質(zhì)子交換膜燃料電池控制器的設(shè)計(jì)
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)是一種功率調(diào)節(jié)設(shè)備,已廣泛應(yīng)用于電腦、醫(yī)療/生命維持系統(tǒng)、電信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。它的主要功能是持續(xù)以高質(zhì)量的功率供給負(fù)載。一個(gè)高性能燃料電池系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)線性和非線性負(fù)載的較低總諧波失真、效率高、可靠性好、突發(fā)電網(wǎng)故障和負(fù)載改變時(shí)的快速瞬態(tài)響應(yīng)的凈輸出電壓[1]。伴隨著個(gè)人電腦和互聯(lián)網(wǎng)的普及,低容量燃料電池產(chǎn)品將在工業(yè)領(lǐng)域和國內(nèi)市場進(jìn)一步增長。由于國際市場的高度競爭,許多先進(jìn)的技術(shù),例如更高的功率密度、更高的效率、智能化控制被應(yīng)用在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中。
1 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理
質(zhì)子交換膜燃料電池由一個(gè)負(fù)充電電極(陽極)、一個(gè)正充電電極(陰極)和一個(gè)電介質(zhì)膜組成[2]。氫氣在陽極氧化,氧氣在陰極還原。質(zhì)子通過電解質(zhì)膜從陽極傳送至陰極,電子經(jīng)外部電路負(fù)載傳送。在陰極上,氧氣與質(zhì)子和電子發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生水和熱。原理圖如圖1所示,電極上的各化學(xué)反應(yīng)如下:
2 燃料電池控制器的硬件設(shè)計(jì)
硬件的設(shè)計(jì)首先必須滿足系統(tǒng)的要求才能實(shí)現(xiàn)有效的控制。由于燃料電池控制系統(tǒng)的組成比較復(fù)雜,采用單一的控制單元實(shí)現(xiàn)所有的功能存在連線復(fù)雜、控制單元負(fù)載率過高等缺點(diǎn)。因而可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和安裝位置的不同進(jìn)行功能模塊劃分,實(shí)現(xiàn)分布式控制。燃料電池控制器主要由以下幾個(gè)部分組成[4]:燃料電池系統(tǒng)的主控制單元、燃料電池堆的電壓檢測單元、監(jiān)控模塊單元和顯示模塊。燃料電池控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
主控制單元作為控制系統(tǒng)的核心,其主要功能是:接收其他功能模塊的數(shù)據(jù),對發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)做出判斷,根據(jù)當(dāng)前發(fā)電系統(tǒng)的工作參數(shù)控制其工作在最佳狀態(tài)。
2.1 主控芯片
本次燃料電池控制系統(tǒng)采取PIC16F876A-I/SP作為主控芯片[5],該芯片采用的是哈佛結(jié)構(gòu),其工作頻率可達(dá)20 MHz,片內(nèi)具有8 KB快速Flash程序存儲(chǔ)器、368 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、256 B EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其內(nèi)部包含2個(gè)模擬比較器,3個(gè)計(jì)時(shí)器,5輸入通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。指令系統(tǒng)只有35個(gè)指令,通過外擴(kuò)DAC芯片可以輸出模擬電壓或電流,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對鼓風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速控制。
2.2 A/D采集模塊
在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中,溫度、壓力、電壓、電流等被檢測的對象都是連續(xù)變化的量,通過溫度傳感器、壓力傳感器、電壓傳感器、電流傳感器將它們轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓或電流。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的作用就是將這些模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字量。
2.3 保護(hù)與抗干擾
電路故障檢測由主控芯片和比較電路來完成。監(jiān)測到故障后,由主控芯片發(fā)出信息給蜂鳴器報(bào)警,同時(shí)切斷DC-DC模塊開關(guān),保護(hù)系統(tǒng)電路。電路中強(qiáng)電、弱電信號并存,為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,在DC-DC模塊、電磁閥與單片機(jī)之間進(jìn)行光電隔離,以確保電路的穩(wěn)定性。
3 燃料電池控制器的軟件設(shè)計(jì)
3.1 主程序
主程序的功能是完成系統(tǒng)初始化(包括各工作寄存器清零、開中斷等)、工作狀態(tài)判斷以及合理調(diào)用各個(gè)子程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效控制[6]。主程序流程圖如圖3所示。
3.2 模塊子程序
燃料電池控制器程序采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)的方法,各模塊分別編程,使整個(gè)程序清晰明了,方便程序設(shè)計(jì)與代碼的編譯調(diào)試。燃料電池控制器模塊的軟件設(shè)計(jì)按照功能主要?jiǎng)澐譃槌跏蓟?、A/D采樣、控制方案、通信實(shí)施四部分。初始化是燃料電池控制器初始運(yùn)行的一部分,負(fù)責(zé)初始化各種參數(shù)。A/D采樣是對各模擬量進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,例如讀入燃料電池溫度、氫氣入口壓力值、DC/DC出口電壓及電流值,供主控芯片處理,并將這些值傳給顯示子程序及相應(yīng)子程序,進(jìn)行顯示和報(bào)警等。所以在程序的編寫上就比較復(fù)雜,不過按要求配置好各個(gè)A/D模塊的控制器,經(jīng)過觸發(fā)就可以從相應(yīng)的結(jié)果寄存器中讀出A/D的值。控制方案包括了三部分內(nèi)容:電池工作狀態(tài)的確定、相對應(yīng)的工作流程(掃描、啟動(dòng)、工作、關(guān)機(jī))、安全信號的檢測。通信模塊可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)與水泵的控制。溫控程序流程圖如圖4所示。
4 燃料電池控制器實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)裝置由質(zhì)子交換膜燃料電池、鉛酸蓄電池和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。燃料電池和蓄電池為負(fù)載供電,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來記錄必要的信息。所有物理參數(shù),如質(zhì)子交換膜燃料電池堆和蓄電池的電流與電壓、反應(yīng)物的氣體流量、流場的壓降、空氣和氫氣相對濕度和溫度通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被記錄。
隨負(fù)載的增加,質(zhì)子交換膜燃料電池堆溫度將上升。由于溫度控制器的調(diào)整,電池堆的溫度將保持在50℃~60℃,如圖5和6所示。一般來說,更高的操作溫度是令人滿意的,因?yàn)槠錅p少質(zhì)量運(yùn)輸限制和增加電化學(xué)反應(yīng)率,但同時(shí),由于水蒸氣的增加,更高的溫度可能導(dǎo)致增加質(zhì)量運(yùn)輸損失。因此,實(shí)驗(yàn)中電池堆的溫度被控制在50℃~60℃,以保持水分平衡,減少了內(nèi)部阻力或歐姆損失的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)外部的負(fù)載突然改變時(shí),氫氣不能被快速提供給質(zhì)子交換膜燃料電池堆。當(dāng)UPS負(fù)載突然變化,例如,從60 W到210 W,質(zhì)子交換膜燃料電池堆的輸出電壓迅速下降并使UPS關(guān)閉,因此,這個(gè)結(jié)果會(huì)使氫氣和空氣匱乏并可能毀掉質(zhì)子交換膜燃料電池堆。為了能夠?yàn)橥獠控?fù)載供應(yīng)足夠的功率并且保護(hù)質(zhì)子交換膜燃料電池堆,混合UPS系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池,以防止質(zhì)子交換膜燃料電池的過度使用和為外部負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。如圖7所示,在正常情況下質(zhì)子交換膜燃料電池堆可長時(shí)間供應(yīng)UPS電源,當(dāng)UPS負(fù)載急劇變化或氫氣被凈化,燃料電池控制器可以在質(zhì)子交換膜燃料電池和蓄電池之間切換。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)證明了所設(shè)計(jì)的控制器監(jiān)控方案與傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)相比可以更好地工作。智能綜合控制的主要優(yōu)勢是它可以解決燃料與空氣的匱乏、膜嚴(yán)重侵水或干燥等問題對于一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響。它完成了對不同負(fù)載功率的適應(yīng)性控制,提高了穩(wěn)定性、功率效率和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 衣寶廉. 燃料電池——原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:182-311.
[2] WANG X D, DUAN Y Y, YAN W M. Numerical study of cell performance and local transport phenomena in PEM fuel cells with various flow channel area ratios[J]. Journal of power sources,2007,172(1): 265-277.
[3] 毛宗強(qiáng).燃料電池[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:140-142.
[4] 林維明.燃料電池系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998:47-56.
[5] 陳小文,閆志強(qiáng),譯.PIC嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京:人民郵電出版社,2008:138-171.
[6] 王繼月.燃料電池控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2005:11-31.