燃料电池发动机二次开发控制系统的设计与实现

引言

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，适合做电动汽车的动力能源。各国政府、企业和科研机构都致力于研究质子交换膜燃料电池电动汽车，而燃料电池发动机作为其核心目前处于突破前期，正在成为新的研发热点。然而，许多研究都仅仅着重于改善燃料电池堆的性能，对控制系统的研究则相对较少。传统的控制系统是根据特定的发动机特点而设计的，其固定的控制策略、线路接口以及运行参数在很大程度上限制了控制功能的扩展，无法满足用户对控制系统的使用与开发需求，而系统软件在维护中也因不断被修改而退化。鉴于此，本文提出并设计了一种新型的燃料电池发动机控制系统，在满足所有控制目标的同时还具备二次开发升级、多种控制策略可选等功能，大大提高了控制系统的灵活性和适应性，并取得了良好的控制效果。

系统结构

燃料电池发动机二次开发控制系统的系统结构按其功能可分以下几部分：上位机配置终端、可软配置控制器、燃料电池电堆、氢气供给系统、空气供给系统、增湿系统、冷却水管理系统、安全报警系统以及通讯监控系统，如图1所示。燃料电池发动机以上位机作为软配置终端，以控制器为控制和协调中心，以燃料电池电堆为发动机的核心，进入电堆的氢气和氧气在一定的条件下反应，产生电能和水。上位机配置终端可以选择不同的控制策略，也能对控制器进行二次开发升级；氢气供给系统负责给电堆提供一定压力和流量的纯净氢气；空气供给系统向电堆提供足够的空气用于反应；增湿系统负责向电堆提供适当的湿度以便于提高反应效率；冷却水管理系统主要将电堆发出的多余热量通过循环去离子水带出电堆并通过冷却器散热，使电堆处于高效的反应条件下工作；安全报警系统通过实时检测电堆工作过程中的各种状态和参数，在故障出现时及时发出报警信息；通讯监控系统可实时显示当前的各种物理数据和运行状态，并可将所需数据记录下来以便研究分析。


二次开发升级机制

燃料电池发动机二次开发控制系统的一个特点是可以在线升级。已有统计资料表明控制系统的完善性和适应性维护工作量占其生存期工作量的70%左右。被动地去维护和修改在生命期中发生需求变化的控制系统进而重新烧写甚至设计控制器，其花费较为昂贵。燃料电池发动机控制系统是一个内部结构可以重新配置、控制参数可以不断调节以满足硬件环境的控制系统，按其升级的功能可分为控制器端口升级和参数升级。

控制器

控制器在设计时就充分考虑到可能发生变化的各种因素，主程序只保留主要框架，所有可变信息都单独存贮在专门的模块中。上位机配置终端负责选择系统运行策略以及将各种升级信息配置到控制器中，一旦系统需要升级，用户可以在不了解控制程序的情况下进行简单操作，大大缩短了控制器的开发周期，提高了系统的适用性与可操作性。

如图2所示，控制器主要由一个微处理器（DSP）、看门狗模块、电源监控模块、软配置模块、信号调理与模数转换模块、数模转换电路、I/O模块、SCI和CAN通讯模块等部分组成。上位机配置终端采用VB软件设计，集成了升级配置系统与数据监控系统，既可进行软配置升级也可实时显示和记录数据，与DSP间采用485通讯。软配置模块采用EEPROM来接收和贮存来自上位机的升级信息，通过SPI与DSP进行通讯。控制器通过接口连接了外部的各种模拟信号和数字信号，模拟信号包括电压、电流、压力、流量、温度、湿度等，数字信号包括了各种电磁阀和继电器等。该控制器实现了控制系统的模块化和微型化设计，具有高灵活性、高可靠性、高抗干扰性、高速信号处理能力以及二次开发升级的先进性。


控制器端口升级

控制器在硬件上设置了很多控制端口，例如，模数转换模块连接了多种A/D采样端口，数模转换模块的D/A端口同时对几个风机进行控制，I/O模块通过I/O端口控制继电器的开合以及接收氢气报警信息，这些连接到控制器的硬件端口都是可以进行软配置升级的。当燃料电池发动机控制系统的各子系统或电堆进行测试整改时，某些线路与控制器端口的连接不免要发生变化，这时，通过上位机配置终端就可以方便地调整控制器的内部接口设置，使控制器快速地适应新的硬件要求。

如图3所示，A/D采样是信号的主要输入通道，采集的信号如氢气进出堆压力、电堆的电压电流、风机电流、进出堆温度、冷却水和增湿水的水位流量等；I/O端口主要指DSP的数字量输入及输出，输出量通过控制继电器进而控制各种电磁阀、水泵、电机的开关，如充电负载开关、氢气氮气尾气阀、增湿水泵以及氢气循环泵等；I/O输入量则包括多个氢气报警器的开关信号；数模转换模块则将DSP输出的数字量转化为模拟量控制风机，每一个D/A 控制一个风机，输出量的大小决定了风机转速的快慢。当硬件端口由于电堆移位、电路重组等发生变化时，通过上位机终端对端口的重新配置可以使控制系统在免编程的情况下与新的硬件要求保持同步更新。

参数升级

燃料电池发动机控制系统常用的参数包括了各类控制参数、安全参数以及不同传感器的标定参数等。其中，控制参数包括开关机流程控制、风机功率控制、增湿水流量控制、尾气排放控制等；安全参数包括各类报警参数、电堆保护参数（自关机、降载）、保护延时参数等；各类传感器如电压、电流、水位、压力等传感器。传感器是A/D采样的重要渠道，控制器中集成了对各种传感器采样初值的计算转换参数，参数中包含了传感器的量程、信号类型等，但当传感器损坏、需要更换时，控制器中的计算参数也要相应调整。实验证明，各类参数的合理配置可以及时重组整个控制系统的控制策略，能更加安全、可靠地实现燃料电池发动机的最优净功率输出。

例如，在自关机条件中，电堆的温度、氢气的压力、风机电流等都是影响正常工作的重要因素，一旦超出允许范围控制系统就会执行自关机指令，当电堆性能升级时，电堆所能承受的工作范围相应变广，这时可通过上位机配置新的自关机条件使控制器得到相应的配置升级。

二次开发升级实现策略

上位机将配置信息传送到控制器中，控制器判断识别后将信息分类并分区保存在软配置模块的EEPROM中，然后由DSP主程序从EEPROM中已分类好的固定地址中调用。上位机在配置升级信息时就相当于改变数据在EEPROM中的存贮顺序或大小。本系统采用的EEPROM空间大小为64kB，每页数据存储区有32个字节（0x0000-0x0031），可以存贮256页(0x0000-0xFF00)，每一页可以存贮一种配置信息。

（1）射映模型

在控制器端口的配置升级过程中，上位机配置终端和控制器软配置模块对各个硬件端口的协同定义构成了一个映射模型（如图4）。所谓的映射模型可以抽象成这样的一个函数映射，即f：x→y，其中x和y是两个构件集合，在这里可以表示为控制器硬件端口序号及其实际应用功能， f是x到y的一个映射，是可变的，该映射关系通过EEPROM为媒介得以表现并保存。上位机每发送一次新的端口配置， f就改变一次，新的硬件端口功能也相应改变。例如，原来的控制器第一路A/D接口初始设置为“采集进堆温度信号”，第二路A/D设置为“采集出堆温度信号”，“第一路”和“第二路”就是映射模型中的x，表示这是在控制器上的硬件端口序号；而“进堆温度”和“出堆温度”则是上位机所要配置的 y，表示端口的实际应用功能；而f则把两者关联起来，表示了x到y的映射关系。当上位机将这两路A/D接口交换配置时，f也相应发生变化，配置的结果就是“第一路”A/D端口变成“采集出堆温度信号”，“第二路”A/D端口则变成“采集进堆温度信号”了。


（2）执行引挚

上位机完成了对控制器的配置工作后，在软配置模块中各个升级信息的映射模型也就相应建立完毕，这时DSP再通过执行引挚将各个映射模型调用到主程序相应的程序模块中。执行引擎是一个比表示配置信息的映射模型更高一级的映射模型，同理也可以把它抽象成一个函数映射f：x→y，在这里，x是指软配置模块中的升级信息映射模型，如A/D端口映射模型、I/O端口映射模型、自关机条件映射模型、传感器标定映射模型等；而y则是主程序中执行这一部份升级信息的程序模块， f则完成相应映射模型到程序执行模块的映射。

多性能协调控制策略

燃料电池发动机二次开发控制系统的另一个特点在于其控制策略的多样性。传统的控制系统对于单个控制对象而言通常只有一种控制策略，在控制过程中无法满足用户或功能扩展的需求，有时为了满足不同的控制目标而不得不重新烧写程序甚至重新设计控制器。如图5所示，本系统通过上位机软切换控制器中集成的策略库，可以方便地使用多种不同的控制策略对燃料电池发动机进行控制。可供选择的控制策略有系统全局正常运行协调控制策略、系统局部正常运行协调控制策略以及系统局部故障运行协调控制策略。多种控制策略的备选在很大程度上满足了控制系统的不同需求，其操作简易，人机对话友好。


结论

本文根据燃料电池发动机二次开发系统的功能需求，设计了可供软配置的控制器以及相应的二次开发升级机制，控制器实现了对内部端口结构以及控制系统运行参数的二次开发升级。本文还提出了燃料电池发动机控制系统多性能协调控制策略，并对其在该控制系统中的应用进行了初步探索。实践表明，该控制系统运行状况稳定、可靠，并获得了良好的控制效果。

编辑：博子