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质子交换膜燃料电池控制器的设计

作者:时间:2011-12-08来源:网络收藏

系统是一种功率调节设备,已广泛应用于电脑、医疗/生命维持系统、电信、工业控制等领域。它的主要功能是持续以高质量的功率供给负载。一个高性能系统应该有一个线性和非线性负载的较低总谐波失真、效率高、可靠性好、突发电网故障和负载改变时的快速瞬态响应的净输出电压[1]。伴随着个人电脑和互联网的普及,低容量产品将在工业领域和国内市场进一步增长。由于国际市场的高度竞争,许多先进的技术,例如更高的功率密度、更高的效率、智能化控制被应用在膜燃料电池系统中。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/161348.htm

1 膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池由一个负充电电极(阳极)、一个正充电电极(阴极)和一个电介质膜组成[2]。氢气在阳极氧化,氧气在阴极还原。质子通过电解质膜从阳极传送至阴极,电子经外部电路负载传送。在阴极上,氧气与质子和电子发生反应,产生水和热。原理图如图1所示,电极上的各化学反应如下:

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2 燃料电池的硬件

硬件的首先必须满足系统的要求才能实现有效的控制。由于燃料电池控制系统的组成比较复杂,采用单一的控制单元实现所有的功能存在连线复杂、控制单元负载率过高等缺点。因而可以根据实现功能和安装位置的不同进行功能模块划分,实现分布式控制。燃料电池主要由以下几个部分组成[4]:燃料电池系统的主控制单元、燃料电池堆的电压检测单元、监控模块单元和显示模块。燃料电池结构框图如图2所示。

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主控制单元作为控制系统的核心,其主要功能是:接收其他功能模块的数据,对发电系统的工作状态做出判断,根据当前发电系统的工作参数控制其工作在最佳状态。

2.1 主控芯片

本次燃料电池控制系统采取PIC16F876A-I/SP作为主控芯片[5],该芯片采用的是哈佛结构,其工作频率可达20 MHz,片内具有8 KB快速Flash程序存储器、368 B数据存储器、256 B EEPROM数据存储器。其内部包含2个模拟比较器,3个计时器,5输入通道的10位模数转换器。指令系统只有35个指令,通过外扩DAC芯片可以输出模拟电压或电流,进而实现对鼓风机和水泵的转速控制。

2.2 A/D采集模块

在燃料电池发电系统中,温度、压力、电压、电流等被检测的对象都是连续变化的量,通过温度传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器将它们转换为连续变化的电压或电流。模数转换器ADC的作用就是将这些模拟电压或电流转换成计算机能识别的数字量。

2.3 保护与抗干扰

电路故障检测由主控芯片和比较电路来完成。监测到故障后,由主控芯片发出信息给蜂鸣器报警,同时切断DC-DC模块开关,保护系统电路。电路中强电、弱电信号并存,为提高系统的抗干扰能力,在DC-DC模块、电磁阀与单片机之间进行光电隔离,以确保电路的稳定性。

3 燃料电池控制器的软件

3.1 主程序

主程序的功能是完成系统初始化(包括各工作寄存器清零、开中断等)、工作状态判断以及合理调用各个子程序来实现系统的有效控制[6]。主程序流程图如图3所示。

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3.2 模块子程序

燃料电池控制器程序采用结构化模块程序设计的方法,各模块分别编程,使整个程序清晰明了,方便程序设计与代码的编译调试。燃料电池控制器模块的软件设计按照功能主要划分为初始化、A/D采样、控制方案、通信实施四部分。初始化是燃料电池控制器初始运行的一部分,负责初始化各种参数。A/D采样是对各模拟量进行采集并转换成数字量,例如读入燃料电池温度、氢气入口压力值、DC/DC出口电压及电流值,供主控芯片处理,并将这些值传给显示子程序及相应子程序,进行显示和报警等。所以在程序的编写上就比较复杂,不过按要求配置好各个A/D模块的控制器,经过触发就可以从相应的结果寄存器中读出A/D的值。控制方案包括了三部分内容:电池工作状态的确定、相对应的工作流程(扫描、启动、工作、关机)、安全信号的检测。通信模块可以实现对风机与水泵的控制。温控程序流程图如图4所示。

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