基于dsPIC30F4011的氢燃料电池备用电源综合控制系统的设计

林健一，叶永武

（同济大学 电子与信息工程学院，上海 310018）

0 引言

目前，社会对能源的需求越来越大，对能源的要求也越来越高，如何获取新型的、高效的、绿色无污染的能源将是未来世界发展的主旋律。氢——绿色无污染的能源技术，正被能源界认为是未来能源技术发展的主要方案之一。以氢气为燃料的燃料电池，燃料制取渠道丰富，输出产物除了电能、热能等就为水，对环境无污染，是理想的新型能源。

备用应急电源采用IGBT技术和脉宽调制PWM技术，结合微控制芯片技术控制各高电子集成模块化结构，常作为重要负载的第二或第三电源在市电断电时提供应急电源供应，广泛运用于各个领域，如消防、楼宇电梯、办公室自动化设备等领域。目前备用应急电源普遍采用蓄电池技术，但蓄电池比能量较低，持续供电时间较短，维护成本较高。新型绿色无污染能源技术——氢燃料电池，与传统的蓄电池、内燃机等相比，效率高、无污染、寿命长以及维护简单等优点，优势明显，前景巨大。

基于上述背景，本文设计了一种以dsPIC30F4011微控制芯片为核心的氢燃料电池备用应急电源控制系统。该系统以氢燃料电池为主要备用电源，锂电池为辅助应急电源，实现市电掉电时为负载提供稳定的应急电源供应。

1 原理及架构

一个完整的氢燃料电池包含燃料处理系统、氧化剂处理系统、通风系统、热管理系统以及功率调节系统、自动控制系统等，涉及到传感器技术、氢燃料电池技术、嵌入式计算机技术、检测技术以及自动控制技术等领域，技术综合性极强。将氢燃料电池作为独立于市电的备用电源，需要解决如下问题：①市电掉电监测与系统电源切换以及电源切换时间间隔对系统影响的消除；②燃料电池系统的启动电源设置；③燃料电池本身各项参数的监控；④燃料电池输出电压逆变控制策略；⑤燃料电池自身安全性监控。

图1为氢燃料电池备用应急电源电路原理框架图，本燃料电池备用应急电源系统由燃料电池系统、辅助电源锂电池组、全桥逆变器以及继电器等执行器的驱动控制部分组成。系统工作流程如下：①当市电正常时，继电器J1闭合，负载由市电供电；②当市电断电时，继电器J1断开，J2闭合，此时锂电池输出直流电压，经逆变器逆变获得220V，50Hz的交流电源；同时锂电池作为氢燃料电池的系统启动电源，启动燃料电池；当检测到燃料电池输出端电压正常时，继电器J3闭合，此时蓄电池与氢燃料电池同时为负载提供应急电源供应；当燃料电池输出端的输出电压与功率稳定且与市电匹配时，继电器J2断开，此时负载由氢燃料电池独立提供应急电源供应；③当市电恢复时，继电器J1闭合，J2、J3、J4断开，系统恢复由市电提供电源供应，此时燃料电池停止工作等待下次系统启动，辅助电源锂电池则由市电进行充电。

在该系统中，如果遇到以下极端情况时的处理策略：①高压储氢罐中的氢气耗尽或者不足以提供系统设定的参数值时，警示灯LED闪烁，液晶警示屏显示警示内容，此时系统将切换到由燃料电池与蓄电池一同为负载提供电源供应；②蓄电池耗尽或不足以供应燃料电池的启动电源要求时，切换到由应急交流输出经整流后作为燃料电池的系统电源。

2 系统芯片选型以及关键硬件电路设计

本系统设计指标为：氢燃料电池端电压输出为48～56V的直流电压，经逆变器的得到220V，50Hz，3kW交流输出。在本系统中主要关键电路的设计内容有芯片/器件选型、控制芯片装置的供电电路设计、燃料电池端电压的逆变控制电路、电池堆电气参数监控（以氢气为例）以及RS232通信设计等五个部分。

2.1 芯片/器件选型

（1）蓄电池选取规则。在本系统中，作为辅助应急电源的蓄电池，它主要功能为：提供控制芯片装置供电，以及在系统掉电初期或氢燃料电池燃料不足时对负载提供短暂的电源供应，是一个过渡的辅助应急电源，故在本系统中，锂电池的容量要求可以较小，体积也应较小，供电时间允许较短，综合成本因素，选择参数为48V/20AH锂电池。

（2）微控制芯片选择。本系统采用dsPIC30F4011微控制芯片，它是一种16位非流水线方式的哈佛RISC的芯片，将MCU的特征同DSP的能力结合在一起，在异步事件处理能力、精密仿真、以及外围部件等方面都表现出DSP强大的性能。通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，该结构大大简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件。

2.2 电池堆电气参数与电磁阀等监控 （以氢气为例）

以氢气监控电路为例，电信号经氢气传感器NAP－100AH检测获取后，以单电源方法，经放大、热敏电阻TH1温度补偿采集后传输至dsPIC30F4011芯片的ADC转换器端口。氢气采集电路如图2所示。

2.3 控制芯片装置的供电电路设计

控制芯片的供电电路有两种方案：锂电池组供电和220V，50Hz交流输出经RCC电路调理获取，锂电池组供电优先级高于RCC电源电路。正常情况下由锂电池组经为DC－DC降压变换为控制芯片提供电源供应；当由输出交流为微控制芯片供电时，采用RCC反激式自激开关电源供电，其RCC反激式开关电路如图3所示，该电路经RCC处理后，由M34063芯片组成的降压电路得到高精度的5V电压。

2.4 燃料电池端电压的逆变控制电路

由于本系统有应急电源氢燃料电池和辅助电源锂电池组两个形式直流电源，其输出范围在48～56V之间，可通过全桥逆变器逆变获取220V，50Hz的交流电源，在该部分电路中，需采样备用电源端电压电流值与逆变后的反馈电压电流值，经控制器处理，由输出PWM波控制全桥中的IGBT器件开通/关断，最终得到稳定的220V，50Hz的交流输出。

2.5 RS232通信

重要负载设备如电梯设备，在其市电掉电而由燃料电池供电时，电梯设备的实时运行状态尤为重要。设计一条通信电路，将掉电情况下负载设备的运行状况如电机转动速度、启动信号等参数传送到微控制芯片，以便备用应急电源系统做出高效率的调整，使系统更具智能化。系统硬件整体框架如图4所示。

图4 系统硬件框架图

3 软件流程

系统工作于三种供电模式：①市电正常供电；②辅助电源与燃料电池共同供电；③燃料电池独立供电。不同供电模式下，系统任务各不相同：市电正常供电时，只要保证锂电池组电池是否充电完毕和燃料电池储氢罐的安全性；辅助电源跟燃料电池共同供电的情况是市电掉电初期在燃料电池供电不足时与燃料电池储氢罐燃料不足两种情况，故此时需要监测燃料电池内的各个参数值以及端电压逆变器中的输入电气参数；燃料电池独立供电工作于燃料电池燃料充足且市电未恢复下，系统能输出稳定的市电电源。三种供电模式工作策略如下：微控制器复位上电，系统自检，当市电正常时，工作于供电模式一，负载由市电供电；当市电掉电时，继电器J1断开，J2闭合，辅助电源锂电池给负载供电，同时启动燃料电池，闭合继电器J3，燃料电池堆反应也为负载供电，此时工作于供电模式二；当燃料电池可以提供稳定可靠的所需交流电源是，断开继电器J2，负载由燃料电池供电，工作于供电模式三。市电恢复，继电器J2、J3断开，J1闭合，系统恢复到工作模式一。若燃料电池供电不足时，蓄电池也参与供电。三种供电模式工作原理如图5所示。

除了电源工作模式策略方案软件的实现外，还需保证氢气供应系统的安全性。其安全性监控软件流程如图6所示。

图5 系统工作流程图

4 结束语

本文设计了基于dsPIC30F4011微控制器的氢燃料电池备用应急电源系统，该系统解决了传统备用应急电源转换效率低、电源切换时间较长、供电时间较短，以及其反应后残留物对整个电梯系统本身腐蚀等问题，系统本身对氢气罐的安全性进行了实时监测，保证了该备用应急电源运用于楼宇电梯等领域中的安全性，具有广泛的应用前景。在后期开发中，可以采用Ethernet等技术对该备用应急电源的有效性进行远程联网监控，进一步实现了系统的智能化、网络化。

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