燃料電池發(fā)動(dòng)機二次開(kāi)發(fā)控制系統的設計與實(shí)現

引言

　　質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉化為電能的發(fā)電裝置，具有能量高、噪音小、無(wú)污染、零排放和能量轉換效率高等特點(diǎn)，適合做電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力能源。各國政府、企業(yè)和科研機構都致力于研究質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，而燃料電池發(fā)動(dòng)機作為其核心目前處于突破前期，正在成為新的研發(fā)熱點(diǎn)。然而，許多研究都僅僅著(zhù)重于改善燃料電池堆的性能，對控制系統的研究則相對較少。傳統的控制系統是根據特定的發(fā)動(dòng)機特點(diǎn)而設計的，其固定的控制策略、線(xiàn)路接口以及運行參數在很大程度上限制了控制功能的擴展，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對控制系統的使用與開(kāi)發(fā)需求，而系統軟件在維護中也因不斷被修改而退化。鑒于此，本文提出并設計了一種新型的燃料電池發(fā)動(dòng)機控制系統，在滿(mǎn)足所有控制目標的同時(shí)還具備二次開(kāi)發(fā)升級、多種控制策略可選等功能，大大提高了控制系統的靈活性和適應性，并取得了良好的控制效果。

系統結構

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機二次開(kāi)發(fā)控制系統的系統結構按其功能可分以下幾部分：上位機配置終端、可軟配置控制器、燃料電池電堆、氫氣供給系統、空氣供給系統、增濕系統、冷卻水管理系統、安全報警系統以及通訊監控系統，如圖1所示。燃料電池發(fā)動(dòng)機以上位機作為軟配置終端，以控制器為控制和協(xié)調中心，以燃料電池電堆為發(fā)動(dòng)機的核心，進(jìn)入電堆的氫氣和氧氣在一定的條件下反應，產(chǎn)生電能和水。上位機配置終端可以選擇不同的控制策略，也能對控制器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)升級；氫氣供給系統負責給電堆提供一定壓力和流量的純凈氫氣；空氣供給系統向電堆提供足夠的空氣用于反應；增濕系統負責向電堆提供適當的濕度以便于提高反應效率；冷卻水管理系統主要將電堆發(fā)出的多余熱量通過(guò)循環(huán)去離子水帶出電堆并通過(guò)冷卻器散熱，使電堆處于高效的反應條件下工作；安全報警系統通過(guò)實(shí)時(shí)檢測電堆工作過(guò)程中的各種狀態(tài)和參數，在故障出現時(shí)及時(shí)發(fā)出報警信息；通訊監控系統可實(shí)時(shí)顯示當前的各種物理數據和運行狀態(tài)，并可將所需數據記錄下來(lái)以便研究分析。

二次開(kāi)發(fā)升級機制

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機二次開(kāi)發(fā)控制系統的一個(gè)特點(diǎn)是可以在線(xiàn)升級。已有統計資料表明控制系統的完善性和適應性維護工作量占其生存期工作量的70%左右。被動(dòng)地去維護和修改在生命期中發(fā)生需求變化的控制系統進(jìn)而重新燒寫(xiě)甚至設計控制器，其花費較為昂貴。燃料電池發(fā)動(dòng)機控制系統是一個(gè)內部結構可以重新配置、控制參數可以不斷調節以滿(mǎn)足硬件環(huán)境的控制系統，按其升級的功能可分為控制器端口升級和參數升級。

控制器

　　控制器在設計時(shí)就充分考慮到可能發(fā)生變化的各種因素，主程序只保留主要框架，所有可變信息都單獨存貯在專(zhuān)門(mén)的模塊中。上位機配置終端負責選擇系統運行策略以及將各種升級信息配置到控制器中，一旦系統需要升級，用戶(hù)可以在不了解控制程序的情況下進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，大大縮短了控制器的開(kāi)發(fā)周期，提高了系統的適用性與可操作性。

　　如圖2所示，控制器主要由一個(gè)微處理器（DSP）、看門(mén)狗模塊、電源監控模塊、軟配置模塊、信號調理與模數轉換模塊、數模轉換電路、I/O模塊、SCI和CAN通訊模塊等部分組成。上位機配置終端采用VB軟件設計，集成了升級配置系統與數據監控系統，既可進(jìn)行軟配置升級也可實(shí)時(shí)顯示和記錄數據，與DSP間采用485通訊。軟配置模塊采用EEPROM來(lái)接收和貯存來(lái)自上位機的升級信息，通過(guò)SPI與DSP進(jìn)行通訊?？刂破魍ㄟ^(guò)接口連接了外部的各種模擬信號和數字信號，模擬信號包括電壓、電流、壓力、流量、溫度、濕度等，數字信號包括了各種電磁閥和繼電器等。該控制器實(shí)現了控制系統的模塊化和微型化設計，具有高靈活性、高可靠性、高抗干擾性、高速信號處理能力以及二次開(kāi)發(fā)升級的先進(jìn)性。

控制器端口升級

　　控制器在硬件上設置了很多控制端口，例如，模數轉換模塊連接了多種A/D采樣端口，數模轉換模塊的D/A端口同時(shí)對幾個(gè)風(fēng)機進(jìn)行控制，I/O模塊通過(guò)I/O端口控制繼電器的開(kāi)合以及接收氫氣報警信息，這些連接到控制器的硬件端口都是可以進(jìn)行軟配置升級的。當燃料電池發(fā)動(dòng)機控制系統的各子系統或電堆進(jìn)行測試整改時(shí)，某些線(xiàn)路與控制器端口的連接不免要發(fā)生變化，這時(shí)，通過(guò)上位機配置終端就可以方便地調整控制器的內部接口設置，使控制器快速地適應新的硬件要求。

　　如圖3所示，A/D采樣是信號的主要輸入通道，采集的信號如氫氣進(jìn)出堆壓力、電堆的電壓電流、風(fēng)機電流、進(jìn)出堆溫度、冷卻水和增濕水的水位流量等；I/O端口主要指DSP的數字量輸入及輸出，輸出量通過(guò)控制繼電器進(jìn)而控制各種電磁閥、水泵、電機的開(kāi)關(guān)，如充電負載開(kāi)關(guān)、氫氣氮氣尾氣閥、增濕水泵以及氫氣循環(huán)泵等；I/O輸入量則包括多個(gè)氫氣報警器的開(kāi)關(guān)信號；數模轉換模塊則將DSP輸出的數字量轉化為模擬量控制風(fēng)機，每一個(gè)D/A控制一個(gè)風(fēng)機，輸出量的大小決定了風(fēng)機轉速的快慢。當硬件端口由于電堆移位、電路重組等發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)上位機終端對端口的重新配置可以使控制系統在免編程的情況下與新的硬件要求保持同步更新。