一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池系统控制技术领域，尤其涉及一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法。

背景技术

目前，随着人类社会文明的不断进步，能源消费日益增长，环境污染日趋严重。氢能作为一种绿色清洁能源逐渐走进大众的视野，是解决人类能源危机问题的有效方案。氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）是指利用氢气和氧气发生电化学反应，将内部化学能直接转变为电能的装置。其反应过程中只产生水和热，具有零污染、低噪声、高热值等优点，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。

阴极开放式氢燃料电池具有较为简单的辅助系统，无需在阴极利用空压机进行氧气供应，而是直接利用风扇组件抽入氧气，同时达到对电池散热的目的，降低了结构复杂度与制造成本。系统控制装置是用来监测燃料电池运行状态，依据现实负载功率需求及时调整系统内部状态，保持最佳功率输出环境的最小控制系统。燃料电池在运行过程中，其内部进行着非常复杂的物理化学反应，若控制装置保护措施不完善或控制方式不可靠时，会严重影响燃料电池的输出性能与寿命，更甚者会造成燃料电池的永久损坏。当前市场上的燃料电池价格昂贵，控制装置随燃料电池配套出售，若因操作不当造成装置损坏，其维修过程繁琐且成本较高，同时受限于厂商技术保密，个人无法进行二次开发设计。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有的燃料电池系统控制装置都与同品牌燃料电池配套出售，其价格昂贵、安全可靠性低、技术保密、二次开发设计难度较高、损坏后不易维修。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置及控制方法。

本发明是通过信号采集电路采集燃料电池系统电压、电流、温度、驱动等信号，由控制模块分析处理后向相关驱动电路发出控制信号，调整燃料电池运行状态，完成系统的安全稳定控制目标。一种阴极开放式氢燃料电池系统控制装置包括：

控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路；

所述控制模块分别与电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路相连，电源滤波转换电路与数据采样电路、驱动电路相连，数据采样电路连接有传感器和分压采样电路，驱动电路与受控器件和外部设备相连；

所述控制模块用于接收来自数据采样电路的采样数据，经分析处理后向相关驱动电路发出控制指令；

所述数据采样电路用于进行数据采集，并将采集数据输入至控制模块，由控制模块分析处理后输出至驱动电路；

所述驱动电路用于在控制指令的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作。

进一步，数据采样电路包括开关信号采样电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、电池温度采样电路、装置供电采样电路、氢气检测采样电路、短路信号采样电路；

驱动电路包括开关驱动电路、警报驱动电路、输入输出驱动电路、氢供阀驱动电路、吹扫阀驱动电路、风扇驱动电路、短路驱动电路。

进一步，开关信号采样电路与开关驱动电路具体为：12V供电电源滤波与保护电路中的二极管D1负极输出端与复位开关S1、三极管QP1的发射极相连，复位开关S1两端并联电容C3，复位开关S1另一端经二极管D2后接三极管QP1的集电极，复位开关S1另一端同时分别经电阻R1和R2接地，电阻R1和R2之间引出采样口接入控制模块GPIO64引脚，三极管QP1的基极与发射极间接电阻R3，三极管QP1的基极还与三极管QN1的集电极相连，三极管QP1的集电极还引出+12V电源端口并经电解质电容C4后接地，控制模块GPIO65经电阻R4接三极管QN1的基极，QN1的发射极接地。

进一步，输入电压采样电路与输入输出驱动电路具体为：装置正极输入Vin+依次经过电阻R5、可调电阻R6和电阻R7接地，同时电容C5并联在电阻R7两端，可调电阻R6的滑动触点和电阻R7相连，同时接入控制模块ADCINA0引脚；N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4分别两两并联且源极共同连接模拟地AGND，装置正极输入Vin+接N沟道增强型场效应管M1和M2的漏极，装置正极输出Vout+接N沟道增强型场效应管M3和M4的漏极；控制模块GPIO66引脚经电阻R9连接光耦隔离元件U4的AN引脚，光耦隔离元件U4的CAT引脚直接接地，光耦隔离元件U4的COL引脚连接隔离供电12V与三极管QN2的集电极，光耦隔离元件U4的EM引脚同时连接三极管QN2与三极管QP2的基极，且经电阻R10连接至三极管QP2的集电极最后共同连接模拟地AGND，三极管QN2的发射极和三极管QP2的发射极相连，同时连接N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4的栅极，且经电阻R8连接至四个N沟道增强型场效应管的源极。

进一步，输入电流采样电路具体为：电流传感器U6的输入端口接燃料电池正极Vfc_in，输出端口接装置正极输入Vin+，电流传感器U6的正负极供电引脚分别连接+5V电源端口和地，采样数据输出引脚Sfc经电阻R12连接运算放大器U7的同相输入端与电阻R13，电阻R13另一端接地，电容C6两端分别连接+5V电源端口和地，+5V电源端口依次经电阻R14、可变电阻R15、电阻R17接运算放大器U7的反相输入端，可变电阻R15的滑动触点与电阻R17相连，同时经电阻R16后接地，电阻R18与电容C7并联且分别连接运算放大器U7的反相输入端和输出端，运算放大器U7的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U7的输出端接入控制模块ADCINA1引脚。

进一步，电池温度采样电路具体为：+5V电源端口经电阻R19和热敏电阻RT1接地，电容C8两端分别连接+5V电源端口和地，电阻R19与热敏电阻RT1连接端接入运算放大器U8的同相输入端，+5V电源端口经可变电阻R20和电阻R21接地，可变电阻R20的滑动触点也连接电阻R21且经电阻R22后与运算放大器U8的反相输入端相连，电阻R23与电容C9并联且分别连接运算放大器U8的反相输入端和输出端，运算放大器U8的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U8的输出端接入控制模块ADCINA2引脚。

进一步，装置供电采样电路具体为：供电电源Vs_12V与电解质电容C10正极相连，电解质电容C10负极接地，供电电源Vs_12V经电阻R24、可变电阻R25与运算放大器U9的同相输入端相连，可变电阻R25的滑动触点与运算放大器U9的同相输入端相连，电阻R26两端分别连接运算放大器U9的同相输入端和地，运算放大器U9的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U9的反相输入端与输出端相连，且输出端接入控制模块ADCINA3引脚；

短路信号采样与短路驱动电路具体为：+5V电源端口经电阻R27、电源开关S2和电阻R28后接地，电容C11并联在电源开关S2的两端，电源开关S2与电阻R28之间引出采样口接入控制模块GPIO68引脚；+12V电源端口接电解质电容C12的正极，电解质电容C12的负极接地，+12V电源端口经电阻R29后分别与三极管QN4的基极和三极管QN5的集电极相连，电阻R30连接三极管QN4的基极和发射极，控制模块GPIO69引脚经电阻R31后与三极管QN5的基极相连，电阻R32连接三极管QN5的基极和发射极，三极管QN4的发射极和三极管QN5的发射极相连接地，装置正极输入Vin+与电解质电容C13正极相连，电解质电容C13负极接地，N沟道增强型场效应管M5和M6并联，装置正极输入Vin+与N沟道增强型场效应管M5和M6的漏极相连，N沟道增强型场效应管M5和M6的源极接地，+12V电源端口经电阻R33后与N沟道增强型场效应管M5和M6的栅极相连。

进一步，氢供阀驱动电路具体为：+12V电源端口接电解质电容C14的正极，电解质电容C14的负极接地，+12V电源端口与三极管QN6的集电极相连，控制模块GPIO70引脚经电阻R34后与三极管QN6和三极管QP3的基极相连，三极管QN6的发射极与三极管QP3的发射极相连，+12V电源端口接氢供阀U11的正极与二极管D3的负极，氢供阀U11的负极与二极管D3的正极相连，同时连接至N沟道增强型场效应管M7和M8的漏极，N沟道增强型场效应管M7和M8的源极接地，三极管QN6的发射极与三极管QP3的发射极经电阻R35与N沟道增强型场效应管M7和M8的栅极相连。

进一步，吹扫阀驱动电路具体为：+12V电源端口接电解质电容C15的正极，电解质电容C15的负极接地，+12V电源端口与三极管QN7的集电极相连，控制模块GPIO71引脚经电阻R36后与三极管QN7和三极管QP4的基极相连，三极管QN7的发射极与三极管QP4的发射极相连，+12V电源端口接吹扫阀U12的正极与二极管D4的负极，吹扫阀U12的负极与二极管D4的正极相连，同时连接至N沟道增强型场效应管M9和M10的漏极，N沟道增强型场效应管M9和M10的源极接地，三极管QN7的发射极与三极管QP4的发射极经电阻R37与N沟道增强型场效应管M9和M10的栅极相连。

进一步，风扇驱动电路具体为：控制模块GPIO10引脚经电阻R38连接光耦隔离元件U13的Vin+引脚，光耦隔离元件U13的Vin-引脚与数字地DGND相连，+12V电源端口与光耦隔离元件U13的Vcc引脚相连且经电解质电容C16连接GND引脚并接地，光耦隔离元件U13的Vo引脚分别与电阻R39和R40相连，电阻R39另一端接地，电阻R40另一端接N沟道增强型场效应管M11和M12的栅极，+12V电源端口接风扇U14的正极与二极管D5的负极，风扇U14的负极与二极管D5的正极相连，同时连接至N沟道增强型场效应管M11和M12的漏极，N沟道增强型场效应管M11和M12的源极接地。

本发明的另一目的在于提供一种阴极开放式氢燃料电池系统控制方法，所述阴极开放式氢燃料电池系统控制方法包括：

步骤一，利用数据采样电路进行数据采集，并将采集数据输入至控制模块，由控制模块分析处理后输出至驱动电路；

步骤二，驱动电路在控制指令的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作，实现燃料电池系统的控制。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对现今市场上的燃料电池控制装置功能简单，相关安全保护措施不完善和运行不智能等问题，本方案的优点及积极效果具体描述如下：

本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够在燃料电池系统启动前监测其采样数据，判断当前环境是否满足规定要求，根据判断结果进行有效的启停保护，保证了燃料电池系统有效的启动与停止；

本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够根据燃料电池系统自身运行特点，设计短路电路来优化燃料电池内部环境，延长其工作寿命，实现燃料电池系统的长寿命运行；

本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能够在燃料电池系统运行过程中通过信号采集电路精确地采集燃料电池电压、电流、温度和环境氢气含量四种信号，利用高性能控制芯片实时监测分析处理采样数据，控制相应驱动电路，有效避免了系统运行过程中的低压、过流、高温和漏氢问题，保证燃料电池系统安全稳定运行；

本发明提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置能及时采集并处理异常信号，迅速执行相关驱动电路进行停机操作，避免对燃料电池造成不可逆的损伤。

第二，针对本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明具备集成度高、成本低、安全性高、性能可靠、二次开发设计简单等特点，能够实现燃料电池系统从启动到停机整个运行周期的实时状态监测、分析处理和调整控制，实现燃料电池系统的安全智能运行。

第三，针对本发明技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明所属的燃料电池控制领域技术门槛高，市场需求大，可为燃料电池系统控制装置智能化设计提供技术基础，具有巨大的商业价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置与阴极开放式氢燃料电池系统的连接示意图；

图2是本发明实施例提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置的电路连接原理图；

图3为本发明实施例提供的电源转换电路图；

图4为本发明实施例提供的12V电源滤波保护与开关信号采样驱动电路图；

图5为本发明实施例提供的输入电压采样与输入输出驱动电路图；

图6为本发明实施例提供的蜂鸣器驱动电路图；

图7为本发明实施例提供的输入电流采样电路图；

图8为本发明实施例提供的电池温度采样电路图；

图9为本发明实施例提供的装置12V供电采样电路图；

图10为本发明实施例提供的氢气检测采样电路图；

图11为本发明实施例提供的短路信号采样与驱动电路图；

图12为本发明实施例提供的氢供阀驱动电路图；

图13为本发明实施例提供的吹扫阀驱动电路图；

图14为本发明实施例提供的风扇驱动电路图；

图15为本发明实施例提供的控制逻辑流程图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的阴极开放式氢燃料电池系统控制装置包括控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路。

控制模块分别与电源滤波转换电路、数据采样电路、驱动电路相连，控制模块采用TMS320F28335作为主控芯片；电源滤波转换电路与数据采样电路、驱动电路相连，电源滤波转换电路用于滤除当前电路的信号干扰并给部分电路供电；数据采样电路与燃料电池系统控制装置中的传感器和分压采样电路相连，用于采集燃料电池系统的开关、电压、电流、温度、装置供电、氢气、短路信号；驱动电路与装置中的受控器件和外部设备相连，具体实施过程中，控制模块接收来自数据采样电路的采样数据，经分析处理后向相关驱动电路发出控制指令，驱动电路在指令信号的作用下，控制受控器件和外部设备完成指令操作，实现燃料电池系统的控制。

如图3所示，电源转换电路包括12V电压隔离稳压模块、12V转5V电压转换模块、5V转3.3V电压隔离转换模块；12V电压隔离稳压模块U1的正输入端接+12V电源端口，负输入端接地，正输出端接隔离供电12V，负输出端接模拟地AGND，在具体实施中，12V电压隔离稳压模块U1型号为TD6-12S12；12V转5V电压转换模块U2的正输入端接+12V电源端口，接地端口接地，正输出端接+5V电源端口，+5V电源端口经电阻R41与发光二极管LED1正极相接，LED1负极接地，在具体实施中，发光二极管LED1用于检验12V转5V电压转换模块U2是否正常工作，12V转5V电压转换模块U2型号为K7805；5V转3.3V电压隔离转换模块U3的正输入端接+5V电源端口，负输入端接地，正输出端接+3.3V电源端口，负输出端连接数字地DGND，+3.3V电源端口经电阻R42与发光二极管LED2正极相接，LED2负极接模拟地，具体实施中，发光二极管LED2用于检验5V转3.3V电压隔离转换模块U3是否正常工作，5V转3.3V电压隔离转换模块U3的型号为B0503S；在地GND与数字地DGND之间连接0欧电阻R43，用以有效屏蔽装置内功率信号与控制信号之间的干扰。

如图4所示，所述12V供电电源滤波与保护电路由滤波电容C1和C2、瞬态电压抑制二极管DZ1、自恢复保险丝F1、二极管D1组成；供电电源Vs_12V分别与电解质电容C1的正极、瞬态电压抑制二极管DZ1的负极、自恢复保险丝F1的一端相接，C1负极与瞬态电压抑制二极管DZ1的正极接地，F1另一端接D1正极，D1负极接电解质电容C2的正极，C2负极接地。具体实施中，瞬态电压抑制二极管DZ1的型号为SMBJ12A，自恢复保险丝F1最大耐受电流为5A，瞬态电压抑制二极管DZ1和自恢复保险丝F1对输入电路进行有效保护，可避免瞬态高电压和大电流对装置造成损伤，电解质电容C1和C2能有效滤除输入电路的杂波干扰,并稳定输入电压，二极管D1用于防止功率反向流动。

数据采样电路包括开关信号采样电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、电池温度采样电路、装置供电采样电路、氢气检测采样电路、短路信号采样电路；驱动电路包括开关驱动电路、警报驱动电路、输入输出驱动电路、氢供阀驱动电路、吹扫阀驱动电路、风扇驱动电路、短路驱动电路。具体实施过程中，上述所有数据采样电路均输入至控制芯片，实时监测燃料电池系统状态，控制芯片依据采样数据，分析处理后发出控制指令作用于相应的驱动电路，实现燃料电池系统的智能控制。

如图4所示，开关信号采样与驱动电路具体为：12V供电电源滤波与保护电路中的二极管D1负极输出端与复位开关S1、三极管QP1的发射极相连，复位开关S1两端并联电容C3，电容C3用于消除复位开关S1闭合与断开过程中造成的电路抖动，复位开关S1另一端经二极管D2后接三极管QP1的集电极，二极管D2用于防止功率反向流动，复位开关S1另一端同时分别经电阻R1和R2接地，电阻R1和R2用于对供电电源Vs_12V进行分压采样，电阻R1和R2之间引出采样口接入控制模块GPIO64引脚；三极管QP1的基极与发射极间接电阻R3，电阻R3用于保证三极管QP1可靠关断，三极管QP1的型号为2SB1386R，三极管QP1的基极还与三极管QN1的集电极相连，三极管QP1的集电极还引出+12V电源端口并经电解质电容C4后接地，电容C4用于+12V电源端口的滤波与稳压，控制模块GPIO65经电阻R4接三极管QN1的基极，电阻R4用于限流，QN1的发射极接地，三极管QN1的型号为SS8050。

如图5所示，输入电压采样电路与输入输出驱动电路具体为：装置正极输入Vin+依次经过电阻R5、可调电阻R6和电阻R7接地，同时电容C5并联在电阻R7两端，用于电源去耦滤波，可调电阻R6的滑动触点和电阻R7相连，同时接入控制模块ADCINA0引脚，电阻R5~R7用于装置正极输入Vin+的分压采样，可根据实际输入电压范围，灵活改变可调电阻R6的阻值，保证采样精准性；N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4分别两两并联且源极共同连接模拟地AGND，场效应管两两并联用于均分电路电流，降低场效应管的应力，提高装置稳定性，装置正极输入Vin+接N沟道增强型场效应管M1和M2的漏极，装置正极输出Vout+接N沟道增强型场效应管M3和M4的漏极；控制模块GPIO66引脚经电阻R9连接光耦隔离元件U4的AN引脚，电阻R9用于限流，光耦隔离元件U4的CAT引脚直接接地，光耦隔离元件U4的COL引脚连接隔离供电12V与三极管QN2的集电极，光耦隔离元件U4的EM引脚同时连接三极管QN2与三极管QP2的基极，且经电阻R10连接至三极管QP2的集电极最后共同连接模拟地AGND，电阻R10保证三极管QP2可靠关断，三极管QN2的发射极和三极管QP2的发射极相连，三极管QN2与三极管QP2构成推挽电路，同时连接N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4的栅极，且经电阻R8连接至四个N沟道增强型场效应管的源极，电阻R8保证四个场效应管可靠关断。在具体实施过程中，根据燃料电池系统内单电池数量，调整可调电阻R6，监测系统老化状态确保平均单电池电压不低于0.5V，光耦隔离元件U4的型号为PC817，三极管QN2的型号为2SD1628，三极管QP2的型号为2SB1386R，N沟道增强型场效应管M1、M2、M3和M4的型号为IRFP4110PbF。

如图6所示，蜂鸣器驱动电路具体为：+12V电源端口连接蜂鸣器U5的正极，蜂鸣器U5的负极与三极管QN3的集电极相连，三极管QN3的发射极接地，控制模块GPIO67引脚经电阻R11接三极管QN3的基极，电阻R11用于限流。具体实施中，蜂鸣器U5的型号为FT12095有源蜂鸣器，三极管QN3的型号为SS8050。

如图7所示，输入电流采样电路具体为：电流传感器U6的输入端口接燃料电池正极Vfc_in，输出端口接装置正极输入Vin+，电流传感器U6的正负极供电引脚分别连接+5V电源端口和地，采样数据输出引脚Sfc经电阻R12连接运算放大器U7的同相输入端与电阻R13，电阻R13另一端接地，电容C6两端分别连接+5V电源端口和地，电容C6用于滤波和稳压，+5V电源端口依次经电阻R14、可变电阻R15、电阻R17接运算放大器U7的反相输入端，可变电阻R15的滑动触点与电阻R17相连，同时经电阻R16后接地，电阻R18与电容C7并联且分别连接运算放大器U7的反相输入端和输出端，电容C7用于降低运算放大器U7的寄生电容耦合影响，增加稳定性，运算放大器U7的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U7的输出端接入控制模块ADCINA1引脚。具体实施中，电阻R12~R18用于调整运算放大器U7的输出信号范围，电流传感器U6的型号为LTS50-NP，运算放大器U7的型号为LMV771MG，依据燃料电池实际工作电流范围，调整可变电阻R15的阻值，实现电流精确采样。根据电路关系，运算放大器U7的输出端信号大小与电路关系可由下式表示：

(1)；

其中ADCINA1表示输入到控制模块ADCINA1引脚的装置输入电流采样值，Sfc表示电流传感器U6的采样输出值，5V表示5V电压值，R12、R13、R14、R16、R17、R18分别表示电阻R12、R13、R14、R16、R17、R18的阻值，R15表示可变电阻R15实际参与到电路中的阻值。

如图8所示，电池温度采样电路具体为：+5V电源端口经电阻R19和热敏电阻RT1接地，电容C8两端分别连接+5V电源端口和地，电容C8用于滤波和稳压，电阻R19与热敏电阻RT1连接端接入运算放大器U8的同相输入端，+5V电源端口经可变电阻R20和电阻R21接地，可变电阻R20的滑动触点也连接电阻R21且经电阻R22后与运算放大器U8的反相输入端相连，电阻R23与电容C9并联且分别连接运算放大器U8的反相输入端和输出端，电容C9用于降低运算放大器U8的寄生电容耦合影响，增加稳定性，运算放大器U8的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U8的输出端接入控制模块ADCINA2引脚。具体实施中，电阻R19~R23用于调整运算放大器U8的输出信号范围，热敏电阻RT1的精度为1%，运算放大器U8的型号为LMV771MG，依据燃料电池实际温度变化，调整可变电阻R20的阻值，实现温度信号精确采样。根据电路关系，运算放大器U8的输出端信号大小与电路关系可由下式表示：

(2)；

其中，ADCINA2表示输入到控制模块ADCINA2引脚的装置温度采样值，5V表示5V电压值，RT1表示热敏电阻的阻值，R19、R21、R22、R23分别表示电阻R19、R21、R22、R23的阻值，R20表示可变电阻R20实际参与到电路中的阻值。

如图9所示，装置供电采样电路具体为：供电电源Vs_12V与电解质电容C10正极相连，电解质电容C10负极接地，电解质电容C10用于滤波和稳压，供电电源Vs_12V经电阻R24、可变电阻R25与运算放大器U9的同相输入端相连，可变电阻R25的滑动触点与运算放大器U9的同相输入端相连，电阻R26两端分别连接运算放大器U9的同相输入端和地，运算放大器U9的正负极供电分别连接+5V电源端口和地，运算放大器U9的反相输入端与输出端相连，构成电压跟随器，且输出端接入控制模块ADCINA3引脚。具体实施中，供电电源Vs_12V为11V~13V即可正常工作，电阻R24~R26用于调整运算放大器U9的输出信号范围，运算放大器U9的型号为LMV771MG，依据供电装置供电最大允许变化范围，调整可变电阻R25的阻值，实现装置供电信号的精确采样。根据电路关系，运算放大器U9的输出端信号大小与电路关系可由下式表示：

（3）；

其中，ADCINA3表示输入到控制模块ADCINA3引脚的装置供电电压采样值，R24、R26分别表示电阻R24、R26的阻值，R25表示可变电阻R25实际参与到电路中的阻值。

如图10所示，氢气检测采样电路具体为：氢气传感器U10的正负极供电引脚分别接5V转3.3V电压隔离转换模块输出端的+3.3V电源端口和数字地DGND，氢气传感器U10的AO输出端接入控制模块ADCINA4引脚。具体实施中，氢气传感器U10的型号为MQ-8，氢气传感器U10一般置放于燃料电池系统氢供阀处，根据实际需求，可将多个传感器放置在系统各级进气阀门处。

如图11所示，短路信号采样与驱动电路具体为：+5V电源端口经电阻R27、电源开关S2和电阻R28后接地，电容C11并联在电源开关S2的两端，电容C11用于消除电源开关S2在闭合与断开过程中造成的电路抖动，电源开关S2与电阻R28之间引出采样口接入控制模块GPIO68引脚；+12V电源端口接电解质电容C12的正极，电解质电容C12的负极接地，电解质电容C12用于滤波和稳压，+12V电源端口经电阻R29后分别与三极管QN4的基极和三极管QN5的集电极相连，电阻R30连接三极管QN4的基极和发射极，控制模块GPIO69引脚经电阻R31后与三极管QN5的基极相连，电阻R32连接三极管QN5的基极和发射极，三极管QN4的发射极和三极管QN5的发射极相连接地，电阻R29、R31和R33用于限流，电阻R30和R32用于保证三极管可靠关断；装置正极输入Vin+与电解质电容C13正极相连，电解质电容C13负极接地，电解质电容C13用于滤波和稳压，N沟道增强型场效应管M5和M6并联，装置正极输入Vin+与N沟道增强型场效应管M5和M6的漏极相连，N沟道增强型场效应管M5和M6的源极接地，+12V电源端口经电阻R33后与N沟道增强型场效应管M5和M6的栅极相连。具体实施中，短路周期性动作且时间短暂，用于给膜加湿延长燃料电池寿命，三极管QN4的型号为2SD1628，三极管QN5的型号为SS8050，N沟道增强型场效应管M5和M6的型号为IRFP4110PbF。

如图12所示，氢供阀驱动电路具体为：+12V电源端口接电解质电容C14的正极，电解质电容C14的负极接地，电解质电容C14用于滤波和稳压，+12V电源端口与三极管QN6的集电极相连，控制模块GPIO70引脚经电阻R34后与三极管QN6和三极管QP3的基极相连，三极管QN6的发射极与三极管QP3的发射极相连，三极管QN6和三极管QP3构成推挽电路，确保场效应管稳定导通和可靠关断，+12V电源端口接氢供阀U11的正极与二极管D3的负极，氢供阀U11的负极与二极管D3的正极相连，二极管D3用于保护电路，同时连接至N沟道增强型场效应管M7和M8的漏极，N沟道增强型场效应管M7和M8的源极接地，三极管QN6的发射极与三极管QP3的发射极经电阻R35与N沟道增强型场效应管M7和M8的栅极相连，电阻R34和电阻R35用于限流。具体实施中，三极管QN6的型号为SS8050，三极管QP3的型号为S8550，N沟道增强型场效应管M7和M8的型号为IRF1407，二极管D3的型号为IN5824，氢供阀的型号为2V025-08气动电磁阀。

如图13所示，吹扫阀驱动电路与氢供阀驱动电路类似，具体为：+12V电源端口接电解质电容C15的正极，电解质电容C15的负极接地，电解质电容C15用于滤波和稳压，+12V电源端口与三极管QN7的集电极相连，控制模块GPIO71引脚经电阻R36后与三极管QN7和三极管QP4的基极相连，三极管QN7的发射极与三极管QP4的发射极相连，三极管QN7和三极管QP4构成推挽电路，确保场效应管稳定导通和可靠关断，+12V电源端口接吹扫阀U12的正极与二极管D4的负极，吹扫阀U12的负极与二极管D4的正极相连，二极管D4用于保护电路，同时连接至N沟道增强型场效应管M9和M10的漏极，N沟道增强型场效应管M9和M10的源极接地，三极管QN7的发射极与三极管QP4的发射极经电阻R37与N沟道增强型场效应管M9和M10的栅极相连，电阻R36和电阻R37用于限流。具体实施中，三极管QN7的型号为SS8050，三极管QP4的型号为S8550，N沟道增强型场效应管M9和M10的型号为IRF1407，二极管D4的型号为IN5824，吹扫阀U12的型号为0520D常闭式电磁排气阀，其吹扫出口置于室外。

如图14所示，风扇驱动电路具体为：控制模块GPIO10引脚经电阻R38连接光耦隔离元件U13的Vin+引脚，光耦隔离元件U13的Vin-引脚与数字地DGND相连，+12V电源端口与光耦隔离元件U13的Vcc引脚相连且经电解质电容C16连接GND引脚并接地，电解质电容C16用于滤波和稳压，光耦隔离元件U13的Vo引脚分别与电阻R39和R40相连，电阻R39另一端接地，电阻R40另一端接N沟道增强型场效应管M11和M12的栅极，+12V电源端口接风扇U14的正极与二极管D5的负极，风扇U14的负极与二极管D5的正极相连，二极管D5用于保护电路，同时连接至N沟道增强型场效应管M11和M12的漏极，N沟道增强型场效应管M11和M12的源极接地，电阻R38和电阻R40用于限流。具体实施中，风扇U14依据温度与电流信号，结合燃料电池出厂特性数据，闭环调整转速保证燃料电池工作在该工况下的最适温度，光耦隔离元件U13的型号为TLP250，N沟道增强型场效应管M11和M12的型号为IRF1407，风扇U14的型号为PFR0912XHE，二极管D4的型号为IN5824。

本具体实施方案针对不同功率等级与特性的阴极开放式氢燃料电池，可灵活调整电路中相关元器件的型号与参数，实现对各类功率等级的阴极开放式氢燃料电池系统的智能控制，具备设计合理，普适性强，装置高度集成，安全可靠，成本低，二次开发利用简单等特点。

如图15所示，装置控制逻辑具体应用实施中：当按下复位开关S1持续3s时，开关信号采样电路持续采样到3s高电平信号的同时，输入电流采样电路、电池温度采样电路和装置供电采样电路进行数据采样，经控制芯片分析处理判断是否满足规定要求，若满足装置设定要求则正常启动，若不满足条件则蜂鸣器响2s警示无法启动，启动过程所设定的条件为环境温度低于45摄氏度、控制器供电电压为11~13V、氢气采样检测无漏氢信号；在正常启动初始时间，吹扫阀工作3s将系统内多余空气排出，蜂鸣器响1s提示进入正常启动程序，电池在10s内短路5次，每次0.1s，用于加湿系统内部，利于高效运行；完成启动操作后，燃料电池系统进入正常工作状态，若满足燃料电池运行环境要求，吹扫阀每10s工作1次，每次吹扫1s，用于吹扫系统内未参与反应的气体和反应生成的水汽，输入输出电路导通接入负载，氢供阀常开提供反应所需氢气，风扇依据温度和电流信号经控制芯片处理闭环调整转速，进行氧气补充并给系统降温；当燃料电池性能衰减，可选择闭合短路开关，则电池每10s短路1次，每次0.1s，用于延长系统工作寿命，提高系统效率；当采样数据经控制芯片判断不符合燃料电池运行环境要求，则迅速驱动相关电路进入关机执行过程，造成无法正常运行所设定的条件为电池电流大于45A、电池温度高于70摄氏度、单个电池电压小于0.5V、氢气采样检测有漏氢；正常关机触发过程为按下复位开关持续5s，关机执行过程为蜂鸣器响2s提示进入关机程序，氢供阀关闭停止供氢，吹扫阀工作5s用于吹扫出系统内剩余气体，其余驱动电路持续正常工作直到+12V供电端口停止供电，装置关机。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

本发明在具体实施过程中，所设计的控制模块、电源滤波转换电路、数据采样电路和驱动电路都具备科学合理的特点，和现有技术相比具有很大优势。为避免燃料电池系统在工作过程中出现电压过低、电流较大、温度较高、氢气泄露等安全问题，分别设计电压、电流、温度、氢气数据采样电路，利用高性能芯片实时监测处理采样数据，确保燃料电池系统安全稳定智能运行；为确保燃料电池系统可靠启动，利用复位开关和采样电路检测采样数据是否满足启动条件；为延长燃料电池系统使用寿命，设计短路电路优化燃料电池内部状态；为有效屏蔽信号间的干扰，采取使用相关隔离模块和接0欧电阻的措施；为提高系统工作可靠性，将关键驱动器件都采取冗余设计，不仅降低了器件的工作应力，还避免了因一个器件故障造成整个系统停机的事故发生；为降低电源输入带来的杂波对电路造成的影响，将电源输入端与地之间接入电容进行滤波处理；为确保开关器件进行可靠导通与关断，采取推挽形式的驱动电路；为消除开关在导通与关断瞬间造成的电路抖动问题，采取将电容并联在开关两端，用于硬件消除抖动；为提高电池电流采样数据、电池温度采样数据、装置供电采样数据的采样精度，在其运算放大器的同相输入端与反相输入端分别运用电阻进行信号分压处理，同时运用可变电阻进行微调，确保信号输出区间被完全分配到控制芯片的采样输入区间；为避免装置供电接口电压或电流过高对控制装置造成直接破坏，在供电电源接口处分别接入自恢复保险丝F1和瞬态电压抑制二极管DZ1，可避免瞬态高电压和大电流对控制装置造成损伤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。