用于固体氧化物燃料电池系统的控制器技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术针对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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池
，更精确地说，它属于固体氧化物燃料电池系统控制

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对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。本专利技术的技术效果体现在本专利技术控制器处理能力强，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。附图说明图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。本专利技术所述控制器指的是各功能单元的子控制器。图2所示为本专利技术控制器的结构框图。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。本专利技术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MP本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，秦强，蒋建华，邓忠华，杨杰，李箭，蒲健，池波，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：