李小君，陈启宏

(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070)

燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转化为低压直流电的装置，燃料电池内阻是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要标志，也是决定电堆发电效率的关键参数。通过测试内阻可以为控制内阻(减小内阻)、提高发电效率奠定基础。因此在燃料电池的发展与研究中，内阻测试具有非常重要的地位。

燃料电池本身是一个非线性、多变量、强耦合、具有纯滞后和不可测扰动的时变系统［1］，在实际分析电池性能中，内阻值是很难准确测量的，在线实时测量内阻也就更加重要。因此，笔者在以TMLM3S5749高性能ARM处理器为主控制器的高精度程控交流激励源及采样处理单元的硬件平台基础上，采用USB通信接口完成采样单元与上位机的通信，以Visual C++6.0为开发平台，设计了一套燃料电池内阻在线测试的上位机软件。经投入样机实验验证，该软件能实现实时内阻值的检测、曲线显示、保存试验数据、数据查询、手动自动检测和读入欧姆内阻曲线等功能，具有响应速度快、故障诊断能力良好和易于维护等优点。

1 系统整体设计

燃料电池本身是一个复杂的化学电源，从工程电路分析的角度出发，还可以把燃料电池作为基本电路电源模型来分析，实际电源可以等同于一个理想电压源与一个实际电源的广义电阻串联的形式［2-3］，其等效电学模型如图1所示。

图1 燃料电池等效电学模型

这种广义内阻的电学模型分为活化极化内阻、欧姆内阻和极化内阻。测量电池两端的交流电压VAC、通过电池的交流电流IAC，以及它们的相位差α，则可得到欧姆内阻，其计算公式如下:

将在交流电源频率为1 Hz时测得的内阻减去α为0时的欧姆内阻，就可得到极化内阻。只要在该电学模型的两端加上交流激励源，测得不同频率下的电池两端的交流电流和电压，系统便会根据当前燃料电池输出电流状态自动控制交流激励源输出信号频率及幅值，并通过频率自寻优寻找电流电压相位差为零的交流信号频率，计算得到燃料电池欧姆内阻［4-6］;采用底层测控网络主控制器嵌入内阻在线测试算法，分析从检测板发送的数据信息，则可计算得到当前工作点下的燃料电池欧姆内阻和极化内阻［7-8］。所设计的系统结构框图包含程控交流激励源、采样单元、底层测控单元和上位机处理单元，如图2所示。

图2 燃料电池内阻在线测试系统结构框图

2 燃料电池内阻在线测试硬件设计

2.1 程控交流电流激励源设计

根据燃料电池内阻测试系统的要求，程控交流电流激励源的硬件结构框图如图3所示。整个电路由DC/DC直流变换电路、DC/AC逆变电路、控制器MCU电路、通信电路和辅助电源电路6个部分组成。

图3 程控交流电流激励源硬件结构框图

DC/DC直流变换电路的设计采用日本东芝公司生产的带光电隔离的MOSFET专用驱动芯片TLP250。选用TLP250光耦，既保证了功率驱动电路与BUCK斩波电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路简单可靠。

在DC/AC逆变电路的设计中，每个单管并联快速恢复二极管，每个桥臂共用一个RCD吸收电路。快速恢复二极管的作用是续流，RCD吸收电路的作用是吸收MOSFET在开关过程中产生的尖峰谐波，便于MOSFET的可靠开关，降低开关干扰，提高其工作可靠性。

燃料电池内阻测试主控制器担负着检测流程控制、数据汇总与处理和人机接口等多方面的工作。该系统采用32位ARM微控制器TMLM3S5749，具有 ARM Cottex-M3内核、Stellaris驱动库、存储器、输入/输出设备接口、总线接口和网络接口。ARM处理器配以多个辅助单元共同组成了内阻测试主控制器。

2.2 USB通信硬件设计

在主控制器系统中，设计了4组通信接口。其中USB、RS485、RS232为外部通信接口与 PC机相连，将内阻测试数据传给PC做进一步地分析处理。CAN通信总线作为内阻测试仪内部的互联总线与程控交流电流源、高精度采样处理单元相连。采集好的数据将以中断形式通知微控制器。整个硬件结构简单紧凑，易于调试。系统中主要采用的是USB通信接口，其接口芯片选用的是周立功公司生产的USB电源控制开关SP2526，设计的电路原理图如图4所示。

图4 USB通信硬件原理图

该系统使用的USB接口芯片为SP2526，最高USB数据传输速率高达12 Mb/s。USB UART是一款增强型的接口转换芯片，由USB接口转换成1/2/4通道的UART接口。USB接口完全兼容全速USB 2.0规范，支持USB挂起、恢复和远程唤醒操作。具有128字节的发送缓冲区和384字节的接收缓冲区，有助于优化各种应用的整体数据吞吐量，减少CPU的资源。自动收发方向控制功能，简化了硬件和软件的半双工RS-485应用。

3 USB通信的软件设计

USB接口适应了当今计算机外部设备的高速度和高通用性，并且使用方便，成本低，使得外设向USB过渡成为必然的趋势。该系统使用USB2.0协议［9-10］，采用批量传输类型，USB 通信协议如图5所示。

图5 USB通信协议

协议帧结构根据测试系统的要求分为两种，第一种是自动测试时的数据帧结构。下位机采样测试单元会以程控交流源自扫频率完成整个频率范围的测试，前11个字节是每片电池都有的信息量，由于该系统测试的不只是单片的内阻，而是整个电堆的内阻，根据协议的片号来区分单片的电池;第二种是手动测试时的配置帧结构。首先由上位机选择到手动状态，配置好起始频率、步进频率和截止频率后发送给下位机，由下位机根据上位机的要求完成指定频率的测试，从第21个字节开始就与第一种帧结构的重复区相同了。

协议配置完成后，添加动态链接库LumiUSB.dll，调用读函数Int__stdcall LUMReadData()和写函数Int__stdcall LUMWriteData()，即可完成与下位机的收发数据功能。USB批量传输处理流程图如图6所示。

图6 USB批量传输处理流程图

燃料电池内阻在线测试的上位机监控界面如图7所示，整个界面用Visual C++编写，负责下位机的数据收发，通信状态和工作状态的监控以及对下位机的控制。并且通过Visual C++操作SQL Server数据库保存实验数据。

图7 上位机操作界面实图

4 实验结果分析

笔者测试内阻的方法为交流阻抗法，是一种用小振幅的正弦电流或电压信号对电极进行扰动，然后测定其响应信号的测量方法。通过这种测量方法，上位机检测结果界面图如图8所示，与理想的燃料电池内阻阻抗谱图基本一致。如图9所示，随着频率的增大，测得的阻抗虚部为零，与阻抗实部轴的交点就可得到欧姆内阻。在实际测试中每片电池的内阻曲线图都可以看到，为分析燃料电池内阻湿度软测量提供了重要依据。

图8 上位机检测结果界面图

图9 燃料电池内阻Nyquist图

5 结论

PEMFC内阻在线测试系统可满足一个高速数据采集系统的实际需要，以Visual C++6.0为开发平台的USB通信协议的实现使测试系统可以减少由于任务的频繁调度所带来的开销，同时又能够对硬件中断和硬件轮询等特别任务及时响应，符合项目的实时性需求。上位机的数据也为后期的燃料电池内阻湿度软测量以及健康状态的监测提供了重要依据。

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