摘 要

随着全球变暖和空气污染等与环境和能源相关的问题变得越来越严重，氢作为新一代燃料已开始受到关注。因为氢在消耗时的二氧化碳的排放量为零，并且氢可以从各种能量来源生产而不会导致对特定国家或地区资源的过度依赖。氢能可用于电化学电池或内燃机，为车辆或电气设备提供动力，并且已经开始用于商用燃料电池车辆，例如乘用车和燃料电池公交车，同时氢也被用作航天推进器的燃料。由于燃料电池发电系统的组成结构十分复杂，本文以质子交换膜燃料电池汽车为研究对象，开展了燃料电池发电系统控制器的设计。主要设计内容如下：

根据燃料电池发电系统的工作原理和设计要求，重新对燃料电池发电系统的总体架构进行了设计，包括对燃料电池汽车发电系统的各个子系统的设计。完成了对燃料电池发电系统控制器的硬件总体设计，考虑到需要控制的模块和接受处理的信息过多，为了更便于对燃料电池发电系统进行信息的采集处理和算法控制，本文控制模块采用分布式架构进行控制。选择使用DSP芯片为控制器的核心，搭配外围电路，分析并根据控制量的需求重新设计了采样、通讯、控制输出/输入等外设模块。设计了一个PID控制器，对空气供给子系统中用于供给空气的空气压缩机进行简单建模和控制，使空压机对燃料电池发电系统控制器给出的控制量的响应的稳态性能及动态性能得到明显改善。

关键词：燃料电池汽车，燃料电池发电系统，控制器，PID控制器

Abstract

As environmental and energy-related issues such as global warming and air pollution become more and more serious, hydrogen has begun to get attention as a new generation of fuel. Because hydrogen emits zero carbon dioxide when it is consumed, and it can be produced from a variety of energy sources without causing excessive reliance on resources in specific countries or regions. Hydrogen energy can be used in electrochemical or internal combustion engines to power vehicles and other electrical equipments, and has begun to be used in commercial fuel cell vehicles, such as passenger cars and fuel cell buses, while hydrogen is also used as a fuel for aerospace propulsion. Because the composition of the fuel cell power generation system is very complicated, this paper takes the proton exchange membrane fuel cell vehicle as the research object and carries out the design of the fuel cell power generation system controller.The main design contents are as follows:

According to the working principle and design requirements of the fuel cell power generation system, the overall structure of the fuel cell power generation system was redesigned, including the design of various subsystems. The overall hardware design of the fuel cell power generation system controller is completed. Considering that the module to be controlled and the information to be processed are too much, in order to facilitate the information acquisition and algorithm control of the fuel cell power generation system, the control module of this paper adopts a distributed architecture. Choose to use the DSP chip as the core of the controller, equipped with peripheral circuits, and then redesigned the peripheral modules such as sampling, communication, output/input modules according to the control demands. A PID controller is designed to simply model and control the air compressor for supplying air in the air supply subsystem, so that the steady-state performance and dynamic performance of the air compressor responds to the controller have been significantly improved.

Keywords: fuel cell vehicle, fuel cell power generation system, controller, PID controller

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 燃料电池汽车国内外发展现状 2

1.2.1 燃料电池汽车国外发展概况 2

1.2.2 燃料电池汽车国内发展概况 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 燃料电池发电系统总体设计 5

2.1 燃料电池概述 5

2.1.1 燃料电池 5

2.1.2 质子交换膜燃料电池 6

2.2 燃料电池电动汽车的组成 8

2.3 燃料电池发电系统的组成 9

2.3.1 氢气供给子系统 9

2.3.2 空气供给子系统 10

2.3.3 增湿子系统 11

2.3.4 冷却子系统 12

2.4燃料电池发电系统控制结构设计 13

第3章 燃料电池发电系统控制器硬件设计 15

3.1 系统控制量需求分析 15

3.2 硬件总体设计 16

3.3 主控芯片的选择 17

3.4 DSP各接口模块设计 18

3.4.1 外扩RAM模块 18

3.4.2 ADC接口模块 19

3.4.3 DI接口模块 21

3.4.4 DO接口模块 22

3.4.5 PWM接口模块 23

3.4.6 SCI接口模块 24

3.4.7 CAN接口模块 24

3.5供电缓冲电路 25

3.6 供电系统设计 26

第4章 空气供给系统中控制器的设计与仿真 27

4.1 PID控制原理及应用 27

4.2 PID控制器设计 28

4.3应用结果及分析 29

第5章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着全球工业化的不断发展，各国对化石燃料的需求量与日俱增，化石燃料资源的有限已经成为制约各国经济发展的一大重要原因。我国作为世界第二大经济体，对化石燃料的需求不容小觑，科技进步、工业发展的速度与化石燃料的消耗成正比，同时我国还是一个石油贫穷国，90%的石油都依靠国外进口，2017年我国原油进口量为4.2亿吨，2018年更是达到了创纪录的4.6亿吨，这样的境况非常不利于我国经济发展。随着人民生活越来越富裕，近年国内汽车数量不断上升，燃烧化石燃料产生的二氧化碳以及硫化物、PM2.5等还会对环境造成严重的污染。可见我国能源结构调整刻不容缓，发展新能源已成为我国国民经济可持续发展的战略需求。

我国的燃料电池和氢能相关技术仍处于起步发展阶段，落后于美国、加拿大、日本等其他国家。为不断提高产业技术水平，增强核心竞争力，积极推动新能源汽车产业的健康发展，最近几年，政府已推行发布了多项关于燃料电池汽车的补贴政策。进入新世纪以来，从“十五”时期研发燃料电池汽车技术的国家863重大专项，到“十一五”期间的重点强调燃料电池技术的发展，再到“十二五”将燃料电池汽车列为需要大力培育和国家战略性新兴产业，一直到2016年在“十三五”国家战略性新兴产业发展规划中第五点重点说明推进燃料电池汽车研发与产业化，无不说明我国对发展燃料电池汽车的决心和努力。另外，根据《lt;中国制造2025gt;重点领域技术路线图》的规划，燃料电池汽车将成为今后新能源汽车发展的重点，主要实现城市公共服务用车、私人用车的批量化应用，大面积推广以及应用燃料电池技术。通过对燃料电池系统结构的优化设计，大幅度降低燃料电池系统的生产成本，进一步加快关键零部件的产业一体化。

李克强总理2018年5月11日对日本进行了国事访问，参观考察了丰田汽车公司位于日本北海道苫小牧市的某零部件工厂。李克强总理对于丰田公司的e-Palette概念车以及燃料电池车“Mirai”的续航里程等各方面问题进行了提问。这是国家最高级别领导人首次在公开场合对于燃料电池汽车进行考察。在2019年全国“两会”期间，十三届全国人大二次会议审议后的《政府工作报告》（修订版）中增加了“推动充电、加氢等设施建设”。同时，《国民经济和社会发展计划草案的报告》（修订版）中也增加了相应的内容，表明国家开始提高对氢燃料电池汽车相关基础设施建设的重视程度。

虽然燃料电池发电系统及燃料电池车的研发已经取得了很大进展，其商业化进程不断加快，相比传统内燃机汽车来说更加清洁和无污染，但是其价格成本一直远远大于传统的内燃机汽车，而且燃料电池本身寿命短、磨损率高、动态性能差，在车辆行驶性能指标方面表现得并不十分优异。因此要使燃料电池汽车的全面普及，还需要做更多的深入研究工作。

1.2 燃料电池汽车国内外发展现状

1.2.1 燃料电池汽车国外发展概况

从2014年至2016年，美国燃料电池客车的总运行公里数已超过100万英里，运行时间超8万个小时。为了促进和推动燃料电池车商业化，美国联邦交通运输局和能源部为燃料电池客车制定了成本和性能目标，这都帮助燃料电池客车向着低成本化、更高的实用性和可靠性发展。并且美国积极开展燃料电池客车的示范项目来验证和改进燃料电池客车的应用性。目前20多辆燃料电池客车遍布在全美各个地方进行示范运行。示范燃料电池客车来自于美国的多个燃料电池汽车制造商，包括万伍尔、埃尔多拉多、普罗泰拉以及美国电动车等。

加拿大的巴拉德（Ballard）是国际上著名的燃料电池研发制造企业，其PEMFC技术水平全球领先。巴拉德的FCveloCity动力模块最低功率为30kW，最高甚至可达200kW，同时其在混合动力电动客车上面的燃料电池模块体积最大仅为1200*869*506mm³，最大重量为285kg。目前巴拉德的FCveloCity动力模块已被设计集成到8至18m（包括双层巴士）的混合公交车上，并于2016年，由广东国立氢能电力科技有限公司持股90%，巴拉德持股10%成立了广东协和巴拉德氢能电力科技有限公司的合资公司。该公司生产了巴拉德许可的燃料电池堆，该电堆叠装在本地组装的燃料电池发动机中，并被用于各种零排放巴士和商用车辆中。

目前，日本政府正在大力促进燃料电池车的商业化以及其配套的基础设施的建造。在其公布的计划中，日本将在2025年累计售出21万辆左右的燃料电池汽车，在2030年累计销售量达到2025年累计产量的4倍左右。在燃料电池汽车基础设施建设方面，日本计划到2020年将增设150处左右的为燃料电池车提供燃料的加氢站，2025年增设300处左右，约达到目前的四倍。

丰田公司在燃料电池汽车领域经过了20年的技术积累，在2015年举办的CES消费电子展开幕前夕，丰田公司宣布将无偿地对全世界开放其独有的约5680项燃料电池技术相关的发明专利。从1992年丰田开始实行燃料电池计划，到2013年在车展上展处燃料电池概念车，再到2014年名为“Mirai”的新型燃料电池汽车在日本正式上市交货，这一步步体现出了丰田在燃料电池汽车领域所具有的强大实力。目前丰田汽车公司正在为加强燃料电池汽车的产业化做准备。

韩国国土面积小且能源资源少，为求发展一直致力于燃料电池等新能源的发展。韩国计划在2030年实现首尔10%的能源由燃料电池提供的目标。韩国现代公司旗下的途胜燃料电池汽车是第一个被打入北美市场并实现量产的燃料电池汽车^[1]。

1.2.2 燃料电池汽车国内发展概况

在我国四个连续五年计划的扶持和鼓励下，通过政府扶持，不断有企业以及高校学者在燃料电池方面做出重大攻关成果，使得我国燃料电池汽车的相关技术取得了很大进步。中科院大连化物所相继研制出50kW、100kW等燃料电池发电系统，并与清华大学共同研制出了燃料电池大巴车，并在北京奥运会和上海世博会以及新加坡国际青奥会上投入使用；上海神力公司联合同济大学研制出最高100kW功率燃料电池发动机，并推出了超越系列燃料电池电动轿车；武汉理工大学成功研制50kW级系列燃料电池电堆以及“楚天1号”燃料电池电动轿车和“楚天2号”燃料电池轻型客车等。

宇通汽车公司在2013年建设了我国的第三座加氢站，推动了燃料电池客车的示范运行工作，并于2016年5月23日，在第13届中国国际交通技术与设备展览会上，宇通客车携第三代燃料电池客车--ZK6125FCEVG2正式亮相。据了解，该车可实现氢燃料10分钟快速加注，航程超过600公里，并且成本下降50%。

近年来，我国燃料电池汽车的产量正在快速增长。2017年，我国燃料电池汽车的总产量达1272辆，较2016年同比增长了102.2%。其中燃料电池客车占总产量的22.0%，燃料电池专用车占燃料电池汽车总产量的78.0%。2017年，全国已有1000辆燃料电池汽车正在投入运营，有北京和佛山两地已投入使用燃料电池公交大巴，上海市已经有500辆氢燃料电池物流车被投入到示范推广运营工作中，申通、京东等物流公司也开始试用燃料电池物流车。现阶段已有多个地区正在积极规划发展燃料电池，以上海、武汉、佛山、盐城四地的布局和规划为例，预计到2020年，燃料电池汽车的数量就将破万。

2018年2月8日，广东长江汽车氢动力研发中心项目投资及整车生产协议在南海签订。研发中心定位长江汽车全球唯一的氢动力汽车研发中心，生产包括纯电动和氢燃料电池客车、专用车等车型，预计2019年竣工投产后可年产6万辆新能源汽车。2019年韩国现代公司计划在四川生产氢燃料汽车整车；北汽福田、丰田汽车和北京亿华通也达成合作意向，共同推出氢燃料电池客车。《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》树立的到2020年，我国将建设100座加氢站，投入运行1万辆燃料电池车辆的发展目标正逐渐变为现实。

我国目前是全球最大的新型汽车市场，发展新能源汽车也已被提升至国家战略层面，这是我国发展氢燃料电池汽车的独特优势。但在客观上来说，我国的氢燃料电池汽车产业目前仍处于起步阶段，不仅产业规模不大，而且相关的技术水平与韩国、日本等国相比仍然存在很大差距。将我国燃料电池汽车和国外的产品进行性能对比，可以发现我国燃料电池车虽然初步掌握了燃料电池电堆的关键技术，并对整车集成和氢能基础设施进行了大量的突破和发展，与国际燃料电池汽车的差距有所缩小，但是体现燃料电池汽车核心技术的燃料电池发电系统的功率和效率仍明显低于国际领先水平^[2-3]。

1.3 本文主要研究内容

燃料电池汽车与传统汽车的主要区别在于用使用了燃料电池发电系统代替传统的内燃机动力系统，对燃料电池发电系统的研究是燃料电池汽车设计研究与开发的主要内容。控制器的优劣对燃料电池电堆的性能、安全和寿命具有决定性的影响，本文主要进行对燃料电池发电系统控制器的研究与设计。所做的工作具体有以下几点：

（1）燃料电池发电系统控制器的总体方案设计。掌握燃料电池发电系统运行原理和基本研究方法，对燃料电池汽车的核心部分——燃料电池发电系统的组成结构进行了研究和设计，控制结构上，在系统中采用了分布式控制结构。燃料电池发电系统主要由PEM燃料电池电堆、空气供给子系统、氢气供给子系统、冷却子系统、增湿子系统等部分组成，对各个子系统进行设计和说明。

（2）对燃料电池发电系统控制器进行硬件设计。分析控制器的功能需求，确定输入输出信号需求，进行硬件总体设计，选择嵌入式开发芯片。为了满足燃料电池对安全性的需求以及燃料电池发电系统控制器对信号处理速度的要求，选用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407做为主控芯片，并设计了控制器的外围电路以及各个接口模块的电路原理图。

（3）空气供给系统中空压机的PID控制器设计仿真与分析。空气供给子系统中的一个重要部分是用于空气供给的空气压缩机，利用MATLAB软件中的Simulink模块对空压机控制系统进行建模，设计了一个PID调节器，对空压机对控制信号的响应的稳态性能及动态性能进行改善，并分析仿真结果从而验证设计达到目标。

第2章 燃料电池发电系统总体设计

2.1 燃料电池概述

2.1.1 燃料电池

燃料电池是一种电化学电池，通过一对氧化还原反应将燃料（通常是氢）和氧化剂（通常是氧）的化学能转化为电能。燃料电池与大多数电池最主要的不同在于燃料电池需要连续的燃料和氧气供应以维持电化学反应，而普通电池所利用的化学能则通常来自于金属及其离子或氧化物。只要提供充足的氧气和燃料，燃料电池就可以连续不断地发电。

燃料电池有许多类型，但它们都是由阳极、阴极和电解质组成的，离子（通常是带正电的氢离子（质子））能够在燃料电池的两个电极之间移动。在阳极处，催化剂使燃料经历氧化反应，产生离子（通常带正电荷的氢离子）和电子。离子在电解质中从阳极移动到阴极。电子通过外部电路自阳流向阴极从而产生直流电。而阴极的另一种催化剂使离子、氧分子和电子发生反应，形成了水以及其它产物。单个燃料电池只能产生约为0.7伏的较小的电压，因此通常通过串联放置单片或电池“堆叠”的方式使电堆产生足够高的电压，以满足负载的需求。燃料电池的能效通常在40~60%之间，如果采用热电联产方案捕获废热，则可以达到高达85%的转换效率。

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