基于DSP的PEMFC模块控制器的设计

2021-10-28张聪，吴骁

船电技术 2021年10期

张聪，吴骁

基于DSP的PEMFC模块控制器的设计

张聪，吴骁

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文研制的10 kW级的PEMFC模块控制器，以微处理器DSP2812为核心，配合昆仑通态触摸屏TPC7062Kx，实现了对PEMFC模块的氢气、氧气、氮气、冷却水以及对外供电的控制和参数检测，并且通过串行通信，实时地显示PEMFC的工作状态，建立了友好的人机操作界面。本文主要阐述了控制器硬件的设计和实现，以及在CCS3.3环境下的软件设计和实现。

DSP PEMFC 控制器

0 引言

随着能源紧缺和环保趋严，新能源需求上升。能量转换效率高、零污染排放的燃料电池越来越受到人们的青睐[1]。

对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)模块，其控制器是关键技术之一。涉及到压力、温度、流量、电流、电压等众多物理量的测量和电磁阀、循环水泵、强电开关等执行器件的控制。

在电堆运行时，控制器要能够根据实际运行状态提供合适的反应温度和相应的反应气，以保证PEMFC模块的可靠性和高效性。

1 系统控制原理和组成

针对高安全性、高可靠性的总体技术要求，进行了10 kW级氢氧燃料电池模块自动控制系统设计。系统组成框如图1所示：

图1 系统组成结构图

所有传感器输出4～20 mA标准信号给控制器，控制器经采集计算，并结合单电压巡检板通过串口发送过来的极值单电压数据，根据工艺流程发出控制信号，经过驱动电路放大驱动各型执行部件动作。控制器还接收外部的紧急按钮输入信号，作为系统紧急停机使用。控制器与触摸屏通过串口通信，实时地显示PEMFC的工作状态。

2 控制器的硬件设计

2.1 控制器总体功能设计

燃料电池系统对安全性能要求比较高，这就要求主控芯片具有高速信号处理能力和实时响应的能力。为了实现对燃料电池的有效控制，采用TI公司的32位定点DSP芯片TMS320F2812作为燃料电池监控单元的主控芯片。

TMS320F2812的主要性能有：晶振为30 MHz，工作时钟频率达150 MHz；含12位16通道的A／D转换模块，具有两个串行通信接口(SCI)，还有改进的局域网络(ECAN)，多达56个独立可编程多用途通用输入／输出(GPIO)引脚[2]。

硬件的设计必须满足监控单元的要求才能实现有效的控制策略。对于监控单元而言，所有的传感器信号都要转换成电信号的形式输入，同时所有的被控制对象也是通过电信号来实现控制功能的。根据电信号的形式把所有需要采集的信号分为：输入模拟量（各种传感器转换成的电信号）、输入输出开关量[3]。

控制器的主要功能电路即主控制器硬件电路，由电源电路、DSP最小系统、外扩RAM电路、AD采样保护电路、电磁阀控制电路、紧急开关输入信号电路、SCI通信电路、CAN通信电路组成。

其中DSP最小系统、外扩RAM电路、SCI通信电路和CAN通信电路都有很成熟的电路设计，可以借鉴开发板的典型设计直接应用。下面具体阐述其他功能模块的设计。

2.2 电源电路设计

控制器外部供电电源为+24 V，1路经过隔离型DC-DC转换为+AVDD5V为控制板上的各元器件供电，另一路经过隔离型DC-DC转换为+AVDD24V，专门给外部传感器供电，这样可以减少外部干扰的引入，使传感器的供电更加稳定。

2.3 AD采样保护电路设计

在监控单元中，被检测的对象如温度、压力、电压、电流等都是连续变化的量，通过相应传感器将它们转换为连续变化的电流（4～20 mA），再选取一个适当阻值的电阻将其转化成0～3 V的电压信号。考虑到工程实践，需留有一定的裕量，经转换后传感器的输入信号限定在0.48～2.4 V，这样取样电阻设置为120 Ω。进入AD采样通道之前再设置一钳位电路，钳位电压为2.5 V，以保证在异常情况下不至于使输入AD通道电压过高而烧毁DSP。

图3 电源电路设计图

图4 AD采样保护电路设计图

2.4 电磁阀控制电路设计

DSP的数字量输出主要用于控制继电器，继电器再控制各种阀的开启和闭合。DSP的IO输出通过电平转换芯片将3.3 V转换为5 V，通过MOS FET继电器与电磁阀相连，只需要改变DSP的输出电平的高低就可以控制阀的开启。MOS FET继电器实现了堪比机械式继电器的低导通电阻，耐压60 V，实现大电流2.3 A开闭，并且输入输出间隔离电压为1500 Vrms，可有效防止外部干扰对DSP的影响。