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基于DSP的質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:945次  |  2020年04月17日  

為了提高PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)發(fā)電系統(tǒng)的輸出性能,本文以飛思卡爾的DSP芯片MC56F8013為核心,設(shè)計(jì)了一種測(cè)控系統(tǒng),對(duì)整個(gè)PEMFC的發(fā)電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。首先介紹了通用測(cè)控系統(tǒng)的基本組成,然后詳細(xì)介紹了整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),最后進(jìn)行了系統(tǒng)的發(fā)電性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)能保證電池的穩(wěn)定輸出,性能基本達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。


質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有低噪音、零污染、無(wú)腐蝕、長(zhǎng)壽命及空間相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn),但由于PEMFC發(fā)電系統(tǒng)性能輸出的影響因素有很多,包括燃料的溫度、濕度、濃度、壓力、電氣負(fù)載,以及周圍環(huán)境的條件等,導(dǎo)致許多電池系統(tǒng)輸出的總諧波失真較高、效率較低、可靠性不好。


為了提高電池系統(tǒng)的通用性,針對(duì)風(fēng)冷型的PEMFC,設(shè)計(jì)了一種基于DSP的測(cè)控系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。本文針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的基本組成與功能特點(diǎn),主要對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與討論。


PEMFC測(cè)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介


PEMFC系統(tǒng)除了核心部分質(zhì)子交換膜燃料電池堆外,還需要一些輔助系統(tǒng)才能正常工作??偟膩?lái)說(shuō),一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)大致上由發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。通用的PEMFC測(cè)控系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成:傳感器、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元、通信單元、報(bào)警及顯示單元等。本實(shí)驗(yàn)室使用的是百瓦級(jí)風(fēng)冷型發(fā)電系統(tǒng),整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。


圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖


由以上示意圖可知本發(fā)電系統(tǒng)的核心部分就是系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)的燃料氫氣的供應(yīng)是由連接在氫氣瓶上的二級(jí)減壓閥控制,這樣整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)就主要完成尾氣的排放、電堆的溫度控制、報(bào)警、顯示及通信等幾個(gè)功能。其中對(duì)溫度的控制,是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,因?yàn)闇囟鹊目刂剖潜WC整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)正常工作必不可少的部分。


測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)


由測(cè)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)分析,針對(duì)我們這個(gè)具體的燃料電池,本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為以下幾部分:主控芯片、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、報(bào)警顯示模塊、執(zhí)行模塊等。具體的硬件結(jié)構(gòu)組成框圖如下圖2所示。


圖2系統(tǒng)硬件組成框圖


1主控芯片


主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,它是系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)的載體。鑒于DSP的高速運(yùn)算特性及特定的控制對(duì)象電機(jī),本系統(tǒng)選用的是飛思卡爾(FreeScale)的DSP芯片MC56F8013,該芯片是FreeScale推出的針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力電子應(yīng)用的DSP,它采用的是哈佛結(jié)構(gòu),不需要外接晶振,工作性能為固定的32MHZMIPS,片內(nèi)六路高速PWM輸出通道,六路12位高速模擬轉(zhuǎn)換器等豐富資源,因此很適合本系統(tǒng)的需要。


2電源模塊


電源模塊是對(duì)電池的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,提供整個(gè)DSP控制系統(tǒng)正常工作所需要的穩(wěn)定電源。由于電池的輸出電壓為9-18V的范圍,而系統(tǒng)的供電電壓有四個(gè)電壓等級(jí),分別是12V、6V、5V、3.3V,所以要將輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓等級(jí)。


其中12V電壓用LM2576-12芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換,為降溫風(fēng)扇供電;6V電壓用LM7806芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換,為排氣電磁閥供電,5V電壓用LM2576-5芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換,主要給各種芯片供電,3.3V電壓用AMS1117芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換,主要為處理器供電。


3數(shù)據(jù)采集模塊


數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度測(cè)量和信號(hào)調(diào)理兩部分。其中溫度測(cè)量部分主要是對(duì)室溫及電堆溫度進(jìn)行測(cè)量,其中對(duì)室溫的測(cè)量是采用單總路線數(shù)字溫度計(jì)DS18B20,對(duì)電堆溫度的測(cè)量是用MAX6675配合K型熱電偶。


信號(hào)調(diào)理部分主要對(duì)負(fù)載及風(fēng)扇的電壓電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以便主控芯片內(nèi)的A/D模塊能直接測(cè)量。其中對(duì)負(fù)載電壓的調(diào)理電路如下圖3所示,采用二階低通濾波器進(jìn)行濾波及調(diào)理,截止頻率為10.44Hz。


圖3電壓調(diào)理電路


4執(zhí)行模塊


執(zhí)行器件部分包括電機(jī)和電磁閥兩部分。其中電機(jī)部分是對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,用專用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803進(jìn)行驅(qū)動(dòng),用DSP自帶的PWM模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制,保證電池工作在最佳工作溫度。電磁閥部分是通過(guò)繼電器由定時(shí)器進(jìn)行排氣的定時(shí)排放控制。


測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)


系統(tǒng)的整個(gè)軟件的編寫采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)的方法,對(duì)于各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì),使整個(gè)程序清晰明了,并且方便對(duì)整個(gè)程序的設(shè)計(jì)及代碼的編譯調(diào)試。


1系統(tǒng)主程序


系統(tǒng)軟件的主程序主要完成三個(gè)功能:(1)通過(guò)K型熱電偶檢測(cè)電堆溫度,采用積分分離PI算法和PWM調(diào)制方式控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速變化,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的空氣供應(yīng)、吹掃水蒸汽、電堆溫度控制;(2)定時(shí)開(kāi)關(guān)電磁閥,排除多余廢氣實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)氣體的回路控制;(3)與上位機(jī)進(jìn)行通信,以便及時(shí)反映系統(tǒng)的工作狀態(tài),并做出相應(yīng)控制。整個(gè)主程序的流程圖如下圖4所示。


圖4主程序流程圖


2溫度控制子程序


本系統(tǒng)的子程序有很多,包括電磁閥控制子程序、PI控制程序、讀溫度程序、串口程序等。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō),最重要的子程序是電堆最佳工作溫度的控制,因?yàn)闇囟汝P(guān)系到整個(gè)電池系統(tǒng)發(fā)電性能的好壞,而對(duì)溫度的控制又是通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制間接實(shí)現(xiàn)的。由于溫控系統(tǒng)是一個(gè)帶滯后的慣性系統(tǒng),所示本部分采用的是積分分離的PI控制算法,其控制框圖如下圖5所示。


圖5溫度控制框圖


圖5中虛線框內(nèi)的部分是由DSP完成的控制算法。在該控制系統(tǒng)中,首先由DSP根據(jù)設(shè)定的期望溫度信號(hào)計(jì)算出一個(gè)期望的轉(zhuǎn)速控制信號(hào),再根據(jù)測(cè)溫電路的反饋輸入信號(hào)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速控制反饋信號(hào),計(jì)算出所需PWM的占空比,然后經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ULN2803輸出驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。積分分離PI控制器每100ms調(diào)節(jié)一次,能夠快速而精確的對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制,從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。積分分離PI算法的部分程序具體如下,其中PID參數(shù)采用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行定義。


voidpi_reg_calc(PIREG*v)


{


v-gterror_reg=v-gtpi_reference_reg-v-gtpi_feedback_reg


//err=ref-fbd


v-gtloop_index++


if(v-gtloop_indexgt=v-gti_period)


{


if(v-gterror_regltv-gterror_limit)


//當(dāng)誤差小于某值時(shí)才加入積分


{


v-gtui_reg=v-gtui_reg+v-gtKi_reg*v-gterror_reg//積分累加


if(v-gtui_regltv-gtui_out_min)


v-gtui_reg=v-gtui_out_min


//積分輸出下限幅


elseif(v-gtui_reggtv-gtui_out_max)


v-gtui_reg=v-gtui_out_max


//積分輸出上限幅


}


v-gtloop_index=0


}


v-gtup_reg=v-gtKp_reg*v-gterror_reg//Kp*err


v-gtpi_out_reg=v-gtui_reg+v-gtup_reg//PI_OUT


if(v-gtpi_out_reggtv-gtpi_out_max)


v-gtpi_out_reg=v-gtpi_out_max


//PI輸出上限幅


elseif(v-gtpi_out_regltv-gtpi_out_min)


v-gtpi_out_reg=v-gtpi_out_min


//PI輸出下限幅


}


實(shí)驗(yàn)測(cè)試


本系統(tǒng)采用ITECH公司生產(chǎn)的電子負(fù)載IT8512C來(lái)進(jìn)行各種性能調(diào)試,它提供了多元化的應(yīng)用范圍,包括電阻負(fù)載、電容負(fù)載、電感負(fù)載、功率負(fù)載四種負(fù)載模式,因此很適合本發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能測(cè)試。


本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為:環(huán)境溫度為25℃,氫氣壓力為0.045MPA,流量為1.5L/MIN,負(fù)載電流固定為4A。對(duì)于上述的實(shí)驗(yàn)條件,我們根據(jù)曲線擬合及實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù),并結(jié)合文獻(xiàn)資料得出結(jié)論:系統(tǒng)的最佳工作溫度為44℃,此時(shí)系統(tǒng)的輸出功率較高,輸出電壓較穩(wěn)定。


上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用NI的虛擬儀器專用開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),LabVIEW是基于流程圖的圖形化編程方式,被稱為G語(yǔ)言,與傳統(tǒng)語(yǔ)言相比,它編程簡(jiǎn)單易于理解。當(dāng)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)工作大約10S后我們接上4A電流的負(fù)載,測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)監(jiān)控曲線如下圖6所示。


圖6實(shí)驗(yàn)監(jiān)控曲線


由監(jiān)控曲線可知,當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后,電堆的輸出電壓大約為14.3V,此時(shí)能對(duì)外提供57.2W的功率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知,本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理,軟件算法的實(shí)現(xiàn)也滿足了系統(tǒng)正常工作的需要,達(dá)到了系統(tǒng)要求的參數(shù)性能指標(biāo)。


結(jié)語(yǔ)


本文針對(duì)PEMFC系統(tǒng)的輸出性能而設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電管理,對(duì)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)控,以及對(duì)外提供穩(wěn)定的直流電。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。只要接上穩(wěn)定的氫氣源,系統(tǒng)就能對(duì)外提供穩(wěn)定的直流電,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的負(fù)載。(作者為盧君、戚志東)


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