張 聰，吳 驍

基于DSP的PEMFC模塊控制器的設(shè)計(jì)

張 聰，吳 驍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文研制的10 kW級(jí)的PEMFC模塊控制器，以微處理器DSP2812為核心，配合昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062Kx，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PEMFC模塊的氫氣、氧氣、氮?dú)?、冷卻水以及對(duì)外供電的控制和參數(shù)檢測(cè)，并且通過(guò)串行通信，實(shí)時(shí)地顯示PEMFC的工作狀態(tài)，建立了友好的人機(jī)操作界面。本文主要闡述了控制器硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及在CCS3.3環(huán)境下的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

DSP PEMFC 控制器

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)保趨嚴(yán)，新能源需求上升。能量轉(zhuǎn)換效率高、零污染排放的燃料電池越來(lái)越受到人們的青睞[1]。

對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)模塊，其控制器是關(guān)鍵技術(shù)之一。涉及到壓力、溫度、流量、電流、電壓等眾多物理量的測(cè)量和電磁閥、循環(huán)水泵、強(qiáng)電開(kāi)關(guān)等執(zhí)行器件的控制。

在電堆運(yùn)行時(shí)，控制器要能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)提供合適的反應(yīng)溫度和相應(yīng)的反應(yīng)氣，以保證PEMFC模塊的可靠性和高效性。

1 系統(tǒng)控制原理和組成

針對(duì)高安全性、高可靠性的總體技術(shù)要求，進(jìn)行了10 kW級(jí)氫氧燃料電池模塊自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組成框如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

所有傳感器輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)給控制器，控制器經(jīng)采集計(jì)算，并結(jié)合單電壓巡檢板通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的極值單電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)工藝流程發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大驅(qū)動(dòng)各型執(zhí)行部件動(dòng)作?？刂破鬟€接收外部的緊急按鈕輸入信號(hào)，作為系統(tǒng)緊急停機(jī)使用。控制器與觸摸屏通過(guò)串口通信，實(shí)時(shí)地顯示PEMFC的工作狀態(tài)。

2 控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器總體功能設(shè)計(jì)

燃料電池系統(tǒng)對(duì)安全性能要求比較高，這就要求主控芯片具有高速信號(hào)處理能力和實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池的有效控制，采用TI公司的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812作為燃料電池監(jiān)控單元的主控芯片。

TMS320F2812的主要性能有：晶振為30 MHz，工作時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz；含12位16通道的A／D轉(zhuǎn)換模塊，具有兩個(gè)串行通信接口(SCI)，還有改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)(ECAN)，多達(dá)56個(gè)獨(dú)立可編程多用途通用輸入／輸出(GPIO)引腳[2]。

硬件的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足監(jiān)控單元的要求才能實(shí)現(xiàn)有效的控制策略。對(duì)于監(jiān)控單元而言，所有的傳感器信號(hào)都要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的形式輸入，同時(shí)所有的被控制對(duì)象也是通過(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能的。根據(jù)電信號(hào)的形式把所有需要采集的信號(hào)分為：輸入模擬量（各種傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)）、輸入輸出開(kāi)關(guān)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(tǒng)、外擴(kuò)RAM電路、AD采樣保護(hù)電路、電磁閥控制電路、緊急開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)電路、SCI通信電路、CAN通信電路組成。

其中DSP最小系統(tǒng)、外擴(kuò)RAM電路、SCI通信電路和CAN通信電路都有很成熟的電路設(shè)計(jì)，可以借鑒開(kāi)發(fā)板的典型設(shè)計(jì)直接應(yīng)用。下面具體闡述其他功能模塊的設(shè)計(jì)。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

控制器外部供電電源為+24 V，1路經(jīng)過(guò)隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換為+AVDD5V為控制板上的各元器件供電，另一路經(jīng)過(guò)隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換為+AVDD24V，專(zhuān)門(mén)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(wěn)定。

2.3 AD采樣保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在監(jiān)控單元中，被檢測(cè)的對(duì)象如溫度、壓力、電壓、電流等都是連續(xù)變化的量，通過(guò)相應(yīng)傳感器將它們轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電流（4～20 mA），再選取一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻將其轉(zhuǎn)化成0～3 V的電壓信號(hào)。考慮到工程實(shí)踐，需留有一定的裕量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳感器的輸入信號(hào)限定在0.48～2.4 V，這樣取樣電阻設(shè)置為120 Ω。進(jìn)入AD采樣通道之前再設(shè)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(guò)高而燒毀DSP。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)圖

圖4 AD采樣保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖

2.4 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)

DSP的數(shù)字量輸出主要用于控制繼電器，繼電器再控制各種閥的開(kāi)啟和閉合。DSP的IO輸出通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片將3.3 V轉(zhuǎn)換為5 V，通過(guò)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(kāi)啟。MOS FET繼電器實(shí)現(xiàn)了堪比機(jī)械式繼電器的低導(dǎo)通電阻，耐壓60 V，實(shí)現(xiàn)大電流2.3 A開(kāi)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(duì)DSP的影響。

圖5 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)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(dá)4.6 A。

2.5 緊急開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)電路設(shè)計(jì)

數(shù)字量的輸入為緊急開(kāi)關(guān)的輸入，其連接方法是通過(guò)一個(gè)光耦，然后輸入到DSP的I/O口。進(jìn)行光耦隔離主要是為了防止外界干擾，避免造成DSP檢測(cè)到錯(cuò)誤信號(hào)。

圖6 緊急開(kāi)關(guān)輸入電路設(shè)計(jì)圖

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

此部分在硬件電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)各個(gè)功能模塊的控制方案，采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法分別進(jìn)行相應(yīng)程序的編寫(xiě)，方便對(duì)整個(gè)程序代碼的編寫(xiě)及代碼的編譯調(diào)試。工作流程如圖7所示。

圖7 燃料電池工作流程圖

自檢：設(shè)備上電，DSP初始化，關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開(kāi)尾氣排放閥和儲(chǔ)水箱排水閥，傳感器采集數(shù)據(jù)，主控制器自動(dòng)判斷采集參數(shù)是否在正常值范圍。如果全是則認(rèn)定為自檢成功，否則將報(bào)警提示。操作員進(jìn)行檢查排除報(bào)警，如仍不在正常值范圍，則退出上位機(jī)程序，斷電檢修。

預(yù)啟動(dòng)：關(guān)閉儲(chǔ)水箱排水閥，間歇式開(kāi)閉供氣閥和尾排閥，讓壓力保持在一定范圍。一次預(yù)啟動(dòng)過(guò)程為30 s，預(yù)啟動(dòng)結(jié)束后關(guān)閉供氣閥和尾排閥。通過(guò)上位機(jī)觀察開(kāi)路電壓是否正常，正?？捎刹僮髡咿D(zhuǎn)入下一過(guò)程，不正常則重復(fù)進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)，預(yù)啟動(dòng)次數(shù)一般為3～5次，仍未達(dá)到要求，操作員執(zhí)行停機(jī)程序，檢查原因。

啟動(dòng)：間歇式開(kāi)閉供氣閥增壓，待壓力增大到一定程度后常開(kāi)供氣閥。打開(kāi)循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)水流量。待壓力、水流量、循環(huán)水進(jìn)口溫度以及開(kāi)路電壓均在規(guī)定值范圍后打開(kāi)負(fù)載開(kāi)關(guān)。啟動(dòng)

電子負(fù)載，進(jìn)行加載操作，保持穩(wěn)定后，則進(jìn)入運(yùn)行階段。

運(yùn)行：電堆運(yùn)行期間，進(jìn)行加載和減載操作，間歇式開(kāi)閉尾氣閥，根據(jù)儲(chǔ)水箱液位開(kāi)閉儲(chǔ)水箱排水閥。

停機(jī)：關(guān)閉負(fù)載開(kāi)關(guān)，關(guān)閉供氣閥，間歇式開(kāi)閉尾排閥到規(guī)定值后常開(kāi)尾排閥。關(guān)閉循環(huán)水泵，開(kāi)啟儲(chǔ)水箱排水閥。啟動(dòng)自動(dòng)吹掃程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該款控制器能夠?qū)崿F(xiàn)10 kW級(jí)氫氧燃料電池模塊的有效控制，亦可應(yīng)用于氫氧燃料電池發(fā)電裝置、車(chē)用氫空燃料電池發(fā)電裝置和船用氫空燃料電池發(fā)電裝置。在發(fā)電裝置運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，提高發(fā)電裝置的能量利用效率，確保發(fā)電裝置工作的安全性和可靠性。

[1] 王文博. 燃料電池的發(fā)展方向[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010(1): 118.

[2] 顧衛(wèi)鋼. 手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X281X[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[3] 黃曉勤, 嚴(yán)松. DSP在車(chē)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中的應(yīng)用[J]. 電氣時(shí)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(jí)工程師。研究方向：燃料電池測(cè)控技術(shù)的研究。E-mail: seesea_1007@163.com