5.4.4 氢燃料电池温度调节测试实验
1.实验目的
（1）了解氢燃料电池温度控制的方法，以及温度对氢燃料电池性能的影响。
（2）学习氢燃料电池控制器的通信协议，了解CAN和SPI总线通信协议，以及ADC采样的电压测量方法，分析电池温度与风扇开度的关系。
氢燃料电池温度调节测试实验视频
2.实验内容
（1）氢燃料电池状态信息和控制信息采集。
（2）基于PID控制的氢燃料电池温控实验。
3.实验设备及软件
本实验所需的主要设备包括混合能源管理模块、安全供氢系统、氢燃料电池、电子负载、电流电压传感器、上位机、嵌入式通信接口程序、电子负载上位机软件及串口通信软件，如表5-7所示。
表5-7 本实验所选用的设备及软件
4.实验过程
1）设备连接
根据图5-43所示的实验系统架构，连接实验设备。其中，氢燃料电池控制器通过CAN总线与STM32开发板连接，电流电压传感器中的电流信号通过SPI总线与STM32开发板连接，电压信号与STM32开发板的ADC接口连接。然后，将STM32开发板和电子负载分别通过各自的USB接口与上位机连接，保持供氢软管与燃料电池断开。其他连接完成后，仅打开电子负载和上位机，然后等待设备启动完毕。
图5-43 氢燃料电池温度调节测试实验系统架构
（a）实验系统原理框图；（b）实物连接示意图
2）配置电子负载上位机通信
打开Load Monitor软件，在“配置”界面设置地址为1、波特率为115200，检查并选择对应电子负载的端口号，无校验，单击“确定”按钮。待软件主页面下方的RX灯、TX灯闪烁，表示通信正常。
3）设置电子负载程序化加载任务
在软件中设置工作模式为电流模式（CC Mode），置“输入打开”，在“工作模式”中选择“连续”。设置电流加载的时序（0 A→7 A→0 A），步长为1 A，持续时间为30 s，如图5-44所示。
图5-44 程序化加载任务
4）调试STM32与上位机的通信
按下STM32控制板的开关按钮，并按底边的复位按钮，使屏幕可正常显示测量信息。打开串口助手软件，如图5-45所示，选择相应串口并设置串口号，设置波特率为115200，停止位为1，数据位为8，无奇偶校验，然后选中“打开串口”。
5）启动氢燃料电池
打开氢气瓶阀门，并调节二次减压阀出口压力至氢燃料电池进口允许压力。通过手动排气确认压力基本稳定后，接入氢燃料电池进氢口，从而启动氢燃料电池。本示例中，氢燃料电池进口允许压力范围为0.4～0.5 bar。氢燃料电池接上氢气后，电磁阀进行3次喷气，表示工作正常。
6）确认氢燃料电池控制器与STM32开发板通信正常
图5-45 设置参口参数并打开串口
通过STM32开发板的LCD显示屏观察对应的电堆状态和电流电压传感器的信息是否正常。若正常，则进行下一步操作；否则，检查通信连接和接口配置是否正确，确保通信正常。
7）启动测试
按电子负载的【On／Off】键，打开电子负载（若面板无法控制电子负载，则先在上位机软件界面中切换至“面板控制”，启动电子负载的“On”状态后，再恢复至“PC控制”），在上位机软件界面单击“运行”按钮，加载所设计的序列，进入加载测试，直至加载完毕。
8）停止实验
记录电子负载加载电流时序、燃料电池的输出电压和电流、燃料电池温度、风扇开度、排气间隔时间等信息，保存数据。在上位机的串口助手软件界面上单击“关闭串口”按钮后，单击“保存窗口”按钮，将数据保存并命名。然后，关闭氢气瓶阀门，断开燃料电池供氢软管，并将剩余氢气排入氢气柜或室外。最后，关闭电子负载和其他设备电源。
5.讨论与思考
（1）为什么燃料电池风扇转向所采用的是吸气式，而不是吹气式？
（2）如何得到不同负荷下的燃料电池的温度控制目标值？
（3）燃料电池堆温度与周围环境温度有何关系？采用风冷会有哪些优势和问题？
（4）对于燃料电池飞行器，思考燃料电池放在狭小机舱内应用时的舱内热管理方案。