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，配合昆侖通態觸摸屏TPC7062Kx，實現了對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檢測，并且通過串行通信，實時地顯示PEMFC的工作狀態，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，以及在CCS3.3環境下的軟件設計和實現。

DSP PEMFC 控制器

0 引言

隨著能源緊缺和環保趨嚴，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、循環水泵、強電開關等執行器件的控制。

在電堆運行時，控制器要能夠根據實際運行狀態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設計。系統組成框如圖1所示：

圖1 系統組成結構圖

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送過來的極值單電壓數據，根據工藝流程發出控制信號，經過驅動電路放大驅動各型執行部件動作。控制器還接收外部的緊急按鈕輸入信號，作為系統緊急停機使用。控制器與觸摸屏通過串口通信，實時地顯示PEMFC的工作狀態。

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控單元的要求才能實現有效的控制策略。對于監控單元而言，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控制功能的。根據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、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、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定。

2.3 AD采樣保護電路設計

在監控單元中，被檢測的對象如溫度、壓力、電壓、電流等都是連續變化的量，通過相應傳感器將它們轉換為連續變化的電流（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。考慮到工程實踐，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繼電器實現了堪比機械式繼電器的低導通電阻，耐壓60 V，實現大電流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，傳感器采集數據，主控制器自動判斷采集參數是否在正常值范圍。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，預啟動次數一般為3～5次，仍未達到要求，操作員執行停機程序，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。打開循環水泵，調節水流量。待壓力、水流量、循環水進口溫度以及開路電壓均在規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定值后常開尾排閥。關閉循環水泵，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電裝置、車用氫空燃料電池發電裝置和船用氫空燃料電池發電裝置。在發電裝置運行的各個環節進行管理、協調和監控，提高發電裝置的能量利用效率，確保發電裝置工作的安全性和可靠性。

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

[2] 顧衛鋼. 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