基于dsPIC30F4011的氫燃料電池備用電源綜合控制系統的設計

林健一，葉永武

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 310018）

0 引言

目前，社會對能源的需求越來越大，對能源的要求也越來越高，如何獲取新型的、高效的、綠色無污染的能源將是未來世界發展的主旋律。氫——綠色無污染的能源技術，正被能源界認為是未來能源技術發展的主要方案之一。以氫氣為燃料的燃料電池，燃料制取渠道豐富，輸出產物除了電能、熱能等就為水，對環境無污染，是理想的新型能源。

備用應急電源采用IGBT技術和脈寬調制PWM技術，結合微控制芯片技術控制各高電子集成模塊化結構，常作為重要負載的第二或第三電源在市電斷電時提供應急電源供應，廣泛運用于各個領域，如消防、樓宇電梯、辦公室自動化設備等領域。目前備用應急電源普遍采用蓄電池技術，但蓄電池比能量較低，持續供電時間較短，維護成本較高。新型綠色無污染能源技術——氫燃料電池，與傳統的蓄電池、內燃機等相比，效率高、無污染、壽命長以及維護簡單等優點，優勢明顯，前景巨大。

基于上述背景，本文設計了一種以dsPIC30F4011微控制芯片為核心的氫燃料電池備用應急電源控制系統。該系統以氫燃料電池為主要備用電源，鋰電池為輔助應急電源，實現市電掉電時為負載提供穩定的應急電源供應。

1 原理及架構

一個完整的氫燃料電池包含燃料處理系統、氧化劑處理系統、通風系統、熱管理系統以及功率調節系統、自動控制系統等，涉及到傳感器技術、氫燃料電池技術、嵌入式計算機技術、檢測技術以及自動控制技術等領域，技術綜合性極強。將氫燃料電池作為獨立于市電的備用電源，需要解決如下問題：①市電掉電監測與系統電源切換以及電源切換時間間隔對系統影響的消除；②燃料電池系統的啟動電源設置；③燃料電池本身各項參數的監控；④燃料電池輸出電壓逆變控制策略；⑤燃料電池自身安全性監控。

圖1為氫燃料電池備用應急電源電路原理框架圖，本燃料電池備用應急電源系統由燃料電池系統、輔助電源鋰電池組、全橋逆變器以及繼電器等執行器的驅動控制部分組成。系統工作流程如下：①當市電正常時，繼電器J1閉合，負載由市電供電；②當市電斷電時，繼電器J1斷開，J2閉合，此時鋰電池輸出直流電壓，經逆變器逆變獲得220V，50Hz的交流電源；同時鋰電池作為氫燃料電池的系統啟動電源，啟動燃料電池；當檢測到燃料電池輸出端電壓正常時，繼電器J3閉合，此時蓄電池與氫燃料電池同時為負載提供應急電源供應；當燃料電池輸出端的輸出電壓與功率穩定且與市電匹配時，繼電器J2斷開，此時負載由氫燃料電池獨立提供應急電源供應；③當市電恢復時，繼電器J1閉合，J2、J3、J4斷開，系統恢復由市電提供電源供應，此時燃料電池停止工作等待下次系統啟動，輔助電源鋰電池則由市電進行充電。

在該系統中，如果遇到以下極端情況時的處理策略：①高壓儲氫罐中的氫氣耗盡或者不足以提供系統設定的參數值時，警示燈LED閃爍，液晶警示屏顯示警示內容，此時系統將切換到由燃料電池與蓄電池一同為負載提供電源供應；②蓄電池耗盡或不足以供應燃料電池的啟動電源要求時，切換到由應急交流輸出經整流后作為燃料電池的系統電源。

2 系統芯片選型以及關鍵硬件電路設計

本系統設計指標為：氫燃料電池端電壓輸出為48～56V的直流電壓，經逆變器的得到220V，50Hz，3kW交流輸出。在本系統中主要關鍵電路的設計內容有芯片/器件選型、控制芯片裝置的供電電路設計、燃料電池端電壓的逆變控制電路、電池堆電氣參數監控（以氫氣為例）以及RS232通信設計等五個部分。

2.1 芯片/器件選型

（1）蓄電池選取規則。在本系統中，作為輔助應急電源的蓄電池，它主要功能為：提供控制芯片裝置供電，以及在系統掉電初期或氫燃料電池燃料不足時對負載提供短暫的電源供應，是一個過渡的輔助應急電源，故在本系統中，鋰電池的容量要求可以較小，體積也應較小，供電時間允許較短，綜合成本因素，選擇參數為48V/20AH鋰電池。

（2）微控制芯片選擇。本系統采用dsPIC30F4011微控制芯片，它是一種16位非流水線方式的哈佛RISC的芯片，將MCU的特征同DSP的能力結合在一起，在異步事件處理能力、精密仿真、以及外圍部件等方面都表現出DSP強大的性能。通過編程可產生獨立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，該結構大大簡化了產生PWM波形的控制軟件和外部硬件。

2.2 電池堆電氣參數與電磁閥等監控 （以氫氣為例）

以氫氣監控電路為例，電信號經氫氣傳感器NAP－100AH檢測獲取后，以單電源方法，經放大、熱敏電阻TH1溫度補償采集后傳輸至dsPIC30F4011芯片的ADC轉換器端口。氫氣采集電路如圖2所示。

2.3 控制芯片裝置的供電電路設計

控制芯片的供電電路有兩種方案：鋰電池組供電和220V，50Hz交流輸出經RCC電路調理獲取，鋰電池組供電優先級高于RCC電源電路。正常情況下由鋰電池組經為DC－DC降壓變換為控制芯片提供電源供應；當由輸出交流為微控制芯片供電時，采用RCC反激式自激開關電源供電，其RCC反激式開關電路如圖3所示，該電路經RCC處理后，由M34063芯片組成的降壓電路得到高精度的5V電壓。

2.4 燃料電池端電壓的逆變控制電路

由于本系統有應急電源氫燃料電池和輔助電源鋰電池組兩個形式直流電源，其輸出范圍在48～56V之間，可通過全橋逆變器逆變獲取220V，50Hz的交流電源，在該部分電路中，需采樣備用電源端電壓電流值與逆變后的反饋電壓電流值，經控制器處理，由輸出PWM波控制全橋中的IGBT器件開通/關斷，最終得到穩定的220V，50Hz的交流輸出。

2.5 RS232通信

重要負載設備如電梯設備，在其市電掉電而由燃料電池供電時，電梯設備的實時運行狀態尤為重要。設計一條通信電路，將掉電情況下負載設備的運行狀況如電機轉動速度、啟動信號等參數傳送到微控制芯片，以便備用應急電源系統做出高效率的調整，使系統更具智能化。系統硬件整體框架如圖4所示。

圖4 系統硬件框架圖

3 軟件流程

系統工作于三種供電模式：①市電正常供電；②輔助電源與燃料電池共同供電；③燃料電池獨立供電。不同供電模式下，系統任務各不相同：市電正常供電時，只要保證鋰電池組電池是否充電完畢和燃料電池儲氫罐的安全性；輔助電源跟燃料電池共同供電的情況是市電掉電初期在燃料電池供電不足時與燃料電池儲氫罐燃料不足兩種情況，故此時需要監測燃料電池內的各個參數值以及端電壓逆變器中的輸入電氣參數；燃料電池獨立供電工作于燃料電池燃料充足且市電未恢復下，系統能輸出穩定的市電電源。三種供電模式工作策略如下：微控制器復位上電，系統自檢，當市電正常時，工作于供電模式一，負載由市電供電；當市電掉電時，繼電器J1斷開，J2閉合，輔助電源鋰電池給負載供電，同時啟動燃料電池，閉合繼電器J3，燃料電池堆反應也為負載供電，此時工作于供電模式二；當燃料電池可以提供穩定可靠的所需交流電源是，斷開繼電器J2，負載由燃料電池供電，工作于供電模式三。市電恢復，繼電器J2、J3斷開，J1閉合，系統恢復到工作模式一。若燃料電池供電不足時，蓄電池也參與供電。三種供電模式工作原理如圖5所示。

除了電源工作模式策略方案軟件的實現外，還需保證氫氣供應系統的安全性。其安全性監控軟件流程如圖6所示。

圖5 系統工作流程圖

4 結束語

本文設計了基于dsPIC30F4011微控制器的氫燃料電池備用應急電源系統，該系統解決了傳統備用應急電源轉換效率低、電源切換時間較長、供電時間較短，以及其反應后殘留物對整個電梯系統本身腐蝕等問題，系統本身對氫氣罐的安全性進行了實時監測，保證了該備用應急電源運用于樓宇電梯等領域中的安全性，具有廣泛的應用前景。在后期開發中，可以采用Ethernet等技術對該備用應急電源的有效性進行遠程聯網監控，進一步實現了系統的智能化、網絡化。

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