燃料电池发动机二次开发控制系统的设计与实现

引言

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，适合做电动汽车的动力能源。各国政府、企业和科研机构都致力于研究质子交换膜燃料电池电动汽车，而燃料电池发动机作为其核心目前处于突破前期，正在成为新的研发热点。然而，许多研究都仅仅着重于改善燃料电池堆的性能，对控制系统的研究则相对较少。传统的控制系统是根据特定的发动机特点而设计的，其固定的控制策略、线路接口以及运行参数在很大程度上限制了控制功能的扩展，无法满足用户对控制系统的使用与开发需求，而系统软件在维护中也因不断被修改而退化。鉴于此，本文提出并设计了一种新型的燃料电池发动机控制系统，在满足所有控制目标的同时还具备二次开发升级、多种控制策略可选等功能，大大提高了控制系统的灵活性和适应性，并取得了良好的控制效果。

系统结构

燃料电池发动机二次开发控制系统的系统结构按其功能可分以下几部分：上位机配置终端、可软配置控制器、燃料电池电堆、氢气供给系统、空气供给系统、增湿系统、冷却水管理系统、安全报警系统以及通讯监控系统，如图1所示。燃料电池发动机以上位机作为软配置终端，以控制器为控制和协调中心，以燃料电池电堆为发动机的核心，进入电堆的氢气和氧气在一定的条件下反应，产生电能和水。上位机配置终端可以选择不同的控制策略，也能对控制器进行二次开发升级；氢气供给系统负责给电堆提供一定压力和流量的纯净氢气；空气供给系统向电堆提供足够的空气用于反应；增湿系统负责向电堆提供适当的湿度以便于提高反应效率；冷却水管理系统主要将电堆发出的多余热量通过循环去离子水带出电堆并通过冷却器散热，使电堆处于高效的反应条件下工作；安全报警系统通过实时检测电堆工作过程中的各种状态和参数，在故障出现时及时发出报警信息；通讯监控系统可实时显示当前的各种物理数据和运行状态，并可将所需数据记录下来以便研究分析。
 

二次开发升级机制

燃料电池发动机二次开发控制系统的一个特点是可以在线升级。已有统计资料表明控制系统的完善性和适应性维护工作量占其生存期工作量的70%左右。被动地去维护和修改在生命期中发生需求变化的控制系统进而重新烧写甚至设计控制器，其花费较为昂贵。燃料电池发动机控制系统是一个内部结构可以重新配置、控制参数可以不断调节以满足硬件环境的控制系统，按其升级的功能可分为控制器端口升级和参数升级。

控制器

控制器在设计时就充分考虑到可能发生变化的各种因素，主程序只保留主要框架，所有可变信息都单独存贮在专门的模块中。上位机配置终端负责选择系统运行策略以及将各种升级信息配置到控制器中，一旦系统需要升级，用户可以在不了解控制程序的情况下进行简单操作，大大缩短了控制器的开发周期，提高了系统的适用性与可操作性。

如图2所示，控制器主要由一个微处理器（DSP）、看门狗模块、电源监控模块、软配置模块、信号调理与模数转换模块、数模转换电路、I/O模块、SCI和CAN通讯模块等部分组成。上位机配置终端采用VB软件设计，集成了升级配置系统与数据监控系统，既可进行软配置升级也可实时显示和记录数据，与DSP间采用485通讯。软配置模块采用EEPROM来接收和贮存来自上位机的升级信息，通过SPI与DSP进行通讯。控制器通过接口连接了外部的各种模拟信号和数字信号，模拟信号包括电压、电流、压力、流量、温度、湿度等，数字信号包括了各种电磁阀和继电器等。该控制器实现了控制系统的模块化和微型化设计，具有高灵活性、高可靠性、高抗干扰性、高速信号处理能力以及二次开发升级的先进性。
 

控制器端口升级

控制器在硬件上设置了很多控制端口，例如，模数转换模块连接了多种A/D采样端口，数模转换模块的D/A端口同时对几个风机进行控制，I/O模块通过I/O端口控制继电器的开合以及接收氢气报警信息，这些连接到控制器的硬件端口都是可以进行软配置升级的。当燃料电池发动机控制系统的各子系统或电堆进行测试整改时，某些线路与控制器端口的连接不免要发生变化，这时，通过上位机配置终端就可以方便地调整控制器的内部接口设置，使控制器快速地适应新的硬件要求。

如图3所示，A/D采样是信号的主要输入通道，采集的信号如氢气进出堆压力、电堆的电压电流、风机电流、进出堆温度、冷却水和增湿水的水位流量等；I/O端口主要指DSP的数字量输入及输出，输出量通过控制继电器进而控制各种电磁阀、水泵、电机的开关，如充电负载开关、氢气氮气尾气阀、增湿水泵以及氢气循环泵等；I/O输入量则包括多个氢气报警器的开关信号；数模转换模块则将DSP输出的数字量转化为模拟量控制风机，每一个D/A 控制一个风机，输出量的大小决定了风机转速的快慢。当硬件端口由于电堆移位、电路重组等发生变化时，通过上位机终端对端口的重新配置可以使控制系统在免编程的情况下与新的硬件要求保持同步更新。