趙同軍，馬榮澤，紀少波，劉振革，陳忠言，劉飛，李洋，程勇

（1.250061 山東省 濟南市 山東大學 能源與動力工程學院；2.250200 山東省 濟南市 山東技師學院；3.250014 山東省 濟南市 山東氫探新能源科技有限公司）

0 引言

燃料電池電堆價格昂貴，是一個精密的系統(tǒng)，控制異常會影響電堆的運行壽命，甚至損壞電堆?？刂葡到y(tǒng)是維持燃料電池穩(wěn)定運行的核心，是燃料電池系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的中樞，控制各個子系統(tǒng)協(xié)同工作以維持燃料電池的穩(wěn)定運行[1-3]。燃料電池控制器（Fuel cell Control Unit，F(xiàn)CU）通過高速采集、分析以及處理實現(xiàn)電堆工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，通過高效智能算法對各個子系統(tǒng)進行快速調控，在保證電堆安全的前提下滿足功率輸出要求。相關研究中，林志鋌[4]利用ARM 核心的嵌入式微處理器S3C2410A，基于Linux 嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)了控制與數(shù)據(jù)顯示于一體；李娜[5]等以ATMEGA64 單片機為核心開發(fā)了5 kW 的燃料電池控制器，實現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)中鼓風機、氣體進出口電磁閥、三通閥的控制；任夢[6]等設計了一種基于Mega 64 單片機為控制核心的5 kW 燃料電池控制器，實現(xiàn)了對燃料電池的氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)及水溫控制系統(tǒng)的檢測與控制；文澤軍[7]等利用樹莓派和Arduino 開發(fā)了燃料電池控制器，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳以及遠程控制功能；游志宇[8]等設計了一種基于STM32F103 的燃料電池控制器，通過采集電堆的溫度、輸出電流、輸出電壓等參數(shù)，按照設計的控制策略，實時輸出相應控制信號，控制電堆穩(wěn)定運行。本文基于MC9S12XEP100 單片機開發(fā)了一套40 kW 質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了燃料電池空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及功率輸出等部件的運行控制。通過試驗驗證了系統(tǒng)的功能滿足使用要求。

1 控制系統(tǒng)整體結構分析

燃料電池控制器用于控制氫氣路、空氣路、冷卻回路及功率輸出模塊的運行，同時進行實時的故障診斷。燃料電池控制器還肩負著與上位機進行通訊的任務，將燃料電池的運行狀態(tài)實時傳遞給上位機，并運行上位機所發(fā)出的指令。對研究用燃料電池控制系統(tǒng)中的輸入及輸出信號進行匯總如表1 所示。

表1 燃料電池控制系統(tǒng)中的輸入及輸出信號匯總Tab.1 Input and output signals in PEMFC control system

2 硬件設計

2.1 單片機選型

單片機（Micro Controller Unit，MCU）是控制器的核心，燃料電池控制系統(tǒng)中的信號采集、數(shù)據(jù)計算、信號處理等全部通過MCU 完成。進行MCU 選型時，應根據(jù)燃料電池系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能來選擇MCU 的型號。在選擇MCU 的型號時，需要通過功能性、可靠性、開發(fā)性來進行[9]。本文選用MC9S12XEP100 作為主控芯片。

MC9S12XEP100 基于S12CPU 內核，總線頻率可達50 MHz，集成了可以兩倍CPU 主頻運行的XGATE 協(xié)處理器[10]，提高了系統(tǒng)的運算速度，降低了系統(tǒng)響應時間。XGATE 處理器專門用來處理中斷和I/O 端口，能夠有效避免中斷程序和主程序之間的沖突，提高系統(tǒng)的可靠性。MC9S12XEP100 相較于32 位單片機開發(fā)工具多，開發(fā)難度低，能夠有效縮短項目開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

2.2 電源電路

本系統(tǒng)中共有3 個電源電路，分別為供電電路、內部5 V 供電電路以及外部5 V 供電電路。供電電路將電源進行穩(wěn)壓等處理后為內部及外部5 V 供電電路、電機驅動、高低邊驅動、PWM 驅動芯片等供電。內部5 V 供電電路為單片機及控制器內部需要5 V 供電的電路進行供電，外部5 V電路為控制器外部需要5 V 的其它設備及傳感器進行供電。

2.2.1 24 V 電源供電電路

圖1為電源供電電路。D1為瞬態(tài)抑制二極管，其工作電壓為10～48 V，在電路收到大功率的浪涌沖擊時，可以將兩級間的電壓箝位于一個預定值，對電路中的元器件起到保護作用。Q1 為P型MOS 管，其工作溫度最高可達175 ℃，起到防反接的作用。L1 為共模電感，用于抑制電路中產生的電磁波向外輻射，降低電磁干擾。

圖1 24 V 電源供電電路Fig.1 24 V power supply circuit

2.2.2 內部5 V 供電電路

內部5 V 供電電路如圖2 所示。使用降壓型開關穩(wěn)壓器LM2596 為控制器內部進行供電，該芯片最高可承受40 V 的輸入電壓，并產生3 A的輸出電流。D3 為肖特基整流二極管，耐壓30 V，耐流5 A。當電路斷電時，電感L2 中儲存的電能通過該二極管進行放電。電感L2 及電容C9，C10，C11，C12 用來提高電源輸出的穩(wěn)定性。

圖2 內部5 V 電源電路Fig.2 Internal 5 V power supply circuit

2.2.3 外部5 V 供電電路

外部5 V 供電電路如圖3 所示。選用的電源芯片為TPS7A41，該芯片最高可承受50 V 的連續(xù)或瞬態(tài)輸入電壓，同時可在短時間內對電壓瞬變進行快速調節(jié)，該芯片還具有內部熱關斷及電流限制功能，在異常情況下可以對電路進行有效保護。

圖3 外部器件用5 V 供電電路Fig.3 External 5 V power supply circuit

2.3 可配置多功能模擬信號采集電路

圖4 為可配置多功能信號采集電路，通過TEMP_CH0_CFG_0 和TEMP_CH0_CFG_1 控 制MOS 管Q2（P 溝道）及Q3（N 溝道）進行采集模式的選擇。當TEMP_CH0_CFG_0 拉低時，Q2導通，電壓上拉起作用，R14 和R15 一起組成上拉電阻，用于熱敏溫度采集；當TEMP_CH0_CFG_1 拉高時，Q19 導通，R14 作為采樣電阻，用于電流采集，R14 封裝較大，可以承受較高的電流通過。當TEMP_CH0_CFG_0 上拉和TEMP_CH0_CFG_1 下拉時，電阻模式和電流模式均不起作用，此電路可以直接采集電壓信號。TEMP_CH0_FB 引腳為故障診斷引腳，故障診斷都是通過AD 引腳采集電壓值，根據(jù)電壓不同判斷故障原因。此電路中C16、C17 及R11 起阻容濾波的作用。

圖4 可配置多功能信號采集電路Fig.4 Configurable multifunctional signal acquisition circuit

2.4 空氣側背壓閥電機驅動電路

空氣側背壓閥電機驅動電路采用橋式電機驅動芯片L9958。L9958 工作電壓4.0～28.0 V，工作頻率高達20 kHz。該芯片可以通過16 位SPI通訊進行輸入電流的調制（2.5～8.6A）以及短路及過溫的故障診斷。同時，可通過SPI 設置熱警告位，當溫度超過設置溫度時，會自動對電流的限制閾值進行降低。L9958 電機驅動芯片內部集成了續(xù)流二極管，減少了此芯片的外圍擴展電路，使得此芯片的使用極其簡單。圖5 為電機驅動電路。只有當L9958 的使能引腳EN 為高電平、DI為低電平時才可以使能芯片，單片機PWM 引腳輸出脈寬可調的PWM 信號調節(jié)轉速，通過拉高或拉低DIR 引腳來控制直流電機轉動方向。

圖5 電機驅動電路Fig.5 Motor drive circuit

2.5 PWM 輸出電路

圖6 為PWM 輸出電路，左邊的是PWM 輸出端，芯片U5 是4N0605 型N 溝道MOS 管，最高可承受60 V 電壓及90A 的電流。在PWM 輸出電路中，通過MOS 管和續(xù)流二極管D5 組成低邊驅動，當拉高PWM_CTRL_OB_2 引腳時，MOS 管導通。壓敏電阻R24 和電容C25 可以對MOS 管進行過壓保護；通過大功率采樣電阻R27對驅動電流進行采樣，以便通過程序設置對MOS管進行過流保護。右側是過流保護的運放電路，運放電路放大倍數(shù)通過R28 和R29 進行配置。

圖6 PWM 輸出電路Fig.6 PWM output circuit

2.6 低邊驅動電路

低邊驅動電路如圖7 所示，采用的芯片為TLE8102SG 芯片。TLE8102SG 芯片提供嵌入式保護功能，包括過載和過溫保護。芯片正常工作的溫度范圍為-40～150 ℃，每個通道的專用溫度傳感器檢測其通道的溫度是否超過超溫停機閾值，如果通道溫度超過超溫停機閾值，則立即關閉過熱通道以防止損壞。芯片配備了基于8 位串行外圍接口（SPI）的診斷和控制接口，可通過SPI通訊進行過流、過壓保護的設置，以及進行故障的診斷。此外，該芯片每個通道都具有電流反饋功能。圖中D7 及D8 為瞬態(tài)二極管，當兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。

圖7 低邊驅動電路Fig.7 Low side drive circuit

2.7 CAN 通訊電路

本系統(tǒng)中選用的CAN 總線驅動器芯片為TJA1040，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mb/s，對于電磁干擾具有良好的承受能力。TJA1040 功耗極低，工作電流僅為5～50 mA，處于待機模式時，輸入電流僅為10 uA 且待機時可通過總線進行喚醒[11]。同時，TJA1040 具有無源特性，當從總線斷電時，其對總線的反向電流為0。CAN 通訊電路如圖8 所示。

圖8 CAN 通訊電路Fig.8 CAN circuit

根據(jù)以上設計方案，設計制作質子交換膜燃料電池控制器，如圖9 所示。

圖9 控制器實物圖Fig.9 Physical drawing of controller

3 試驗測試

3.1 試驗臺布局

搭建了40 kW 燃料電池的試驗臺，包括空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電子負載及功率測試儀等部分，試驗臺示意圖如圖10所示。其中，空氣系統(tǒng)包括空濾器、空壓機、中冷器、加濕器、背壓閥及相關的管路等部分；氫氣系統(tǒng)包括氫源、泄壓閥、比例閥、電動氫氣循環(huán)泵、排氫閥及相應管路等部分。冷卻系統(tǒng)包括換熱器、冷卻風扇、冷卻水泵、去離子裝置及相應管路等部分。在空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)都安裝了相應的傳感器實現(xiàn)溫度、壓力、濕度等參數(shù)的測試。燃料電池的輸出通過功率測試儀進行測試分析。

圖10 試驗臺示意圖Fig.10 Schematic diagram of test device

3.2 PEMFC 整體運行特性測試分析

3.2.1 電堆輸出特性

試驗過程中燃料電池電堆的輸出電流范圍為30～200 A，設置了10 個不同輸出電流工況點。電堆輸出功率及電壓隨輸出電流的變化曲線如圖11 所示，由圖可見，隨電堆的輸出電壓從186.5 V降至150.4 V，電堆的輸出功率從5 kW 左右遞增至30 kW。隨著電堆輸出電流的增加，電堆輸出電壓降低，由于輸出電壓降低的幅度低于電流增加的幅度，故電堆功率呈增加的趨勢。

圖11 電堆各工況點數(shù)據(jù)Fig.11 Reactor at each operating point

3.2.2 單片電池電壓特性

圖12 為穩(wěn)態(tài)運行時各工況點的單體電池電壓曲線。由圖12 可見，當電堆輸出電流在0～30 A 時，燃料電池的單體電池電壓下降較快，此時燃料電池工作在活化極化區(qū)間；輸出電流在30～200 A 時，極化曲線線性良好，說明此時燃料電池工作在歐姆極化區(qū)。所以在整個測試的過程中，燃料電池一直運行在活化極化與歐姆極化區(qū)。同時，當電堆的輸出電流小于120 A 時，單體電池電壓維持在0.7 V 以上；當電堆的輸出電流為200 A 時，單體電池電壓仍能達到0.65 V。這表明試驗過程中控制器控制合理，使得電堆效率處于較高水平。

圖12 單體電池各工況點數(shù)據(jù)Fig.12 Single battery at each operating point

3.2.3 空氣進氣壓力

圖13 為試驗過程中各個工況點的電堆輸出電流、空氣進氣壓力與空氣進氣流量的對比曲線。由圖可見，隨電堆輸出電流的增加，空氣側壓力增大。這是由于電堆要產生更大的電流，需要增加空氣流量[12-13]，導致進氣壓力也呈增加的趨勢。

圖13 空氣進氣壓力及流量各工況點數(shù)據(jù)Fig.13 Air inlet pressure and flow at each operating point

3.2.4 氫氣空氣側壓差

燃料電池的質子交換膜厚度較低，為了不損害質子交換膜，氫氣、空氣側的壓差最大不能超過0.5 bar[14]。在電池動態(tài)加載過程中，首先要保證空氣及氫氣壓力平穩(wěn)變化，其次要保證氫氣側壓力能夠對空氣側壓力進行實時跟隨，防止出現(xiàn)因為氣體供給壓力不穩(wěn)定導致燃料電池單電池濃差極化的問題及質子交換膜破裂損壞燃料電池電堆[15-16]。圖14 為測試過程中各工況點空氣與氫氣進氣壓力曲線。由圖可見，在整個測試過程中，空氣壓力與氫氣壓力能夠保持同步平穩(wěn)變化，并且氫氣壓力能夠很好地跟隨空氣壓力的變化。

圖14 空氣與氫氣進氣壓力各工況點數(shù)據(jù)Fig.14 Air and hydrogen inlet pressure at each operating point

4 結論

（1）根據(jù)研究用燃料電池的特點設計了燃料電池控制器的硬件電路，能夠實現(xiàn)燃料電池各傳感器信號采集及執(zhí)行器的運行控制功能；

（2）搭建燃料電池試驗臺，對開發(fā)的控制器進行試驗驗證，電堆電壓以及單體電池電壓的測試結果表明，在測試工況范圍內電堆運行狀況良好，電堆效率始終維持較高水平；

（3）空氣側、氫氣側的流量及壓力監(jiān)控結果表明，開發(fā)的控制器有效地控制供氣系統(tǒng)各執(zhí)行器的運行，滿足各工況下的供氣需求，保障電堆的安全運行。