燃料电池控制系统开发

燃料电池控制系统开发

陈亚鹏

河北优优电气科技有限公司   河北邯郸   056000

摘要：燃料电池即化学发电器，是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。燃料电池具有发电效率高、比能量高、环境污染小、燃料范围广、可靠性强以及辐射少等方面的优势。作为新时代高科技产品的燃料电池目前已经广泛应用于航空航天、能源发电、汽车工艺以及家用电源等领域，对社会的发展以及人们生活水平的改进具有重要意义。基于此，本文介绍了燃料电池的原理与分类，提出了PEMFC电堆的系统结构，并就燃料电池控制系统的设计进行探究。

关键词：燃料电池；控制系统；发电系统；主控制芯片

引言：燃料电池本质上属于电化学装置，燃料电池与普通电池在组成结构上基本相同，但燃料电池的效率更高，并且更加环保，使用寿命更长。从能源与环保角度来讲，燃料电池是最优发展前途的发电技术。控制系统是燃料电池中的重要组成部分，是保障燃料电池稳定与安全工作的重要基础。本文介绍了质子交换膜燃料电池控制系统的软件设计与硬件设计，并借助相应的控制算法以及控制策略，初步构建燃料电池控制系统。

1燃料电池的原理和分类

1.1燃料电池的原理

    燃料电池属于能量转换装置，能够将化学能转化为电能。借助燃料电池可以在不经过燃烧的情况下将氧化剂以及燃料中的化学能进行转化，使其成为电能，因此在保证燃料供给的情况下便可以实现燃料电池的持续发电。在能量转化过程中主要是将氧气与氢气以电化学反应的方式转化为电能，而转化过程中的剩余气体则可以在经过处理之后循环使用，因此燃料电池更加环保。受电池内阻以及化学反应的影响，使得燃料电池还可以产生一定的热量。在电池工作时，氧化剂以及燃料由外部供给，只要保证供给的持续性便可以实现燃料电池的持续发电。单纯依靠燃料电池本身并不能稳定工作，需要在燃料电池本身的基础上设置相应的辅助系统，如安装装置、排热系统以及控制系统等，因此燃料电池控制系统的开发至关重要。

1.2燃料电池的分类

    燃料电池类型多样，并且按照不同的标准可以将其分为不同的类型。以工作温度为依据进行分类，可以将其分为高温、低温以及中温型燃料电池。以燃料为标准进行分类，可以将其分为再生式、直接式以及间接式燃料电池。以电解质类型为标准进行分类，可以将其分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池以及熔融碳酸盐燃料电池。以质子交换膜燃料电池为例，这种类型的燃料电池的应用比较广泛，相较于其他类型的软料电池，质子交换膜燃料电池的特点主要体现在使用寿命长、体积小、设计简单、无腐蚀性、设计简单、重量轻、制造便捷以及操作温度低等方面的特点与优势，也正是因为这些特点与优势使得这种类型的燃料电池得到了广泛应用。但质子交换膜燃料电池也存在一定的技术问题，如电堆的增湿排热、电解质膜的使用寿命、燃料的来源、电堆密封以及燃料的储存等。

2PEMFC发电系统的体系结构

    有效工作面积是影响PEMFC单体发电功率的最主要因素，通常情况下，在电流密度为0.5A/cm2时，其电压可达0.7-0.8V。在应用过程中，需要根据所需的功率以及电压进行系统设计。设计过程中通过联结多个PEMFC单体的形式组成交换膜燃料电池反应堆，同时还要将反应堆与外围设备相连接，进而形成燃料电池发电系统，以便更好地保障燃料电池反应堆的稳定工作。燃料电池发电系统主要由功率测量系统、燃料攻击系统、报警系统、冷却水循环系统、燃料贮存系统以及控制系统等组成。PEMFC电堆的发电效率为35%-56%左右，其工作温度通常为70-90摄氏度左右。

3燃料电池控制系统的设计

    燃料电池控制系统设计应综合考虑系统工作环境、主控芯片的数据处理能力、成本因素、维护难度以及芯片的扩展性等因素。控制系统的作用主要体现在可以确保燃料电池在负载与条件发生变化时依然能够保持良好的工作状态，通过控制系统来提升燃料电池发电系统的可靠性。具体而言，燃料电池控制系统设计应从以下几个方面入手：

3.1控制系统的硬件设计

受燃料电池控制系统复杂性强的影响，难以通过单一控制单元实现所有功能，否则会带来负载率过高以及连线过于复杂等问题。因此在设计过程中应结合安装位置以及功能要求等合理划分功能模块，进而实现分布式控制。

3.1.1合理选择主控制器芯片

在燃料电池控制系统中，主控制单元为核心结构。主控制单元可以接收其他功能模块的数据，并通过数据分析准确判断发电系统的工作状况，并按照预设参数要求发出控制指令，确保系统能够始终保持在最佳工作状态。本次燃料电池控制系统选用DSP作为主控芯片，之所以选用DSP作为主控芯片原因在于DSP的处理能力强，可以实现对资料的即时处理，可以更好地保障信号的处理速度。DSP微处理器内部包含12位的ADC，16通道模拟输入，56个独立的引脚，并且能够借助外扩DAC芯片输出模拟电流或模拟电压。

3.1.2DSP各接口模块设计

由于MS320C2812自身不具备模拟输出功能，因此在设计过程中需要将控制系统外加多通道DAC芯片，以这种方式来输出模拟量，进而控制水泵转速以及鼓风机转速。ADC接口模块可以将发电系统中的温度等检测对象借助相关传感器转化为连续变化的电流或者电压，在此过程中，模数转换器ADC能够将模拟的电流或者电压转化成为具体的数字量，以便进行识别。除此之外，控制系统中的PWM模块同样发挥着重要作用，借助该模块可以实现对空气增湿转筒的控制，主要控制器转速。同时在接口模块设计过程中还需要在燃料电池控制系统与上层控制系统之间设置通讯模块，本设计采用CAN总线通讯。另外还需设计SCI模块，借助该模块为PC机通讯提供便利，同时可以更好地保存记录相关实验数据。

3.2燃料电池控制系统的软件编程

燃料电池控制系统设计过程中，在完成硬件设计的基础上还要进行软件设计。由于燃料电池发电系统的工作环境并不固定，其工作环境不断变化，因此对软件系统要求较高，需要软件系统具备较强的适用性，这样才能结合燃料电池工作环境的变化进行优化控制，保证燃料电池发电系统始终处于最佳工作状态。除此之外，为保证控制系统故障能够及时排除，还需要软件系统具备一定的自诊断功能，能够对自身的故障及时做出准确判断。本设计中选择CCS编译环境作为主控芯片，CCS在基本代码产生工具的基础上增加了调试与实时分析功能，借助这方面功能，可以帮助开发人员在不中断程序的基础上检验算法是否正确，因此可以对硬件进行跟踪调试，有助于提升控制系统开发效率，缩短开发时间。应用结构化模块程序设计的方式进行系统程序设计，针对不同的模块进行分别编程。这种方式有助于提升程序的设计效率，并且便于进行编码编译调试。

燃料电池控制系统软件设计，以功能为标准进行划分，可以将软件系统分为四个部分，第一部分为初始化模块，其作用主要体现在初始化相关参数。第二部分为A/D采样模块，该模块为DSP自带的，因此更加便于编写程序。第三部分为控制策略模块，该模块主要有安全信号检测、确定电池工作状态等方面的功能。第四部分为通讯模块，主要由SCI模块以及CAN模块共同组成。

结束语：

    控制系统是燃料电池中的重要组成部分，是保障燃料电池稳定与安全工作的重要基础。随着燃料电池的应用越来越广泛，燃料电池控制系统的设计开发也越来越受人们的关注。本文分析了燃料电池的原理以及相关类型，并围绕PEMFC电堆系统结构对控制系统硬件设计以及软件设计进行探究，初步构建了燃料电池控制系统。

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