基于USB通信的PEMFC內(nèi)阻在線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小君，陳啟宏

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430070)

燃料電池是一種通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為低壓直流電的裝置，燃料電池內(nèi)阻是衡量電子和質(zhì)子在電極內(nèi)傳輸難易程度的主要標(biāo)志，也是決定電堆發(fā)電效率的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)測(cè)試內(nèi)阻可以為控制內(nèi)阻(減小內(nèi)阻)、提高發(fā)電效率奠定基礎(chǔ)。因此在燃料電池的發(fā)展與研究中，內(nèi)阻測(cè)試具有非常重要的地位。

燃料電池本身是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合、具有純滯后和不可測(cè)擾動(dòng)的時(shí)變系統(tǒng)［1］，在實(shí)際分析電池性能中，內(nèi)阻值是很難準(zhǔn)確測(cè)量的，在線實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)阻也就更加重要。因此，筆者在以TMLM3S5749高性能ARM處理器為主控制器的高精度程控交流激勵(lì)源及采樣處理單元的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用USB通信接口完成采樣單元與上位機(jī)的通信，以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套燃料電池內(nèi)阻在線測(cè)試的上位機(jī)軟件。經(jīng)投入樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該軟件能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)內(nèi)阻值的檢測(cè)、曲線顯示、保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢、手動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)和讀入歐姆內(nèi)阻曲線等功能，具有響應(yīng)速度快、故障診斷能力良好和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

燃料電池本身是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)電源，從工程電路分析的角度出發(fā)，還可以把燃料電池作為基本電路電源模型來(lái)分析，實(shí)際電源可以等同于一個(gè)理想電壓源與一個(gè)實(shí)際電源的廣義電阻串聯(lián)的形式［2-3］，其等效電學(xué)模型如圖1所示。

圖1 燃料電池等效電學(xué)模型

這種廣義內(nèi)阻的電學(xué)模型分為活化極化內(nèi)阻、歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。測(cè)量電池兩端的交流電壓VAC、通過(guò)電池的交流電流IAC，以及它們的相位差α，則可得到歐姆內(nèi)阻，其計(jì)算公式如下:

將在交流電源頻率為1 Hz時(shí)測(cè)得的內(nèi)阻減去α為0時(shí)的歐姆內(nèi)阻，就可得到極化內(nèi)阻。只要在該電學(xué)模型的兩端加上交流激勵(lì)源，測(cè)得不同頻率下的電池兩端的交流電流和電壓，系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)當(dāng)前燃料電池輸出電流狀態(tài)自動(dòng)控制交流激勵(lì)源輸出信號(hào)頻率及幅值，并通過(guò)頻率自尋優(yōu)尋找電流電壓相位差為零的交流信號(hào)頻率，計(jì)算得到燃料電池歐姆內(nèi)阻［4-6］;采用底層測(cè)控網(wǎng)絡(luò)主控制器嵌入內(nèi)阻在線測(cè)試算法，分析從檢測(cè)板發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，則可計(jì)算得到當(dāng)前工作點(diǎn)下的燃料電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻［7-8］。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖包含程控交流激勵(lì)源、采樣單元、底層測(cè)控單元和上位機(jī)處理單元，如圖2所示。

圖2 燃料電池內(nèi)阻在線測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 燃料電池內(nèi)阻在線測(cè)試硬件設(shè)計(jì)

2.1 程控交流電流激勵(lì)源設(shè)計(jì)

根據(jù)燃料電池內(nèi)阻測(cè)試系統(tǒng)的要求，程控交流電流激勵(lì)源的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。整個(gè)電路由DC/DC直流變換電路、DC/AC逆變電路、控制器MCU電路、通信電路和輔助電源電路6個(gè)部分組成。

圖3 程控交流電流激勵(lì)源硬件結(jié)構(gòu)框圖

DC/DC直流變換電路的設(shè)計(jì)采用日本東芝公司生產(chǎn)的帶光電隔離的MOSFET專用驅(qū)動(dòng)芯片TLP250。選用TLP250光耦，既保證了功率驅(qū)動(dòng)電路與BUCK斬波電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，使驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可靠。

在DC/AC逆變電路的設(shè)計(jì)中，每個(gè)單管并聯(lián)快速恢復(fù)二極管，每個(gè)橋臂共用一個(gè)RCD吸收電路?？焖倩謴?fù)二極管的作用是續(xù)流，RCD吸收電路的作用是吸收MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰諧波，便于MOSFET的可靠開(kāi)關(guān)，降低開(kāi)關(guān)干擾，提高其工作可靠性。

燃料電池內(nèi)阻測(cè)試主控制器擔(dān)負(fù)著檢測(cè)流程控制、數(shù)據(jù)匯總與處理和人機(jī)接口等多方面的工作。該系統(tǒng)采用32位ARM微控制器TMLM3S5749，具有 ARM Cottex-M3內(nèi)核、Stellaris驅(qū)動(dòng)庫(kù)、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備接口、總線接口和網(wǎng)絡(luò)接口。ARM處理器配以多個(gè)輔助單元共同組成了內(nèi)阻測(cè)試主控制器。

2.2 USB通信硬件設(shè)計(jì)

在主控制器系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了4組通信接口。其中USB、RS485、RS232為外部通信接口與 PC機(jī)相連，將內(nèi)阻測(cè)試數(shù)據(jù)傳給PC做進(jìn)一步地分析處理。CAN通信總線作為內(nèi)阻測(cè)試儀內(nèi)部的互聯(lián)總線與程控交流電流源、高精度采樣處理單元相連。采集好的數(shù)據(jù)將以中斷形式通知微控制器。整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于調(diào)試。系統(tǒng)中主要采用的是USB通信接口，其接口芯片選用的是周立功公司生產(chǎn)的USB電源控制開(kāi)關(guān)SP2526，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖4所示。

圖4 USB通信硬件原理圖

該系統(tǒng)使用的USB接口芯片為SP2526，最高USB數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12 Mb/s。USB UART是一款增強(qiáng)型的接口轉(zhuǎn)換芯片，由USB接口轉(zhuǎn)換成1/2/4通道的UART接口。USB接口完全兼容全速USB 2.0規(guī)范，支持USB掛起、恢復(fù)和遠(yuǎn)程喚醒操作。具有128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和384字節(jié)的接收緩沖區(qū)，有助于優(yōu)化各種應(yīng)用的整體數(shù)據(jù)吞吐量，減少CPU的資源。自動(dòng)收發(fā)方向控制功能，簡(jiǎn)化了硬件和軟件的半雙工RS-485應(yīng)用。

3 USB通信的軟件設(shè)計(jì)

USB接口適應(yīng)了當(dāng)今計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的高速度和高通用性，并且使用方便，成本低，使得外設(shè)向USB過(guò)渡成為必然的趨勢(shì)。該系統(tǒng)使用USB2.0協(xié)議［9-10］，采用批量傳輸類型，USB 通信協(xié)議如圖5所示。

圖5 USB通信協(xié)議

協(xié)議幀結(jié)構(gòu)根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求分為兩種，第一種是自動(dòng)測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。下位機(jī)采樣測(cè)試單元會(huì)以程控交流源自掃頻率完成整個(gè)頻率范圍的測(cè)試，前11個(gè)字節(jié)是每片電池都有的信息量，由于該系統(tǒng)測(cè)試的不只是單片的內(nèi)阻，而是整個(gè)電堆的內(nèi)阻，根據(jù)協(xié)議的片號(hào)來(lái)區(qū)分單片的電池;第二種是手動(dòng)測(cè)試時(shí)的配置幀結(jié)構(gòu)。首先由上位機(jī)選擇到手動(dòng)狀態(tài)，配置好起始頻率、步進(jìn)頻率和截止頻率后發(fā)送給下位機(jī)，由下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)的要求完成指定頻率的測(cè)試，從第21個(gè)字節(jié)開(kāi)始就與第一種幀結(jié)構(gòu)的重復(fù)區(qū)相同了。

協(xié)議配置完成后，添加動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)LumiUSB.dll，調(diào)用讀函數(shù)Int__stdcall LUMReadData()和寫函數(shù)Int__stdcall LUMWriteData()，即可完成與下位機(jī)的收發(fā)數(shù)據(jù)功能。USB批量傳輸處理流程圖如圖6所示。

圖6 USB批量傳輸處理流程圖

燃料電池內(nèi)阻在線測(cè)試的上位機(jī)監(jiān)控界面如圖7所示，整個(gè)界面用Visual C++編寫，負(fù)責(zé)下位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通信狀態(tài)和工作狀態(tài)的監(jiān)控以及對(duì)下位機(jī)的控制。并且通過(guò)Visual C++操作SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖7 上位機(jī)操作界面實(shí)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

筆者測(cè)試內(nèi)阻的方法為交流阻抗法，是一種用小振幅的正弦電流或電壓信號(hào)對(duì)電極進(jìn)行擾動(dòng)，然后測(cè)定其響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量方法。通過(guò)這種測(cè)量方法，上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果界面圖如圖8所示，與理想的燃料電池內(nèi)阻阻抗譜圖基本一致。如圖9所示，隨著頻率的增大，測(cè)得的阻抗虛部為零，與阻抗實(shí)部軸的交點(diǎn)就可得到歐姆內(nèi)阻。在實(shí)際測(cè)試中每片電池的內(nèi)阻曲線圖都可以看到，為分析燃料電池內(nèi)阻濕度軟測(cè)量提供了重要依據(jù)。

圖8 上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果界面圖

圖9 燃料電池內(nèi)阻Nyquist圖

5 結(jié)論

PEMFC內(nèi)阻在線測(cè)試系統(tǒng)可滿足一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際需要，以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的USB通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)使測(cè)試系統(tǒng)可以減少由于任務(wù)的頻繁調(diào)度所帶來(lái)的開(kāi)銷，同時(shí)又能夠?qū)τ布袛嗪陀布喸兊忍貏e任務(wù)及時(shí)響應(yīng)，符合項(xiàng)目的實(shí)時(shí)性需求。上位機(jī)的數(shù)據(jù)也為后期的燃料電池內(nèi)阻濕度軟測(cè)量以及健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供了重要依據(jù)。

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