基于TC275的質(zhì)子交換膜燃料電池控制器設(shè)計(jì)

摘 "要： 為提高質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，減少研發(fā)成本，通過分析燃料電池控制系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)一種基于英飛凌TC275微處理器的燃料電池智能控制器。該控制器采集所供給燃料的溫度、濕度、壓力、流量，以及電堆運(yùn)行時(shí)的溫度、壓力和輸出的電壓、電流等參量，根據(jù)負(fù)載功率需求，經(jīng)過智能算法實(shí)時(shí)計(jì)算后，輸出相應(yīng)的控制指令來調(diào)節(jié)流量計(jì)等執(zhí)行器件，維持燃料電池系統(tǒng)智能高效、安全穩(wěn)定的運(yùn)行；此外，該控制器采用RS 485通信，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)與上位機(jī)之間的信息交互，并實(shí)時(shí)控制燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行工況。將該控制器應(yīng)用于3 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，其監(jiān)控性能良好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并與建立的仿真模型進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，滿足燃料電池系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞： 質(zhì)子交換膜燃料電池； 智能控制器； TC275； 微處理器； RS 485通信； 信息交互； 電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN702?34； TK91 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " nbsp; 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）18?0022?07

Design of PEMFC controller based on TC275

HUANG Wenhui1， YU Qingrui1， WANG Jun1， ZHANG Jingfeng2， SUN Na2， DONG Haiying2

（1. Gansu Great Wail Hydrogen Energy Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Tianshui 741000， China;

2. School of New Energy and Power Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730000， China）

Abstract： In order to enhance the energy conversion efficiency of the proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） system and reduce design costs， a fuel cell intelligent controller based on Infineon′s TC275 microprocessor is designed by analyzing the functional requirements of the fuel cell control system. The controller is used to collect parameters such as temperature， humidity， pressure， and flow of the supplied fuel and the temperature， pressure， output voltage， and current during operation of fuel cell stack. According to the load power demand， the real?time calculation of parameters are conducted by means of the intelligent algorithm， the corresponding control instructions are output to adjust the flowmeter and other executive devices， so as to maintain the intelligent， efficient， safe and stable operation of the fuel cell system. In the controller， RS 485 communication is used to realize the information exchange between the fuel cell system and the host computer， and control the operating conditions of the fuel cell system in real time. The controller is applied to the 3 kW PEMFC system， which has excellent monitoring performance， and stable and reliable operation. In comparison with the established simulation model， the experimental results are consistent and meet the control requirements of the fuel cell system.

Keywords： proton exchange membrane fuel cell; intelligent controller; TC275; microprocessor; RS 485 communication; information exchange; circuit design

0 "引 "言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機(jī)、氣候變化與環(huán)保問題已成為目前世界各國面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，各國政府開始實(shí)施新能源政策，清潔、高效、安全、環(huán)保的新能源已成為未來能源發(fā)展的必然趨勢[1?3]。在能源轉(zhuǎn)型及“雙碳”目標(biāo)下，氫能以其來源廣泛、清潔低碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富等特點(diǎn)，成為我國綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體[4]。因此，以氫氧為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）逐漸進(jìn)入諸多企業(yè)與學(xué)者的視野。

PEMFC通過電化學(xué)反應(yīng)直接將氫能轉(zhuǎn)化為電能并釋放出熱能，反應(yīng)的副產(chǎn)物只有水，不受卡諾循環(huán)的限制。PEMFC具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、低噪聲及燃料可再生等優(yōu)點(diǎn)，在氫能汽車、便攜式電源、軍用裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

燃料電池是一個(gè)非線性“氣?水?電?熱?力”多物理量多重耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[6]。對該系統(tǒng)的輸入輸出參量的控制直接影響能量轉(zhuǎn)換效率和電堆的使用壽命。因此，控制器是維持燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心，是燃料電池系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的中樞，研發(fā)穩(wěn)定可靠的燃料電池系統(tǒng)控制器至關(guān)重要。

相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[7]采用樹莓派和Arduino研發(fā)了燃料電池控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、上傳及遠(yuǎn)程控制等功能。文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103的燃料電池控制器，通過采集電堆輸出電壓、輸出電流等參數(shù)，按照設(shè)計(jì)的控制策略實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)控制信號(hào)，控制電堆穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)下位機(jī)的控制核心，實(shí)現(xiàn)了1.5 kW燃料電池系統(tǒng)中氫氣供給、空氣供給、散熱風(fēng)扇、模擬量監(jiān)測和顯示等子系統(tǒng)的控制。

文獻(xiàn)[10]中基于雙核數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC?33CH512MP508芯片，分別設(shè)計(jì)了主內(nèi)核燃料電池堆控制電路和從內(nèi)核膜電極單體電壓檢測電路，并采用芯片內(nèi)置的主從接口MSI模塊，實(shí)現(xiàn)了主從內(nèi)核之間的膜電極單體電壓檢測數(shù)據(jù)通信功能。文獻(xiàn)[11]中基于車規(guī)級(jí)S32K144微處理器，分別設(shè)計(jì)了膜電極單模電壓檢測電路和燃料電池堆控制電路，并且應(yīng)用于樣機(jī)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。文獻(xiàn)[12]中基于MC9S12XEP100單片機(jī)研發(fā)了一套40 kW質(zhì)子交換膜燃料電池控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及功率輸出等部件的運(yùn)行控制。文獻(xiàn)[13]以32位STM32F103微處理器為核心，設(shè)計(jì)并制作氫燃料電池控制器，對控制器的軟硬件基本功能進(jìn)行驗(yàn)證測試，性能良好。

本文采用英飛凌AurixTM系列TriCore架構(gòu)的32位車規(guī)級(jí)微處理器TC275，設(shè)計(jì)一種通用的PEMFC系統(tǒng)智能控制器。相較于單核微處理器，TC275多線程處理能力更適用于燃料電池等復(fù)雜系統(tǒng)?？刂破鞅O(jiān)測、控制燃料電池氣體供給子系統(tǒng)與水熱管理子系統(tǒng)，使燃料電池工作狀態(tài)最佳、輸出功率最優(yōu)，同時(shí)可延長電堆的使用壽命，降低研發(fā)成本。最后，將該控制器應(yīng)用于3 kW的PEMFC電堆進(jìn)行性能測試，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的可靠性和實(shí)用性。

1 "燃料電池系統(tǒng)控制需求分析

燃料電池系統(tǒng)控制器用于調(diào)節(jié)氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)及功率輸出模塊的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)診斷。此外，燃料電池控制器需完成與上位機(jī)的通信任務(wù)，將燃料電池各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳遞至上位機(jī)，并執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的指令。

氣體供給系統(tǒng)為燃料電池系統(tǒng)提供參與電化學(xué)反應(yīng)的燃料和氧化劑，同時(shí)氫氣循環(huán)系統(tǒng)回收未完全反應(yīng)的氫氣。水熱管理系統(tǒng)主要控制PEMFC電堆內(nèi)部的水平衡和熱平衡，以保證質(zhì)子交換膜發(fā)揮出最優(yōu)效能。控制系統(tǒng)是根據(jù)外部負(fù)載對功率的需求以及PEMFC電堆的運(yùn)行條件（壓力、溫度、濕度、電壓等）的變化，對供氣流量、壓力與水熱管理系統(tǒng)中水的流速等進(jìn)行相應(yīng)的控制[14]，以保證PEMFC電堆安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

根據(jù)燃料電池系統(tǒng)控制需求，對各子系統(tǒng)中采集量與控制量進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 "燃料電池系統(tǒng)中輸入、輸出信號(hào)匯總

[系統(tǒng) 輸入/輸出 對象 信號(hào)類型 氫氣供給 采集量 進(jìn)出堆氣壓 電流 進(jìn)出堆溫度 電流 加濕水水溫 電流 氫氣流量 RS 485 控制量 氫氣路調(diào)節(jié)閥開度 RS 485 電磁閥 低邊驅(qū)動(dòng) 泄壓閥 低邊驅(qū)動(dòng) 氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速 PWM 空氣供給 采集量 進(jìn)出堆氣壓 電流 進(jìn)出堆溫度 電流 加濕水水溫 電流 空氣流量 RS 485 控制量 空氣路調(diào)節(jié)閥開度 RS 485 電磁閥 低邊驅(qū)動(dòng) 泄壓閥 低邊驅(qū)動(dòng) 空壓機(jī)轉(zhuǎn)速 PWM 水熱管理 采集量

進(jìn)出堆水溫 電流 進(jìn)堆水壓 電流 散熱后水溫 電流 控制量 水泵轉(zhuǎn)速 PWM 散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 PWM 電堆 — 輸出電壓 電壓 負(fù)載電流 電流 ]

2 "控制器硬件電路設(shè)計(jì)

控制器是燃料電池系統(tǒng)的“大腦”，其性能的優(yōu)劣直接影響燃料轉(zhuǎn)換效率、電堆使用壽命、安全性與經(jīng)濟(jì)性等。本文從微處理器選型、信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)、通信、電源管理等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 "控制器整體結(jié)構(gòu)

燃料電池系統(tǒng)控制器主要由微處理器模塊、信號(hào)采集與調(diào)理模塊、低邊驅(qū)動(dòng)模塊、H橋驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊及電源管理模塊六部分組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微處理器模塊是控制系統(tǒng)的核心，通過采集所供給燃料的溫度、濕度、壓力、流量與電堆運(yùn)行時(shí)的溫度、壓力和輸出的電壓、電流等參量，根據(jù)負(fù)載功率需求，經(jīng)過智能算法實(shí)時(shí)計(jì)算后輸出相應(yīng)的控制指令調(diào)節(jié)流量計(jì)等執(zhí)行器件，維持燃料電池系統(tǒng)智能高效、安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2 "微處理器選型及其最小系統(tǒng)

本文選用英飛凌AurixTM系列TriCore架構(gòu)的32位芯片TC275作為微處理器，其具有豐富的外設(shè)資源，如：DSP功能的三核處理器；工作頻率高達(dá)200 MHz；8個(gè)12位ADC，多達(dá)60個(gè)模擬輸入通道；可采用單電源5 V或3.3 V或者雙電源（5 V和3.3 V）供電；一個(gè)24位的通用定時(shí)器模塊、3個(gè)獨(dú)立的64位系統(tǒng)定時(shí)器模塊以及4個(gè)16位的看門狗定時(shí)器；可通過FlexRay、CAN、CANFD、LIN、QSPI等多種通信方式進(jìn)行通信[15]。該微處理器完全滿足控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速、低功耗、安全性、穩(wěn)定性與拓展性等實(shí)際需求。

微處理器最小系統(tǒng)主要由微處理器TC275、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及DAP調(diào)試電路五部分組成。

2.2.1 "微處理器電源電路

微處理器TC275內(nèi)核接口需1.3 V的數(shù)字電源供電，模擬/數(shù)字信號(hào)接口由5 V或3.3 V供電，時(shí)鐘振蕩器由3.3 V電源供電[15]。TC275內(nèi)部集成了嵌入式電壓調(diào)節(jié)器（EVR），可以通過片上線性穩(wěn)壓電源（LDO）和開關(guān)穩(wěn)壓電源（SMPS）實(shí)現(xiàn)外部單電源輸入（5 V或3.3 V），而在內(nèi)部產(chǎn)生3.3 V或1.3 V電壓。

查閱微處理器TC275的用戶手冊可知，可以通過對HWCFG引腳電平的控制來轉(zhuǎn)換EVR調(diào)節(jié)模式與輸出電壓的大小[15?16]。TC275的供電方式有3種方案：

1） 外部使用5 V單電源供電，3.3 V和1.3 V電壓由EVR產(chǎn)生；

2） 外部使用5 V和3.3 V電源供電，1.3 V電壓由EVR13產(chǎn)生；

3） 所有電源采用外部供電，EVR禁用。

如圖2所示，本文將TC275的HWCFG引腳均外接下拉電阻，使EVR13、EVR33禁用，由外部電源提供微處理器全部所需的5 V、3.3 V和1.3 V電壓，有利于降低其功耗。此外，本文選用英飛凌公司TLE7368?3E電源管理芯片，相比于使用分立元件設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路更加安全可靠。

2.2.2 "時(shí)鐘電路

時(shí)鐘系統(tǒng)主要通過外部時(shí)鐘源倍頻產(chǎn)生高頻的時(shí)鐘信號(hào)，再通過分頻系數(shù)等設(shè)置各個(gè)模塊不同的時(shí)鐘，保證系統(tǒng)各模塊正常穩(wěn)定工作。

為減少微處理器功耗，本文采用外部時(shí)鐘方式，外部晶振提供頻率為20 MHz的穩(wěn)定時(shí)鐘，通過2個(gè)10 pF的負(fù)載電容連接到微處理器TC275的XTAL1、XTAL2引腳。通過內(nèi)部的PLL模塊將外部時(shí)鐘倍頻為所需的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)；同時(shí)PLL還具有失效檢測功能，當(dāng)外部時(shí)鐘異常時(shí)向時(shí)鐘管理單元發(fā)送報(bào)警，并將時(shí)鐘切換到內(nèi)部100 MHz的備用時(shí)鐘，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3 "復(fù)位電路

微處理器TC275可執(zhí)行冷復(fù)位和熱復(fù)位兩種工作模式。其PORST引腳為雙向復(fù)位引腳，主要用于外部觸發(fā)，可實(shí)現(xiàn)雙向復(fù)位輸入或輸出。

TC275的PORST引腳和多電源電壓調(diào)節(jié)芯片TLE7368?3E的電壓監(jiān)測引腳連接在一起，用于監(jiān)測TLE7368?3E供給微處理器的電壓是否正常，若出現(xiàn)欠壓或過壓時(shí)，PORST引腳會(huì)被拉低，使微處理器復(fù)位，從而達(dá)到保護(hù)的目的。同時(shí)，該引腳也和DAP調(diào)試接口的PORST相連接，便于在調(diào)試時(shí)使用軟件復(fù)位。該引腳需要較大的電流以保持高電平模式，用以抵消來自微處理器的下拉狀態(tài)；其有一定值的TTL電平，因此只需2 V以上的電壓便可以使微處理器脫離復(fù)位模式[17]，進(jìn)行正常工作。

2.2.4 "DAP調(diào)試電路

微處理器TC275支持OCDS（片上調(diào)試系統(tǒng)），通過該系統(tǒng)可以對單片機(jī)直接燒寫程序并對MCU進(jìn)行調(diào)試。通常使用UDE調(diào)試器對微處理器進(jìn)行片上調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)控。DAP作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)調(diào)試接口，引腳較少，但性能、魯棒性較高，同時(shí)具有邊界掃描功能。

2.3 "信號(hào)采集與調(diào)理電路

傳感器采集燃料電池系統(tǒng)中供氣溫濕度、壓力、流量和電堆工作溫度、壓力及輸出電壓、負(fù)載電流等參量，采集的模擬信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)制解調(diào)、電平轉(zhuǎn)換、濾波及隔離等處理后，調(diào)整到微處理器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓范圍要求。傳感器采集的溫濕度、壓力和流量等信號(hào)均為4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集模塊轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號(hào)，傳輸至微處理器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊，如圖3所示。

圖3中R1為采樣電阻，將傳感器輸入的4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.4～2 V的電壓信號(hào)，采用運(yùn)算放大器LM324對采集的信號(hào)進(jìn)行處理。U1A部分為差分放大電路，可有效抑制共模信號(hào)干擾，提高信號(hào)的共模抑制比；U1D部分組成了電壓跟隨器，由R9調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換后電壓信號(hào)的基準(zhǔn)值；U1B部分為減法電路，進(jìn)一步降低信號(hào)抗干擾性能；U1C部分為信號(hào)放大電路，控制輸出的電壓信號(hào)在5 V范圍內(nèi)；D1用于輸出電壓鉗位，采集信號(hào)異常時(shí)可保護(hù)微處理器安全運(yùn)行。

燃料電池系統(tǒng)中電堆輸出電壓、負(fù)載電流經(jīng)過圖4所示電路轉(zhuǎn)換至微處理器內(nèi)部A/D模塊的0～5 V電壓范圍。

圖4中電堆輸出電壓采集范圍由電阻R16、R18和R19的阻值決定，如式（1）所示。

[Vmax=VCC·R16+R18R19] " " " （1）

式中：Vmax為電堆輸出電壓的最大值；[VCC]為運(yùn)放U2的工作電壓。

負(fù)載電流由霍爾傳感器U3的供電電壓及其靈敏度決定，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，公式如式（2）所示。

[VI=VCC2+IFC·S·10-3] （2）

式中：IFC為負(fù)載電流；S為霍爾傳感器U3的靈敏度；[VCC]為U3的工作電壓。

2.4 "低邊驅(qū)動(dòng)電路

低邊驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。通過微處理器輸出的高低電平信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而控制燃料電池系統(tǒng)中電磁閥、繼電器等執(zhí)行器件動(dòng)作，防止執(zhí)行器件過載情況下燒毀微處理器。電路采用光耦PC817作隔離，當(dāng)微處理器輸出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，光耦工作，進(jìn)而場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電磁閥或繼電器動(dòng)作。

2.5 "H橋驅(qū)動(dòng)電路

通過調(diào)節(jié)微處理器輸出PWM的占空比，來控制H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)中對氫氣循環(huán)泵、散熱風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。本文選用英飛凌IR2104驅(qū)動(dòng)芯片，橋臂選用場效應(yīng)管IRLR7843，其閾值電壓為2.3 V，耐壓值為30 V，連續(xù)漏極電流為161 A，完全滿足燃料電池系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行器件的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2.6 "通信電路

通信模塊采用RS 485通信，用于燃料電池系統(tǒng)與上位機(jī)之間的信息交互。微處理器TC275計(jì)算后的溫濕度、壓力、電壓、電流等參量經(jīng)RS 485通信上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，上位機(jī)經(jīng)RS 485通信下發(fā)相關(guān)指令，控制燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行工況。RS 485通信電路見圖6，本文選用ISO3082作為收發(fā)器；R30為匹配電阻，確保通信總線的穩(wěn)定性并抑制噪聲；R31和R32為偏置電阻，保證總線空閑時(shí)UAB大于0.2 V，避免壓差不穩(wěn)定，導(dǎo)致邏輯混亂。

2.7 "電源管理模塊

燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)階段由蓄電池供電，待電堆內(nèi)部溫濕度、壓力等參量達(dá)到最佳值之后，微控制器控制繼電器切換系統(tǒng)供電電源，由電堆輸出電壓供燃料電池系統(tǒng)中微控制器、傳感器及執(zhí)行器件穩(wěn)定運(yùn)行。電源管理模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。燃料電池系統(tǒng)中24 V直流電壓由URF1D24HB?250WR3電源模塊供電；±12 V直流電壓由URA2412?LD?60WR3模塊供電；±5 V電壓由URA2405YMD?10WR3模塊供電，為系統(tǒng)安全運(yùn)行提供穩(wěn)定的電壓。K1、K2構(gòu)成“互鎖”關(guān)系，確保系統(tǒng)穩(wěn)定供電；二極管D1、D2分別串聯(lián)于電堆輸出和蓄電池輸出端，防止電源切換過程中形成環(huán)流而對電源產(chǎn)生干擾。

3 "實(shí)驗(yàn)測試

3.1 "實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于本文設(shè)計(jì)需求，搭建了3 kW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)包括空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。并根據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)了質(zhì)子交換膜燃料電池智能控制器與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控主界面如圖8所示。

3.2 "測試分析

3.2.1 "RS 485通信波形分析

燃料電池系統(tǒng)與上位機(jī)之間的信息交互，是基于ModBus協(xié)議的RS 485總線通信實(shí)現(xiàn)的，準(zhǔn)確的收、發(fā)指令是保證燃料電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。RS 485通信采用差分信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

上位機(jī)讀取燃料電池系統(tǒng)中參數(shù)與下發(fā)指令的波形如圖9所示。

由圖9可知，RS 485通信收、發(fā)數(shù)據(jù)的電壓參考值為2.6 V，高電平為4.6 V，低電平為0.6 V。無論是讀指令還是寫指令，電壓波動(dòng)范圍均為±0.2 V，波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間均為36 μs。

3.2.2 "燃料電池輸出特性分析

將該控制器應(yīng)用于3 kW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，測試得到PEMFC輸出電壓與功率隨負(fù)載電流變化曲線，如圖10所示。

測試過程中，PEMFC的負(fù)載電流范圍為0～56 A，設(shè)置了15個(gè)不同負(fù)載電流工況點(diǎn)。

由圖10可知，電堆的空載電壓為80.39 V，隨著負(fù)載電的流增加，輸出電壓下降至55 V，輸出功率增加至3 kW，運(yùn)行穩(wěn)定。

4 "結(jié) "論

本文通過分析質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)控制需求，研發(fā)了一種基于英飛凌TC275微處理器的燃料電池控制器，并設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

相較于單核微處理器，TC275多線程處理更適用于工況復(fù)雜的燃料電池系統(tǒng)。將該控制器應(yīng)用于3 kW的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，監(jiān)控性能良好，可精確控制各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，維持燃料電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

注：本文通訊作者為王軍。

參考文獻(xiàn)

[1] 張博，孫旭東，劉穎，等.能源新技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)與2035戰(zhàn)略對策[J].中國工程科學(xué)，2020，22（2）：38?46.

[2] ALTAF H T， SHER A K， FARRUKH K， et al. Development and assessment of a thermochemical cycle and SOFC?based hydrogen energy system as a potential energy solution for the peak demand in a sustainable community [J]. International journal of hydrogen energy， 2024， 51： 1382?1389.

[3] YANG B， LI J L， LI Y L， et al. A critical survey of proton exchange membrane fuel cell system control： Summaries， advances， and perspectives [J]. International journal of hydrogen energy， 2022， 47（17）： 9986?10020.

[4] 孫德強(qiáng)，張俊武，吳小梅，等.我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對策[J].中國能源，2022，44（9）：27?35.

[5] 孫華，戚頔，劉輝，等.Pt基有序金屬間化合物氧還原催化劑研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)，2019，9（5）：479?488.

[6] 王小迪，宋珂.車用質(zhì)子交換膜燃料電池控制策略綜述[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，37（6）：992?995.

[7] 文澤軍，楊昀梓，周蘇，等.燃料電池檢測與控制系統(tǒng)開發(fā)[J].機(jī)電一體化，2017，23（11）：34?37.

[8] 游志宇，劉濤，史青，等.空冷自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電控制器設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（2）：442?450.

[9] 董超，張安民，李靜嫻.基于STM32F103的燃料電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2019，43（6）：975?978.

[10] 韓冬林.基于雙核dsPIC的氫燃料電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2020，44（3）：394?396.

[11] 韓冬林，劉藝柱，翟曉晗，等.基于S32K144的燃料電池堆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2021，45（5）：649?651.

[12] 趙同軍，馬榮澤，紀(jì)少波，等.質(zhì)子交換膜燃料電池控制器硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2022，60（3）：15?19.

[13] 王杰.氫燃料動(dòng)力電池控制器開發(fā)[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2023.

[14] 林瑞.車用燃料電池技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2021.

[15] 英飛凌. Infineon?TC27xD_v2.2用戶手冊[EB/OL].[2020?03?21]. http：//www.infineon.com.

[16] 謝輝，徐輝.英飛凌多核單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)：AURIXTM三天入門篇[M].天津：天津大學(xué)出版社，2017.

[17] 毛本泉.混合動(dòng)力專用高壓共軌柴油機(jī)ECU硬件研究與設(shè)計(jì)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2020.

[18] 雷航偉.氣體擴(kuò)散層非均勻變形對質(zhì)子交換膜燃料電池傳輸過程和性能影響的數(shù)值分析[D].杭州：浙江科技大學(xué)，2024.

[19] 劉明群，孟賢，何廷一，等. 基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)子交換膜燃料電池智能參數(shù)辨識(shí)[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，49（2）：81?90.