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摘要：现代化科学技术发展的脚步非常快,本文针对中科院长春应化所研制的由26片单电池组合而成的百瓦级电堆（如图1），设计了基于AT89S52单片机的多堆直接甲醇燃料电池电源控制系统。为掌握控制对象特性，利用美国ArbinFCTS燃料电池试验平台，在甲醇溶液浓度为1mol/L、溶液流速为0.24L/min、氧气流速为6L/min的条件下对该百瓦级DMFC电堆进行了极化曲线和功率曲线测试，如图2所示。并得出了该电堆输出性能及最佳工作参数，以期为此后自动化电气设计工作提供更多的借鉴依据。
关键词：电堆，电控系统，电压电流信号，温度测控
为使多堆DMFC电池系统在运行中能够适应不同的负载、输出策略需求，需要一套电源管理控制系统对电堆工作状态进行实时监测，根据负载需求以及电堆工作状况对电堆进料速度、燃料浓度、反应温度等参数进行实时控制。系统要求可对DMFC电堆电压信号、电流信号、温度信号、燃料供应信号等的采集，可以实时监测电堆运行状态。控制器实时对电堆工作状态信息进行处理，根据内部控制算法调节电堆进料速度、甲醇浓度、电堆温度、混合供电策略等，使系统输出快速准确的响应负载需求。针对中科院长春应化所研制的百瓦级电堆，本章设计了基于AT89S52单片机的多堆直接甲醇燃料电池电源控制系统，能更好地发挥单个直接甲醇燃料电池性能，提高了整个系统的输出稳定性。系统硬件设计框图如图4所示，主控电路板如图5所示，联合电堆调试实验如图6所示。
作为控制系统的核心部分，控制芯片需具备一定运算能力，不仅可以实现一些常用的控制算法，如：模糊控制、变结构控制等，同时需要满足外围扩展电路以及平台升级的要求。在充分的市场调研以及性能指标考虑之后，决定选用成本低廉但功能强大的ATMELAT89S52芯片。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器和256字节RAM。它使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，片上Flash允许程序存储器在系统可编程(ISP在线编程)，也可以用常规编程器。AT89S52具有32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、三个16位定时器/计数器、1个6向量二级终端结构、全双工串行口、片内经侦及时钟电路，可满足多堆DMFC电源管理系统的控制需求。
二、燃料电池电压电流信号采集处理单元
为电堆输出量采集单元，基本功能要求是对电堆电压电流信号进行采集，然后经AD转换芯片转换为数字信号后送入单片机。本论文所围绕的中国科学院长春应用化学研究所研制的100W级DMFC电堆，电堆的输出电压为直流12V左右，但是在电堆启动阶段电压波动较大，波动范围在8~24V。电堆电流的额定值为直流6~7A，波动范围在0~20A。因此要求电压传感器测量范围不低于30V，电流传感器测量范围不低于20A。AD转换芯片要求具有足够的通道数，并具有与单片机接口简捷、与电压电流传感器相匹配等要求。
经过市场调研，对电压电流信号的采集选用北京森社电子有限公司生产的宇波模块，电压传感器型号为CHS-30VD/V0[12V]，电流传感器型号为CHS-20ADS/V0[12V]，测量范围分别为0~30V和0~20A，输出均为0~5V的电压信号，与其测量范围呈线性比例关系。它由于综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足，因此性能优良。在具体使用时，只需为电流、电压传感器提供12V直流电源，被测电流母线从传感器中穿过或接于原边端子，副边端子再做简单连接，即可完成立电路与控制电路的隔离检测，简化了电路设计。AD转换芯片采用美国德州仪器公司生产的具有11路输入的12位模数转换芯片TLC2543，它使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。其采样率为66kb/s，线性误差+1LSB(max)，可编程的输出数据长度。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源。该芯片具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简捷、性价比高等优点，完全符合本系统对模拟信号采集处理的需求。
电路设计如图7所示，电压电流传感器将电压电流信号(CON12)送入TLC2543进行AD转换，通过单片机的控制经DATAOUT(串行数据输出端)将电堆电量状态信息送入单片机处理。
图7电压及电流信号采集处理电路
三、燃料电池温度测控单元
对电堆采取一定的温度检测与控制措施。温度传感器要求具有高精度、输出可靠、与单片机通信简捷等优点。温度传感器将温度信号送入单片机处理后，对散热风扇进行开关量控制。本节利用单片机控制三极管与继电器组合电路，从而控制散热风扇回路。因为整个系统都是围绕着12V的标准进行设计，因此在选择继电器及散热风扇时均选择12V供电器件。
传统的温度测量手段是利用热电偶、热电阻等模拟温度传感器。这类传感器往往将温度信号转化为模拟信号，经过取样、放大调理后再经过A/D转换后送入控制器中进行处理。不仅电路复杂，而且采集过程易掺杂干扰信号，测量精度不高。通过对温度传感器进行市场调研并结合DMFC电堆这种特殊的使用环境，温度传感器需对甲醇溶液耐腐蚀性强等特点，综合考虑之后决定选用内部采用“一线总线”的数字方式传输的DS18B20温度传感器。DS18B20是美国SALLAS公司生产的可组网数字式温度传感器，它的测量范围为-50℃~+125℃，精度可达0.1℃。它不需要AD转换，采用“一线总线”的数字方式传输，是一种一线制接口器件，仅仅使用1个I/O端口就可与单片机实验双向通讯。大大减少了对单片机IO口的占用，而且外围电路简单，和传统的测温元件相比上提高了抗干扰能力和测量精度，因此被广泛的应用于温度测量。本系统采用宏发继电器HF49F，最大切换电流为5A，最大切换电压30VDC，最大切换功率150W。具有灵敏度高、功耗小、机械耐久性好等优点，满足了系统的要求。
因为多堆电源控制系统是由电堆或者二次电池独立供电，为避免影响到负载输出。因此散热风扇在满足散热要求的前提下需要功率尽可能小，功率一般在5W以下甚至更小，风量一般在~20CFMcubicfootperminute）可满足系统需求。因此在实验调试中选用台湾sunon品牌一款散热风扇GM1255PHV1-A，其风量可达21.1CFM。温度测控电路设计如图5-7所示，T1、T2、T3代表三个电堆温度传感器的数据输入输出总线，温度信号不需AD转换直接送入单片机处理。当温度超过预设值时，单片机控制FAN1端变为高电平使三极管导通，继电器回路闭合，开关K1闭合，风扇导通。
图8温度测控电路
四、燃料电池控制系统供电单元
在电堆运行时，随着甲醇溶液的消耗，甲醇燃料罐中甲醇溶液的浓度会逐渐降低，因此需要根据甲醇消耗情况适时的向甲醇溶液罐中补给纯甲醇以维持甲醇溶液浓度，然后通过甲醇溶液泵将其送入电堆阳极。在系统设计前期器件选型时对工作电压进行了规范，采用5V及12V两种直流电压。12V电压将直接取自电堆与锂电池联合供电结构，而5V电压将采用美国国家半导体公司生产的LM2575稳压集成电路从12V转换而来。它具有外围电路简单、内部保护电路完善等优点。电路设计如图9所示。
图9电压转换电路
结束语
随着传统能源日渐匮乏，燃料电池的研究是当今新能源科研领域的重要课题。进行了联堆实验，对电堆以及负载的电压、电流、功率进行了测试。过程中温度测控单元运行良好，散热风扇可将温度保持在控制器温度预设值。通过多堆电源控制系统的控制，在电堆出现衰减情况时可及时进行电堆切换，避免了电堆衰减造成的影响，负载供电平稳性得到提高。甲醇
燃料电池凭借其独特的优势在便携式移动电源以及车动力电源领域具有广阔的应用前景。本文在目前直接甲醇燃料电池控制系统研究相对较少的背景下，开展了多堆甲醇燃料电池电源控制系统，通过控制器对输入数据的处理，准确的识别电堆工作状况，进而根据多堆协调工作算法以及混合供电策略等对电能输出进行了有效管理，避免了电堆衰减带来的影响，使电能输出更加平稳。
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论文作者:蒋修洋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：甲醇论文; 电压论文; 燃料电池论文; 单片机论文; 信号论文; 温度论文; 电流论文; 《基层建设》2019年第3期论文;