燃料電池發(fā)動機二次開發(fā)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

質(zhì)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量高、噪音小、無污染、零排放和能量轉(zhuǎn)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(yè)和科研機構(gòu)都致力于研究質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車，而燃料電池發(fā)動機作為其核心目前處于突破前期，正在成為新的研發(fā)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(tǒng)的研究則相對較少。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是根據(jù)特定的發(fā)動機特點而設(shè)計的，其固定的控制策略、線路接口以及運行參數(shù)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(tǒng)的使用與開發(fā)需求，而系統(tǒng)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(shè)計了一種新型的燃料電池發(fā)動機控制系統(tǒng)，在滿足所有控制目標(biāo)的同時還具備二次開發(fā)升級、多種控制策略可選等功能，大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，并取得了良好的控制效果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池發(fā)動機二次開發(fā)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻水管理系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)以及通訊監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。燃料電池發(fā)動機以上位機作為軟配置終端，以控制器為控制和協(xié)調(diào)中心，以燃料電池電堆為發(fā)動機的核心，進(jìn)入電堆的氫氣和氧氣在一定的條件下反應(yīng)，產(chǎn)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(jìn)行二次開發(fā)升級;氫氣供給系統(tǒng)負(fù)責(zé)給電堆提供一定壓力和流量的純凈氫氣;空氣供給系統(tǒng)向電堆提供足夠的空氣用于反應(yīng);增濕系統(tǒng)負(fù)責(zé)向電堆提供適當(dāng)?shù)臐穸纫员阌谔岣叻磻?yīng)效率;冷卻水管理系統(tǒng)主要將電堆發(fā)出的多余熱量通過循環(huán)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(yīng)條件下工作;安全報警系統(tǒng)通過實時檢測電堆工作過程中的各種狀態(tài)和參數(shù)，在故障出現(xiàn)時及時發(fā)出報警信息;通訊監(jiān)控系統(tǒng)可實時顯示當(dāng)前的各種物理數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，并可將所需數(shù)據(jù)記錄下來以便研究分析。

二次開發(fā)升級機制

燃料電池發(fā)動機二次開發(fā)控制系統(tǒng)的一個特點是可以在線升級。已有統(tǒng)計資料表明控制系統(tǒng)的完善性和適應(yīng)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(fā)生需求變化的控制系統(tǒng)進(jìn)而重新燒寫甚至設(shè)計控制器，其花費較為昂貴。燃料電池發(fā)動機控制系統(tǒng)是一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以重新配置、控制參數(shù)可以不斷調(diào)節(jié)以滿足硬件環(huán)境的控制系統(tǒng)，按其升級的功能可分為控制器端口升級和參數(shù)升級。

控制器

控制器在設(shè)計時就充分考慮到可能發(fā)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(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)運行策略以及將各種升級信息配置到控制器中，一旦系統(tǒng)需要升級，用戶可以在不了解控制程序的情況下進(jìn)行簡單操作，大大縮短了控制器的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)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(jiān)控模塊、軟配置模塊、信號調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)計，集成了升級配置系統(tǒng)與數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，既可進(jìn)行軟配置升級也可實時顯示和記錄數(shù)據(jù)，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(jìn)行通訊?？刂破魍ㄟ^接口連接了外部的各種模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號包括電壓、電流、壓力、流量、溫度、濕度等，數(shù)字信號包括了各種電磁閥和繼電器等。該控制器實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的模塊化和微型化設(shè)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(fā)升級的先進(jìn)性。

控制器端口升級

控制器在硬件上設(shè)置了很多控制端口，例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接了多種A/D采樣端口，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的D/A端口同時對幾個風(fēng)機進(jìn)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(jìn)行軟配置升級的。當(dāng)燃料電池發(fā)動機控制系統(tǒng)的各子系統(tǒng)或電堆進(jìn)行測試整改時，某些線路與控制器端口的連接不免要發(fā)生變化，這時，通過上位機配置終端就可以方便地調(diào)整控制器的內(nèi)部接口設(shè)置，使控制器快速地適應(yīng)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(jìn)出堆壓力、電堆的電壓電流、風(fēng)機電流、進(jìn)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(shù)字量輸入及輸出，輸出量通過控制繼電器進(jìn)而控制各種電磁閥、水泵、電機的開關(guān)，如充電負(fù)載開關(guān)、氫氣氮氣尾氣閥、增濕水泵以及氫氣循環(huán)泵等;I/O輸入量則包括多個氫氣報警器的開關(guān)信號;數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊則將DSP輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量控制風(fēng)機，每一個D/A控制一個風(fēng)機，輸出量的大小決定了風(fēng)機轉(zhuǎn)速的快慢。當(dāng)硬件端口由于電堆移位、電路重組等發(fā)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(tǒng)在免編程的情況下與新的硬件要求保持同步更新。

參數(shù)升級

燃料電池發(fā)動機控制系統(tǒng)常用的參數(shù)包括了各類控制參數(shù)、安全參數(shù)以及不同傳感器的標(biāo)定參數(shù)等。其中，控制參數(shù)包括開關(guān)機流程控制、風(fēng)機功率控制、增濕水流量控制、尾氣排放控制等;安全參數(shù)包括各類報警參數(shù)、電堆保護參數(shù)(自關(guān)機、降載)、保護延時參數(shù)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(zhuǎn)換參數(shù)，參數(shù)中包含了傳感器的量程、信號類型等，但當(dāng)傳感器損壞、需要更換時，控制器中的計算參數(shù)也要相應(yīng)調(diào)整。實驗證明，各類參數(shù)的合理配置可以及時重組整個控制系統(tǒng)的控制策略，能更加安全、可靠地實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機的最優(yōu)凈功率輸出。

例如，在自關(guān)機條件中，電堆的溫度、氫氣的壓力、風(fēng)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(tǒng)就會執(zhí)行自關(guān)機指令，當(dāng)電堆性能升級時，電堆所能承受的工作范圍相應(yīng)變廣，這時可通過上位機配置新的自關(guān)機條件使控制器得到相應(yīng)的配置升級。

二次開發(fā)升級實現(xiàn)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(qū)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(diào)用。上位機在配置升級信息時就相當(dāng)于改變數(shù)據(jù)在EEPROM中的存貯順序或大小。本系統(tǒng)采用的EEPROM空間大小為64kB，每頁數(shù)據(jù)存儲區(qū)有32個字節(jié)(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(xié)同定義構(gòu)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(shù)映射，即f：x→y，其中x和y是兩個構(gòu)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(yīng)用功能， f是x到y(tǒng)的一個映射，是可變的，該映射關(guān)系通過EEPROM為媒介得以表現(xiàn)并保存。上位機每發(fā)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(yīng)改變。例如，原來的控制器第一路A/D接口初始設(shè)置為“采集進(jìn)堆溫度信號”，第二路A/D設(shè)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(jìn)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(yīng)用功能;而f則把兩者關(guān)聯(lián)起來，表示了x到y(tǒng)的映射關(guān)系。當(dāng)上位機將這兩路A/D接口交換配置時，f也相應(yīng)發(fā)生變化，配置的結(jié)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(jìn)堆溫度信號”了。

(2)執(zhí)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(yīng)建立完畢，這時DSP再通過執(zhí)行引摯將各個映射模型調(diào)用到主程序相應(yīng)的程序模塊中。執(zhí)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(shù)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(guān)機條件映射模型、傳感器標(biāo)定映射模型等;而y則是主程序中執(zhí)行這一部份升級信息的程序模塊， f則完成相應(yīng)映射模型到程序執(zhí)行模塊的映射。

多性能協(xié)調(diào)控制策略

燃料電池發(fā)動機二次開發(fā)控制系統(tǒng)的另一個特點在于其控制策略的多樣性。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)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(biāo)而不得不重新燒寫程序甚至重新設(shè)計控制器。如圖5所示，本系統(tǒng)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(fā)動機進(jìn)行控制?？晒┻x擇的控制策略有系統(tǒng)全局正常運行協(xié)調(diào)控制策略、系統(tǒng)局部正常運行協(xié)調(diào)控制策略以及系統(tǒng)局部故障運行協(xié)調(diào)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(tǒng)的不同需求，其操作簡易，人機對話友好。

結(jié)論

本文根據(jù)燃料電池發(fā)動機二次開發(fā)系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計了可供軟配置的控制器以及相應(yīng)的二次開發(fā)升級機制，控制器實現(xiàn)了對內(nèi)部端口結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)運行參數(shù)的二次開發(fā)升級。本文還提出了燃料電池發(fā)動機控制系統(tǒng)多性能協(xié)調(diào)控制策略，并對其在該控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。實踐表明，該控制系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定、可靠，并獲得了良好的控制效果。