基于TC275的質子交換膜燃料電池控制器設計

摘 "要： 為提高質子交換膜燃料電池系統的能量轉換效率，減少研發成本，通過分析燃料電池控制系統的功能需求，設計一種基于英飛凌TC275微處理器的燃料電池智能控制器。該控制器采集所供給燃料的溫度、濕度、壓力、流量，以及電堆運行時的溫度、壓力和輸出的電壓、電流等參量，根據負載功率需求，經過智能算法實時計算后，輸出相應的控制指令來調節流量計等執行器件，維持燃料電池系統智能高效、安全穩定的運行；此外，該控制器采用RS 485通信，實現燃料電池系統與上位機之間的信息交互，并實時控制燃料電池系統的運行工況。將該控制器應用于3 kW的質子交換膜燃料電池系統，其監控性能良好、運行穩定可靠，并與建立的仿真模型進行對比，實驗結果一致，滿足燃料電池系統的控制要求。

關鍵詞： 質子交換膜燃料電池； 智能控制器； TC275； 微處理器； RS 485通信； 信息交互； 電路設計

中圖分類號： TN702?34； TK91 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " nbsp; 文章編號： 1004?373X（2024）18?0022?07

Design of PEMFC controller based on TC275

HUANG Wenhui1， YU Qingrui1， WANG Jun1， ZHANG Jingfeng2， SUN Na2， DONG Haiying2

（1. Gansu Great Wail Hydrogen Energy Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Tianshui 741000， China;

2. School of New Energy and Power Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730000， China）

Abstract： In order to enhance the energy conversion efficiency of the proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） system and reduce design costs， a fuel cell intelligent controller based on Infineon′s TC275 microprocessor is designed by analyzing the functional requirements of the fuel cell control system. The controller is used to collect parameters such as temperature， humidity， pressure， and flow of the supplied fuel and the temperature， pressure， output voltage， and current during operation of fuel cell stack. According to the load power demand， the real?time calculation of parameters are conducted by means of the intelligent algorithm， the corresponding control instructions are output to adjust the flowmeter and other executive devices， so as to maintain the intelligent， efficient， safe and stable operation of the fuel cell system. In the controller， RS 485 communication is used to realize the information exchange between the fuel cell system and the host computer， and control the operating conditions of the fuel cell system in real time. The controller is applied to the 3 kW PEMFC system， which has excellent monitoring performance， and stable and reliable operation. In comparison with the established simulation model， the experimental results are consistent and meet the control requirements of the fuel cell system.

Keywords： proton exchange membrane fuel cell; intelligent controller; TC275; microprocessor; RS 485 communication; information exchange; circuit design

0 "引 "言

隨著經濟的快速發展，能源危機、氣候變化與環保問題已成為目前世界各國面臨的巨大挑戰。為了實現社會的可持續發展，各國政府開始實施新能源政策，清潔、高效、安全、環保的新能源已成為未來能源發展的必然趨勢[1?3]。在能源轉型及“雙碳”目標下，氫能以其來源廣泛、清潔低碳、靈活高效、應用場景豐富等特點，成為我國綠色低碳轉型的重要載體[4]。因此，以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）逐漸進入諸多企業與學者的視野。

PEMFC通過電化學反應直接將氫能轉化為電能并釋放出熱能，反應的副產物只有水，不受卡諾循環的限制。PEMFC具有能量轉換效率高、環境友好、低噪聲及燃料可再生等優點，在氫能汽車、便攜式電源、軍用裝備等領域具有廣泛的應用前景[5]。

燃料電池是一個非線性“氣?水?電?熱?力”多物理量多重耦合的復雜系統[6]。對該系統的輸入輸出參量的控制直接影響能量轉換效率和電堆的使用壽命。因此，控制器是維持燃料電池系統穩定運行的核心，是燃料電池系統中各個子系統的中樞，研發穩定可靠的燃料電池系統控制器至關重要。

相關研究中，文獻[7]采用樹莓派和Arduino研發了燃料電池控制器，實現數據采集、上傳及遠程控制等功能。文獻[8]中設計了一種基于STM32F103的燃料電池控制器，通過采集電堆輸出電壓、輸出電流等參數，按照設計的控制策略實時輸出相應控制信號，控制電堆穩定運行。文獻[9]中設計了一種基于STM32F103單片機作為系統下位機的控制核心，實現了1.5 kW燃料電池系統中氫氣供給、空氣供給、散熱風扇、模擬量監測和顯示等子系統的控制。

文獻[10]中基于雙核數字信號控制器dsPIC?33CH512MP508芯片，分別設計了主內核燃料電池堆控制電路和從內核膜電極單體電壓檢測電路，并采用芯片內置的主從接口MSI模塊，實現了主從內核之間的膜電極單體電壓檢測數據通信功能。文獻[11]中基于車規級S32K144微處理器，分別設計了膜電極單模電壓檢測電路和燃料電池堆控制電路，并且應用于樣機，驗證了設計的有效性。文獻[12]中基于MC9S12XEP100單片機研發了一套40 kW質子交換膜燃料電池控制系統，實現了燃料電池空氣系統、氫氣系統、冷卻系統以及功率輸出等部件的運行控制。文獻[13]以32位STM32F103微處理器為核心，設計并制作氫燃料電池控制器，對控制器的軟硬件基本功能進行驗證測試，性能良好。

本文采用英飛凌AurixTM系列TriCore架構的32位車規級微處理器TC275，設計一種通用的PEMFC系統智能控制器。相較于單核微處理器，TC275多線程處理能力更適用于燃料電池等復雜系統。控制器監測、控制燃料電池氣體供給子系統與水熱管理子系統，使燃料電池工作狀態最佳、輸出功率最優，同時可延長電堆的使用壽命，降低研發成本。最后，將該控制器應用于3 kW的PEMFC電堆進行性能測試，以驗證所設計控制器的可靠性和實用性。

1 "燃料電池系統控制需求分析

燃料電池系統控制器用于調節氫氣供給系統、空氣供給系統、水熱管理系統及功率輸出模塊的運行參數，同時進行系統故障實時診斷。此外，燃料電池控制器需完成與上位機的通信任務，將燃料電池各子系統的運行狀態實時傳遞至上位機，并執行上位機下發的指令。

氣體供給系統為燃料電池系統提供參與電化學反應的燃料和氧化劑，同時氫氣循環系統回收未完全反應的氫氣。水熱管理系統主要控制PEMFC電堆內部的水平衡和熱平衡，以保證質子交換膜發揮出最優效能。控制系統是根據外部負載對功率的需求以及PEMFC電堆的運行條件（壓力、溫度、濕度、電壓等）的變化，對供氣流量、壓力與水熱管理系統中水的流速等進行相應的控制[14]，以保證PEMFC電堆安全穩定的運行。

根據燃料電池系統控制需求，對各子系統中采集量與控制量進行匯總，如表1所示。

表1 "燃料電池系統中輸入、輸出信號匯總

[系統 輸入/輸出 對象 信號類型 氫氣供給 采集量 進出堆氣壓 電流 進出堆溫度 電流 加濕水水溫 電流 氫氣流量 RS 485 控制量 氫氣路調節閥開度 RS 485 電磁閥 低邊驅動 泄壓閥 低邊驅動 氫氣循環泵轉速 PWM 空氣供給 采集量 進出堆氣壓 電流 進出堆溫度 電流 加濕水水溫 電流 空氣流量 RS 485 控制量 空氣路調節閥開度 RS 485 電磁閥 低邊驅動 泄壓閥 低邊驅動 空壓機轉速 PWM 水熱管理 采集量

進出堆水溫 電流 進堆水壓 電流 散熱后水溫 電流 控制量 水泵轉速 PWM 散熱風扇轉速 PWM 電堆 — 輸出電壓 電壓 負載電流 電流 ]

2 "控制器硬件電路設計

控制器是燃料電池系統的“大腦”，其性能的優劣直接影響燃料轉換效率、電堆使用壽命、安全性與經濟性等。本文從微處理器選型、信號采集與驅動、通信、電源管理等方面進行設計。

2.1 "控制器整體結構

燃料電池系統控制器主要由微處理器模塊、信號采集與調理模塊、低邊驅動模塊、H橋驅動模塊、通信模塊及電源管理模塊六部分組成，其整體結構如圖1所示。

微處理器模塊是控制系統的核心，通過采集所供給燃料的溫度、濕度、壓力、流量與電堆運行時的溫度、壓力和輸出的電壓、電流等參量，根據負載功率需求，經過智能算法實時計算后輸出相應的控制指令調節流量計等執行器件，維持燃料電池系統智能高效、安全穩定的運行。

2.2 "微處理器選型及其最小系統

本文選用英飛凌AurixTM系列TriCore架構的32位芯片TC275作為微處理器，其具有豐富的外設資源，如：DSP功能的三核處理器；工作頻率高達200 MHz；8個12位ADC，多達60個模擬輸入通道；可采用單電源5 V或3.3 V或者雙電源（5 V和3.3 V）供電；一個24位的通用定時器模塊、3個獨立的64位系統定時器模塊以及4個16位的看門狗定時器；可通過FlexRay、CAN、CANFD、LIN、QSPI等多種通信方式進行通信[15]。該微處理器完全滿足控制系統響應迅速、低功耗、安全性、穩定性與拓展性等實際需求。

微處理器最小系統主要由微處理器TC275、電源電路、時鐘電路、復位電路及DAP調試電路五部分組成。

2.2.1 "微處理器電源電路

微處理器TC275內核接口需1.3 V的數字電源供電，模擬/數字信號接口由5 V或3.3 V供電，時鐘振蕩器由3.3 V電源供電[15]。TC275內部集成了嵌入式電壓調節器（EVR），可以通過片上線性穩壓電源（LDO）和開關穩壓電源（SMPS）實現外部單電源輸入（5 V或3.3 V），而在內部產生3.3 V或1.3 V電壓。

查閱微處理器TC275的用戶手冊可知，可以通過對HWCFG引腳電平的控制來轉換EVR調節模式與輸出電壓的大小[15?16]。TC275的供電方式有3種方案：

1） 外部使用5 V單電源供電，3.3 V和1.3 V電壓由EVR產生；

2） 外部使用5 V和3.3 V電源供電，1.3 V電壓由EVR13產生；

3） 所有電源采用外部供電，EVR禁用。

如圖2所示，本文將TC275的HWCFG引腳均外接下拉電阻，使EVR13、EVR33禁用，由外部電源提供微處理器全部所需的5 V、3.3 V和1.3 V電壓，有利于降低其功耗。此外，本文選用英飛凌公司TLE7368?3E電源管理芯片，相比于使用分立元件設計的穩壓電路更加安全可靠。

2.2.2 "時鐘電路

時鐘系統主要通過外部時鐘源倍頻產生高頻的時鐘信號，再通過分頻系數等設置各個模塊不同的時鐘，保證系統各模塊正常穩定工作。

為減少微處理器功耗，本文采用外部時鐘方式，外部晶振提供頻率為20 MHz的穩定時鐘，通過2個10 pF的負載電容連接到微處理器TC275的XTAL1、XTAL2引腳。通過內部的PLL模塊將外部時鐘倍頻為所需的內部時鐘信號；同時PLL還具有失效檢測功能，當外部時鐘異常時向時鐘管理單元發送報警，并將時鐘切換到內部100 MHz的備用時鐘，保證系統安全穩定運行。

2.2.3 "復位電路

微處理器TC275可執行冷復位和熱復位兩種工作模式。其PORST引腳為雙向復位引腳，主要用于外部觸發，可實現雙向復位輸入或輸出。

TC275的PORST引腳和多電源電壓調節芯片TLE7368?3E的電壓監測引腳連接在一起，用于監測TLE7368?3E供給微處理器的電壓是否正常，若出現欠壓或過壓時，PORST引腳會被拉低，使微處理器復位，從而達到保護的目的。同時，該引腳也和DAP調試接口的PORST相連接，便于在調試時使用軟件復位。該引腳需要較大的電流以保持高電平模式，用以抵消來自微處理器的下拉狀態；其有一定值的TTL電平，因此只需2 V以上的電壓便可以使微處理器脫離復位模式[17]，進行正常工作。

2.2.4 "DAP調試電路

微處理器TC275支持OCDS（片上調試系統），通過該系統可以對單片機直接燒寫程序并對MCU進行調試。通常使用UDE調試器對微處理器進行片上調試和實時監控。DAP作為一個標準的單片機調試接口，引腳較少，但性能、魯棒性較高，同時具有邊界掃描功能。

2.3 "信號采集與調理電路

傳感器采集燃料電池系統中供氣溫濕度、壓力、流量和電堆工作溫度、壓力及輸出電壓、負載電流等參量，采集的模擬信號經過調理電路調制解調、電平轉換、濾波及隔離等處理后，調整到微處理器內部A/D轉換模塊的電壓范圍要求。傳感器采集的溫濕度、壓力和流量等信號均為4～20 mA電流信號，經本文設計的信號采集模塊轉換為0～5 V電壓信號，傳輸至微處理器內部A/D轉換模塊，如圖3所示。

圖3中R1為采樣電阻，將傳感器輸入的4～20 mA電流信號轉換為0.4～2 V的電壓信號，采用運算放大器LM324對采集的信號進行處理。U1A部分為差分放大電路，可有效抑制共模信號干擾，提高信號的共模抑制比；U1D部分組成了電壓跟隨器，由R9調節轉換后電壓信號的基準值；U1B部分為減法電路，進一步降低信號抗干擾性能；U1C部分為信號放大電路，控制輸出的電壓信號在5 V范圍內；D1用于輸出電壓鉗位，采集信號異常時可保護微處理器安全運行。

燃料電池系統中電堆輸出電壓、負載電流經過圖4所示電路轉換至微處理器內部A/D模塊的0～5 V電壓范圍。

圖4中電堆輸出電壓采集范圍由電阻R16、R18和R19的阻值決定，如式（1）所示。

[Vmax=VCC·R16+R18R19] " " " （1）

式中：Vmax為電堆輸出電壓的最大值；[VCC]為運放U2的工作電壓。

負載電流由霍爾傳感器U3的供電電壓及其靈敏度決定，轉換成電壓信號，公式如式（2）所示。

[VI=VCC2+IFC·S·10-3] （2）

式中：IFC為負載電流；S為霍爾傳感器U3的靈敏度；[VCC]為U3的工作電壓。

2.4 "低邊驅動電路

低邊驅動電路如圖5所示。通過微處理器輸出的高低電平信號控制驅動電路，進而控制燃料電池系統中電磁閥、繼電器等執行器件動作，防止執行器件過載情況下燒毀微處理器。電路采用光耦PC817作隔離，當微處理器輸出高電平時，三極管Q1導通，光耦工作，進而場效應管Q2導通，驅動電磁閥或繼電器動作。

2.5 "H橋驅動電路

通過調節微處理器輸出PWM的占空比，來控制H橋驅動電路，實現燃料電池系統中對氫氣循環泵、散熱風扇及水泵轉速的實時調節。本文選用英飛凌IR2104驅動芯片，橋臂選用場效應管IRLR7843，其閾值電壓為2.3 V，耐壓值為30 V，連續漏極電流為161 A，完全滿足燃料電池系統相關執行器件的正常穩定運行。

2.6 "通信電路

通信模塊采用RS 485通信，用于燃料電池系統與上位機之間的信息交互。微處理器TC275計算后的溫濕度、壓力、電壓、電流等參量經RS 485通信上傳至上位機進行顯示，上位機經RS 485通信下發相關指令，控制燃料電池系統的運行工況。RS 485通信電路見圖6，本文選用ISO3082作為收發器；R30為匹配電阻，確保通信總線的穩定性并抑制噪聲；R31和R32為偏置電阻，保證總線空閑時UAB大于0.2 V，避免壓差不穩定，導致邏輯混亂。

2.7 "電源管理模塊

燃料電池系統啟動階段由蓄電池供電，待電堆內部溫濕度、壓力等參量達到最佳值之后，微控制器控制繼電器切換系統供電電源，由電堆輸出電壓供燃料電池系統中微控制器、傳感器及執行器件穩定運行。電源管理模塊結構如圖7所示。燃料電池系統中24 V直流電壓由URF1D24HB?250WR3電源模塊供電；±12 V直流電壓由URA2412?LD?60WR3模塊供電；±5 V電壓由URA2405YMD?10WR3模塊供電，為系統安全運行提供穩定的電壓。K1、K2構成“互鎖”關系，確保系統穩定供電；二極管D1、D2分別串聯于電堆輸出和蓄電池輸出端，防止電源切換過程中形成環流而對電源產生干擾。

3 "實驗測試

3.1 "實驗平臺搭建

基于本文設計需求，搭建了3 kW質子交換膜燃料電池發電系統的實驗平臺。該平臺包括空氣供給系統、氫氣供給系統、水熱管理系統及控制系統。并根據上述方案，設計了質子交換膜燃料電池智能控制器與上位機監控系統。上位機監控主界面如圖8所示。

3.2 "測試分析

3.2.1 "RS 485通信波形分析

燃料電池系統與上位機之間的信息交互，是基于ModBus協議的RS 485總線通信實現的，準確的收、發指令是保證燃料電池系統安全穩定運行的關鍵。RS 485通信采用差分信號來傳輸數據，具有較強的抗干擾能力。

上位機讀取燃料電池系統中參數與下發指令的波形如圖9所示。

由圖9可知，RS 485通信收、發數據的電壓參考值為2.6 V，高電平為4.6 V，低電平為0.6 V。無論是讀指令還是寫指令，電壓波動范圍均為±0.2 V，波形的上升時間和下降時間均為36 μs。

3.2.2 "燃料電池輸出特性分析

將該控制器應用于3 kW質子交換膜燃料電池系統中，測試得到PEMFC輸出電壓與功率隨負載電流變化曲線，如圖10所示。

測試過程中，PEMFC的負載電流范圍為0～56 A，設置了15個不同負載電流工況點。

由圖10可知，電堆的空載電壓為80.39 V，隨著負載電的流增加，輸出電壓下降至55 V，輸出功率增加至3 kW，運行穩定。

4 "結 "論

本文通過分析質子交換膜燃料系統控制需求，研發了一種基于英飛凌TC275微處理器的燃料電池控制器，并設計上位機監控界面，實時監測與控制燃料電池系統的運行工況。

相較于單核微處理器，TC275多線程處理更適用于工況復雜的燃料電池系統。將該控制器應用于3 kW的燃料電池發電系統，經驗證其運行穩定可靠，監控性能良好，可精確控制各個運行參數，維持燃料電池系統安全穩定運行。

注：本文通訊作者為王軍。

參考文獻

[1] 張博，孫旭東，劉穎，等.能源新技術新興產業發展動態與2035戰略對策[J].中國工程科學，2020，22（2）：38?46.

[2] ALTAF H T， SHER A K， FARRUKH K， et al. Development and assessment of a thermochemical cycle and SOFC?based hydrogen energy system as a potential energy solution for the peak demand in a sustainable community [J]. International journal of hydrogen energy， 2024， 51： 1382?1389.

[3] YANG B， LI J L， LI Y L， et al. A critical survey of proton exchange membrane fuel cell system control： Summaries， advances， and perspectives [J]. International journal of hydrogen energy， 2022， 47（17）： 9986?10020.

[4] 孫德強，張俊武，吳小梅，等.我國氫能產業發展現狀、挑戰及對策[J].中國能源，2022，44（9）：27?35.

[5] 孫華，戚頔，劉輝，等.Pt基有序金屬間化合物氧還原催化劑研究進展[J].材料科學，2019，9（5）：479?488.

[6] 王小迪，宋珂.車用質子交換膜燃料電池控制策略綜述[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2019，37（6）：992?995.

[7] 文澤軍，楊昀梓，周蘇，等.燃料電池檢測與控制系統開發[J].機電一體化，2017，23（11）：34?37.

[8] 游志宇，劉濤，史青，等.空冷自增濕質子交換膜燃料電池發電控制器設計[J].電工技術學報，2018，33（2）：442?450.

[9] 董超，張安民，李靜嫻.基于STM32F103的燃料電池控制系統設計[J].電源技術，2019，43（6）：975?978.

[10] 韓冬林.基于雙核dsPIC的氫燃料電池控制系統設計[J].電源技術，2020，44（3）：394?396.

[11] 韓冬林，劉藝柱，翟曉晗，等.基于S32K144的燃料電池堆控制系統設計[J].電源技術，2021，45（5）：649?651.

[12] 趙同軍，馬榮澤，紀少波，等.質子交換膜燃料電池控制器硬件設計及應用[J].農業裝備與車輛工程，2022，60（3）：15?19.

[13] 王杰.氫燃料動力電池控制器開發[D].沈陽：沈陽理工大學，2023.

[14] 林瑞.車用燃料電池技術[M].北京：科學出版社，2021.

[15] 英飛凌. Infineon?TC27xD_v2.2用戶手冊[EB/OL].[2020?03?21]. http：//www.infineon.com.

[16] 謝輝，徐輝.英飛凌多核單片機應用技術：AURIXTM三天入門篇[M].天津：天津大學出版社，2017.

[17] 毛本泉.混合動力專用高壓共軌柴油機ECU硬件研究與設計[D].昆明：昆明理工大學，2020.

[18] 雷航偉.氣體擴散層非均勻變形對質子交換膜燃料電池傳輸過程和性能影響的數值分析[D].杭州：浙江科技大學，2024.

[19] 劉明群，孟賢，何廷一，等. 基于徑向基神經網絡的質子交換膜燃料電池智能參數辨識[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2024，49（2）：81?90.