质子交换膜燃料动力锂离子电池控制器的设计

质子交换膜燃料动力电池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。它的重要功能是持续以高质量的功率供给负载。一个高性能燃料动力电池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，低容量燃料动力电池产品将在工业领域和国内市场进一步上升。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质子交换膜燃料动力电池系统中。

1质子交换膜燃料动力电池的工作原理

质子交换膜燃料动力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，出现水和热。原理图如图1所示，电极上的各化学反应如下：

2燃料动力电池控制器的硬件设计

硬件的设计首先必须满足系统的要求才能实现有效的控制。由于燃料动力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。燃料动力电池控制器重要由以下几个部分组成[4]：燃料动力电池系统的主控制单元、燃料动力电池堆的电压检测单元、监控模块单元和显示模块。燃料动力电池控制器结构框图如图2所示。

主控制单元作为控制系统的核心，其重要功能是：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

本次燃料动力电池控制系统采取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20MHz，片内具有8KB快速Flash程序存储器、368B数据存储器、256BEEpROM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。

2.2A/D采集模块

在燃料动力电池发电系统中，温度、压力、电压、电流等被检测的对象都是持续变化的量，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持续变化的电压或电流。模数转换器ADC的用途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燃料动力电池控制器的软件设计

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。

3.2模块子程序

燃料动力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。燃料动力电池控制器模块的软件设计按照功能重要划分为初始化、A/D采样、控制方法、通信执行四部分。初始化是燃料动力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，例如读入燃料动力电池温度、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。控制方法包括了三部分内容：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。