摘 要： 介紹了基于嵌入式PIC16F876A-I/SP芯片的質子交換膜燃料電池控制器的軟硬件的設計，該控制器很好地改善了燃料電池的輸出性能。實驗結果表明，設計的質子交換膜燃料電池控制器不僅具有保護反應堆和蓄電池等功能，并可以在多變的環境下保持燃料電池的高度可靠性和穩定性。其性能基本達到預期指標。
關鍵詞： 燃料電池；主控芯片；控制器
質子交換膜燃料電池系統是一種功率調節設備，已廣泛應用于電腦、醫療/生命維持系統、電信、工業控制等領域。它的主要功能是持續以高質量的功率供給負載。一個高性能燃料電池系統應該有一個線性和非線性負載的較低總諧波失真、效率高、可靠性好、突發電網故障和負載改變時的快速瞬態響應的凈輸出電壓[1]。伴隨著個人電腦和互聯網的普及，低容量燃料電池產品將在工業領域和國內市場進一步增長。由于國際市場的高度競爭，許多先進的技術，例如更高的功率密度、更高的效率、智能化控制被應用在質子交換膜燃料電池系統中。
1 質子交換膜燃料電池的工作原理
質子交換膜燃料電池由一個負充電電極(陽極)、一個正充電電極(陰極)和一個電介質膜組成[2]。氫氣在陽極氧化，氧氣在陰極還原。質子通過電解質膜從陽極傳送至陰極，電子經外部電路負載傳送。在陰極上，氧氣與質子和電子發生反應，產生水和熱。原理圖如圖1所示，電極上的各化學反應如下：
2 燃料電池控制器的硬件設計
硬件的設計首先必須滿足系統的要求才能實現有效的控制。由于燃料電池控制系統的組成比較復雜，采用單一的控制單元實現所有的功能存在連線復雜、控制單元負載率過高等缺點。因而可以根據實現功能和安裝位置的不同進行功能模塊劃分，實現分布式控制。燃料電池控制器主要由以下幾個部分組成[4]：燃料電池系統的主控制單元、燃料電池堆的電壓檢測單元、監控模塊單元和顯示模塊。燃料電池控制器結構框圖如圖2所示。
主控制單元作為控制系統的核心，其主要功能是：接收其他功能模塊的數據，對發電系統的工作狀態做出判斷，根據當前發電系統的工作參數控制其工作在最佳狀態。
2.1 主控芯片
本次燃料電池控制系統采取PIC16F876A-I/SP作為主控芯片[5]，該芯片采用的是哈佛結構，其工作頻率可達20 MHz，片內具有8 KB快速Flash程序存儲器、368 B數據存儲器、256 B EEPROM數據存儲器。其內部包含2個模擬比較器，3個計時器，5輸入通道的10位模數轉換器。指令系統只有35個指令，通過外擴DAC芯片可以輸出模擬電壓或電流，進而實現對鼓風機和水泵的轉速控制。
2.2 A/D采集模塊
在燃料電池發電系統中，溫度、壓力、電壓、電流等被檢測的對象都是連續變化的量，通過溫度傳感器、壓力傳感器、電壓傳感器、電流傳感器將它們轉換為連續變化的電壓或電流。模數轉換器ADC的作用就是將這些模擬電壓或電流轉換成計算機能識別的數字量。
2.3 保護與抗干擾
電路故障檢測由主控芯片和比較電路來完成。監測到故障后，由主控芯片發出信息給蜂鳴器報警，同時切斷DC-DC模塊開關，保護系統電路。電路中強電、弱電信號并存，為提高系統的抗干擾能力，在DC-DC模塊、電磁閥與單片機之間進行光電隔離，以確保電路的穩定性。
3 燃料電池控制器的軟件設計
3.1 主程序
主程序的功能是完成系統初始化(包括各工作寄存器清零、開中斷等)、工作狀態判斷以及合理調用各個子程序來實現系統的有效控制[6]。主程序流程圖如圖3所示。
3.2 模塊子程序
燃料電池控制器程序采用結構化模塊程序設計的方法，各模塊分別編程，使整個程序清晰明了，方便程序設計與代碼的編譯調試。燃料電池控制器模塊的軟件設計按照功能主要劃分為初始化、A/D采樣、控制方案、通信實施四部分。初始化是燃料電池控制器初始運行的一部分，負責初始化各種參數。A/D采樣是對各模擬量進行采集并轉換成數字量，例如讀入燃料電池溫度、氫氣入口壓力值、DC/DC出口電壓及電流值，供主控芯片處理，并將這些值傳給顯示子程序及相應子程序，進行顯示和報警等。所以在程序的編寫上就比較復雜，不過按要求配置好各個A/D模塊的控制器，經過觸發就可以從相應的結果寄存器中讀出A/D的值。控制方案包括了三部分內容：電池工作狀態的確定、相對應的工作流程(掃描、啟動、工作、關機)、安全信號的檢測。通信模塊可以實現對風機與水泵的控制。溫控程序流程圖如圖4所示。
4 燃料電池控制器實驗結果
實驗裝置由質子交換膜燃料電池、鉛酸蓄電池和數據采集系統組成。燃料電池和蓄電池為負載供電，數據采集系統用來記錄必要的信息。所有物理參數，如質子交換膜燃料電池堆和蓄電池的電流與電壓、反應物的氣體流量、流場的壓降、空氣和氫氣相對濕度和溫度通過數據采集系統被記錄。
隨負載的增加，質子交換膜燃料電池堆溫度將上升。由于溫度控制器的調整，電池堆的溫度將保持在50℃~60℃，如圖5和6所示。一般來說，更高的操作溫度是令人滿意的，因為其減少質量運輸限制和增加電化學反應率，但同時，由于水蒸氣的增加，更高的溫度可能導致增加質量運輸損失。因此，實驗中電池堆的溫度被控制在50℃~60℃，以保持水分平衡，減少了內部阻力或歐姆損失的影響。
實驗結果表明，當外部的負載突然改變時，氫氣不能被快速提供給質子交換膜燃料電池堆。當UPS負載突然變化，例如，從60 W到210 W，質子交換膜燃料電池堆的輸出電壓迅速下降并使UPS關閉，因此，這個結果會使氫氣和空氣匱乏并可能毀掉質子交換膜燃料電池堆。為了能夠為外部負載供應足夠的功率并且保護質子交換膜燃料電池堆，混合UPS系統采用鉛酸蓄電池，以防止質子交換膜燃料電池的過度使用和為外部負載提供穩定的電源。如圖7所示，在正常情況下質子交換膜燃料電池堆可長時間供應UPS電源，當UPS負載急劇變化或氫氣被凈化，燃料電池控制器可以在質子交換膜燃料電池和蓄電池之間切換。
實驗的結果已經證明了所設計的控制器監控方案與傳統的質子交換膜燃料電池系統相比可以更好地工作。智能綜合控制的主要優勢是它可以解決燃料與空氣的匱乏、膜嚴重侵水或干燥等問題對于一個質子交換膜燃料電池性能影響。它完成了對不同負載功率的適應性控制，提高了穩定性、功率效率和可靠性。
參考文獻
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