簡介質子交換膜燃料電池控製器的設計

引言

質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi已yi經jing大da規gui模mo的de應ying用yong在zai汽qi車che，航hang天tian等deng等deng領ling域yu

，因yin此ci對dui其qi建jian模mo，並bing根gen據ju模mo型xing性xing能neng評ping估gu
，控kong製zhi係xi統tong設she計ji就jiu顯xian得de尤you為wei重zhong要yao。國guo際ji上shang已yi有youADVISOR，tedingyuranliaodianchizaiqicheshangmoni。xueshujieyijingtichugezhonggeyangdemoxing，ercileimoxingdaduozhimoniranliaodianchidebufentexing。weilenengzaigongchengshangshiyongranliaodianchidemoxinglaidadaoshejikongzhiqiyijipingguranliaodianchi
，xuyaoyizhongmianxiangkongzhideranliaodianchimoxing，JayT.pukruspan提出一種麵向控製的燃料電池模型
，全麵地描述了燃料電池的特性。

質子交換膜燃料電池係統是一種功率調節設備，已廣泛應用於電腦、醫療/生命維持係統、電信
、工(gong)業(ye)控(kong)製(zhi)等(deng)領(ling)域(yu)。它(ta)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)持(chi)續(xu)以(yi)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)功(gong)率(lv)供(gong)給(gei)負(fu)載(zai)。一(yi)個(ge)高(gao)性(xing)能(neng)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)應(ying)該(gai)有(you)一(yi)個(ge)線(xian)性(xing)和(he)非(fei)線(xian)性(xing)負(fu)載(zai)的(de)較(jiao)低(di)總(zong)諧(xie)波(bo)失(shi)真(zhen)
、效率高
、可靠性好、tufadianwangguzhanghefuzaigaibianshidekuaisushuntaixiangyingdejingshuchudianya。bansuizhegerendiannaohehulianwangdepuji，dirongliangranliaodianchichanpinjiangzaigongyelingyuheguoneishichangjinyibuzengchang。youyuguojishichangdegaodujingzheng，xuduoxianjindejishu，lirugenggaodegonglvmidu、更高的效率
、智能化控製被應用在質子交換膜燃料電池係統中。

1質子交換膜燃料電池的工作原理

質子交換膜燃料電池由一個負充電電極（陽極）
、一個正充電電極（陰極）和(he)一(yi)個(ge)電(dian)介(jie)質(zhi)膜(mo)組(zu)成(cheng)。氫(qing)氣(qi)在(zai)陽(yang)極(ji)氧(yang)化(hua)，氧(yang)氣(qi)在(zai)陰(yin)極(ji)還(hai)原(yuan)。質(zhi)子(zi)通(tong)過(guo)電(dian)解(jie)質(zhi)膜(mo)從(cong)陽(yang)極(ji)傳(chuan)送(song)至(zhi)陰(yin)極(ji)，電(dian)子(zi)經(jing)外(wai)部(bu)電(dian)路(lu)負(fu)載(zai)傳(chuan)送(song)。在(zai)陰(yin)極(ji)上(shang)，氧(yang)氣(qi)與(yu)質(zhi)子(zi)和(he)電(dian)子(zi)發(fa)生(sheng)反(fan)應(ying)
，產(chan)生(sheng)水(shui)和(he)熱(re)。原(yuan)理(li)圖(tu)如(ru)圖(tu)1所示，電極上的各化學反應如下：

2燃料電池控製器的硬件設計

硬(ying)件(jian)的(de)設(she)計(ji)首(shou)先(xian)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)的(de)要(yao)求(qiu)才(cai)能(neng)實(shi)現(xian)有(you)效(xiao)的(de)控(kong)製(zhi)。由(you)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)組(zu)成(cheng)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)


，采(cai)用(yong)單(dan)一(yi)的(de)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)實(shi)現(xian)所(suo)有(you)的(de)功(gong)能(neng)存(cun)在(zai)連(lian)線(xian)複(fu)雜(za)
、控kong製zhi單dan元yuan負fu載zai率lv過guo高gao等deng缺que點dian。因yin而er可ke以yi根gen據ju實shi現xian功gong能neng和he安an裝zhuang位wei置zhi的de不bu同tong進jin行xing功gong能neng模mo塊kuai劃hua分fen，實shi現xian分fen布bu式shi控kong製zhi。燃ran料liao電dian池chi控kong製zhi器qi主zhu要yao由you以yi下xia幾ji個ge部bu分fen組zu成cheng：燃料電池係統的主控製單元、燃料電池堆的電壓檢測單元、監控模塊單元和顯示模塊。燃料電池控製器結構框圖如圖2所示。

主控製單元作為控製係統的核心，其主要功能是：接收其他功能模塊的數據，對發電係統的工作狀態做出判斷
，根據當前發電係統的工作參數控製其工作在最佳狀態。

2.1主控芯片

本次燃料電池控製係統采取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20MHz

，片內具有8KB快速Flash程序存儲器
、368B數據存儲器、256BEEPROM數據存儲器。其內部包含2個模擬比較器，3個計時器，5輸入通道的10位模數轉換器。指令係統隻有35個指令，通過外擴DAC芯片可以輸出模擬電壓或電流，進而實現對鼓風機和水泵的轉速控製。

2.2A/D采集模塊

在燃料電池發電係統中
，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保護與抗幹擾

電路故障檢測由主控芯片和比較電路來完成。監測到故障後，由主控芯片發出信息給蜂鳴器報警，同時切斷DC-DC模塊開關，保護係統電路。電路中強電、弱電信號並存
，為提高係統的抗幹擾能力，在DC-DC模塊
、電磁閥與單片機之間進行光電隔離，以確保電路的穩定性。

3燃料電池控製器的軟件設計

3.1主程序

主程序的功能是完成係統初始化

、工作狀態判斷以及合理調用各個子程序來實現係統的有效控製[6]。主程序流程圖如圖3所示。

3.2模塊子程序

燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)控(kong)製(zhi)器(qi)程(cheng)序(xu)采(cai)用(yong)結(jie)構(gou)化(hua)模(mo)塊(kuai)程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)的(de)方(fang)法(fa)

，各(ge)模(mo)塊(kuai)分(fen)別(bie)編(bian)程(cheng)
，使(shi)整(zheng)個(ge)程(cheng)序(xu)清(qing)晰(xi)明(ming)了(le)，方(fang)便(bian)程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)與(yu)代(dai)碼(ma)的(de)編(bian)譯(yi)調(tiao)試(shi)。燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)控(kong)製(zhi)器(qi)模(mo)塊(kuai)的(de)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)按(an)照(zhao)功(gong)能(neng)主(zhu)要(yao)劃(hua)分(fen)為(wei)初(chu)始(shi)化(hua)、A/D采樣、控製方案、通信實施四部分。初始化是燃料電池控製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行采集並轉換成數字量，例如讀入燃料電池溫度
、氫氣入口壓力值、DC/DC出(chu)口(kou)電(dian)壓(ya)及(ji)電(dian)流(liu)值(zhi)
，供(gong)主(zhu)控(kong)芯(xin)片(pian)處(chu)理(li)，並(bing)將(jiang)這(zhe)些(xie)值(zhi)傳(chuan)給(gei)顯(xian)示(shi)子(zi)程(cheng)序(xu)及(ji)相(xiang)應(ying)子(zi)程(cheng)序(xu)，進(jin)行(xing)顯(xian)示(shi)和(he)報(bao)警(jing)等(deng)。所(suo)以(yi)在(zai)程(cheng)序(xu)的(de)編(bian)寫(xie)上(shang)就(jiu)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)
，不(bu)過(guo)按(an)要(yao)求(qiu)配(pei)置(zhi)好(hao)各(ge)個(ge)A/D模塊的控製器
，經過觸發就可以從相應的結果寄存器中讀出A/D的值。控製方案包括了三部分內容：電池工作狀態的確定、相對應的工作流程、安全信號的檢測。通信模塊可以實現對風機與水泵的控製。溫控程序流程圖如圖4所示。

4燃料電池控製器實驗結果

實驗裝置由質子交換膜燃料電池、鉛qian酸suan蓄xu電dian池chi和he數shu據ju采cai集ji係xi統tong組zu成cheng。燃ran料liao電dian池chi和he蓄xu電dian池chi為wei負fu載zai供gong電dian
，數shu據ju采cai集ji係xi統tong用yong來lai記ji錄lu必bi要yao的de信xin息xi。所suo有you物wu理li參can數shu，如ru質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi堆dui和he蓄xu電dian池chi的de電dian流liu與yu電dian壓ya、反應物的氣體流量

、流場的壓降、空氣和氫氣相對濕度和溫度通過數據采集係統被記錄。

隨負載的增加

，質子交換膜燃料電池堆溫度將上升。由於溫度控製器的調整，電池堆的溫度將保持在50℃~60℃

，如圖5和6所suo示shi。一yi般ban來lai說shuo，更geng高gao的de操cao作zuo溫wen度du是shi令ling人ren滿man意yi的de，因yin為wei其qi減jian少shao質zhi量liang運yun輸shu限xian製zhi和he增zeng加jia電dian化hua學xue反fan應ying率lv，但dan同tong時shi，由you於yu水shui蒸zheng氣qi的de增zeng加jia
，更geng高gao的de溫wen度du可ke能neng導dao致zhi增zeng加jia質zhi量liang運yun輸shu損sun失shi。因yin此ci，實shi驗yan中zhong電dian池chi堆dui的de溫wen度du被bei控kong製zhi在zai50℃~60℃，以保持水分平衡
，減少了內部阻力或歐姆損失的影響。

實驗結果表明，當外部的負載突然改變時，氫氣不能被快速提供給質子交換膜燃料電池堆。當UPS負載突然變化
，例如

，從60W到210W，質子交換膜燃料電池堆的輸出電壓迅速下降並使UPS關guan閉bi
，因yin此ci
，這zhe個ge結jie果guo會hui使shi氫qing氣qi和he空kong氣qi匱kui乏fa並bing可ke能neng毀hui掉diao質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi堆dui。為wei了le能neng夠gou為wei外wai部bu負fu載zai供gong應ying足zu夠gou的de功gong率lv並bing且qie保bao護hu質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi堆dui
，混hun合heUPS係統采用鉛酸蓄電池，以防止質子交換膜燃料電池的過度使用和為外部負載提供穩定的電源。如圖7所示，在正常情況下質子交換膜燃料電池堆可長時間供應UPS電源
，當UPS負載急劇變化或氫氣被淨化，燃料電池控製器可以在質子交換膜燃料電池和蓄電池之間切換。

結論

本ben文wen所suo設she計ji的de控kong製zhi器qi監jian控kong方fang案an與yu傳chuan統tong的de質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi係xi統tong相xiang比bi可ke以yi更geng好hao地di工gong作zuo。智zhi能neng綜zong合he控kong製zhi的de主zhu要yao優you勢shi是shi它ta可ke以yi解jie決jue燃ran料liao與yu空kong氣qi的de匱kui乏fa、膜嚴重侵水或幹燥等問題對於一個質子交換膜燃料電池性能影響。它完成了對不同負載功率的適應性控製，提高了穩定性、功率效率和可靠性。