gòu)、可測量的溫度范圍以及燃料電池的成本，本系統(tǒng)決定采用鉑熱電阻作為測量溫度的傳感器。該系統(tǒng)的溫度采集是通過數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)，其相對較小的體積能夠滿足電池組內(nèi)部狹小空間測溫的要求[14]。該傳感器內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器，采用單總線通訊的方案與單片機(jī)通訊直接數(shù)字化輸出和測試。與其他類型溫度傳感器相比，該傳感器測溫范圍為-55 ℃～125 ℃，精度可達(dá)±05 ℃，測溫分辨率高達(dá)0062 5 ℃，完全滿足系統(tǒng)測溫需求[15]。溫度采樣電路如圖5所示。

2.4CAN通訊電路

由于燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，對通信抗干擾性要求較高，并且多電池管理單元（battery management unit）的工作模式系統(tǒng)通信帶載能力高，因此選擇CAN作為系統(tǒng)內(nèi)部通訊方式[16]。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，CAN通訊電路采用隔離式CAN收發(fā)器ADM3053。該芯片外圍電路的設(shè)計(jì)簡單，芯片內(nèi)部包含隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器，可減少單片機(jī)電路與CAN數(shù)據(jù)通訊電路之間的電磁耦合[17]。CAN通訊電路如圖6所示。

由于電池工作環(huán)境比較復(fù)雜，電池箱內(nèi)存在的各種干擾會導(dǎo)致MCU運(yùn)行故障，使整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓，因此系統(tǒng)需要添加硬件后備電路保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行[18]。該系統(tǒng)硬件保護(hù)電路采用的是S8209，帶有延遲電路和電壓檢測電路的充電IC。硬件后備保護(hù)電路如圖7所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要分為STM32的程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)兩部分[19]。STM32的程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的初始化、電堆的溫度檢測任務(wù)、氫氣壓力檢測任務(wù)、電堆短路、排氣任務(wù)和外部負(fù)載控制任務(wù)[20]。STM32設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。使用LabVIEW對上位機(jī)進(jìn)行編程，其流程圖如圖9所示。

4結(jié)束語

本文提出的對質(zhì)子交換膜燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)的研究方案，以LabVIEW的軟件平臺為基礎(chǔ)，提高整個(gè)系統(tǒng)的自動化程度。該監(jiān)控方案克服了以往燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)精度較低的問題，使燃料電池的效率更高、目標(biāo)更明確、可以監(jiān)測更多的點(diǎn)，從而更好的控制，并且清潔無污染，有效的降低了成本。但本方案忽略了在控制過程中STM32控制器受到干擾的問題，這將是下一步研究的重點(diǎn)。

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