車載供氫系統(tǒng)控制器開發(fā)

葉川 馬天才 陳翌 楊柳明

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源工程中心，上海 201804）

主題詞：燃料電池客車 車載供氫系統(tǒng) 控制器

1 前言

由于能源與環(huán)境問題日益突出，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車難以將排放降低到理想范圍[1,2]。燃料電池是一種高效、清潔的電化學(xué)發(fā)電技術(shù)，近年來成為最有可能替代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的先進(jìn)新能源汽車技術(shù)[3]。供氫系統(tǒng)為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，車載儲(chǔ)氫多采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，壓力在20～70 MPa范圍內(nèi)[4]。目前車載供氫系統(tǒng)缺乏國內(nèi)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)了解國內(nèi)大多數(shù)供氫系統(tǒng)的控制被集成在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（FCU，F(xiàn)uelcell Con?trol Unit）中，導(dǎo)致FCU與供氫系統(tǒng)耦合過強(qiáng)，系統(tǒng)的移植性、兼容性較差。特別對于大型客車而言，供氫系統(tǒng)氫瓶大多設(shè)置在車輛頂部，導(dǎo)致線束過長、線束過重等問題。

近年來，相關(guān)人員針對車載供氫系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開發(fā)，如，吳兵等人[4]在供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出了HMS（氫管理系統(tǒng)）的使用，但是僅針對特定供氫系統(tǒng)，并沒有進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)；全書海等人[5]基于PIC18F258單片機(jī)設(shè)計(jì)了用于供氫系統(tǒng)的控制器，但是缺少針對不同供氫系統(tǒng)的兼容性和可移植性的設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)用場景較為局限。

為提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可移植性和兼容性，本文提出采用車載供氫系統(tǒng)分布式控制，并開發(fā)了獨(dú)立車載供氫系統(tǒng)控制器，通過獨(dú)立的安全監(jiān)測和控制，大大提高了車載供氫系統(tǒng)的可靠性。

2 車載供氫系統(tǒng)分析

針對車載燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氣態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)進(jìn)行控制器的開發(fā)。圖1為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)供氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常包含多個(gè)氣瓶，由管路接出后進(jìn)行一級(jí)減壓，然后進(jìn)入燃料電池前再次減壓，以供燃料電池反應(yīng)堆使用。每個(gè)氫氣瓶閥配有溫度傳感器用以檢測瓶閥溫度，管路上減壓閥前后分別安裝壓力傳感器檢測管路中氫氣壓力，在儲(chǔ)氫艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、客艙安裝有氫氣濃度傳感器。

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)供氫系統(tǒng)

2.1 分布式控制

不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)的供能系統(tǒng)（供氫系統(tǒng)）具有較高的安全等級(jí)要求，并具有較多的傳感器和執(zhí)行器設(shè)備，若集成在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中，會(huì)增加其工作負(fù)荷，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致線束布置困難，供氫系統(tǒng)與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)耦合性較強(qiáng)等問題。因此采用分布式控制的方式，一方面可將供氫系統(tǒng)控制的功能從燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中分離出來，僅使用CAN通訊就可進(jìn)行控制和信息獲取，另一方面也提高了供氫系統(tǒng)的可移植性和安全性，方便燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行模塊化管理。

2.2 供氫系統(tǒng)功能需求

2.2.1 硬件功能需求

根據(jù)供氫系統(tǒng)瓶閥和傳感器布置（圖1），得到供氫系統(tǒng)控制器需求如表1所列。

表1 供氫系統(tǒng)控制器需求

2.2.2 供氫安全需求

由于氫氣分子小，在供氫管路中輸送時(shí)有輕微泄露和聚集的風(fēng)險(xiǎn)[4]，因此需要對空氣中氫氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對于高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)，需要對高壓供氫管路進(jìn)行壓力監(jiān)控來確保燃料電池系統(tǒng)能正常工作。除此之外，燃料電池反應(yīng)堆對輸入的氫氣壓力有一定要求，因此需由中壓傳感器來監(jiān)控進(jìn)堆氫氣的壓力是否正常。

在燃料電池客車系統(tǒng)中，儲(chǔ)氫瓶常放置在客車棚頂，氣溫的變化會(huì)導(dǎo)致氫氣壓力變化，影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工作，因此需要對供氫系統(tǒng)進(jìn)行溫度檢測。

綜上所述，對供氫系統(tǒng)的安全管理，需要對各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控并上報(bào)，對于出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)需要確定故障等級(jí)，并同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的緊急操作，以保證供氫系統(tǒng)的可靠性。

2.3 供氫系統(tǒng)控制器資源

在燃料電池客車電氣系統(tǒng)分配中，控制器由車載24 V電源供電，通過合理分配接插件和MCU剩余資源，滿足控制器對主流車載供氫系統(tǒng)的兼容性，由此確定的控制器資源見表2。

表2 車載供氫系統(tǒng)控制器資源

3 車載供氫系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件架構(gòu)

車載燃料電池供氫系統(tǒng)控制器（HCU）采用的是恩智浦（NXP）HCS08系列微控制器MC9S08DZ60MLH，硬件總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示，主要由MCU模塊、電源模塊、信號(hào)采集模塊、低邊驅(qū)動(dòng)模塊、CAN通訊模塊組成，通過分模塊電路設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)功能模塊替換和復(fù)用。

圖2 車載供氫系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)框架

3.2 控制器電源模塊設(shè)計(jì)

控制器電源模塊采用9～36 V電壓輸入，利用DCDC降壓電路輸出5 V電壓，為控制器各芯片供電。根據(jù)系統(tǒng)資源，需使用濾波處理后的12 V/24 V電源用于傳感器供電，并添加保險(xiǎn)絲對傳感器進(jìn)行保護(hù)。

3.3 控制器AD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

本控制器需要處理NTC型熱敏電阻溫度傳感器信號(hào)、氫氣濃度傳感器信號(hào)及壓力傳感器信號(hào)，通過上、下拉電阻配置轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)供MCU進(jìn)行AD采樣?？刂破魍饨觽鞲衅餍盘?hào)見表3。

表3 控制器外接傳感器信號(hào)

在AD信號(hào)的處理電路中，使用了軌到軌運(yùn)算放大器AD8626。將傳感器輸入信號(hào)處理成0～5 V的電壓信號(hào)，再通過信號(hào)跟隨電路進(jìn)入單片機(jī)AD處理管腳，處理電路如圖3所示。

圖3 氫氣濃度傳感器電壓信號(hào)處理電路

3.4 控制器低邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

低邊驅(qū)動(dòng)模塊選擇的驅(qū)動(dòng)芯片是英飛凌的六通道SPI低邊開關(guān)TLE6232 GP，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出通過SPI接口進(jìn)行控制。為了保護(hù)電路，利用續(xù)流二極管MBRS4201T3G吸收電磁閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流。在二極管的入口端增加了一個(gè)4.7 nF的陶瓷電容，用于吸收續(xù)流時(shí)的尖峰電流，電路原理圖如圖4所示。

圖4 TLE6232GP設(shè)計(jì)電路原理圖

3.5 控制器CAN總線通訊模塊電路設(shè)計(jì)

3.5.1 CAN總線電路

在燃料電池客車的CAN通訊協(xié)議定義中使用的總線速率為250 kbps，圖5是利用CAN收發(fā)器PCA82C250設(shè)計(jì)的CAN收發(fā)電路，在總線端設(shè)置了CAN屏蔽端和終端電阻。

圖5 CAN收發(fā)電路原理圖

3.5.2 CAN電源隔離

在大多數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊中，通常存在很大的地電位差，如圖6所示。該電位差形成了地電流回路，耦合到數(shù)據(jù)電路上會(huì)形成共模噪聲。如果共模噪聲過大就可能對器件造成損壞。除此之外，不穩(wěn)定的輸入電源和大功率的感性負(fù)載造成高頻干擾和高幅值的瞬態(tài)干擾也可能損壞CAN總線通訊接口以及后級(jí)電路。

圖6 地電位差形成地回路電流

因此本控制器上使用的ANALOG DEVICES雙通道數(shù)字隔離器ADuM5201W集成隔離式的DC-DC轉(zhuǎn)換器，在5 V輸入電源下提供500 mW的穩(wěn)壓隔離電源，通過磁性元件進(jìn)行雙通道的邏輯信號(hào)傳輸，如圖7所示。由于該隔離器的開關(guān)頻率達(dá)180 MHz，可能會(huì)引起比較大的高頻電磁干擾，PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)時(shí)需要注意電磁屏蔽。

圖7 CAN電路隔離原理圖

4 車載供氫系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計(jì)

本控制器基于狀態(tài)機(jī)控制、任務(wù)調(diào)度模式進(jìn)行軟件編寫，圖8為控制器軟件系統(tǒng)流程圖。系統(tǒng)在初始化結(jié)束后，程序主循環(huán)執(zhí)行狀態(tài)機(jī)控制、任務(wù)調(diào)度、清空看門狗。

圖8 控制器軟件系統(tǒng)流程

4.1 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

本控制器具有啟動(dòng)、就緒、自動(dòng)、手動(dòng)、故障、標(biāo)定共6個(gè)工作狀態(tài)，按照圖9進(jìn)行狀態(tài)機(jī)切換。

圖9 控制器狀態(tài)機(jī)框圖

a.控制器上電后進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。在此狀態(tài)下將自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)自檢，保證系統(tǒng)執(zhí)行器和傳感器等上電成功，各模塊工作穩(wěn)定，信號(hào)輸入和驅(qū)動(dòng)輸出正常。如果系統(tǒng)無故障報(bào)出則進(jìn)入就緒狀態(tài)。

b.就緒狀態(tài)下，等待CAN消息幀確定控制器工作模式，并進(jìn)入對應(yīng)工作狀態(tài)，工作模式定義見表4。

表4 控制器工作模式定義

c. 接收到自動(dòng)模式（0x55）命令后進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)（系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)）。此狀態(tài)下可接受來自CAN總線上的控制指令，輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，上傳傳感器信息和控制器狀態(tài)信息，若出現(xiàn)故障進(jìn)入故障狀態(tài)。

d. 接收到手動(dòng)模式（0xAA）命令后進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)，主要用于系統(tǒng)調(diào)試。在該狀態(tài)下，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障則不進(jìn)入故障狀態(tài)。

e. 在故障狀態(tài)下，執(zhí)行不同故障處理，見表5。

f. 在標(biāo)定狀態(tài)下，可標(biāo)定瓶閥數(shù)量、傳感器數(shù)量、傳感器類型等，同時(shí)添加工程代號(hào)、標(biāo)定日期用以對不同系統(tǒng)的控制器進(jìn)行區(qū)分，以提高控制器的兼容性。

表5 控制器故障狀態(tài)定義

4.2 任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)

控制器的軟件設(shè)計(jì)采用了任務(wù)調(diào)度模式，根據(jù)狀態(tài)機(jī)、執(zhí)行頻率進(jìn)行任務(wù)分化，并將任務(wù)分為控制器層和系統(tǒng)層，采用分模塊代碼管理，如圖10所示。在本程序架構(gòu)中，任務(wù)調(diào)度流程如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

a.AD采樣模塊對輸入信號(hào)采樣，計(jì)算得出實(shí)際物理值，用于氫氣剩余量計(jì)算和進(jìn)行后續(xù)的故障檢測。

b.根據(jù)溫度、壓力信息計(jì)算氫氣剩余量。

c.CAN信息接收來自主控制器的控制指令，包括執(zhí)行器動(dòng)作和控制器狀態(tài)機(jī)切換等。此外，根據(jù)整車網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，按照應(yīng)答時(shí)序?qū)⒖刂破鞑杉降膫鞲衅餍盘?hào)以及控制器狀態(tài)、故障信息等上報(bào)給主控制器。

d. 驅(qū)動(dòng)控制采用SPI與驅(qū)動(dòng)芯片通訊，控制周期為100 ms/次，瓶閥交替開啟以避免同時(shí)開啟時(shí)沖擊電流較大，同時(shí)獲取驅(qū)動(dòng)芯片的故障信息用于故障診斷。

e. 故障診斷首先檢測控制器所有傳感器和執(zhí)行器的故障情況，保存故障診斷數(shù)據(jù)以用于控制器的調(diào)試。然后將診斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的故障上報(bào)格式。

4.3 氫氣剩余量計(jì)算

根據(jù)車載儲(chǔ)氫方式，同等容積下氣體量只與密度相關(guān)，我國燃料電池車普遍采用35 MPa氫系統(tǒng)，若在35 MPa壓力、15℃溫度條件下為額定儲(chǔ)氫100%狀態(tài)，則氫氣剩余量計(jì)算式為：

式中，SOC氫氣為氫氣剩余量；ρ為氫氣氣體摩爾密度；P為氫氣壓力；T為氫氣溫度；ρ0為額定儲(chǔ)氫100%時(shí)氫氣摩爾密度。

由于氫氣的儲(chǔ)存壓力在10 MPa以上時(shí)，氫氣的物理性質(zhì)會(huì)偏離理想氣體狀態(tài),所以不能直接使用理想氣體狀態(tài)方程[6],此處采用壓縮系數(shù)法來表示狀態(tài)方程：

式中，z為壓縮系數(shù)；n為氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)。由氣體摩爾密度ρ=n/V得到：

利用維里方程，將實(shí)際氣體的壓力表示為密度和絕對溫度下維里系數(shù)的冪方和，絕對溫度下的維里方程可以表述為壓力的平方，并將維里系數(shù)降階計(jì)算從而得到壓縮系數(shù)計(jì)算公式[7]：

利用實(shí)時(shí)采集溫度和壓力信息，將式(3)代入式(4)可計(jì)算得到當(dāng)前氫氣實(shí)際密度，并根據(jù)式(1)得到當(dāng)前氫氣剩余量。

5 控制器驗(yàn)證

在實(shí)際供氫環(huán)境下，利用CAN總線測試儀和上位機(jī)軟件進(jìn)行功能測試。由圖12控制器上位機(jī)監(jiān)控界面可看出，控制器能夠正確上報(bào)傳感器信息和控制器狀態(tài)，并在實(shí)際場景能夠正確打開瓶閥，說明所設(shè)計(jì)控制器已滿足供氫系統(tǒng)功能需求。

圖12 控制器及上位機(jī)監(jiān)控界面

在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，燃料電池系統(tǒng)保持恒定功率運(yùn)行，通過CAN總線通訊采集到的氫氣剩余量與壓力、溫度的關(guān)系如圖13所示。據(jù)了解，許多系統(tǒng)用壓力來表征氫氣剩余量，本控制器考慮了壓力和溫度共同的影響，得到的氫氣剩余量信息更加準(zhǔn)確，有助于車輛續(xù)駛里程的計(jì)算。

圖13 氫氣剩余量與壓力、溫度的關(guān)系

6 結(jié)束語

本文提出分布式車載供氫系統(tǒng)控制器方案并進(jìn)行了軟硬件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對供氫系統(tǒng)溫度、壓力、氫氣濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并對瓶閥和管路電磁閥進(jìn)行控制，完成了氫氣剩余量計(jì)算、故障診斷、CAN總線信息上報(bào)、控制器標(biāo)定等功能，提高了供氫系統(tǒng)的可靠性和可移植性，該控制器軟硬件的兼容性設(shè)計(jì)可基本適應(yīng)不同車載供氫系統(tǒng)需求。