基于DSP的PEMFC模塊控制器的設計

張 聰，吳 驍

基于DSP的PEMFC模塊控制器的設計

張 聰，吳 驍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文研制的10 kW級的PEMFC模塊控制器，以微處理器DSP2812為核心，配合昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062Kx，實現(xiàn)了對PEMFC模塊的氫氣、氧氣、氮氣、冷卻水以及對外供電的控制和參數(shù)檢測，并且通過串行通信，實時地顯示PEMFC的工作狀態(tài)，建立了友好的人機操作界面。本文主要闡述了控制器硬件的設計和實現(xiàn)，以及在CCS3.3環(huán)境下的軟件設計和實現(xiàn)。

DSP PEMFC 控制器

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)保趨嚴，新能源需求上升。能量轉換效率高、零污染排放的燃料電池越來越受到人們的青睞[1]。

對于質子交換膜燃料電池(PEMFC)模塊，其控制器是關鍵技術之一。涉及到壓力、溫度、流量、電流、電壓等眾多物理量的測量和電磁閥、循環(huán)水泵、強電開關等執(zhí)行器件的控制。

在電堆運行時，控制器要能夠根據(jù)實際運行狀態(tài)提供合適的反應溫度和相應的反應氣，以保證PEMFC模塊的可靠性和高效性。

1 系統(tǒng)控制原理和組成

針對高安全性、高可靠性的總體技術要求，進行了10 kW級氫氧燃料電池模塊自動控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)組成框如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成結構圖

所有傳感器輸出4～20 mA標準信號給控制器，控制器經采集計算，并結合單電壓巡檢板通過串口發(fā)送過來的極值單電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)工藝流程發(fā)出控制信號，經過驅動電路放大驅動各型執(zhí)行部件動作?？刂破鬟€接收外部的緊急按鈕輸入信號，作為系統(tǒng)緊急停機使用?？刂破髋c觸摸屏通過串口通信，實時地顯示PEMFC的工作狀態(tài)。

2 控制器的硬件設計

2.1 控制器總體功能設計

燃料電池系統(tǒng)對安全性能要求比較高，這就要求主控芯片具有高速信號處理能力和實時響應的能力。為了實現(xiàn)對燃料電池的有效控制，采用TI公司的32位定點DSP芯片TMS320F2812作為燃料電池監(jiān)控單元的主控芯片。

TMS320F2812的主要性能有：晶振為30 MHz，工作時鐘頻率達150 MHz；含12位16通道的A／D轉換模塊，具有兩個串行通信接口(SCI)，還有改進的局域網絡(ECAN)，多達56個獨立可編程多用途通用輸入／輸出(GPIO)引腳[2]。

硬件的設計必須滿足監(jiān)控單元的要求才能實現(xiàn)有效的控制策略。對于監(jiān)控單元而言，所有的傳感器信號都要轉換成電信號的形式輸入，同時所有的被控制對象也是通過電信號來實現(xiàn)控制功能的。根據(jù)電信號的形式把所有需要采集的信號分為：輸入模擬量（各種傳感器轉換成的電信號）、輸入輸出開關量[3]。

控制器的主要功能電路即主控制器硬件電路，由電源電路、DSP最小系統(tǒng)、外擴RAM電路、AD采樣保護電路、電磁閥控制電路、緊急開關輸入信號電路、SCI通信電路、CAN通信電路組成。

其中DSP最小系統(tǒng)、外擴RAM電路、SCI通信電路和CAN通信電路都有很成熟的電路設計，可以借鑒開發(fā)板的典型設計直接應用。下面具體闡述其他功能模塊的設計。

2.2 電源電路設計

控制器外部供電電源為+24 V，1路經過隔離型DC-DC轉換為+AVDD5V為控制板上的各元器件供電，另一路經過隔離型DC-DC轉換為+AVDD24V，專門給外部傳感器供電，這樣可以減少外部干擾的引入，使傳感器的供電更加穩(wěn)定。

2.3 AD采樣保護電路設計

在監(jiān)控單元中，被檢測的對象如溫度、壓力、電壓、電流等都是連續(xù)變化的量，通過相應傳感器將它們轉換為連續(xù)變化的電流（4～20 mA），再選取一個適當阻值的電阻將其轉化成0～3 V的電壓信號?？紤]到工程實踐，需留有一定的裕量，經轉換后傳感器的輸入信號限定在0.48～2.4 V，這樣取樣電阻設置為120 Ω。進入AD采樣通道之前再設置一鉗位電路，鉗位電壓為2.5 V，以保證在異常情況下不至于使輸入AD通道電壓過高而燒毀DSP。

圖3 電源電路設計圖

圖4 AD采樣保護電路設計圖

2.4 電磁閥控制電路設計

DSP的數(shù)字量輸出主要用于控制繼電器，繼電器再控制各種閥的開啟和閉合。DSP的IO輸出通過電平轉換芯片將3.3 V轉換為5 V，通過MOS FET繼電器與電磁閥相連，只需要改變DSP的輸出電平的高低就可以控制閥的開啟。MOS FET繼電器實現(xiàn)了堪比機械式繼電器的低導通電阻，耐壓60 V，實現(xiàn)大電流2.3 A開閉，并且輸入輸出間隔離電壓為1500 Vrms，可有效防止外部干擾對DSP的影響。

圖5 電磁閥控制電路設計圖

電磁閥的功率為18 W，正常工作電流為750 mA，MOS FET繼電器在A式連接的情況下工作電流為2.3 A，在C式連接的情況下，工作電流可達4.6 A。

2.5 緊急開關輸入信號電路設計

數(shù)字量的輸入為緊急開關的輸入，其連接方法是通過一個光耦，然后輸入到DSP的I/O口。進行光耦隔離主要是為了防止外界干擾，避免造成DSP檢測到錯誤信號。

圖6 緊急開關輸入電路設計圖

3 控制器軟件設計

此部分在硬件電路的基礎上，根據(jù)各個功能模塊的控制方案，采用模塊化程序設計的方法分別進行相應程序的編寫，方便對整個程序代碼的編寫及代碼的編譯調試。工作流程如圖7所示。

圖7 燃料電池工作流程圖

自檢：設備上電，DSP初始化，關閉進氣閥，打開尾氣排放閥和儲水箱排水閥，傳感器采集數(shù)據(jù)，主控制器自動判斷采集參數(shù)是否在正常值范圍。如果全是則認定為自檢成功，否則將報警提示。操作員進行檢查排除報警，如仍不在正常值范圍，則退出上位機程序，斷電檢修。

預啟動：關閉儲水箱排水閥，間歇式開閉供氣閥和尾排閥，讓壓力保持在一定范圍。一次預啟動過程為30 s，預啟動結束后關閉供氣閥和尾排閥。通過上位機觀察開路電壓是否正常，正常可由操作者轉入下一過程，不正常則重復進行預啟動，預啟動次數(shù)一般為3～5次，仍未達到要求，操作員執(zhí)行停機程序，檢查原因。

啟動：間歇式開閉供氣閥增壓，待壓力增大到一定程度后常開供氣閥。打開循環(huán)水泵，調節(jié)水流量。待壓力、水流量、循環(huán)水進口溫度以及開路電壓均在規(guī)定值范圍后打開負載開關。啟動

電子負載，進行加載操作，保持穩(wěn)定后，則進入運行階段。

運行：電堆運行期間，進行加載和減載操作，間歇式開閉尾氣閥，根據(jù)儲水箱液位開閉儲水箱排水閥。

停機：關閉負載開關，關閉供氣閥，間歇式開閉尾排閥到規(guī)定值后常開尾排閥。關閉循環(huán)水泵，開啟儲水箱排水閥。啟動自動吹掃程序。

4 結束語

經過試驗，該款控制器能夠實現(xiàn)10 kW級氫氧燃料電池模塊的有效控制，亦可應用于氫氧燃料電池發(fā)電裝置、車用氫空燃料電池發(fā)電裝置和船用氫空燃料電池發(fā)電裝置。在發(fā)電裝置運行的各個環(huán)節(jié)進行管理、協(xié)調和監(jiān)控，提高發(fā)電裝置的能量利用效率，確保發(fā)電裝置工作的安全性和可靠性。

[1] 王文博. 燃料電池的發(fā)展方向[J]. 高科技與產業(yè)化，2010(1): 118.

[2] 顧衛(wèi)鋼. 手把手教你學DSP-基于TMS320X281X[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2011.

[3] 黃曉勤, 嚴松. DSP在車用燃料電池發(fā)動機控制器中的應用[J]. 電氣時代, 2008, (10): 86.

Design of PEMFC Module Controller based on DSP

Zhang Cong, Wu Xiao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2021）10-0013-03

2021-03-03

張聰（1979-），男，高級工程師。研究方向：燃料電池測控技術的研究。E-mail: seesea_1007@163.com