燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)二次開發(fā)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量高、噪音小、無污染、零排放和能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，適合做電動(dòng)汽車的動(dòng)力能源。各國政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都致力于研究質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車，而燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為其核心目前處于突破前期，正在成為新的研發(fā)熱點(diǎn)。然而，許多研究都僅僅著重于改善燃料電池堆的性能，對控制系統(tǒng)的研究則相對較少。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是根據(jù)特定的發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，其固定的控制策略、線路接口以及運(yùn)行參數(shù)在很大程度上限制了控制功能的擴(kuò)展，無法滿足用戶對控制系統(tǒng)的使用與開發(fā)需求，而系統(tǒng)軟件在維護(hù)中也因不斷被修改而退化。鑒于此，本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，在滿足所有控制目標(biāo)的同時(shí)還具備二次開發(fā)升級、多種控制策略可選等功能，大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，并取得了良好的控制效果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)二次開發(fā)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按其功能可分以下幾部分：上位機(jī)配置終端、可軟配置控制器、燃料電池電堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻水管理系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)以及通訊監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)以上位機(jī)作為軟配置終端，以控制器為控制和協(xié)調(diào)中心，以燃料電池電堆為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心，進(jìn)入電堆的氫氣和氧氣在一定的條件下反應(yīng)，產(chǎn)生電能和水。上位機(jī)配置終端可以選擇不同的控制策略，也能對控制器進(jìn)行二次開發(fā)升級；氫氣供給系統(tǒng)負(fù)責(zé)給電堆提供一定壓力和流量的純凈氫氣；空氣供給系統(tǒng)向電堆提供足夠的空氣用于反應(yīng)；增濕系統(tǒng)負(fù)責(zé)向電堆提供適當(dāng)?shù)臐穸纫员阌谔岣叻磻?yīng)效率；冷卻水管理系統(tǒng)主要將電堆發(fā)出的多余熱量通過循環(huán)去離子水帶出電堆并通過冷卻器散熱，使電堆處于高效的反應(yīng)條件下工作；安全報(bào)警系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測電堆工作過程中的各種狀態(tài)和參數(shù)，在故障出現(xiàn)時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息；通訊監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的各種物理數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，并可將所需數(shù)據(jù)記錄下來以便研究分析。

二次開發(fā)升級機(jī)制

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)二次開發(fā)控制系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是可以在線升級。已有統(tǒng)計(jì)資料表明控制系統(tǒng)的完善性和適應(yīng)性維護(hù)工作量占其生存期工作量的70%左右。被動(dòng)地去維護(hù)和修改在生命期中發(fā)生需求變化的控制系統(tǒng)進(jìn)而重新燒寫甚至設(shè)計(jì)控制器，其花費(fèi)較為昂貴。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以重新配置、控制參數(shù)可以不斷調(diào)節(jié)以滿足硬件環(huán)境的控制系統(tǒng)，按其升級的功能可分為控制器端口升級和參數(shù)升級。

控制器

　　控制器在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮到可能發(fā)生變化的各種因素，主程序只保留主要框架，所有可變信息都單獨(dú)存貯在專門的模塊中。上位機(jī)配置終端負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)運(yùn)行策略以及將各種升級信息配置到控制器中，一旦系統(tǒng)需要升級，用戶可以在不了解控制程序的情況下進(jìn)行簡單操作，大大縮短了控制器的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的適用性與可操作性。

　　如圖2所示，控制器主要由一個(gè)微處理器（DSP）、看門狗模塊、電源監(jiān)控模塊、軟配置模塊、信號調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、I/O模塊、SCI和CAN通訊模塊等部分組成。上位機(jī)配置終端采用VB軟件設(shè)計(jì)，集成了升級配置系統(tǒng)與數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，既可進(jìn)行軟配置升級也可實(shí)時(shí)顯示和記錄數(shù)據(jù)，與DSP間采用485通訊。軟配置模塊采用EEPROM來接收和貯存來自上位機(jī)的升級信息，通過SPI與DSP進(jìn)行通訊。控制器通過接口連接了外部的各種模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號包括電壓、電流、壓力、流量、溫度、濕度等，數(shù)字信號包括了各種電磁閥和繼電器等。該控制器實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的模塊化和微型化設(shè)計(jì)，具有高靈活性、高可靠性、高抗干擾性、高速信號處理能力以及二次開發(fā)升級的先進(jìn)性。

控制器端口升級

　　控制器在硬件上設(shè)置了很多控制端口，例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接了多種A/D采樣端口，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的D/A端口同時(shí)對幾個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，I/O模塊通過I/O端口控制繼電器的開合以及接收氫氣報(bào)警信息，這些連接到控制器的硬件端口都是可以進(jìn)行軟配置升級的。當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的各子系統(tǒng)或電堆進(jìn)行測試整改時(shí)，某些線路與控制器端口的連接不免要發(fā)生變化，這時(shí)，通過上位機(jī)配置終端就可以方便地調(diào)整控制器的內(nèi)部接口設(shè)置，使控制器快速地適應(yīng)新的硬件要求。

　　如圖3所示，A/D采樣是信號的主要輸入通道，采集的信號如氫氣進(jìn)出堆壓力、電堆的電壓電流、風(fēng)機(jī)電流、進(jìn)出堆溫度、冷卻水和增濕水的水位流量等；I/O端口主要指DSP的數(shù)字量輸入及輸出，輸出量通過控制繼電器進(jìn)而控制各種電磁閥、水泵、電機(jī)的開關(guān)，如充電負(fù)載開關(guān)、氫氣氮?dú)馕矚忾y、增濕水泵以及氫氣循環(huán)泵等；I/O輸入量則包括多個(gè)氫氣報(bào)警器的開關(guān)信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊則將DSP輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量控制風(fēng)機(jī)，每一個(gè)D/A控制一個(gè)風(fēng)機(jī)，輸出量的大小決定了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。當(dāng)硬件端口由于電堆移位、電路重組等發(fā)生變化時(shí)，通過上位機(jī)終端對端口的重新配置可以使控制系統(tǒng)在免編程的情況下與新的硬件要求保持同步更新。