朱家裕 申大山 張文強(qiáng)

摘要：作者設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于Arduino單片機(jī)的簡單、高效燃料電池充電控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提供9種充電功率選擇，具有智能化、零排放和高效率的特點(diǎn)。基于Arduino燃料電池充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，有利于教師和學(xué)生深入了解新能源氫燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)原理，將現(xiàn)代信息技術(shù)的教學(xué)與新能源產(chǎn)業(yè)科技前沿實(shí)踐緊密結(jié)合，提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)教育；燃料電池；Arduino；新能源汽車

中圖分類號(hào)：TP273，TP368.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2023）15-0068-05

引言

信息技術(shù)的發(fā)展正在推動(dòng)時(shí)代變革，也對(duì)我國的信息技術(shù)教育提出了越來越高的要求。教育部提出，要推動(dòng)教師主動(dòng)適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學(xué)，并構(gòu)建以校為本、基于課堂、應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、注重創(chuàng)新的教師信息素養(yǎng)發(fā)展新機(jī)制，全面促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)融合創(chuàng)新發(fā)展。[1]因此，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)學(xué)習(xí)和教學(xué)工作與社會(huì)實(shí)踐需求的結(jié)合，鼓勵(lì)教師和學(xué)生瞄準(zhǔn)科技發(fā)展前沿，用講授和學(xué)到的信息技術(shù)解決我國科技創(chuàng)新前沿領(lǐng)域問題，是理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動(dòng)手能力的重要途徑。

燃料電池是中學(xué)電化學(xué)課程要求的重要基礎(chǔ)電化學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容，雖然在課堂教學(xué)中目前已經(jīng)安排了用燃料電池反向運(yùn)行電解水的實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生對(duì)其運(yùn)行原理和實(shí)際工作模式的了解往往還停留在表面。[2]而Arduino單片機(jī)是一個(gè)基于軟件與硬件開發(fā)的開源平臺(tái)，具有操作指令少、編程方法簡單、易于輸入和教學(xué)資源豐富等特點(diǎn)，很多城市的高中通用技術(shù)課程中均有涉及。[3-4]如果能將兩者結(jié)合，將有利于教師和學(xué)生深入了解新能源氫燃料電池的運(yùn)行操作和Arduino控制原理和技術(shù)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

本研究旨在設(shè)計(jì)基于Arduino的燃料電池充電控制系統(tǒng)，開發(fā)一種新型的利用燃料電池產(chǎn)生的“綠電”為鋰離子電池提供充電服務(wù)的智能控制系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)主要包括燃料電池模塊、燃料電池控制模塊、電動(dòng)汽車充電模塊和編程控制系統(tǒng)，具有可移動(dòng)、智能化、零排放和高效率的特點(diǎn)。Arduino的燃料電池充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，有利于教師和學(xué)生將信息技術(shù)的教學(xué)與社會(huì)實(shí)踐緊密結(jié)合，提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和動(dòng)手能力。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

燃料電池充電控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：第一，根據(jù)用戶的充電功率需求，實(shí)現(xiàn)9級(jí)充電功率選擇，自動(dòng)控制氫氣流量，保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行；第二，充電電量采用實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采集，非理論估算值，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)量，保證用戶的利益；第三，燃料電池運(yùn)行和動(dòng)力電池充電過程自動(dòng)控制和危險(xiǎn)警告反饋，如氫氣壓力過低或燃料電池溫度過高情況發(fā)生時(shí)，能夠進(jìn)行正確反饋，保護(hù)系統(tǒng)和周邊用戶安全。

根據(jù)燃料電池充電控制系統(tǒng)的功能需求，對(duì)充電站的各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括Arduino核心、氫氣產(chǎn)生、流量控制、燃料電池、充電控制和動(dòng)力電池模塊等。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，充電站還包括了氫氣壓力報(bào)警和溫度過高報(bào)警保障功能模塊，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。各個(gè)模塊的主要功能：氫氣產(chǎn)生模塊為充電站提供燃料；燃料電池模塊將燃料氣高效轉(zhuǎn)化為電能，并輸出供給動(dòng)力電池儲(chǔ)存起來；Arduino模塊作為充電站控制系統(tǒng)的核心部分，對(duì)流量控制、充電控制、氫氣壓力報(bào)警、溫度過高報(bào)警和電池異常報(bào)警等模塊起著控制作用，壓力傳感器和溫度傳感器檢測氫氣壓力和燃料電池溫度，并將收集到的信息反饋給主控芯片，主控芯片對(duì)信息進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送給驅(qū)動(dòng)流量控制、充電控制，從而控制燃料電池充電站的運(yùn)行狀態(tài)。

燃料電池理論計(jì)算

燃料電池充電站的充電功率與氫氣流量的關(guān)系主要基于熱力學(xué)第一定律進(jìn)行計(jì)算和實(shí)時(shí)控制。[5-6]在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣與氧氣反應(yīng)生成水的燃燒焓（?fHl）為：

H2+1/2 O2=H2O

?fHl=-285.85kJ/mol? ? ? （l）

氫氣的摩爾體積為22.4L/mol，則氫氣的體積能量密度：

WV=285.85/22.4=12.76kJ/L （2）

設(shè)氫燃料電池的工作電壓和能量轉(zhuǎn)化效率分別為0.7V和85%，則系統(tǒng)總效率：

η=0.7/1.48×85%=40%? （3）

設(shè)用戶設(shè)定的充電功率是p（W），系統(tǒng)所需的氫氣過量系數(shù)為1.1，則所需的氫氣流量v（L/min）為：

v=p×60×1.1/（12760×40%）

=0.013p（L/min）? ? ? ? （4）

為簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，若充電功率是10W，則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)的氫氣流量為0.13L/min。如果動(dòng)力電池的容量為10Wh，充電時(shí)間約為60min。在運(yùn)行過程中，實(shí)際的充電時(shí)間由Arduino控制的充電系統(tǒng)按照實(shí)際電量來控制。

燃料電池充電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

根據(jù)燃料電池充電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，需要為充電站設(shè)計(jì)和選擇合適的硬件設(shè)備。充電站的硬件設(shè)計(jì)主要包括Arduino主控器、氫氣產(chǎn)生源、燃料電池、動(dòng)力電池、流量控制模塊、充電控制模塊、壓力傳感器、溫度傳感器、電量控制模塊和通信模塊等的選擇。通信模塊主要用來接收用戶的輸入信息，并可遠(yuǎn)程啟動(dòng)和關(guān)閉燃料電池充電系統(tǒng)。燃料電池充電控制系統(tǒng)的整體接線圖如下頁圖2所示。

鑒于系統(tǒng)模擬的便利性，本研究選擇Arduino UNO R3版本，其處理器核心是ATmega328。燃料電池選擇10W功率，充電電池選擇18650鋰電池。充電模塊選擇TP4056，截止電壓4.2V，安全使用溫度-20～60℃。氫氣產(chǎn)生模塊可以采用氫氣瓶（帶限壓裝置）或氫氣發(fā)生裝置（如啟普發(fā)生器）等，保證氣體流量大于130mL/min。

流量控制由PWM氣泵和氣閥構(gòu)成，由Arduino系統(tǒng)控制PWM氣泵實(shí)現(xiàn)設(shè)定的充電電流和對(duì)應(yīng)的氫氣流量。PWM氣泵需要通過L298N模塊驅(qū)動(dòng)，如下頁圖3（a）所示。Arduino產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)給L298N的ENA和ENB引腳，控制電機(jī)的速度，達(dá)到控制氣泵流量的目的。PWM是一種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，如圖3（b）所示，通過調(diào)整進(jìn)入電機(jī)的電壓的平均值，通過高電平和低電平的持續(xù)時(shí)間來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。

充電電量的測量采用Arduino編程采集實(shí)時(shí)電流和電壓，以計(jì)算燃料電池為鋰電池提供的實(shí)際電量。Arduino功率計(jì)電路主要由測量單位單元包括一個(gè)測量電壓的電阻、LM7805電壓調(diào)節(jié)器、一個(gè)帶有非反相運(yùn)算放大器LM358和穩(wěn)定電容構(gòu)成。由于鋰電池所需充電電壓為0～4.2V、電流范圍為0～2A。Arduino可以直接測量0～5V的電壓，所以不需要進(jìn)行電壓映射，可以直接反饋到Arduino模擬引腳。充電電流的測量，由于微控制器只能讀取模擬電壓，因此需要通過一個(gè)0.22歐姆的小電阻將電流值轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)最大2A電流通過負(fù)載時(shí)，電壓降約為0.44V。這個(gè)電壓比較低，測量誤差較大。所以，設(shè)計(jì)中采用LM358放大11倍后，便于準(zhǔn)確Arduino讀取。

氫氣的溫度和壓強(qiáng)測量采用AHT20+BMP280濕溫度氣壓模塊。通過溫度和氣壓傳感器，反饋給Arduino系統(tǒng)，確定氫氣供給正常。當(dāng)氣體溫度太高（＞80度）或壓力太低時(shí)（＜0.8atm），會(huì)導(dǎo)致燃料電池工作異常和損壞，需關(guān)閉氣閥和燃料電池充電繼電器，以保證安全。鋰電池溫度測量和報(bào)警子程序主要通過熱敏電阻LM35實(shí)現(xiàn)，LM35連接到Arduino的A2模擬口，當(dāng)LM35測定的電池溫度超過80℃時(shí)，關(guān)閉氫氣氣閥和氣泵。

燃料電池充電站的啟動(dòng)、關(guān)閉和功率選擇采用紅外通信模塊實(shí)現(xiàn)。紅外通信是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)。紅外通信模塊采用IRM3638T載波信號(hào)紅外發(fā)射器和接收頭。充電控制系統(tǒng)關(guān)鍵信息的顯示采用0.91寸OLED（128*64）顯示屏，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)為SSD1306，采用I2C數(shù)據(jù)連接模式，便于接線和控制使用。

燃料電池充電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)構(gòu)架

根據(jù)燃料電池充電控制系統(tǒng)的功能需求，對(duì)充電站的各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括Arduino核心、氫氣產(chǎn)生、流量控制、燃料電池、充電控制和動(dòng)力電池模塊等。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，編寫高效無誤的程序是必不可少的。首先需要建立一個(gè)項(xiàng)目并編寫程序，要定義IO引腳并對(duì)其初始化，定義燃料電池充電站的一系列動(dòng)作，主程序框圖如圖4所示。

當(dāng)Arduino接收到用戶的輸入命令（“ON”或“OFF”）及流量級(jí)別選擇（1～9），在檢查氣閥是否打開的條件下，通過輸出到L298N的ENA，IN1和IN2的引腳，以控制PWM氣泵的轉(zhuǎn)速。其中ENA接受調(diào)制好的脈沖寬度控制轉(zhuǎn)速，IN1和IN2用來控制氣泵的排氣或抽氣。在軟件功能實(shí)現(xiàn)方面，要注意當(dāng)PWM＜60時(shí)，氣泵不能驅(qū)動(dòng)，所以Arduino應(yīng)將輸入的流量值0～9，通過map（）函數(shù)映射到60～255的PWM信號(hào)值，即PWM信號(hào)從60%到100%的占空比。然后使用analogWrite（）函數(shù)，發(fā)送PWM信號(hào)到L298N板的ENA端，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

氫氣的溫度和壓強(qiáng)測量需要加載Adafruit的AHTX0和BMP280函數(shù)庫，以保證AHT20+BMP280濕溫度氣壓模塊的正常運(yùn)行。該模塊可以與Arduino通過SCL和SDA實(shí)現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)交互。程序設(shè)計(jì)每秒對(duì)氣體的溫度、濕度和壓強(qiáng)進(jìn)行取樣一次，并通過OLED顯示屏輸出數(shù)據(jù)。OLED顯示模塊的功能實(shí)現(xiàn)需要調(diào)用U8glib函數(shù)庫。系統(tǒng)的紅外通信模塊子程序需要調(diào)用IRremote函數(shù)庫。

燃料電池充電控制系統(tǒng)運(yùn)行測試

按照?qǐng)D2進(jìn)行燃料電池充電站接線，并根據(jù)圖4Arduino程序輸入和編譯。當(dāng)程序上載成功后，打開Arduino電源，OLED屏顯示氣體流量為0mL/min，氫氣壓強(qiáng)為102580 Pa，充電電量為0.0w·s。屏幕下方的滾動(dòng)條代表系統(tǒng)正在工作。

1.充電功率選擇的測試和驗(yàn)證

通過紅外輸入不同的數(shù)字，可以觀察到氣泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度發(fā)生明顯變化，同時(shí)OLED屏顯示實(shí)時(shí)的氣體流量、氫氣壓強(qiáng)和累計(jì)充電電量如下頁圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)選擇不同充電級(jí)別時(shí)，氫氣流量實(shí)現(xiàn)了明顯分級(jí)。當(dāng)按下2鍵時(shí)，流量約為28mL/min，充電功率較低，速度較慢。當(dāng)按下9鍵時(shí)，氫氣流量增加到126mL，充電功率明顯加大。

2.氫氣壓力測量的測試和驗(yàn)證

為驗(yàn)證氫氣壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)測量，在不停止氣泵的情況下，停止氫氣源的供應(yīng)。從下頁圖6可以看出，開始時(shí)氫氣壓強(qiáng)為101.9kPa，氣泵流量為70mL/min時(shí)，氫氣壓強(qiáng)很快降到98.3kPa；繼續(xù)抽氣，氫氣壓強(qiáng)會(huì)降到95.5kPa。氣體壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)測量和反饋功能正常。

3.鋰電池溫度測量的測試和驗(yàn)證

為驗(yàn)證動(dòng)力電池溫度的實(shí)時(shí)測量，進(jìn)行如下測試。首先在室溫下，顯示電池的溫度為20.0℃，當(dāng)用手貼近測溫傳感器LM35時(shí)，測量和顯示的溫度開始上升，并最后穩(wěn)定在36.6℃，表明動(dòng)力電池溫度的實(shí)時(shí)測量功能正常。當(dāng)用電烙鐵靠近LM35時(shí)，溫度快速直接升到80℃以上，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉氣泵和繼電器。電池溫度的測量和報(bào)警功能對(duì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起到了非常重要的作用。

結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于Arduino的燃料電池充電控制系統(tǒng)，以及9種充電功率的可控選擇和安全運(yùn)行，可滿足各類電動(dòng)車輛的充電要求。

設(shè)計(jì)中包含了硬件設(shè)備的使用和軟件的開發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)整體的功能流量控制、充電控制、氫氣壓力報(bào)警、溫度過高報(bào)警和電池異常報(bào)警等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊協(xié)同作用完成系統(tǒng)功能。在選用Arduino溫度、壓強(qiáng)傳感器時(shí)，以便利性和高性能為主要選擇標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，在器件選擇過程中，筆者考慮到Arduino板的引腳數(shù)目有限，盡量采用I2C實(shí)現(xiàn)模塊功能，而不占用過多引腳接口，實(shí)現(xiàn)了單塊Arduino板有效控制多個(gè)模塊的功能，大大提高了系統(tǒng)的可操作性和性價(jià)比。

基于Arduino的燃料電池充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時(shí)兼顧了學(xué)生對(duì)電化學(xué)和信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)要求，有利于教師和學(xué)生深入了解新能源氫燃料電池的運(yùn)行操作和Arduino控制原理和技術(shù)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

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作者簡介：張文強(qiáng)，通訊作者，清華大學(xué)副教授。

基金項(xiàng)目：清華附中能源高研實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金（No.51202123）。