电气工程及其自动化毕业论文-燃料电池电堆控制器设计.doc

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燃料电池电堆控制器设计

摘要

随着人类社会的不断发展，各种各样的世界性问题逐渐暴露并日益加剧，能源匮乏、环境污染、温室效应等问题影响到世界上的每一个国家。保证人类社会的可持续性发展，成为各国目前主要的课题之一。汽车领域上的各种改变也正应和了可持续发展的潮流，各种各样的新能源汽车粉墨登场，其中燃料电池汽车最为突出。燃料电池汽车以氢气为和氧气为反应物，生成物为水。因为生成物与反应物均是清洁常见的物质，所以燃料电池汽车可以做到无污染零排放。正因如此各国都对燃料电池汽车技术投入了大量的人力物力，希望能以此缓解环境污染与能源危机问题。在众多种类的燃料电池中，质子交换膜燃料电池凭借其简单实用以及良好的性能被普遍认为是车用能源的首选。

本论文针对车用燃料电池的控制器进行研究，主要研究质子交换膜燃料电池控制器的基本硬件电路设计，并针对燃料电池节气门的驱动电路与PID控制进行设计与仿真。电池控制器的处理器核心采用“飞思卡尔（Freescale）”公司推出的32位MPC5554单片机。控制器的硬件组成包括MPC5554的控制核心、温度采集模块、电压采集模块、数字量输入电路、模拟量输入电路、电源模块、高低边驱动电路等等。并利用AltiumDesigner软件对控制器的硬件进行原理图设计。由于质子交换膜燃料电池的构成复杂而且执行器众多，本文主要围绕电源模块、CAN收发模块、模拟量输入电路、数字量输入电路、模拟量采集电路、节气门控制电路这几个方面的电路加以设计。设计重点主要放在节气门的PWM控制电路和开度传感器的检测电路上，并建立节气门的拉式变换函数和基于PID的Simulink仿真模型。

关键词：燃料电池控制器；硬件设计；PWM控制；PID仿真

论文类型：c.应用研究

目录

TOC\o2-3\h\z\t标题1,1摘要 I

引言 1

1燃料电池系统的组成 4

1.1燃料电池系统基本组件 4

1.2燃料电池控制器组成与作用 5

2燃料电池控制器硬件设计 7

2.1燃料电池控制器网络设计 7

2.2控制器原理图设计 7

3燃料电池控制器节气门电路设计 14

3.1节气门控制系统结构 14

3.2节气门PWM控制电路原理 15

3.3节气门驱动模块电路 16

3.4节气门开度检测电路 17

4燃料电池控制器节气门建模仿真 18

4燃料电池控制器节气门建模仿真 19

4.1节气门系统的的建模 19

4.1.1节气门驱动电机系统的模型 19

4.1.2节气门复位弹簧建模 20

4.2节气门系统的PID算法 21

结论 23

参考文献 25

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引言

随着人类社会的不断发展，各种各样的世界性问题逐渐暴露并日益加剧，能源匮乏、环境污染、温室效应等问题影响到世界上的每一个国家。保证人类社会的可持续性发展，成为各国目前主要的课题之一。汽车领域上的各种改变也正应和了可持续发展的潮流，各种各样的新能源汽车粉墨登场，其中燃料电池汽车最为突出。燃料电池汽车以氢气为和氧气为反应物，生成物为水。因为生成物与反应物均是清洁常见的物质，所以燃料电池汽车可以做到无污染零排放。正因如此各国都对燃料电池汽车技术投入了大量的人力物力，希望能以此缓解环境污染与能源危机问题。

电动汽车其实在很早之前便登上了历史的舞台，其诞生的历史更是远超过内燃机汽车。十七世纪中期人们开始认识并研究电。1821年，著名的科学家法拉第发现了电磁感应。仅在六年后，世界上第一台直流电动机现世。之后，许多发明家尝试制造了电动汽车，但早期的电动汽车都有一个共同的问题，就是使用的都是干电池，无法进行二次充电，远远无法满足实际的使用需求。直到1859年，法国发明家加斯顿·普兰特发明了铅酸电池，是人类历史上第一种可充电电池。1881年法国人卡米尔·阿方斯改进了铅酸电池，使其体积大大缩小，更适合实车使用。电动汽车在十九世纪末开始走入到人们的生活。虽然电动汽车在早期发展迅速，但电池容量有限，续航里程段，充电时间长等诸多缺陷在当时始终无法进行突破。而在1886年，卡尔·本茨制造了奔驰一号内燃机汽车，1913年福特将流水线生产理念引入T型车的生产中，导致其售价迅速下降并很快占领市场，对电动车无疑是一个巨大的打击。至此之后，电动汽车迅速销声匿迹，内燃机汽车成为人们的首位选择。然而在20世纪中后期，内燃机汽车的弊端开始累积浮现，人们逐渐意识到环境问题的严重性，再加上石油危机的日益加剧，电动汽车又开始进入到人们的视野中。