基于DSP的燃料电池测控系统硬件设计(8)
2.4 本章小结
本章是整篇论文的理论基础，首先对燃料电池的基本概念、燃料电池的分类及各自应用特点作了介绍，然后对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的基本工作原理、系统组成及功能进行了简要阐述，最后对影响质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统工作性能的几个参数进行了重点分析。
3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）测控系统的硬件设计方案
3.1 PEMFC测控系统的总体设计方案
为确保PEMFC燃料电池实现长时间稳定、高质量的供电，控制单元应实时监测系统运行的的各个环境参数(温度、湿度、工作压力、气体浓度等)，并依据负载功率的变化以及突发事件的影响。对之进行实时、有效的调节与控制，确保系统工作在最佳状态下。
在对质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统稳定性分析的基础上，我们给出了质子交换膜燃料电池（PEMFC）测控系统的总体控制框图， 质子交换膜燃料电池（PEMFC）测控系统的总体控制框图如图3-1所示。
图3-1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的总体控制框图
如上图所示，PEM燃料电池测控系统主要包括传感器、数据采集部分、控制单元部分、执行机构、报警单元等组成。其中，执行机构包括冷却风扇、电磁阀以及报警器。
针对PEMFC电池堆本身的固有特性，同时结合我们的实际情况，我们对研制的质子交换膜燃料电池（PEMFC）测控系统采取了以下控制方案:
（1）氧化剂采用空气，燃料用储氢器所存储的氢气。
（2）采用“稳压”的方法控制气体压力，用“限流”的方法控制气体流速。
（3）数据采集系统采用电阻式测量法来检测料电池堆的电压电流信号。
（4）系统控制电路采用以数字信号控制器为核心的智能控制电路。
（5） 利用系统内部的热交换结构，设计控制冷却风扇，进行温度的调节与控制。
（6） 采用定时间歇排放尾气的控制方案。
（7） 当燃料电池堆出现异常状况时，报警器接通，响铃通知用户。
具体说明如下：
（1）氧化剂采用空气，空气可以直接从大气中获取，大大简化了系统的体积，安全性能也好，避免了使用氧气所带来的一系列麻烦。燃料用储氢器中的氢气，储氢器是目前储氢方法中最为安全可靠的，稳定性好，质量和体积都相对较小[6]。
（2）在输出负载功率变化范围不大的情况下，PEMFC电池堆有一最佳工作压力。从简单、易于操作的角度出发，设计中采用了稳定在最佳值的方法，通过两级降压的缓冲方式来实现氢气供应压力的稳定性，其流速由限流阀限定。空气压力采用常压供给，其流速通过调整直流风扇的转速来控制，调节直流风扇的端电压可改变其转速。
（3）采用电阻法来测量电池电流，应用运算放大器来调整输入采集电压的范围。
（4）用DSP为核心的智能控制电路，采集温度信号，通过PWM控制转速风扇采用通用定时器计时排放尾气。
（5）电池堆表面温度在70~80℃之间时，电池的放电性能较好，超过这个温度，电池的稳定性和质子传导性能下降，对燃料电池的性能有很大的影响，所以需要对燃料电池堆进行冷却。冷却的方法有水冷却和风扇冷却。采用水冷会增加燃料电池堆的体积，使结构复杂化，成本较高。采用风冷结构较简单，操作方便，控制相对容易，成本较低。因此，本文采用风扇冷却。
（6）对于尾气则采用定时排放的方案，由DSP定时单元、驱动单元和电磁阀构成控制块，到一定的时刻(需测定)释放一次尾气。
（7）PS2801光控开关，电气隔离性好，反应速度快，因此本文采用光控开关PS2801来控制报警器。