專利名稱：一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車(chē)、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作移動(dòng)式或固定式發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個(gè)單電池組成，將這些單電池以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接起來(lái)構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池堆，將質(zhì)子交換膜燃料電池堆與其他運(yùn)行支持系統(tǒng)組合起來(lái)構(gòu)成整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成1.燃料電池堆；2.燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)；3.空氣供應(yīng)子系統(tǒng)；4.冷卻散熱子系統(tǒng)5.自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)控制裝置是自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分。
圖1是一種現(xiàn)有上海神力科技有限公司專利技術(shù)(中國(guó)專利號(hào)200420021056.7)中的燃料電池控制裝置。圖中包括PC機(jī)1，控制器2，燃料電池系統(tǒng)控制部件3，CAN總線4。在燃料電池系統(tǒng)控制部件3中包括風(fēng)機(jī)5，散熱風(fēng)扇7、電磁閥6等裝置。上述現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)控制裝置在使用中，仍存在以下不足之處1.當(dāng)燃料電池系統(tǒng)交付用戶后，如果需要調(diào)整燃料電池系統(tǒng)控制參數(shù)，不得不讓單片機(jī)編程人員編制程序重新燒錄到單片機(jī)中。同時(shí)現(xiàn)有的燃料電池控制器采用查表的方法得到控制參數(shù)，這樣的數(shù)據(jù)表非常龐大繁瑣，如果需要更改控制參數(shù)必須由單片機(jī)編程人員到現(xiàn)場(chǎng)完成，維護(hù)不便。
2.燃料電池系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中，必須先用PC機(jī)對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成后，再編制單片機(jī)程序，并需再次對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以驗(yàn)證單片機(jī)程序是否正確，調(diào)試過(guò)程復(fù)雜、繁瑣。
具體而言，在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，首先必須編制復(fù)雜的PC上位機(jī)程序。PC上位機(jī)程序根據(jù)需實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)程序的功能運(yùn)算出單片機(jī)系統(tǒng)可以執(zhí)行的控制指令，發(fā)送給控制裝置。PC機(jī)需不斷地運(yùn)算、發(fā)送控制指令以適應(yīng)外界參數(shù)的改變，通訊數(shù)據(jù)量非常大。此外，還需要利用PC機(jī)控制燃料電池系統(tǒng)在各種工況下運(yùn)行，來(lái)收集合適的控制參數(shù)。當(dāng)用PC機(jī)來(lái)調(diào)試燃料電池系統(tǒng)完成后，再編制單片機(jī)控制程序，然后由單片機(jī)來(lái)控制燃料電池運(yùn)行。燃料電池系統(tǒng)還需再一次模擬在各種工況下運(yùn)行，用來(lái)驗(yàn)證控制程序是否正確。如果有一個(gè)控制參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，將不得不停機(jī)重新編制控制程序，然后繼續(xù)測(cè)試。直至所有的控制程序、控制參數(shù)得以驗(yàn)證。這個(gè)過(guò)程必須由專業(yè)的PC機(jī)編程人員編制復(fù)雜的PC機(jī)程序，由專業(yè)的單片機(jī)編程人員編制復(fù)雜的單片機(jī)控制程序。
3.PC機(jī)的可靠性較差。在由PC機(jī)控制調(diào)試的過(guò)程中，一旦發(fā)生死機(jī)，將不得不中斷測(cè)試，甚至造成嚴(yán)重的后果。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是在原專利技術(shù)(中國(guó)專利號(hào)200420021056.7)基礎(chǔ)上改進(jìn)并克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置，其特征在于，該控制裝置為帶有支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的CPU、帶有CAN總線控制器、帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和帶有若干控制外部設(shè)備的控制器輸出接口的單片機(jī)系統(tǒng)，所述的控制裝置通過(guò)CAN總線與上位PC機(jī)連接通訊。
所述的控制裝置內(nèi)部建立了控制燃料電池系統(tǒng)工作的多個(gè)數(shù)學(xué)模型，燃料電池可以在不停機(jī)的情況下通過(guò)函數(shù)運(yùn)算修改、存儲(chǔ)多個(gè)模型的控制參數(shù)，所述的多個(gè)控制參數(shù)在燃料電池系統(tǒng)重新啟動(dòng)后仍然存在。
所述的控制裝置具有對(duì)燃料電池系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式可以相互切換，針對(duì)燃料電池系統(tǒng)中不同的控制設(shè)備，可以同時(shí)采用不同的控制模式。
所述的控制裝置可對(duì)燃料電池系統(tǒng)故障進(jìn)行處理。
所述的控制裝置可對(duì)燃料電池系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)和原因存儲(chǔ)保護(hù)，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，所述的控制裝置自動(dòng)關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)，并自動(dòng)記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)關(guān)閉原因。
所述的控制裝置可對(duì)控制參數(shù)自動(dòng)校驗(yàn)，防止控制參數(shù)值超出正常范圍，造成控制出錯(cuò)；同時(shí)，所述的控制裝置中存儲(chǔ)有最初設(shè)定的控制參數(shù)，可以使系統(tǒng)在需要時(shí)按最初控制參數(shù)復(fù)位。
所述的控制裝置的軟件使用C語(yǔ)言編制。
本實(shí)用新型由于采用了以上技術(shù)方案，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有控制參數(shù)調(diào)節(jié)方便、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便，可以滿足燃料電池大規(guī)模生產(chǎn)調(diào)試時(shí)的需要等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為現(xiàn)有燃料電池控制裝置示意圖；圖2為本實(shí)用新型燃料電池控制裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
參閱圖2。圖2是本實(shí)用新型的燃料電池控制裝置示意圖。圖中包括PC機(jī)1，控制器2，燃料電池系統(tǒng)控制部件3，CAN總線4。在燃料電池系統(tǒng)控制部件3中包括風(fēng)機(jī)5，散熱風(fēng)扇7、電磁閥6等裝置。
實(shí)施例如圖2所示，1～300KW燃料電池，發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電站構(gòu)造與上海神力科技有限公司專利技術(shù)(中國(guó)專利號(hào)200420021056.7)中描述的相同，但采用一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置，該控制裝置帶有支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的CPU、帶有CAN總線控制器、帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和帶有若干控制外部設(shè)備的控制器輸出接口，在具體實(shí)施時(shí)CPU可采用PHILIPS的LPC2119的32位ARM，它內(nèi)帶128K程序存儲(chǔ)器，16K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，內(nèi)帶CAN總線控制器。存儲(chǔ)器可采用X5043，它有4K位存儲(chǔ)空間、帶有復(fù)位電路，每字節(jié)擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次、數(shù)據(jù)可保存100年。輸出接口有多種形式，使用PWM實(shí)現(xiàn)DA功能控制風(fēng)機(jī)5，使用固態(tài)繼電器控制散熱風(fēng)扇7、電磁閥6等。
控制裝置2內(nèi)部建立了控制燃料電池系統(tǒng)工作的多個(gè)數(shù)學(xué)模型，例如，風(fēng)機(jī)頻率＝a1×輸出電流×輸出電流+b1×輸出電流+c1控制裝置2根據(jù)上述數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前電流時(shí)，風(fēng)機(jī)5的頻率應(yīng)為多少。根據(jù)當(dāng)前的燃料電池溫度加以修正，防止堵水。同時(shí)控制裝置2中也建立了水出溫度控制目標(biāo)與輸出電流關(guān)系的二次函數(shù)控制模型、氫氣排放時(shí)間間隔與輸出電流關(guān)系的二次函數(shù)來(lái)控制氫氣排放等模型。燃料電池可以在不停機(jī)的情況下通過(guò)函數(shù)運(yùn)算修改、存儲(chǔ)多個(gè)模型的控制參數(shù)，多個(gè)控制參數(shù)在燃料電池系統(tǒng)重新啟動(dòng)后不會(huì)丟失。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，控制裝置2從存儲(chǔ)器上讀取控制模型的系數(shù)，例如，讀取存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的建立風(fēng)機(jī)頻率隨輸出電流變化的二次數(shù)學(xué)函數(shù)控制模型的三個(gè)系數(shù)，控制裝置逐一實(shí)現(xiàn)燃料電池控制所需的控制功能。例如，對(duì)風(fēng)機(jī)5、散熱風(fēng)扇7、氫氣排放6、水出溫度等的控制。而當(dāng)燃料電池發(fā)生故障時(shí)，控制裝置具有燃料電池系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)功能和保護(hù)原因存儲(chǔ)功能，并針對(duì)燃料電池系統(tǒng)中不同設(shè)備故障，采用不同的故障處理方法。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，控制裝置可自動(dòng)關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)，并自動(dòng)記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)關(guān)閉原因。例如溫度過(guò)高值、燃料電池短路電流、電壓過(guò)低值等也可以設(shè)置并存儲(chǔ)。控制裝置2還具有對(duì)控制參數(shù)自動(dòng)校驗(yàn)的功能，PC上位機(jī)1具有對(duì)用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)判定功能，如果用戶設(shè)置數(shù)據(jù)超出正常范圍，PC機(jī)1不會(huì)向控制裝置2發(fā)送。防止造成控制出錯(cuò)。同時(shí)控制裝置2中存儲(chǔ)有最初設(shè)定的控制參數(shù)，可以使系統(tǒng)在需要時(shí)按最初控制參數(shù)復(fù)位?？刂蒲b置2還具有對(duì)燃料電池系統(tǒng)的自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式可以相互切換?？刂蒲b置2通過(guò)建立通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC機(jī)1與控制裝置2傳輸控制參數(shù)。例如，風(fēng)機(jī)頻率＝a1×輸出電流×輸出電流+b1×輸出電流+c1，該模型的參數(shù)是32位浮點(diǎn)數(shù)，而CAN總線4發(fā)送的數(shù)據(jù)位8位數(shù)據(jù)。用4個(gè)8位數(shù)據(jù)來(lái)表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。并根據(jù)相應(yīng)的地址識(shí)別是二次項(xiàng)系數(shù)還是一次項(xiàng)系數(shù)?？刂蒲b置2接收到PC機(jī)1發(fā)送的錯(cuò)誤系數(shù)將不會(huì)予以執(zhí)行?？刂蒲b置2基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如μC/OS-II，使用C語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)CAN通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等必須功能。
將本實(shí)施例應(yīng)用到調(diào)試1～300KW燃料電池發(fā)電站或發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，測(cè)試人員可以簡(jiǎn)單方便地在PC機(jī)的界面上更改所有的風(fēng)機(jī)頻率數(shù)據(jù)，可以切換到手動(dòng)設(shè)置風(fēng)機(jī)的頻率。當(dāng)用戶把控制風(fēng)機(jī)頻率的二次函數(shù)的三個(gè)系數(shù)設(shè)置完成后，風(fēng)機(jī)控制就可以自動(dòng)進(jìn)行。同上當(dāng)設(shè)置了氫氣排放、水出溫度等模型的系數(shù)后，在不同的電流下，控制器就可以根據(jù)控制模型的系數(shù)自動(dòng)運(yùn)算出控制目標(biāo)進(jìn)行控制。設(shè)置的模型系數(shù)會(huì)存放在存儲(chǔ)器上，設(shè)置完成了所有的系數(shù)，燃料電池調(diào)試也就完成了。
權(quán)利要求1.一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置，其特征在于，該控制裝置為帶有支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的CPU、帶有CAN總線控制器、帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和帶有若干控制外部設(shè)備的控制器輸出接口的單片機(jī)系統(tǒng)，所述的控制裝置通過(guò)CAN總線與上位PC機(jī)連接通訊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種可以在線修改及存儲(chǔ)控制參數(shù)的燃料電池控制裝置，該控制裝置為帶有支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的CPU、帶有CAN總線控制器、帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和帶有若干控制外部設(shè)備的控制器輸出接口的單片機(jī)系統(tǒng)，所述的控制裝置通過(guò)CAN總線與上位PC機(jī)連接通訊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有控制參數(shù)調(diào)節(jié)方便、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便，可以滿足燃料電池大規(guī)模生產(chǎn)調(diào)試時(shí)的需要等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK2847548SQ20052004052
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者王立明, 付明竹, 葛栩栩, 胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司