質(zhì)子交換膜燃料電池控制器的設(shè)計(jì)

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。

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