燃料電池客車氫系統(tǒng)碰撞保護傳感器應(yīng)用研究

周廣波, 王品泉

(揚州亞星客車股份有限公司, 江蘇 揚州 225000)

氫氣易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性[1]，使得氫燃料電池客車在使用過程中存在一定的安全隱患。對于車載供氫系統(tǒng)的安全措施，已具備過壓保護、過流保護、過溫保護、低壓報警等功能[2-3]，還具備了氫氣泄漏的檢測和控制。但燃料電池客車發(fā)生碰撞的時候存在火災(zāi)風(fēng)險，因此燃料電池客車還要具備車載氫系統(tǒng)碰撞安全設(shè)計[4]。其中碰撞傳感器是車載氫系統(tǒng)碰撞安全保護系統(tǒng)的“神經(jīng)末稍”，它主要檢測、判斷汽車發(fā)生碰撞時的撞擊信號[5]，并將信號輸入到整車和氫系統(tǒng)控制器，以便它們及時啟動一系列安全保護措施。

1 碰撞保護傳感系統(tǒng)設(shè)計

1.1 布置及安裝要求

目前，對燃料電池氫安全的碰撞防護設(shè)計除了關(guān)鍵零部件具有防撞能力外，還通過位置布置、固定裝置保護、主動碰撞保護系統(tǒng)監(jiān)控碰撞并與整車控制系統(tǒng)聯(lián)動、自動斷電、自動關(guān)閉閥門等措施來避免災(zāi)難的發(fā)生。在氫燃料電池客車上可安裝多個碰撞傳感器，與整車控制器組成燃料電池氫安全的碰撞主動防護系統(tǒng)。

一般氫燃料電池客車設(shè)置2～5個碰撞傳感器[5]，多路并聯(lián)使用，分別安裝在車輛前方大梁、車輛后方大梁及車輛重要部位處的側(cè)面，如安裝在前后保險杠中間、左右側(cè)圍、加氫口和燃料電池處，但一定要保持與車輛前后方向和車身左右方向?qū)R一致，切勿傾斜安裝，角度誤差應(yīng)≤5°[6]。由于大型車輛底盤有一定韌性，距離較遠(yuǎn)的碰撞能量無法全部傳遞到碰撞傳感器，所以需要在車輛前方大梁、車輛后方大梁及車輛重要部位處的側(cè)面分別布置，多路傳感器并聯(lián)使用，最大程度地減輕車身變形對瞬時加速度的影響。

為了保證檢測信號的準(zhǔn)確性，碰撞傳感器必須具備一定的剛性，以免碰撞后發(fā)生吸能變形導(dǎo)致加速度檢測不準(zhǔn)確[7]。選用合金塑料作為傳感器的外殼，同時灌封環(huán)氧樹脂，讓電路板上器件和整個安裝底座形成一個剛性的連接體。碰撞傳感器應(yīng)適應(yīng)汽車上的惡劣環(huán)境，整體防護等級達到IP67， 在-40～+85 ℃范圍內(nèi)都能可靠工作，輸出信號必須穩(wěn)定，不易受車輛電氣環(huán)境干擾。能防意外濺水，低溫結(jié)冰環(huán)境應(yīng)能正常工作，高溫時壽命和可靠性也不受影響。

1.2 主要參數(shù)要求

碰撞傳感器負(fù)責(zé)檢測碰撞的激烈程度，為了保證碰撞檢測信號的準(zhǔn)確性，有兩個重要指標(biāo)，一是加速度閾值，二是精度，防止因碰撞傳感器誤動作而造成系統(tǒng)意外保護。

1) 加速度閾值。車身在碰撞過程中產(chǎn)生的加速度分為兩個主要階段：在碰撞初期，車身加速度有一個很大的峰值出現(xiàn)；隨后車身及吸能部件依次發(fā)生壓潰變形，進入相對穩(wěn)定的吸能階段。加速度的峰值通常高出穩(wěn)態(tài)階段的2～3倍。

如碰撞過程中加速度的峰值按穩(wěn)定階段的2倍估算，則有am=2a=-14.2g×2≈-30g。

碰撞傳感器加速度閾值是由客車性能及其碰撞特性(如速度、正面、側(cè)面等)而定，為保證燃料電池客車碰撞檢測的準(zhǔn)確性，碰撞傳感器的加速度閾值按25%提前量設(shè)定，即-7.5g。

2) 精度。結(jié)合加速度閾值和碰撞檢測的準(zhǔn)確度要求，碰撞傳感器的精度要求達到0.1g。

2 碰撞傳感器工作原理

燃料電池客車碰撞保護系統(tǒng)核心部件是碰撞傳感器，如圖1所示，主要由電源、雙軸加速度傳感器、CAN收發(fā)器電路、單片機及其外圍電路和軟件組成。碰撞傳感器內(nèi)部集成有加速度計AIS2120SX，實時檢測汽車前后和左右方向上的碰撞加速度，當(dāng)實時檢測出當(dāng)前的碰撞加速度超過設(shè)定閾值時，通過CAN接收器U1及時輸出報警報文和報警信號給整車控制器，整車控制器立即給氫系統(tǒng)控制器發(fā)出指令關(guān)閉儲氫瓶閥門，斷開氫氣供應(yīng)和整車電源，將氫氣的泄漏量降至最低，從而起到保護車輛的作用，減少火災(zāi)的發(fā)生。

圖1 碰撞傳感器工作原理圖

報警信號采用雙組冗余設(shè)計[8]：報警低電平信號ALARM1；報警高電平信號ALARM2。同時報警信號動作后需鎖存，直到電源重啟后才可解鎖。碰撞信號持續(xù)時間在額定輸出電流情況下應(yīng)可維持50 ms，防止碰撞瞬間電源丟失，導(dǎo)致觸發(fā)信號無效。

1) 電源部分。車輛不穩(wěn)定的電源(通常為DC 18～32 V)經(jīng)過線性直流穩(wěn)壓芯片U5得到+5 V電源，+5 V再經(jīng)過LDO電源芯片U6得到+3.3 V電源。3.3 V電源為主電源，給單片機及雙軸加速度計AIS2120SX芯片U3供電，+5 V電源給CAN收發(fā)器U1供電。為了提高電源系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，增加了2個輸入電路TVS，對后面的電源芯片進行保護，提高了系統(tǒng)的EMC和EMI能力。

2) 雙軸加速度傳感器AIS2120SX。U3為雙軸加速度檢測芯片，集成了X軸、Y軸2個獨立加速度檢測通道，集成了精密的溫度補償裝置，通過數(shù)字低通濾波器抵消由于失調(diào)電壓造成的速度偏移誤差，濾除由于碰撞造成的噪聲和振動高頻分量，最終得到真實的加速度。內(nèi)置的上電自檢功能確?？煽啃院瓦\行實時診斷[9-10]。

3) CAN收發(fā)器電路。U1為CAN收發(fā)器電路，MCU通過讀到的X軸、Y軸方向的加速度值，通過CAN總線發(fā)送出去。

4) 單片機MCU。采用的是STM8A系列車規(guī)級芯片，TM8單片機由意法半導(dǎo)體(ST)于2009年推出，它具有3級流水線架構(gòu)、性價比高、開發(fā)方便等優(yōu)點。MCU通過SPI總線讀到X軸、Y軸方向的加速度，當(dāng)大于設(shè)定閾值時，ALARM1輸出低電平(正常懸空狀態(tài))。報警時ALARM2輸出高電平(正常懸空狀態(tài))。

5) 單片機外圍電路。保證MCU在上電期間能夠進行正常復(fù)位及初始化，為單片機提供穩(wěn)定的時鐘信號。

6) 軟件。碰撞傳感器軟件主要包含上電初始化設(shè)置、加速度值讀取及報警輸出、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送3個流程。使用ST TOOLS進行軟件開發(fā)，ST TOOLS包含STVD和STVP兩個工具包，是STM8芯片集成的軟件開發(fā)環(huán)境；使用C語言和匯編語音混合編程。STVD提供芯片在線仿真和脫機軟件仿真功能，在線仿真為非侵入式仿真，通過STLINK工具可連接到目標(biāo)板，觀察CPU的實際運行狀態(tài)，包括各種變量變化和設(shè)置、程序調(diào)整、斷點設(shè)置等實用功能。但在使用前須根據(jù)芯片規(guī)格進行開發(fā)工具的配置(Toolset)選項和選擇編譯器。STM8可選IAR和Cosmic作為編譯器，但Cosmic編譯出來的代碼比IAR更好。

3 結(jié)束語

燃料電池客車已經(jīng)開始商業(yè)示范運營，以碰撞傳感器為核心的燃料電池氫安全的碰撞防護系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，可以有效降低燃料電池客車發(fā)生碰撞時的火災(zāi)風(fēng)險。