基于PowerPC的燃料电池控制器设计与实现

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燃料电池以零排放、能量转换效率高、可靠性高、以及维护性好等诸多优点,被称为继水电、火电和核电之后第四种发电装置,日益受到各国政府和各大企业的广泛关注。质子交换膜燃料电池更是由于其工作温度低,功率密度高等特点,成为最具发展潜力的燃料电池。控制器是保障燃料电池正常工作,提高寿命和可靠性的关键。本文开展质子交换膜燃料电池控制器研究与设计,主要研究内容如下:分析了质子交换膜燃料电池系统整体结构与原理,其中重点分析了氢气供给单元、空气供给单元及冷却循环系统三大组成部分;对质子交换膜燃料电池控制系统进行了需求分析,在此基础上对比分析了相关技术方案,提出以处理速度快、抗干扰能力强、接口资源丰富的32位PowerPC微处理器MPC5554为核心的总体控制方案。设计了基于MPC5554的控制器硬件,包括模拟和数字信号采集及处理电路、电磁阀驱动电路、D/A转换电路、过流保护电路、SCI通讯电路、CAN通讯电路,并对各参数进行了计算分析。针对质子交换膜燃料电池的电磁环境,分析了控制器的电磁兼容性需求,从硬件电路板布局规划、布线设计、叠层规划多方面来设计PCB,以提高可靠性。重点分析质子交换膜燃料电池的水管理意义以及影响因素—空气湿度特性,提出理论解决方案并选取合适解决方案—焓轮加湿。然后,通过实验测试手段了解焓轮加湿器的加湿特性。在此基础上阐述常规PID控制湿度策略。最后,针对湿度控制中存在的时滞性特性,提出了优化控制方案,通过计算机仿真和实验,选择适合的控制参数。对控制结果进行简要分析。最后,针对控制器中μ C/OS-II进行操作系统移植,搭建适合MPC5554硬件开发的软件平台。利用Matlab与Freescale公司合作开发RAppID工具将优化控制策略进行代码化,实现控制策略软件化。
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