基于DSP的质子交换膜燃料电池测控系统设计

卢 君 戚志东

（南京理工大学自动化学院，南京 210094）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其低噪音、零污染、无腐蚀、长寿命及空间相对较少等优点，成为 21世纪最有前途的“绿色能源”[1]。但由于PEMFC发电系统性能输出的影响因素有很多，包括燃料的温度、湿度、浓度、压力、电气负载，以及周围环境的条件等，导致许多电池系统输出的总谐波失真较高、效率较低、可靠性不好。为了提高电池系统的通用性，针对风冷型的PEMFC，设计了一种基于DSP的测控系统，实验效果令人满意。本文针对测控系统的基本组成与功能特点，主要对整个测控系统的软硬件设计进行了详细的介绍与讨论。

1 PEMFC测控系统简介

PEMFC系统除了核心部分质子交换膜燃料电池堆外，还需要一些辅助系统才能正常工作。总的来说，一个完整的燃料电池系统大致上由发电系统和控制系统两大部分组成。通用的 PEMFC测控系统主要由以下几部分构成：传感器、控制单元、数据采集单元、执行单元、通信单元、报警及显示单元等。本实验室使用的是百瓦级风冷型发电系统，整个实验系统的结构示意图如下图1所示。

图1 风冷型PEMFC发电系统结构示意图

由以上示意图可知本发电系统的核心部分就是系统的控制器设计。由于系统的燃料氢气的供应是由连接在氢气瓶上的二级减压阀控制，这样整个测控系统就主要完成尾气的排放、电堆的温度控制、报警、显示及通信等几个功能。其中对温度的控制，是整个控制系统的核心，因为温度的控制是保证整个发电系统正常工作必不可少的部分。

2 测控系统硬件设计

由测控系统的组成结构分析，针对我们这个具体的燃料电池，本系统的硬件结构主要分为以下几部分：主控芯片、电源模块、数据采集模块、通信模块、报警显示模块、执行模块等。具体的硬件结构组成框图如下图2所示。

图2 PEMFC测控系统硬件组成框图

2.1 主控芯片

主控芯片是整个控制系统的核心，它是系统算法实现的载体。鉴于DSP的高速运算特性及特定的控制对象电机，本系统选用的是飞思卡尔（FreeScale）的 DSP芯片 MC56F8013，该芯片是FreeScale推出的针对电机驱动和电力电子应用的DSP，它采用的是哈佛结构，不需要外接晶振，工作性能为固定的32MHZMIPS，片内六路高速PWM输出通道，六路12位高速模拟转换器等丰富资源[2]，因此很适合本系统的需要。

2.2 电源模块

电源模块是对电池的输出电压进行转换处理，提供整个 DSP控制系统正常工作所需要的稳定电源。由于电池的输出电压为9-18V的范围，而系统的供电电压有四个电压等级，分别是12V、6V、5V、3.3V，所以要将输出电压转换为所需要的电压等级。其中12V电压用LM2576-12芯片进行转换，为降温风扇供电；6V电压用LM7806芯片进行转换，为排气电磁阀供电，5V电压用LM2576-5芯片进行转换，主要给各种芯片供电，3.3V电压用AMS1117芯片进行转换，主要为处理器供电。

2.3 数据采集模块

数据采集模块包括温度测量和信号调理两部分。其中温度测量部分主要是对室温及电堆温度进行测量，其中对室温的测量是采用单总路线数字温度计 DS18B20，对电堆温度的测量是用 MAX6675配合K型热电偶。信号调理部分主要对负载及风扇的电压电流信号进行调理以便主控芯片内的A/D模块能直接测量。其中对负载电压的调理电路如下图3所示，采用二阶低通滤波器进行滤波及调理，截止频率为10.44Hz。

图3 电压调理电路

2.4 执行模块

执行器件部分包括电机和电磁阀两部分。其中电机部分是对风扇的转速进行控制，用专用驱动芯片ULN2803进行驱动，用DSP自带的PWM模块进行PID调节控制，保证电池工作在最佳工作温度。电磁阀部分是通过继电器由定时器进行排气的定时排放控制。

3 测控系统软件设计

系统的整个软件的编写采用结构化模块程序设计的方法，对于各个功能模块分别进行相应的程序设计，使整个程序清晰明了，并且方便对整个程序的设计及代码的编译调试。

3.1 系统主程序

系统软件的主程序主要完成三个功能：(1)通过K型热电偶检测电堆温度，采用积分分离PI算法和PWM调制方式控制风扇的转速变化，实现系统内部的空气供应、吹扫水蒸汽、电堆温度控制；(2)定时开关电磁阀，排除多余废气实现对反应气体的回路控制；(3)与上位机进行通信，以便及时反映系统的工作状态，并做出相应控制。整个主程序的流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

3.2 温度控制子程序

本系统的子程序有很多，包括电磁阀控制子程序、PI控制程序、读温度程序、串口程序等。对于本系统来说，最重要的子程序是电堆最佳工作温度的控制，因为温度关系到整个电池系统发电性能的好坏，而对温度的控制又是通过风扇转速的控制间接实现的。由于温控系统是一个带滞后的惯性系统，所示本部分采用的是积分分离的PI控制算法，其控制框图如图5所示。

图5 温度控制框图

图5中虚线框内的部分是由DSP完成的控制算法。在该控制系统中，首先由DSP根据设定的期望温度信号 计算出一个期望的转速控制信号 ，再根据测温电路的反馈输入信号 计算得到转速控制反馈信号 ，计算出所需PWM的占空比，然后经过电机驱动器ULN2803输出驱动风扇。积分分离PI控制器每100ms调节一次，能够快速而精确的对风扇的转速进行调节与控制，从而最终实现对温度的闭环控制。积分分离PI算法的部分程序具体如下，其中PID参数采用结构体进行定义。

4 实验测试

本系统采用 ITECH公司生产的电子负载IT8512C来进行各种性能调试，它提供了多元化的应用范围，包括电阻负载、电容负载、电感负载、功率负载四种负载模式，因此很适合本发电系统的发电性能测试。本系统实验条件设置为：环境温度为25℃，氢气压力为0.045MPA，流量为1.5L/min，负载电流固定为4A。对于上述的实验条件，我们根据曲线拟合及实际测量数据，并结合文献资料[4]得出结论：系统的最佳工作温度为44℃，此时系统的输出功率较高，输出电压较稳定。

上位机监控系统采用 NI的虚拟仪器专用开发平台LabVIEW进行开发设计，LabVIEW是基于流程图的图形化编程方式，被称为G语言，与传统语言相比，它编程简单易于理解。当整个发电系统工作大约10S后我们接上4A电流的负载，测试系统的实验监控曲线如图6所示。

图6 实验监控曲线

由监控曲线可知，当系统工作稳定后，电堆的输出电压大约为14.3V，此时能对外提供57.2W的功率。经实验可知，本系统硬件设计合理，软件算法的实现也满足了系统正常工作的需要，达到了系统要求的参数性能指标。

5 结论

本文针对PEMFC系统的输出性能而设计的测控系统，实现了对质子交换膜燃料电池的发电管理，对系统各个参数的实时测控，以及对外提供稳定的直流电。从实验测试数据来看，系统的各个参数指标均达到了设计要求。只要接上稳定的氢气源，系统就能对外提供稳定的直流电，进而驱动相应的负载。

[1]衣宝廉.燃料电池--原理技术应用[M].北京:化学工业出版社,2003:182-311.

[2]陈新 吴崇理.DSP56800E控制器原理及应用[M].北京:电子工业出版社，2007:309-311.

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007:108-110.

[4]卫东 郑东 褚磊民.空冷型质子交换膜燃料电池堆最优性能输出控制[J].化工学报,2010,5(61):1293-1300.

[5]张焕文,何炳林,余晓丽.基于质子交换膜燃料电池的发电系统设计[J].电源技术，2010,6(34):559-566.

[6]CodeWarrior Development Studio for Freescale 56800/E Digital Signal Controllers v8.0 Standard Edition [M]. Freescale Semiconductor Inc, 2005.

[7]PC Master Software Creation of Advanced Control Pages [M]. Freescale Semiconductor Inc, 2004.

[8]56F80016-bit Digital Signal Controllers [M].Freescale Semiconductor Inc, 2005.