質子交換膜燃料電池測控系統的設計

為了提高PEMFC（質子交換膜燃料電池）發電系統的輸出性能，本文以飛思卡爾的DSP晶片MC56F8013為核心，設計了一種測控系統，對整個PEMFC的發電過程進行監控。首先介紹了通用測控系統的基本組成，然後詳細介紹了整個測控系統的軟硬體設計，最後進行了系統的發電性能測試實驗。實驗表明，所設計的測控系統能保證電池的穩定輸出，性能基本達到預期指標。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有低噪音、零汙染、無腐蝕、長壽命及空間相對較少等優點，但由於PEMFC發電系統性能輸出的影響因素有很多，包括燃料的溫度、溼度、濃度、壓力、電氣負載，以及周圍環境的條件等，導致許多電池系統輸出的總諧波失真較高、效率較低、可靠性不好。

為了提高電池系統的通用性，針對風冷型的PEMFC，設計了一種基於DSP的測控系統，實驗效果令人滿意。本文針對測控系統的基本組成與功能特點，主要對整個測控系統的軟硬體設計進行了詳細的介紹與討論。

PEMFC測控系統簡介

PEMFC系統除了核心部分質子交換膜燃料電池堆外，還需要一些輔助系統才能正常工作。總的來說，一個完整的燃料電池系統大致上由發電系統和控制系統兩大部分組成。通用的PEMFC測控系統主要由以下幾部分構成：傳感器、控制單元、數據採集單元、執行單元、通信單元、報警及顯示單元等。本實驗室使用的是百瓦級風冷型發電系統，整個實驗系統的結構示意圖如下圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

由以上示意圖可知本發電系統的核心部分就是系統的控制器設計。由於系統的燃料氫氣的供應是由連接在氫氣瓶上的二級減壓閥控制，這樣整個測控系統就主要完成尾氣的排放、電堆的溫度控制、報警、顯示及通信等幾個功能。其中對溫度的控制，是整個控制系統的核心，因為溫度的控制是保證整個發電系統正常工作必不可少的部分。

測控系統硬體設計

由測控系統的組成結構分析，針對我們這個具體的燃料電池，本系統的硬體結構主要分為以下幾部分：主控晶片、電源模塊、數據採集模塊、通信模塊、報警顯示模塊、執行模塊等。具體的硬體結構組成框圖如下圖2所示。

圖2 系統硬體組成框圖

1 主控晶片

主控晶片是整個控制系統的核心，它是系統算法實現的載體。鑑於DSP的高速運算特性及特定的控制對象電機，本系統選用的是飛思卡爾（FreeScale）的DSP晶片MC56F8013，該晶片是FreeScale推出的針對電機驅動和電力電子應用的DSP，它採用的是哈佛結構，不需要外接晶振，工作性能為固定的32MHZMIPS，片內六路高速PWM輸出通道，六路12位高速模擬轉換器等豐富資源，因此很適合本系統的需要。

2 電源模塊

電源模塊是對電池的輸出電壓進行轉換處理，提供整個DSP控制系統正常工作所需要的穩定電源。由於電池的輸出電壓為9-18V的範圍，而系統的供電電壓有四個電壓等級，分別是12V、6V、5V、3.3V，所以要將輸出電壓轉換為所需要的電壓等級。

其中12V電壓用LM2576-12晶片進行轉換，為降溫風扇供電；6V電壓用LM7806晶片進行轉換，為排氣電磁閥供電，5V電壓用LM2576-5晶片進行轉換，主要給各種晶片供電，3.3V電壓用AMS1117晶片進行轉換，主要為處理器供電。

3 數據採集模塊

數據採集模塊包括溫度測量和信號調理兩部分。其中溫度測量部分主要是對室溫及電堆溫度進行測量，其中對室溫的測量是採用單總路線數字溫度計DS18B20，對電堆溫度的測量是用MAX6675配合K型熱電偶。

信號調理部分主要對負載及風扇的電壓電流信號進行調理以便主控晶片內的A/D模塊能直接測量。其中對負載電壓的調理電路如下圖3所示，採用二階低通濾波器進行濾波及調理，截止頻率為10.44Hz。

圖3 電壓調理電路

4 執行模塊

執行器件部分包括電機和電磁閥兩部分。其中電機部分是對風扇的轉速進行控制，用專用驅動晶片ULN2803進行驅動，用DSP自帶的PWM模塊進行PID調節控制，保證電池工作在最佳工作溫度。電磁閥部分是通過繼電器由定時器進行排氣的定時排放控制。

測控系統軟體設計

系統的整個軟體的編寫採用結構化模塊程序設計的方法，對於各個功能模塊分別進行相應的程序設計，使整個程序清晰明了，並且方便對整個程序的設計及代碼的編譯調試。

1 系統主程序

系統軟體的主程序主要完成三個功能：(1)通過K型熱電偶檢測電堆溫度，採用積分分離PI算法和PWM調製方式控制風扇的轉速變化，實現系統內部的空氣供應、吹掃水蒸汽、電堆溫度控制；(2)定時開關電磁閥，排除多餘廢氣實現對反應氣體的迴路控制；(3)與上位機進行通信，以便及時反映系統的工作狀態，並做出相應控制。整個主程序的流程圖如下圖4所示。

圖4 主程序流程圖

2 溫度控制子程序

本系統的子程序有很多，包括電磁閥控制子程序、PI控制程序、讀溫度程序、串口程序等。對於本系統來說，最重要的子程序是電堆最佳工作溫度的控制，因為溫度關係到整個電池系統發電性能的好壞，而對溫度的控制又是通過風扇轉速的控制間接實現的。由於溫控系統是一個帶滯後的慣性系統，所示本部分採用的是積分分離的PI控制算法，其控制框圖如下圖5所示。

圖5 溫度控制框圖

圖5中虛線框內的部分是由DSP完成的控制算法。在該控制系統中，首先由DSP根據設定的期望溫度信號 計算出一個期望的轉速控制信號 ，再根據測溫電路的反饋輸入信號 計算得到轉速控制反饋信號 ，計算出所需PWM的佔空比，然後經過電機驅動器ULN2803輸出驅動風扇。積分分離PI控制器每100ms調節一次，能夠快速而精確的對風扇的轉速進行調節與控制，從而最終實現對溫度的閉環控制。積分分離PI算法的部分程序具體如下，其中PID參數採用結構體進行定義。

void pi_reg_calc(PIREG *v)

{

v->error_reg=v->pi_reference_reg-v->pi_feedback_reg;

//err=ref-fbd

v->loop_index++;

if(v->loop_index >= v->i_period)

{

if(v->error_reg < v->error_limit)

//當誤差小於某值時才加入積分

{

v->ui_reg=v->ui_reg+ v->Ki_reg*v->error_reg; //積分累加

if(v->ui_reg < v->ui_out_min)

v->ui_reg = v->ui_out_min;

//積分輸出下限幅

else if(v->ui_reg > v->ui_out_max)

v->ui_reg = v->ui_out_max;

//積分輸出上限幅

}

v->loop_index=0;

}

v->up_reg = v->Kp_reg*v->error_reg; //Kp*err

v->pi_out_reg = v->ui_reg + v->up_reg; //PI_OUT

if(v->pi_out_reg > v->pi_out_max)

v->pi_out_reg = v->pi_out_max;

//PI輸出上限幅

else if(v->pi_out_reg < v->pi_out_min)

v->pi_out_reg = v->pi_out_min;

//PI輸出下限幅

}

實驗測試

本系統採用ITECH公司生產的電子負載IT8512C來進行各種性能調試，它提供了多元化的應用範圍，包括電阻負載、電容負載、電感負載、功率負載四種負載模式，因此很適合本發電系統的發電性能測試。

本系統實驗條件設置為：環境溫度為25℃，氫氣壓力為0.045MPA，流量為1.5L/MIN，負載電流固定為4A。對於上述的實驗條件，我們根據曲線擬合及實際測量數據，並結合文獻資料得出結論：系統的最佳工作溫度為44℃，此時系統的輸出功率較高，輸出電壓較穩定。

上位機監控系統採用NI的虛擬儀器專用開發平臺LabVIEW進行開發設計，LabVIEW是基於流程圖的圖形化編程方式，被稱為G語言，與傳統語言相比，它編程簡單易於理解。當整個發電系統工作大約10S後我們接上4A電流的負載，測試系統的實驗監控曲線如下圖6所示。

圖6 實驗監控曲線

由監控曲線可知，當系統工作穩定後，電堆的輸出電壓大約為14.3V，此時能對外提供57.2W的功率。經實驗可知，本系統硬體設計合理，軟體算法的實現也滿足了系統正常工作的需要，達到了系統要求的參數性能指標。

結語

本文針對PEMFC系統的輸出性能而設計的測控系統，實現了對質子交換膜燃料電池的發電管理，對系統各個參數的實時測控，以及對外提供穩定的直流電。從實驗測試數據來看，系統的各個參數指標均達到了設計要求。只要接上穩定的氫氣源，系統就能對外提供穩定的直流電，進而驅動相應的負載。

（本文選編自《電氣技術》，原文標題為「基於DSP的質子交換膜燃料電池測控系統設計」，作者為盧君、戚志東。）