氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置設(shè)計

韓冬林

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 新能源系，天津300350）

經(jīng)過近十年的持續(xù)研發(fā)，質(zhì)子交換膜氫燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動等功能特性方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，新一輪的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化浪潮正在迫近[1]。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池發(fā)電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對復(fù)雜的管理控制系統(tǒng)，主要包括燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、水熱管理及電控單元等子系統(tǒng)[2]。 在質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)中，有許多關(guān)鍵參數(shù)需要控制如水、供氫、供氧參數(shù)及溫度、壓力參數(shù)等[3]，而這些控制參數(shù)都可以從氫燃料電池堆膜電極單體電壓中得到體現(xiàn)。 膜電極單體電壓反映了整個氫燃料電池堆及其管理控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)[4]，通過檢測膜電極單體電壓，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)氫燃料電池堆及其管理控制系統(tǒng)的異常狀況，而且膜電極單體電壓的均衡性能夠直接反映并影響整個氫燃料電池堆的性能和壽命[5]。

在此，設(shè)計了一種氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置，實現(xiàn)了對氫燃料電池堆膜電極單體電壓精確同步檢測的功能，從而達(dá)到對整個氫燃料電池堆體及其管理控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確檢定。

1 混合動力汽車電控系統(tǒng)的構(gòu)成

由氫燃料電池和鋰離子動力電池構(gòu)成的混合動力汽車電控系統(tǒng)如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由燃料電池堆、單膜電壓檢測單元CVU、燃料電池堆主控單元FCU、升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器、鋰離子動力電池組、鋰電池管理系統(tǒng)、整車電控單元ECU、牽引電動機及其驅(qū)動單元組成。

圖1 燃料電池混合動力汽車電控系統(tǒng)Fig.1 Electric control system of fuel cell hybrid electric vehicle

圖中， 燃料電池堆主控單元FCU 通過A/D 轉(zhuǎn)換口采集燃料電池堆的傳感器信號，同時還通過數(shù)字I/O口輸出控制信號， 驅(qū)動燃料電池堆的執(zhí)行器工作。單膜電壓檢測單元CVU 通過電壓隔離選擇通道MUX， 順序選通燃料電池堆膜電極單體C00—C61的電壓輸入信號線，經(jīng)過內(nèi)部的高壓差分放大器和A/D 轉(zhuǎn)換器，讀取燃料電池堆的61 路膜電極單體電壓信號，并通過CAN 1 通訊口上報給主控單元FCU。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池堆膜電極單體的理想輸出電壓Uo為[6]

式中：P（H2），P（O2），P（H2O）分別為氫氣、氧氣和水蒸氣的壓力；Eo為氫燃料電池堆膜電極單體的理想標(biāo)準(zhǔn)電動勢；R 為通用氣體常數(shù)；T 為氫燃料電池堆工作溫度；F 為法拉第常數(shù)[5]。

由式（1）可知，Uo的數(shù)值不僅取決于Eo，而且與T，P（H2），P（O2）等控制變量的數(shù)值緊密相關(guān)。 因此得出：

Uo數(shù)據(jù)的采集與檢測必須與氫燃料電池堆主控單元的T，以及P（H2），P（O2）等控制參數(shù)嚴(yán)格同步；只有將Uo的數(shù)據(jù)與T，P（H2），P（O2）的數(shù)據(jù)在時序上做到同一時刻同步并行觸發(fā)采集并綁定，才能準(zhǔn)確檢定氫燃料電池堆體及其管理控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 膜電極單體電壓同步檢測裝置硬件電路的設(shè)計

氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置的硬件構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 膜電極單體電壓同步檢測裝置硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of membrane electrode cell voltage synchronous detection device

圖中，氫燃料電池堆由n 個膜電極單體E1—En串聯(lián)構(gòu)成。 在此，采用在每個膜電極單體中都對應(yīng)加入獨立的單體電壓檢測單元，每個獨立的單體電壓檢測單元實時檢測所對應(yīng)的每個膜電極單體工作電壓。

氫燃料電池堆主控單元負(fù)責(zé)電堆的燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、水熱管理等控制功能，主控單元在實時并行采集氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數(shù)的同時，會給n 個膜電極單體電壓檢測單元發(fā)送同步脈沖信號，同步并行觸發(fā)n 個膜電極單體電壓檢測單元，在同一時刻實時并行采集氫燃料電池堆中的n 個膜電極單體電壓數(shù)據(jù)，且采集到的n 個膜電極單體電壓檢測數(shù)據(jù)與同一時刻的氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數(shù)嚴(yán)格同步綁定，能夠保證實現(xiàn)對氫燃料電池堆膜電極單體電壓精確同步檢測的功能，從而達(dá)到對整個氫燃料電池堆體及其管理控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確檢定。

氫燃料電池堆主控單元由通訊總線實現(xiàn)與n 個膜電極單體電壓檢測單元聯(lián)網(wǎng)功能。 每個單體電壓檢測單元根據(jù)同步脈沖信號的索引序號將膜電極單體電壓數(shù)據(jù)打包并上報給氫燃料電池堆主控單元，主控單元再根據(jù)收到的膜電極單體電壓數(shù)據(jù)中的同步脈沖索引序號，將氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數(shù)與膜電極單體電壓數(shù)據(jù)嚴(yán)格同步綁定。

所提出的氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置中的單體電壓檢測單元電路如圖3 所示。

圖3 膜電極單體電壓檢測單元電路原理Fig.3 Schematic of membrane electrode cell voltage detection unit

由圖可見， 采用DSPIC30F6014 數(shù)字信號控制器作為主控芯片，光耦A(yù)QW214 的LED 輸入側(cè)控制信號Ex+.CS 和Ex-.CS 由DSPIC30F6014 的RG15 和RC1管腳產(chǎn)生， 由氫燃料電池堆主控單元發(fā)送的同步脈沖信號SYN 經(jīng)過光耦TLX9304 隔離后， 生成的SYN.IN信號輸入到DSPIC30F6014 的RC2 管腳，用于同步并行觸發(fā)膜電極單體電壓檢測單元電路中的光耦A(yù)QW214 的LED 輸入側(cè)控制信號Ex+.CS 和Ex-.CS。

AQW214 的隔離輸出側(cè)MOSFET 的OS1 和OS2管腳分別接到燃料電池堆膜電極單體的正負(fù)極板Ex+和Ex-，MOSFET 的OD1 和OD2 管腳分別接到差分放大器INA149 的輸入端IN+和IN-，INA149差分放大器的輸出接到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7321 的VIN0，AD7321 芯片內(nèi)置高速SPI 串行通訊控制器，可以直接與主控制器DSPIC30F6014 芯片接口，將DSPIC30F6014 的RG6，RG7，RG8 分 別 配 置 為 與AD7321 芯片SPI 串行通訊的SCLK，DOUT，DIN 管腳，就可以按照Ex+.CS 和Ex-.CS 的控制信號時序，讀出膜電極單體Ex+和Ex-之間的電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

每個單體電壓檢測單元電路中的主控芯片DSPIC30F6014 讀出的膜電極單體電壓數(shù)據(jù)通過CAN 總線通訊管腳CAN.TX 和CAN.RX， 再經(jīng)過CAN 總線收發(fā)器CTM1051KT 發(fā)送到CAN 通訊總線上，氫燃料電池堆主控單元根據(jù)收到的膜電極單體電壓數(shù)據(jù)中的同步脈沖索引序號，將氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數(shù)與膜電極單體電壓數(shù)據(jù)同步綁定。

3 膜電極單體電壓同步檢測裝置控制軟件的設(shè)計

氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置中，主控單元的程序流程如圖4 所示。

氫燃料電池堆主控單元采用MC9S12XEP100作為主CPU。 主控單元上電后，首先執(zhí)行自檢程序，自檢通過后讀取EEROM 中的電堆型號及材料數(shù)據(jù)，等待電堆運行命令。 電堆啟動后，主控單元進(jìn)入運行程序主循環(huán)，具體如下：

步聚1發(fā)送同步觸發(fā)脈沖信號給每個單體電壓檢測單元；

步聚2并行采集燃料電池堆的溫度及壓力傳感器的數(shù)據(jù)；

步聚3通過通訊總線接收每個單體電壓檢測單元上報的各個膜電極單體電壓數(shù)據(jù)；

步聚4將此次采樣的膜電極單體電壓數(shù)據(jù)與燃料電池堆的溫度及壓力傳感器的數(shù)據(jù)同步綁定；

圖4 主控單元軟件流程Fig.4 Software flow chart of main control unit

步聚5檢測是否收到電堆停機信號， 若收到電堆停機信號則退出運行程序主循環(huán)，否則程序跳轉(zhuǎn)回運行程序主循環(huán)入口，繼續(xù)執(zhí)行。

4 結(jié)語

所設(shè)計的氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置， 能夠克服現(xiàn)有的氫燃料電池堆膜電極單體電壓檢測裝置及其控制軟件的技術(shù)缺陷。 該裝置由氫燃料電池堆主控單元同步并行觸發(fā)每個膜電極單體電壓檢測單元， 在同一時刻同步并行采集每個膜電極單體電壓數(shù)據(jù)， 并且由主控單元根據(jù)同步脈沖信號的索引序號將膜電極單體電壓數(shù)據(jù)與同一時刻的氫燃料電池堆的T，P（H2），P（O2）等控制參數(shù)嚴(yán)格同步綁定，能夠?qū)崿F(xiàn)對氫燃料電池堆膜電極單體電壓精確同步檢測的功能， 從而達(dá)到對整個氫燃料電池堆體及其管理控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確檢定。