质子交换膜燃料电池测控系统的设计_体系_温度

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质子交流膜燃料电池（PEMFC）具有低噪音、零污染、无堕落、龟龄命及空间相对较少等优点，但由于PEMFC发电系统性能输出的影响成分有很多，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落真较高、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，紧张对全体测控系统的软硬件设计进行了详细的先容与谈论。

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PEMFC测控系统简介

PEMFC系统除了核心部分质子交流膜燃料电池堆外，还须要一些赞助系统才能正常事情。
总的来说，一个完全的燃料电池系统大致上由发电系统和掌握系统两大部分组成。
通用的PEMFC测控系统紧张由以下几部分构成：传感器、掌握单元、数据采集单元、实行单元、通信单元、报警及显示单元等。
本实验室利用的是百瓦级风冷型发电系统，全体实验系统的构造示意图如下图1所示。

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（图片来自网络侵删）

图1 风冷型PEMFC发电系统构造示意图

由以上示意图可知本发电系统的核心部分便是系统的掌握器设计。
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掌握，这样全体测控系统就紧张完成尾气的排放、电堆的温度掌握、报警、显示及通信等几个功能。
个中对温度的掌握，是全体掌握系统的核心，由于温度的掌握是担保全体发电系统正常事情必不可少的部分。

测控系统硬件设计

由测控系统的组成构造剖析，针对我们这个详细的燃料电池，本系统的硬件构造紧张分为以下几部分：主控芯片、电源模块、数据采集模块、通信模块、报警显示模块、实行模块等。
详细的硬件构造组成框图如下图2所示。

图2 PEMFC测控系统硬件组成框图

1 主控芯片

主控芯片是全体掌握系统的核心，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掌握工具电机，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运用的DSP，它采取的是哈佛构造，不须要外接晶振，事情性能为固定的32MHZMIPS，片内六路高速PWM输出通道，六路12位高速仿照转换器等丰富资源，因此很适宜本系统的须要。

2 电源模块

电源模块是对电池的输出电压进行转换处理，供应全体DSP掌握系统正常事情所须要的稳定电源。
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，以是要将输出电压转换为所须要的电压等级。

个中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，紧张给各种芯片供电，3.3V电压用AMS1117芯片进行转换，紧张为处理器供电。

3 数据采集模块

数据采集模块包括温度丈量和旗子暗记调理两部分。
个中温度丈量部分紧张是对室温及电堆温度进行丈量，个中对室温的丈量是采取单总路线数字温度计DS18B20，对电堆温度的丈量是用MAX6675合营K型热电偶。

旗子暗记调理部分紧张对负载及风扇的电压电流旗子暗记进行调理以便主控芯片内的A/D模块能直接丈量。
个中对负载电压的调理电路如下图3所示，采取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

4 实行模块

实行器件部分包括电机和电磁阀两部分。
个中电机部分是对风扇的转速进行掌握，用专用驱动芯片ULN2803进行驱动，用DSP自带的PWM模块进行PID调节掌握，担保电池事情在最佳事情温度。
电磁阀部分是通过继电器由定时器进行排气的定时排放掌握。

测控系统软件设计

系统的全体软件的编写采取构造化模块程序设计的方法，对付各个功能模块分别进行相应的程序设计，使全体程序清晰明了，并且方便对全体程序的设计及代码的编译调试。

1 系统主程序

系统软件的主程序紧张完成三个功能：(1)通过K型热电偶检测电堆温度，采取积分分离PI算法和PWM调制办法掌握风扇的转速变革，实现系统内部的空气供应、吹扫水蒸汽、电堆温度掌握；(2)定时开关电磁阀，打消多余废气实现对反应气体的回路掌握；(3)与上位机进行通信，以便及时反响系统的事情状态，并做出相应掌握。
全体主程序的流程图如下图4所示。

图4 主程序流程图

2 温度掌握子程序

本系统的子程序有很多，包括电磁阀掌握子程序、PI掌握程序、读温度程序、串口程序等。
对付本系统来说，最主要的子程序是电堆最佳事情温度的掌握，由于温度关系到全体电池系统发电性能的好坏，而对温度的掌握又是通过风扇转速的掌握间接实现的。
由于温控系统是一个带滞后的惯性系统，所示本部分采取的是积分分离的PI掌握算法，其掌握框图如下图5所示。

图5 温度掌握框图

图5中虚线框内的部分是由DSP完成的掌握算法。
在该掌握系统中，首先由DSP根据设定的期望温度旗子暗记打算出一个期望的转速掌握旗子暗记，再根据测温电路的反馈输入旗子暗记打算得到转速掌握反馈旗子暗记，打算出所需PWM的占空比，然后经由电机驱动器ULN2803输出驱动风扇。
积分分离PI掌握器每100ms调节一次，能够快速而精确的对风扇的转速进行调节与掌握，从而终极实现对温度的闭环掌握。
积分分离PI算法的部分程序详细如下，个中PID参数采取构造体进行定义。

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)

//当偏差小于某值时才加入积分

{

v->ui_reg=v->ui_reg+ v->Ki_regv->error_reg; //积分累加

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