专利名称：用于固体氧化物燃料电池系统的控制器的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池技术领域，更精确地说，它属于固体氧化物燃料电池系统控制技术领域。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)系统是主要以氢气为燃料通过电化学反应直接将化学能转化为电能的一种发电系统，其具有高发电效率、安静无噪音、环境友好低排放的优点，是21世纪最具前景的绿色发电系统。最近十几年，国际上许多发达国家，如美国、德国、日本投入了大量的资金及人力致力于SOFC系统的开发，推动了 SOFC技术的发展，目标在于实现商业产品化。然而SOFC系统其自身薄而 脆、造价成本高、工作条件要求苛刻、及各子系统相互强耦合等一系列特点，使得其商业产品化依然存在诸多待解决问题，处于尚不成熟阶段。SOFC系统包括电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元、电管理等功能单元，对系统各功能单元进行综合管理与协调控制是实现SOFC系统安全、稳定、高效工作的关键因素。而这一过程离不开控制器硬件的支持，稳定可靠的控制器对于固体氧化物燃料电池系统的集成与控制具有重要作用。PowerPC555是Motorola公司推出的一种精简指令集(RISC) 32位单片机,该单片机集成26K的RAM、448K的Flash ROM存储器和诸如QADC、CAN、MIOS、TPU等功能模块。目前市场已有的基于PowerPC555单片机的硬件都是通用的控制板,结构通用化、针对性不强，并且缺乏完整的输入输出外围接口，难以满足SOFC系统控制算法复杂、输入输出形式多样的实际需求。而现有的基于燃料电池的控制器多是针对汽车燃料电池等低温燃料电池系统设计的，固体氧化物燃料电池系统从工作机理、输入输出特性、控制要求等方面都与其他燃料电池系统有较大不同，因而现有燃料电池控制器也难以胜任SOFC系统控制任务要求。
发明内容
本发明针对SOFC系统控制任务复杂的特点，提供了一种功能完备的固体氧化物燃料电池系统控制器，该硬件可以作为固体氧化物燃料电池系统各功能单元的通用控制器，满足了 SOFC系统开发应用的控制器硬件需求。用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，包含数字核心电路、通讯接口电路、输入调理电路、输出驱动电路和稳压电源电路；数字核心电路通过电源总线连接稳压电源电路的输出端，通过I/o总线连接输入调理电路的输入端，通过I/O总线连接输出驱动电路的输入端；通讯接口电路的输出端通过CAN总线网络连接固体氧化物燃料电池系统的主控制器，输入调理电路的输出端连接固体氧化物燃料电池系统的功能单元的传感器，输出驱动电路的输出端连接固体氧化物燃料电池系统的功能单元的执行器；所述固体氧化物燃料电池系统的功能单元为电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元或电管理单J Li ο进一步地，所述传感器包括温度、压力、流量、开关量和电流传感器中一种或者组合，所述执行器包括流量计、指示仪表、电磁阀、接触器、继电器和风机中的一种或者组合。进一步地，所述数字核心电路包括单片机以及相接的晶振与支持单元、BDM调试单元、复位单元、配置单元和存储扩展单元，他们通过数据总线、地址总线和控制总线相连。进一步地,所述单片机采用PowerPC555单片机为处理器。进一步地，所述输入调理电路包括模拟量输入调理部分和数字量输入调理部分；所述模拟量输入调理部分外连温度、压力、流量传感器和电流传感器，所述数字量输入调理部分外连开关传感器。进一步地，所述输出驱动电路包括模拟量输出驱动部分和数字量输出驱动部分；所述模拟量输出驱动部分外连流量计、指示仪表和风机，所述数字量输出驱动部分外连电 磁阀、接触器和继电器。进一步地，所述的稳压电源电路输出电压包括24V、5V和3. 3V。本发明的技术效果体现在本发明控制器处理能力强，与传感器、执行器连接方便，电磁兼容好，扩展性好，作为SOFC系统功能单元子控制器使用系统控制结构清晰，满足SOFC系统发展的需求。
图1是固体氧化物燃料电池控制系统结构框图；图2是控制器的结构框图；图3是数字核心电路原理图；图4是通讯接口部分原理图；图5是输入调理部分原理图，其中图5A为模拟量输入部分，图5B为数字量输入部分；图6是输出驱动部分原理图,其中图6A为数字量输出部分，图6B为模拟量输出部分；图7是稳压电源部分原理图。
具体实施例方式图1所示为固体氧化物燃料电池控制系统结构框图。固体氧化物燃料电池(SOFC)系统包括功能单元、控制单元和中央操作监控界面，其中功能单元包括电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元、电管理单元，各单元含有温度、流量、压力等传感器和电磁阀、流量计、转速风机等执行器；控制单元包括主控制器、单元子控制器和温度采集节点，它们之间采用CAN通讯网络连接；中央操作监控界面采用安装Fameview组态软件的工业PC机。控制单元主控制器向下通过CAN网络总线与各单元子控制器相连，向上通过串口通讯与监控PC机相连，其主要完成系统复杂综合控制任务。控制单元子控制器包括空气供给子控制器、燃料供给子控制器、尾气回收子控制器、电管理子控制器、电堆温度采集节点。各子控制器通过各类传感器和执行器与相应功能单元连接，完成相应功能任务。空气供给子控制器控制进入电堆的空气氧化剂数量，燃料供给子控制器控制进入电堆的燃料气体数量，尾气回收子控制器控制燃料气体和水蒸气的回收利用，电管理子控制器控制电能输出功率和电能储存管理，电堆温度采集节点检测电堆工作各项温度。本发明所述控制器指的是各功能单元的子控制器。图2所示为本发明控制器的结构框图。控制器包括五个部分，即数字核心电路、通讯接口电路、输入调理电路、输出驱动电路、稳压电源电路。数字核心电路是控制器中心部分。通讯接口电路通过资源总线(通信总线)与数字核心电路相连。输入调理电路通过I/O总线与数字核心电路相连。输出驱动电路通过I/O总线与数字核心电路相连。稳压电源电路提供控制器工作的电源。 统计SOFC系统功能单元传感器和执行器数量种类，控制器输入输出点数设计如下模拟量输入，12通道，连接温度、压力、流量等模拟量传感器；数字量输入，8通道，连接开关量传感器；模拟量输出，8通道，连接流量计、指示仪表等模拟量执行器；数字量输出，12通道，连接电磁阀、接触器、继电器等开关量执行器。本发明控制器输入输出接口部分包括以上四种形式，每种形式均是针对一路通道进行详细原理说明，其余类似通道均可参考本路通道设计。图3为数字核心电路原理图。数字核心电路包括外部晶振与支持单元、BDM调试单元、复位单元、配置单元和外部存储扩展单元，它们分别通过控制总线、数据总线和地址总线与单片机相连。单片机采用PowerPC555单片机为处理器，该单片机的工作温度为_40° C到125° C，能适应SOFC系统恶劣的工作环境；具备浮点运算单元，满足SOFC系统复杂控制算法运算要求；集成完善的功能单元，适合SOFC系统复杂多样的输入输出要求；并且支持Matlab/Simulink工具，实现SOFC系统实验研究到产品开发的无缝连接,大大缩短开发周期。外部晶振采用4MHz晶振，芯片支持提供MPC555部分工作参数的配置。VDDSYN、VSSSYN提供锁相环(PLL)参考电压，VDDSRAM提供内部RAM工作电压，VPP提供内部FLASH工作电压，KAPWR提供MPC555低功耗供电电压，XFC接入外部滤波电容，FRZ接发光二级管LED2以显示MPC555调试模式状态，BEAD为普通氧化体磁珠，SBDl为肖特基二极管10TQ305，其余元件图中均有标注。BDM调试单元由BDM接口和相关电容、电阻元件构成。BDM接口为10针接插件，与MPC555BDM调试信号对应管脚相连。复位单元包括上电复位、硬件复位和软件复位部分。上电复位部分采用芯片MC34064和相关元器件，MC34064管脚IN接工作电源VDDH，管脚串联电阻连到MPC555管脚PORESET，当芯片上电或者欠电压工作时提供复位信号输入。硬件复位和软件复位分别通过复位按键开关S2、S3连接芯片管脚SRESET、HRESET来完成。其他元器件图中均
有标注。配置单元包括定制开关和模式开关，定制开关由U5、SW3和相关电阻、电容元器件组成，模式开关电路由U2 U4、Sffl SW2和相关电阻、电容元器件组成。
定制开关电路通过拨片开关SW3的设置，实现内部FLASH供电电压和擦写电压设置，系统复位时锁相环、复位配置允许位的配置。锁相环配置由设置SW3的I 3脚完成,在系统上电复位时U5导通，MPC555的MDCLK[1:3] (IRQ[5:7]复用)读入SW31 3脚配置信息，确定MPC555工作的时钟频率。此处系统采用4MHz的晶振，SW3的I 3脚设置为010。SW3的5 6脚连接MPC555的EPEE脚和VPP脚，EPEE脚输入内部FLASH外部编程与擦写控制信号，VPP脚输入内部FLASH工作电压。SW4的4脚连接到SRESET通过U5接入芯片RSTCONF脚，实现在系统软复位时拨片开关设置值配置到MPC555中。以上电路，SW3为六路拨片开关，U5为三态门锁存器74HC125芯片，其余元件图中均有标注。模式开关是通过在系统硬件复位时，设置拨片开关SWl SW2，并通过U2 U4将设置值输入到MPC555数据总线上，从而实现系统部分功能配置。硬件复位HRESET连接至IJU2 U3的使能端51, U4输入端直接连接下拉电阻。SWl SW2为八路拨片开关，U2 U4为八路锁存器74LCX573，其余元件图中均有标注。
外部存储扩展单元包括外部FLASH扩展和外部RAM扩展，FLASH扩展由U8 UlO完成，RAM 扩展由 U6、U7 完成。其中 U6、U7 为 61LV25616RAM 存储芯片，U8、U9 为 AM29LV800BFLASH ROM存储芯片，UlO为74LVC00A为四路与非门芯片，具体接线见图3。以上数字核心电路的详细原理和连线方式可参考MPC555芯片用户手册。图4为通讯接口部分原理图。通讯接口部分包括CAN通讯接口单元和串口通讯接口单元。CAN通讯接口单元采用CAN接口典型电路，由DC/DC隔离电源模块DCP010505、光电隔离器6N137、CAN收发器PCA82C250、DB9接口和其他常用元件组成，具体接线见图4。串口通讯接口单元由MAX232芯片构成，实现从TTL到RS232电平的转换，DB9F_RS232为DB9通用接口，其余元件图中均有标注。图5为输入调理部分电路图。输入调理电路包括模拟量输入调理部分和数字量输入调理部分。模拟量输入调理部分的作用是将传感器4 20mA电流输入转变成I 5V电压输入，其依次完成信号转换、电压跟随和滤波。SOFC系统的温度、压力、流量等模拟量传感器接到A_IN、A_GND两端，输入4 20mA电流信号，经250欧姆电阻R82转变成I 5V电压信号，再通过电压跟随器提高电压输入抗扰能力，最后经滤波电容输入到MPC555QADC模块，完成模拟信号调理过程。其中电压跟随器由运算放大器LM358P完成。数字量输入调理部分主要完成电气隔离和电平转换功能。SOFC系统的开关传感器O 12V开关量输入信号从D_IN、D_GND两端接入，通过电气隔离之后经开关管转换成O 5V电压信号输入到MPC555TPU_A模块，完成数字量输入处理过程。其中TLP521为光电隔离器，2N5551为功率开关管，电路具体细节见图5。图6为输出驱动部分电路图。输出驱动电路包括数字量输出部分和模拟量输出部分。MPC555单片机集成功能强大的时间处理单元模块TPU，适合高速电磁阀等数字量输出控制，本发明数字量输出部分主要包括光耦合器TLP521、功率开关管2N5551和肖特基二极管1N5819，输出隔离高速开关信号，驱动SOFC系统的电磁阀、继电器等开关量执行器工作。MPC555输出信号B TPU经过光耦合器TLP521，形成IRF540场效应管的控制信号，IRF540开关状态直接作用于输出回路，控制开关量执行器得电工作或失电停止工作。光耦合器TLP521使MPC555芯片与外部负载回路电气隔离，保护控制器芯片；稳压二极管D2稳定IRF540管Vgs控制电压，使开关工作稳定；肖特基二极管D4与电阻Rl 13构成续流回路，保护开关管。模拟量输出部分是D/A转换电路，将MPC555数字量输出转变成模拟量输出，驱动SOFC系统的流量计、执行仪表、风机等模拟量执行器工作。该部分采用四通道D/A模块DCA7614和运算放大电路来完成D/A转换，并采用隔离电源对该部分供电。MPC555数字量输出从QSPI模块引出，经DAC7614变换成O 2. 5V电压信号，再经过2倍放大电路输出。隔离电源芯片 DCP010505 产生 DCA76145V 工作电压 DA_VCC、DA_GND，AD780 产生 DCA76142. 5V高精密参考电压VREF，运算放大器LM358构成2倍电压放大电路。其余细节图中均有标注。图7为稳压电源 部分原理路。稳压电源提供控制器工作电源，包括5V、3. 3V和24V，其中5V和3. 3V用于控制器主体电路供电，24V用于对运算放大器供电和驱动电磁阀等执行器。该部分电路由5V稳压电源芯片LM2940、3. 3V稳压电源芯片LM3940、滤波电容、电感和其他元件组成，其中VDDH为5V输出，VDDL为3. 3V输出，+5VEXT为5V外部输出，+24V为24V输出。本发明提供的是针对固体氧化物燃料电池系统控制的通用控制器，在实际SOFC系统开发应用中，可根据SOFC系统各功能单元的传感器和执行器的数量种类，控制器输入输出接口通道数量种类作适当删减调整，使得其作为SOFC系统特定功能单元控制器，不但节省系统资源，而且具有更闻的集成度，提闻控制效率。多个功能单元子控制器结合中央主控制器共同完成了固体氧化物燃料电池系统的控制任务。主控制器根据各单元传输上来的数据信息决定系统整体工作模式，负责主控制算法执行，监控各子控制器工作，并与上位监控机的数据交互。各功能单元子控制器相互独立工作，根据主控制器分配的单元控制目标，通过数据采集、数据处理、执行输出，完成具体单元各项指标的跟踪控制。主控制器和子控制器的数据交互通过CAN网络完成，无论是主控制器向下发出的命令信号还是子控制器向上发出的请求信号经过CAN网络都能得到快速响应，这样就构成了主控制器统一调度，各单元独立工作的完整控制系统，为固体氧化物燃料电池发电系统稳定高效运行提供控制单元硬件保障。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，包含数字核心电路、通讯接口电路、输入调理电路、输出驱动电路和稳压电源电路；数字核心电路通过电源总线连接稳压电源电路的输出端,通过I/o总线连接输入调理电路的输入端，通过I/O总线连接输出驱动电路的输入端；通讯接口电路的输出端通过CAN总线网络连接固体氧化物燃料电池系统的主控制器，输入调理电路的输出端连接固体氧化物燃料电池系统的功能单元的传感器，输出驱动电路的输出端连接固体氧化物燃料电池系统的功能单元的执行器；所述固体氧化物燃料电池系统的功能单元为电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元或电管理单元。
2.根据权利要求1或2所述的用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，其特征在于，所述传感器包括温度、压力、流量、开关量和电流传感器中一种或者组合，所述执行器包括流量计、指示仪表、电磁阀、接触器、继电器和风机中的一种或者组合。
3.根据权利要求2所述的用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，其特征在于，所述数字核心电路包括单片机以及相接的晶振与支持单元、BDM调试单元、复位单元、配置单元和存储扩展单元，他们通过数据总线、地址总线和控制总线相连。
4.根据权利要求3所述的用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，其特征在于，所述单片机采用PowerPC555单片机为处理器。
5.根据权利要求2所述的用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，其特征在于，所述输入调理电路包括模拟量输入调理部分和数字量输入调理部分；所述模拟量输入调理部分外连温度、压力、流量传感器和电流传感器，所述数字量输入调理部分外连开关传感器。
6.根据权利要求2或5所述的用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，其特征在于，所述输出驱动电路包括模拟量输出驱动部分和数字量输出驱动部分；所述模拟量输出驱动部分外连流量计、指示仪表和风机，所述数字量输出驱动部分外连电磁阀、接触器和继电器。
7.根据权利要求2或3或4或5所述的用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，其特征在于，所述的稳压电源电路输出电压包括24V、5V和3. 3V。
全文摘要
本发明公开了一种用于固体氧化物燃料电池系统的控制器，包含数字核心电路、通讯接口电路、输入调理电路、输出驱动电路和稳压电源电路；数字核心电路分别连接稳压电源电路的输出端、输入调理电路的输入端和输出驱动电路的输入端；通讯接口电路的输出端连接通过CAN总线网络连接固体氧化物燃料电池系统(SOFC)的主控制器，输入调理电路的输出端连接SOFC的功能单元的传感器，输出驱动电路的输出端连接SOFC的功能单元的执行器；功能单元为电堆单元、空气供给单元、燃料供给单元、尾气回收单元或电管理单元。本发明针对SOFC控制任务复杂的特点，设计了功能完备的控制器，使得该硬件可以作为SOFC各功能单元的通用控制器，满足了SOFC系统开发应用的控制器硬件需求。
文档编号H01M8/04GK103022534SQ20121054645
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月15日 优先权日2012年12月15日
发明者李曦, 秦强, 蒋建华, 邓忠华, 杨杰, 李箭, 蒲健, 池波 申请人:华中科技大学