簇状-树型ZigBee的燃料电池UPS监控系统研究

2016-03-11叶云龙张伟强李伟杰吉高卿

电源技术 2016年4期

关键词：树型恒压底层

叶云龙，张伟强，李伟杰，吉高卿

(1.河北北方学院，河北张家口075000；2.河北建筑工程学院，河北张家口075000)

簇状-树型ZigBee的燃料电池UPS监控系统研究

叶云龙1，张伟强1，李伟杰1，吉高卿2

(1.河北北方学院，河北张家口075000；2.河北建筑工程学院，河北张家口075000)

基于燃料电池控制技术和短距离通信技术，为质子交换膜燃料电池设计了相应的监控系统。该系统采用基于簇状-树型的ZigBee技术构建底层通信结构，采取分区域分层次的数据采集方式，实现了燃料电池UPS系统运行状态的远程显示、监控和数据存储功能。

燃料电池；UPS；监控系统；ZigBee

燃料电池是一种依靠氢和某种氧化物的化学反应产生驱动电能的能源形式，具有将化学能直接转化为电能且废物排放量很低的基本特性，是目前最有前途的绿色能源之一。同时，因为燃料电池有较高的比功率，可适应于较低的工作温度，发电效率高，噪声低等其它特性，广泛用于军事电源、移动电源和车辆电力系统中。燃料电池UPS是采用多个燃料电池堆组成的燃料电池组在不间断电源上的实际应用[1-2]。燃料电池UPS必须具有不间断工作的特性，因此，对燃料电池UPS的运行状态进行实时监测和控制具有重要的意义。

分布式燃料电池UPS监控系统一般有两部分组成，一部分为本地监控单元；另一部分为远程监控单元。本地监控单元的功能是根据监控的需要采集燃料电池UPS的各种运行参数，例如温度、湿度、电压、电流及单个燃料电池堆的温度、燃料进出、电池投入运行与否等参数；远程监控单元利用远程通信技术将本地监控单元所采集的数据输送至远程控制中心，以便实现分布式燃料电池UPS的“遥信、遥测、遥控、遥调”等功能。本文基于燃料电池控制技术和短距离通信技术，为质子交换膜(PEM)燃料电池UPS设计了相应的监控系统，实现了分布式燃料电池UPS系统的本地监控和远程监控。

1 燃料电池UPS概述

燃料电池由阴级、阳极和电解质等部分组成，图1为燃料电池的基本组成结构，基本工作原理是在阳级(负极)上连续供给气态燃料，目前大多数为氢气。而阴极(正极)上则连续供给空气，提取其中的氧气后，在电极上就可连续发生电化学反应，并产生电流。

图1 燃料电池工作原理图

燃料电池具有多种类型，如碱电解质燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PRMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。其中质子交换膜燃料电池可在室温下快速启动，可按照负载的要求快速改变输出功率，具有广泛的应用。以质子交换膜燃料电池为基本单元的分布式UPS，单个结点结构由一个控制器，一个1 kW的质子交换膜燃料电池和一个用作储能单元的超级电容组成，具体结构如图2所示。

图2 分布式质子交换膜燃料电池单个结点结构

2 分布式燃料电池UPS监控系统总体结构设计

分布式燃料电池的底层数据的采集需要依靠一个完善的监控系统完成，该监控系统组成部分主要有：底层运行状态采集模块(包括燃料电池监控模块、电源模块、故障报警模块、能量管理模块、LCD显示模块)、底层处理核心和基于以太网的远程监控单元，具体结构如图3所示。

图3 监控系统总体结构

每个燃料电池UPS单元由一个处理器协调各个模块之间的运行，处理器由ZigBee节点CC2530担任，利用无线射频与分布式核心处理中心组成基于一定网络拓扑结构的无线传感网，分布式核心为该网络的协调器，也由CC2530担任。网络的拓扑结构可以选择星形的(当分布式燃料电池单个节点的个数较少时)，也可以选择簇状-树型结构(当分布式燃料电池单个节点较多时)。独立UPS的核心是处理器。为了采集数据，系统使用了大量传感器；同时，为了实现对系统的控制，单个节点还配置了相应的控制机构，具体结构如图4所示。

图4 单个节点传感器及控制阀

底层处理中心由CC2530担任，该芯片没有数据处理功能，除了维护网络之外，主要功能就是以串口与嵌入式网关相连，将数据通过网关上传至远程服务器。嵌入式网关可以选择32位或64位的ARM芯片担任，主要功能是将底层的ZigBee协议转换为上层的以太网协议。

3 簇状-树型ZigBee底层通信网设计

本设计底层通信网采取簇状-树型结构，以协调器为树根，其他分枝节点为路由器，终端节点为UPS节点。网络的通信采取组播组网，具体代码为：

每个簇对应一种或两种操作，这种操作可能是发送信息的簇，也可能是接收信息的簇，也可以是一路发，一路收。接收信息簇的方法是SampleApp_MessageMSGCB，发送信息簇的方法是SampleApp_SendPeriodicMessage。燃料电池温湿度传感器发送程序为：

4 总结

本系统实现的是对分布式燃料电池UPS电源系统的监测和控制功能，底层数据采集采用的是ZigBee技术，构建了簇状-树型结构。经测试证明，该网络运行稳定，安全性好，可以有效地完成分布式燃料电池UPS运行过程的监控。

[1]高祖昌.分布式燃料电池UPS监控系统的设计与实现[D].成都：西南交通大学，2009：3-5

[2]江海.蓄电池智能在线监测系统的研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007：36-39.

表2 不同控制方案的阶跃响应性能指标

2.2.2 抗干扰性能分析

维持原本的仿真模型及参数不变，在副回路上加一个扰动信号，仿真框图如图6所示。

图6 含有扰动的补充电仿真模型

通过点击手动开关来实现单回路控制系统与串级控制系统的切换，获得单回路恒压补充电控制系统与串级恒压补充电控制系统在含有扰动的情况下所输出的响应曲线，如图7～图8所示。

由图7和图8可知，在副回路受到扰动的情况下，单回路控制系统即使在很长时间内也很难恢复到稳定状态，相反，串级回路控制系统基本不受干扰的影响，依旧保持原本的稳定状态。由此可见，构建的基于串级控制的锂离子蓄电池恒压补充电系统比单回路控制系统存在更好的抗干扰能力。

图7 含扰动的单回路控制系统输出响应曲线

图8 含扰动的串级控制系统输出响应曲线

3 结语

通过实验的仿真以及方案的比较验证，基于反馈思想设计的锂离子蓄电池恒压补充电的方法达到了健康、快速、恒压补充电的目标。建立的恒压补充电模型不仅能够使系统具有较好的动态性能，同时还能对外界的干扰有很强的抵抗能力，达到了稳定恒压补充电的目的。

参考文献：

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[5]尚丽平，王顺利，李占锋.基于SOC的AGV车载蓄电池组主动均衡方法研究[J].电子技术应用，2014，40(6)：67-69，73.

[6]RICHARDSON G，DENUAULT G，PLEASE C P.Multiscale modeling and analysis of lithium-ion battery charge and discharge [J].Journal of Engineering Mathematics，2012，72(1):41-72.

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[8]王顺利，尚丽平，舒思琦.基于等效电路分析的航空锂电池工作特性研究[J].电子技术应用，2015，41(5)：137-140.

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Research of fuel cell UPS monitoring system based on clusters and tree of ZigBee

The corresponding monitoring system for proton exchange membrane fuel cell was designed based on fuel cell control technology and short distance communication technology.The ZigBee technology based on clusters-tree was used to build the underlying communication structure， and the mode of hierarchical data gathering areas was adopted， implementing the remote data display， data storage and monitoring for running status of fuel cell UPS system.

fuel cell;UPS;monitoring system;ZigBee

TM 91

1002-087 X(2016)04-0878-03