基于STM32的PEMFC监控系统设计

摘要： 为了提高燃料电池装置的供电可靠性，本文基于质子交换膜燃料电池电堆，采用高性能、低成本、低功耗的STM32作为控制芯片，模拟了采样电路，设计了一个嵌入式控制方案。该设计采用结构化方案，分为主控器模块和功能子模块两部分，每个模块之间的通信运用控制器区域网络（controller area network，CAN）总线协议，基于labVIEW的设计应用平台，实现了燃料电池的氧气和氢气供应系统以及风冷系统的控制和监测，并以图形化的方式动态显示燃料电池系统的工作状态。实验结果表明，该控制方案提高了质子交换膜燃料电池的供电可靠性，具有可实现性和良好性。该研究具有一定的应用价值。

关键词： 质子交换膜燃料电池； STM32； 采样电路

中图分类号： TM911.4； TP277.2文献标识码： A

通讯作者： 李立伟（1970），男，山东青岛人，工学博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统的智能监测和状态维修，可再生能源接入与智能配电网技术，电能质量调节与控制，高速列车运行监测、控制系统及新能源汽车电控系统开发等。Email： ytllw@163.com随着经济的飞速发展，人们的生活方式发生着重大改变，同时也产生了一系列的环境问题[1]。近年来，我国出现的大面积雾霾天气，让广大人民深受其害，因此实现节能减排刻不容缓[2]。目前，新能源的发展是一个热点问题，它可以替代传统能源，有效防止污染。燃料电池作为一种新型的清洁能源，广泛应用于汽车，船舶，发电等领域，燃料电池的发电技术，是一种清洁高效的能源技术[3]，它将燃料的化学能直接转变成电能，能量转换效率比普通的内燃机和蒸汽机高[4]，现已研发出以工控机为核心的燃料电池自动控制系统[5]。随着科学技术的发展，人们对燃料电池的性能与简洁性提出了更高的要求，燃料电池电堆的体积越来越小，对其控制系统的精度以及体积有了更进一步的要求[6]。虽然国内的燃料电池技术已经有了很大的发展，但因该领域起步较晚，技术上并不完善。基于此，本文对质子交换膜燃料电池设计了电堆的监控系统。该系统采用高性能、低成本、低功耗的STM32芯片作为控制芯片，以保证控制系统的精确性和数据处理的高速性[7]。同时，基于labVIEW的软件设计应用平台，实现燃料电池的氧气和氢气供应系统及风冷系统的控制和监测，并以图形化的方式动态显示燃料电池系统的工作状态。实验表明了该控制方案的可实现性和良好性。

1燃料电池监控系统的设计方案

随着燃料电池技术的日渐成熟，燃料电池的应用越来越广泛，从而对它的监控系统提出了更高的设计要求。该系统采用嵌入式方案进行设计，首先嵌入式系统有强稳定性弱交互性，而且有更好的硬件适应性[8]；其次嵌入式系统可以使设计更简化，使系统的体积与质量达到最小，特别便携[9]。

为了使燃料电池稳定工作，在设计方案中，监控系统要实时测定电堆总电压、电堆总电流、单个电池片的电压、风机的转速、空气以及氢气的压力等参数，同时进行适当调节[10]。燃料电池系统整体结构如图1所示。

该燃料电池的控制系统包括壓力模块、氢气供给模块、电压、电流、温度采样模块，基于STM32的主控制器模块、DCDC转换模块、CAN通讯总线和PC端监控系统。系统整体运用结构化设计，思路清晰，扩展性良好，而且便于升级和维护。监控系统整体结构如图2所示。

2.1电压采样电路

该电池管理系统电压与均衡部分采用Linear公司电池监测芯片LTC6803，该芯片可实现12串单体电池的测量和均衡，保证单体电池充放电的一致性[11]。该电池管理系统使用LTC6803控制外部的被动均衡电路，实现电压采集和均衡电路，电压采集和均衡电路如图3所示。当通道C（n）与C（n-1）采集单体电池电压超过阈值，则判定单体电池BAT（n）过充，此时芯片均衡控制管脚S（n）置低，与外部Q1导通，通过放电电阻R2放电，从而保证电池电压一致性。

2.2电流采样电路

电流采样电路是该系统的重要组成部分之一，因为燃料电池电堆输出的电流大小直接反映了氧气和氢气的反应速率，从而得到系统的整体性能。该系统的电池充放电电流检测是通过高精度霍尔电流传感器采样实现，由于霍尔电流是根据电磁感应原理制成，输出电压仅有几毫伏[12]，因此该系统采用电压放大电路对霍尔传感器的输出电压进行放大[13]。电流采样电路如图4所示。

考虑到电料电池堆的结构、可测量的温度范围以及燃料电池的成本，本系统决定采用铂热电阻作为测量温度的传感器。该系统的温度采集是通过数字式温度传感器DS18B20实现，其相对较小的体积能够满足电池组内部狭小空间测温的要求[14]。该传感器内部集成AD转换器和温度传感器，采用单总线通讯的方案与单片机通讯直接数字化输出和测试。与其他类型温度传感器相比，该传感器测温范围为-55 ℃～125 ℃，精度可达±05 ℃，测温分辨率高达0062 5 ℃，完全满足系统测温需求[15]。温度采样电路如图5所示。

2.4CAN通讯电路

由于燃料电池系统内部的电磁环境较为复杂，对通信抗干扰性要求较高，并且多电池管理单元（battery management unit）的工作模式系统通信带载能力高，因此选择CAN作为系统内部通讯方式[16]。为增强系统的抗干扰性，CAN通讯电路采用隔离式CAN收发器ADM3053。该芯片外围电路的设计简单，芯片内部包含隔离的DC/DC转换器，可减少单片机电路与CAN数据通讯电路之间的电磁耦合[17]。CAN通讯电路如图6所示。

由于电池工作环境比较复杂，电池箱内存在的各种干扰会导致MCU运行故障，使整个系统陷入瘫痪，因此系统需要添加硬件后备电路保护系统运行[18]。该系统硬件保护电路采用的是S8209，带有延迟电路和电压检测电路的充电IC。硬件后备保护电路如图7所示。

3系统软件设计

该监控系统的软件设计部分主要分为STM32的程序设计和上位机的程序设计两部分[19]。STM32的程序设计包括系统的初始化、电堆的温度检测任务、氢气压力检测任务、电堆短路、排气任务和外部负载控制任务[20]。STM32设计流程图如图8所示。使用LabVIEW对上位机进行编程，其流程图如图9所示。

4结束语

本文提出的对质子交换膜燃料电池监控系统的研究方案，以LabVIEW的软件平台为基础，提高整个系统的自动化程度。该监控方案克服了以往燃料电池监控系统精度较低的问题，使燃料电池的效率更高、目标更明确、可以监测更多的点，从而更好的控制，并且清洁无污染，有效的降低了成本。但本方案忽略了在控制过程中STM32控制器受到干扰的问题，这将是下一步研究的重点。

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