質(zhì)子交換膜燃料電池控制器的設計

質(zhì)子交換膜燃料電池系統是一種功率調節設備，已廣泛應用于電腦、醫療/生命維持系統、電信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。它的主要功能是持續以高質(zhì)量的功率供給負載。一個(gè)高性能燃料電池系統應該有一個(gè)線(xiàn)性和非線(xiàn)性負載的較低總諧波失真、效率高、可靠性好、突發(fā)電網(wǎng)故障和負載改變時(shí)的快速瞬態(tài)響應的凈輸出電壓[1]。伴隨著(zhù)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)域和國內市場(chǎng)進(jìn)一步增長(cháng)。由于國際市場(chǎng)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、智能化控制被應用在質(zhì)子交換膜燃料電池系統中。

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)負充電電極(陽(yáng)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(yáng)極氧化，氧氣在陰極還原。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜從陽(yáng)極傳送至陰極，電子經(jīng)外部電路負載傳送。在陰極上，氧氣與質(zhì)子和電子發(fā)生反應，產(chǎn)生水和熱。原理圖如圖1所示，電極上的各化學(xué)反應如下：

2 燃料電池控制器的硬件設計

硬件的設計首先必須滿(mǎn)足系統的要求才能實(shí)現有效的控制。由于燃料電池控制系統的組成比較復雜，采用單一的控制單元實(shí)現所有的功能存在連線(xiàn)復雜、控制單元負載率過(guò)高等缺點(diǎn)。因而可以根據實(shí)現功能和安裝位置的不同進(jìn)行功能模塊劃分，實(shí)現分布式控制。燃料電池控制器主要由以下幾個(gè)部分組成[4]：燃料電池系統的主控制單元、燃料電池堆的電壓檢測單元、監控模塊單元和顯示模塊。燃料電池控制器結構框圖如圖2所示。

主控制單元作為控制系統的核心，其主要功能是：接收其他功能模塊的數據，對發(fā)電系統的工作狀態(tài)做出判斷，根據當前發(fā)電系統的工作參數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采取PIC16F876A-I/SP作為主控芯片[5]，該芯片采用的是哈佛結構，其工作頻率可達20 MHz，片內具有8 KB快速Flash程序存儲器、368 B數據存儲器、256 B EEPROM數據存儲器。其內部包含2個(gè)模擬比較器，3個(gè)計時(shí)器，5輸入通道的10位模數轉換器。指令系統只有35個(gè)指令，通過(guò)外擴DAC芯片可以輸出模擬電壓或電流，進(jìn)而實(shí)現對鼓風(fēng)機和水泵的轉速控制。

2.2 A/D采集模塊

在燃料電池發(fā)電系統中，溫度、壓力、電壓、電流等被檢測的對象都是連續變化的量，通過(guò)溫度傳感器、壓力傳感器、電壓傳感器、電流傳感器將它們轉換為連續變化的電壓或電流。模數轉換器ADC的作用就是將這些模擬電壓或電流轉換成計算機能識別的數字量。

2.3 保護與抗干擾

電路故障檢測由主控芯片和比較電路來(lái)完成。監測到故障后，由主控芯片發(fā)出信息給蜂鳴器報警，同時(shí)切斷DC-DC模塊開(kāi)關(guān)，保護系統電路。電路中強電、弱電信號并存，為提高系統的抗干擾能力，在DC-DC模塊、電磁閥與單片機之間進(jìn)行光電隔離，以確保電路的穩定性。

3 燃料電池控制器的軟件設計

3.1 主程序

主程序的功能是完成系統初始化(包括各工作寄存器清零、開(kāi)中斷等)、工作狀態(tài)判斷以及合理調用各個(gè)子程序來(lái)實(shí)現系統的有效控制[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構化模塊程序設計的方法，各模塊分別編程，使整個(gè)程序清晰明了，方便程序設計與代碼的編譯調試。燃料電池控制器模塊的軟件設計按照功能主要劃分為初始化、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行的一部分，負責初始化各種參數。A/D采樣是對各模擬量進(jìn)行采集并轉換成數字量，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子程序，進(jìn)行顯示和報警等。所以在程序的編寫(xiě)上就比較復雜，不過(guò)按要求配置好各個(gè)A/D模塊的控制器，經(jīng)過(guò)觸發(fā)就可以從相應的結果寄存器中讀出A/D的值?？刂品桨赴巳糠謨热荩弘姵毓ぷ鳡顟B(tài)的確定、相對應的工作流程(掃描、啟動(dòng)、工作、關(guān)機)、安全信號的檢測。通信模塊可以實(shí)現對風(fēng)機與水泵的控制。溫控程序流程圖如圖4所示。