燃料電池發動機二次開發控制系統的設計與實現

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有能量高、噪音小、無污染、零排放和能量轉換效率高等特點，適合做電動汽車的動力能源。各國政府、企業和科研機構都致力于研究質子交換膜燃料電池電動汽車，而燃料電池發動機作為其核心目前處于突破前期，正在成為新的研發熱點。然而，許多研究都僅僅著重于改善燃料電池堆的性能，對控制系統的研究則相對較少。傳統的控制系統是根據特定的發動機特點而設計的，其固定的控制策略、線路接口以及運行參數在很大程度上限制了控制功能的擴展，無法滿足用戶對控制系統的使用與開發需求，而系統軟件在維護中也因不斷被修改而退化。鑒于此，本文提出并設計了一種新型的燃料電池發動機控制系統，在滿足所有控制目標的同時還具備二次開發升級、多種控制策略可選等功能，大大提高了控制系統的靈活性和適應性，并取得了良好的控制效果。

系統結構

　　燃料電池發動機二次開發控制系統的系統結構按其功能可分以下幾部分：上位機配置終端、可軟配置控制器、燃料電池電堆、氫氣供給系統、空氣供給系統、增濕系統、冷卻水管理系統、安全報警系統以及通訊監控系統，如圖1所示。燃料電池發動機以上位機作為軟配置終端，以控制器為控制和協調中心，以燃料電池電堆為發動機的核心，進入電堆的氫氣和氧氣在一定的條件下反應，產生電能和水。上位機配置終端可以選擇不同的控制策略，也能對控制器進行二次開發升級；氫氣供給系統負責給電堆提供一定壓力和流量的純凈氫氣；空氣供給系統向電堆提供足夠的空氣用于反應；增濕系統負責向電堆提供適當的濕度以便于提高反應效率；冷卻水管理系統主要將電堆發出的多余熱量通過循環去離子水帶出電堆并通過冷卻器散熱，使電堆處于高效的反應條件下工作；安全報警系統通過實時檢測電堆工作過程中的各種狀態和參數，在故障出現時及時發出報警信息；通訊監控系統可實時顯示當前的各種物理數據和運行狀態，并可將所需數據記錄下來以便研究分析。

二次開發升級機制

　　燃料電池發動機二次開發控制系統的一個特點是可以在線升級。已有統計資料表明控制系統的完善性和適應性維護工作量占其生存期工作量的70%左右。被動地去維護和修改在生命期中發生需求變化的控制系統進而重新燒寫甚至設計控制器，其花費較為昂貴。燃料電池發動機控制系統是一個內部結構可以重新配置、控制參數可以不斷調節以滿足硬件環境的控制系統，按其升級的功能可分為控制器端口升級和參數升級。

控制器

　　控制器在設計時就充分考慮到可能發生變化的各種因素，主程序只保留主要框架，所有可變信息都單獨存貯在專門的模塊中。上位機配置終端負責選擇系統運行策略以及將各種升級信息配置到控制器中，一旦系統需要升級，用戶可以在不了解控制程序的情況下進行簡單操作，大大縮短了控制器的開發周期，提高了系統的適用性與可操作性。

　　如圖2所示，控制器主要由一個微處理器（DSP）、看門狗模塊、電源監控模塊、軟配置模塊、信號調理與模數轉換模塊、數模轉換電路、I/O模塊、SCI和CAN通訊模塊等部分組成。上位機配置終端采用VB軟件設計，集成了升級配置系統與數據監控系統，既可進行軟配置升級也可實時顯示和記錄數據，與DSP間采用485通訊。軟配置模塊采用EEPROM來接收和貯存來自上位機的升級信息，通過SPI與DSP進行通訊。控制器通過接口連接了外部的各種模擬信號和數字信號，模擬信號包括電壓、電流、壓力、流量、溫度、濕度等，數字信號包括了各種電磁閥和繼電器等。該控制器實現了控制系統的模塊化和微型化設計，具有高靈活性、高可靠性、高抗干擾性、高速信號處理能力以及二次開發升級的先進性。

控制器端口升級

　　控制器在硬件上設置了很多控制端口，例如，模數轉換模塊連接了多種A/D采樣端口，數模轉換模塊的D/A端口同時對幾個風機進行控制，I/O模塊通過I/O端口控制繼電器的開合以及接收氫氣報警信息，這些連接到控制器的硬件端口都是可以進行軟配置升級的。當燃料電池發動機控制系統的各子系統或電堆進行測試整改時，某些線路與控制器端口的連接不免要發生變化，這時，通過上位機配置終端就可以方便地調整控制器的內部接口設置，使控制器快速地適應新的硬件要求。

　　如圖3所示，A/D采樣是信號的主要輸入通道，采集的信號如氫氣進出堆壓力、電堆的電壓電流、風機電流、進出堆溫度、冷卻水和增濕水的水位流量等；I/O端口主要指DSP的數字量輸入及輸出，輸出量通過控制繼電器進而控制各種電磁閥、水泵、電機的開關，如充電負載開關、氫氣氮氣尾氣閥、增濕水泵以及氫氣循環泵等；I/O輸入量則包括多個氫氣報警器的開關信號；數模轉換模塊則將DSP輸出的數字量轉化為模擬量控制風機，每一個D/A控制一個風機，輸出量的大小決定了風機轉速的快慢。當硬件端口由于電堆移位、電路重組等發生變化時，通過上位機終端對端口的重新配置可以使控制系統在免編程的情況下與新的硬件要求保持同步更新。

參數升級

　　燃料電池發動機控制系統常用的參數包括了各類控制參數、安全參數以及不同傳感器的標定參數等。其中，控制參數包括開關機流程控制、風機功率控制、增濕水流量控制、尾氣排放控制等；安全參數包括各類報警參數、電堆保護參數（自關機、降載）、保護延時參數等；各類傳感器如電壓、電流、水位、壓力等傳感器。傳感器是A/D采樣的重要渠道，控制器中集成了對各種傳感器采樣初值的計算轉換參數，參數中包含了傳感器的量程、信號類型等，但當傳感器損壞、需要更換時，控制器中的計算參數也要相應調整。實驗證明，各類參數的合理配置可以及時重組整個控制系統的控制策略，能更加安全、可靠地實現燃料電池發動機的最優凈功率輸出。

　　例如，在自關機條件中，電堆的溫度、氫氣的壓力、風機電流等都是影響正常工作的重要因素，一旦超出允許范圍控制系統就會執行自關機指令，當電堆性能升級時，電堆所能承受的工作范圍相應變廣，這時可通過上位機配置新的自關機條件使控制器得到相應的配置升級。

二次開發升級實現策略

　　上位機將配置信息傳送到控制器中，控制器判斷識別后將信息分類并分區保存在軟配置模塊的EEPROM中，然后由DSP主程序從EEPROM中已分類好的固定地址中調用。上位機在配置升級信息時就相當于改變數據在EEPROM中的存貯順序或大小。本系統采用的EEPROM空間大小為64kB，每頁數據存儲區有32個字節（0x0000-0x0031），可以存貯256頁(0x0000-0xFF00)，每一頁可以存貯一種配置信息。

（1）射映模型

　　在控制器端口的配置升級過程中，上位機配置終端和控制器軟配置模塊對各個硬件端口的協同定義構成了一個映射模型（如圖4）。所謂的映射模型可以抽象成這樣的一個函數映射，即f：x→y，其中x和y是兩個構件集合，在這里可以表示為控制器硬件端口序號及其實際應用功能， f是x到y的一個映射，是可變的，該映射關系通過EEPROM為媒介得以表現并保存。上位機每發送一次新的端口配置， f就改變一次，新的硬件端口功能也相應改變。例如，原來的控制器第一路A/D接口初始設置為“采集進堆溫度信號”，第二路A/D設置為“采集出堆溫度信號”，“第一路”和“第二路”就是映射模型中的x，表示這是在控制器上的硬件端口序號；而“進堆溫度”和“出堆溫度”則是上位機所要配置的 y，表示端口的實際應用功能；而f則把兩者關聯起來，表示了x到y的映射關系。當上位機將這兩路A/D接口交換配置時，f也相應發生變化，配置的結果就是“第一路”A/D端口變成“采集出堆溫度信號”，“第二路”A/D端口則變成“采集進堆溫度信號”了。

（2）執行引摯

　　上位機完成了對控制器的配置工作后，在軟配置模塊中各個升級信息的映射模型也就相應建立完畢，這時DSP再通過執行引摯將各個映射模型調用到主程序相應的程序模塊中。執行引擎是一個比表示配置信息的映射模型更高一級的映射模型，同理也可以把它抽象成一個函數映射f：x→y，在這里，x是指軟配置模塊中的升級信息映射模型，如A/D端口映射模型、I/O端口映射模型、自關機條件映射模型、傳感器標定映射模型等；而y則是主程序中執行這一部份升級信息的程序模塊， f則完成相應映射模型到程序執行模塊的映射。

多性能協調控制策略

　　燃料電池發動機二次開發控制系統的另一個特點在于其控制策略的多樣性。傳統的控制系統對于單個控制對象而言通常只有一種控制策略，在控制過程中無法滿足用戶或功能擴展的需求，有時為了滿足不同的控制目標而不得不重新燒寫程序甚至重新設計控制器。如圖5所示，本系統通過上位機軟切換控制器中集成的策略庫，可以方便地使用多種不同的控制策略對燃料電池發動機進行控制。可供選擇的控制策略有系統全局正常運行協調控制策略、系統局部正常運行協調控制策略以及系統局部故障運行協調控制策略。多種控制策略的備選在很大程度上滿足了控制系統的不同需求，其操作簡易，人機對話友好。

結論

　　本文根據燃料電池發動機二次開發系統的功能需求，設計了可供軟配置的控制器以及相應的二次開發升級機制，控制器實現了對內部端口結構以及控制系統運行參數的二次開發升級。本文還提出了燃料電池發動機控制系統多性能協調控制策略，并對其在該控制系統中的應用進行了初步探索。實踐表明，該控制系統運行狀況穩定、可靠，并獲得了良好的控制效果。