燃料電池車供氫系統(tǒng)控制器設(shè)計

賈日波，鄧 維 Jia Ribo，Deng Wei

燃料電池車供氫系統(tǒng)控制器設(shè)計

賈日波，鄧 維
Jia Ribo，Deng Wei

（中國船舶集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056004）

為保證燃料電池車供氫系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，基于恩智浦公司KEA128單片機(jī)設(shè)計了一套供氫系統(tǒng)控制器，最大支持8瓶組供氫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行控制，可單獨(dú)采樣各氣瓶內(nèi)的溫度信息，支持4路氫泄漏傳感器信號采集，4路壓力傳感器信號采集，采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線與電堆和整車控制器進(jìn)行通信，提供故障識別和處理功能。通過功能試驗(yàn)和EMC（Electromagnetic Compatibility，電磁兼容性）測試，證明控制器的可靠性，為燃料電池車供氫系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行提供保障。

供氫系統(tǒng)；KEA128；控制器

0 引 言

能源需求日益增長，化石燃料的消耗與CO2排放總量快速上升，清潔、低碳、安全、高效的能源變革是大勢所趨。太陽能、風(fēng)能、水電等可再生能源由于固有的間歇性、波動性和隨機(jī)性，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，而氫是一種潔凈能源載體，可以方便地轉(zhuǎn)換為電和熱，轉(zhuǎn)化效率高，且來源途徑多[1]。目前市場上的新能源車主要以純電動和油電混合動力車型為主，但是存在續(xù)航短和充電時間長的弊端，而沒有續(xù)航顧慮且加氫方便的氫燃料電池汽車成為當(dāng)下各車企的研究熱點(diǎn)。相比燃油車，氫燃料電池車由于供氫系統(tǒng)的高壓和氫氣本身的易燃易爆性，其安全性成為影響其推向市場的一個重要因素。作為氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)的重要組成部分，供氫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性直接影響到整車的穩(wěn)定和安全，所以供氫系統(tǒng)控制器的設(shè)計，對于監(jiān)控供氫系統(tǒng)的工作狀態(tài)、提供過壓和泄漏預(yù)警、保障整車的運(yùn)行安全具有十分重要的意義。

1 氫系統(tǒng)控制器設(shè)計需求

氫燃料電池車的車載氫氣供給系統(tǒng)用于儲存氫氣，并在車輛行駛過程中向電堆提供滿足壓力、流量需求的氫氣[2]。目前國內(nèi)氫燃料電池車主要以商用車和物流車為主，其配置的供氫系統(tǒng)多為4瓶組和8瓶組系統(tǒng)，受國內(nèi)安監(jiān)法規(guī)限制，所用氫罐皆為35 MPa。由于儲存壓力高，且氫氣是易燃易爆氣體，為了保證系統(tǒng)的安全，必須加裝溫度監(jiān)測和氫泄漏監(jiān)測裝置，以提供超溫預(yù)警和泄漏預(yù)警信息。此外，鑒于電堆對進(jìn)氣口壓力的穩(wěn)定性要求，供氫系統(tǒng)應(yīng)在電堆和氫瓶之間提供減壓裝置，將氫瓶輸出壓力減小到電堆進(jìn)氣口要求的壓力范圍內(nèi)。

根據(jù)以上需求，結(jié)合氫系統(tǒng)負(fù)載信息，控制器應(yīng)具備以下功能：

（1）支持至少8路瓶閥驅(qū)動，每路輸出電流大于0.5 A；

（2）支持至少8路NTC（Negative Temperature Coefficient，負(fù)溫度系數(shù)）電阻溫度信號采集；

（3）支持至少4路氫泄漏傳感器信號采集；

（4）支持至少4路壓力傳感器信號采集；

（5）支持CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線通信。

2 氫系統(tǒng)控制器設(shè)計方案

根據(jù)以上需求分析，確定單片機(jī)需要支持的外設(shè)資源，考慮到車載環(huán)境惡劣，對單片機(jī)可靠性要求較高，選擇恩智浦KEA128單片機(jī)作為主控制芯片，KEA128單片機(jī)是恩智浦公司推出的高可靠性汽車微控制器，具有最多支持16通道12位精度的ADC（Analog-to-Digital Converter，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），內(nèi)部集成MSCAN模塊，簡化CAN總線驅(qū)動設(shè)計，節(jié)省了開發(fā)時間?；贙EA128單片機(jī)設(shè)計的氫系統(tǒng)控制器電路如圖1所示。

圖1 氫系統(tǒng)控制器系統(tǒng)框圖

2.1 硬件設(shè)計

氫系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計主要包括電源設(shè)計、模擬信號采集、功率驅(qū)動和電磁兼容性設(shè)計[3]。

2.1.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊的功能是將車載電池的輸出電壓轉(zhuǎn)換為控制器板上芯片所需的各標(biāo)準(zhǔn)電壓，并提供滿足電磁兼容性試驗(yàn)的抗干擾能力。由于KEA128單片機(jī)和傳感器負(fù)載的供電電壓為DC5 V或DC12 V，車載電池的正常供電電壓為DC24 V（以氫能源公交為例），選擇電源管理芯片L7812A將DC24 V電壓轉(zhuǎn)換為DC12 V，選擇穩(wěn)壓器LM2940-5將DC12 V電壓轉(zhuǎn)換為DC5 V，保證各芯片和傳感器正常供電，如圖2、圖3所示。

圖2 24 V轉(zhuǎn)12 V電路

圖3 12 V轉(zhuǎn)5 V電路

2.1.2 模擬信號采集

氫瓶溫度傳感器采用NTC電阻，目前常用的獲取NTC電阻溫度信號的方式有兩種，一種是利用分壓電路獲取NTC電阻阻值，然后根據(jù)其阻值和溫度對照表，查表獲得對應(yīng)的溫度值；另一種需要搭建轉(zhuǎn)換電路，利用運(yùn)放將NTC電阻的變化轉(zhuǎn)換為0～5 V之間的模擬電壓變化，通過標(biāo)定得到溫度和電壓的換算關(guān)系。選擇第2種測溫方式，搭建的NTC測溫電路如圖4所示。氫系統(tǒng)中氫泄漏傳感器、壓力傳感器均為0.5～4.5 V標(biāo)準(zhǔn)直流電壓輸出，可以直接利用單片機(jī)內(nèi)置的ADC模塊進(jìn)行采集，為了避免傳感器信號的輸出阻抗和ADC模塊的輸入阻抗不匹配，在ADC模塊前端增加一級電壓跟隨器，保證傳感器信號的完整傳遞，如圖5所示。

圖4 NTC測溫電路

圖5 傳感器信號阻抗匹配電路

2.1.3 功率驅(qū)動電路設(shè)計

供氫系統(tǒng)中的瓶口閥和管路電磁閥都需要300 mA以上的電流驅(qū)動才能工作，而單片機(jī)引腳的驅(qū)動能力最大不超過100 mA，顯然不能直接驅(qū)動電磁閥等負(fù)載，因此采用功率管IRF7103來提高控制器的驅(qū)動能力，如圖6所示。IRF7103是一款雙通道N型MOSFET（Metal-Oxide-Semicon- ductor Field-Effect Transistor，金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），最大能夠提供2 A的連續(xù)電流驅(qū)動能力，開啟電壓最小為1 V，最大為3 V，滿足單片機(jī)引腳的輸出電平。

圖6 功率驅(qū)動電路

2.1.4 電磁兼容性設(shè)計

由于車載電氣環(huán)境惡劣，為了保證各電子模塊之間互不影響，所有汽車電子相關(guān)產(chǎn)品必須經(jīng)過嚴(yán)格的電磁兼容性測試才能使用。車載控制器主要的EMC（Electromagnetic Compatibility，電磁兼容性）測試項目包括輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射、輻射抗擾度、大電流注入、瞬態(tài)抗擾試驗(yàn)、靜電放電試驗(yàn)、過電壓、疊加交流電、供電電壓緩升緩降、供電電壓瞬時下降、電壓驟降復(fù)位性能、啟動特性、拋負(fù)載和反向電壓等?？刂破髟谠O(shè)計電路時，針對以上EMC測試項目的測試方法，增加了電壓瞬態(tài)抑制和濾波模塊，主要防止外部電氣干擾通過電源線影響控制器內(nèi)部器件的正常工作，同時，在PCB（ Printed Circuit Board，印刷電路板）布線設(shè)計時，考慮到電路板抗電磁干擾的性能，采用4層板設(shè)計，中間層增加一個完整的地平面，增加電磁屏蔽性。另外，按照模擬電路、數(shù)字電路和功率電路劃分布件布線區(qū)域，利用磁珠和0歐姆電阻將模擬、數(shù)字和功率模塊電路地回路隔離，消除彼此之間的電干擾，增強(qiáng)控制器的可靠性。

2.2 軟件設(shè)計

氫系統(tǒng)控制器的程序邏輯為：采集供氫系統(tǒng)的溫度、壓力和氫泄漏信息，根據(jù)氫系統(tǒng)的故障識別模型判斷故障信息和報警等級，計算氫系統(tǒng)的剩余儲氫量，通過CAN總線上傳。同時，控制器接收電堆和整車控制器的控制指令，控制氫系統(tǒng)的瓶口閥和管理電磁閥的動作，保證氫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?？刂破鞯某绦蛄鞒虉D如圖7所示。

圖7 控制器程序流程圖

3 氫系統(tǒng)控制器試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計方案，設(shè)計制作氫系統(tǒng)控制器產(chǎn)品，如圖8所示。

圖8 氫系統(tǒng)控制器實(shí)物

為了驗(yàn)證氫系統(tǒng)控制器的功能和EMC性能，搭建了控制器試驗(yàn)平臺，包括模擬負(fù)載箱、測試線束和測試上位機(jī)，如圖9所示。模擬負(fù)載箱按照氫系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載參數(shù)設(shè)計，模擬系統(tǒng)中的各傳感器和電磁閥。測試上位機(jī)采用LabVIEW編寫，如圖10所示，根據(jù)與整車控制器約定的通信協(xié)議，解析CAN總線上的協(xié)議幀，將控制器上傳的各項參數(shù)實(shí)時展示給測試人員，便于判斷控制器工作狀態(tài)。

圖9 氫系統(tǒng)控制器試驗(yàn)平臺

圖10 氫系統(tǒng)控制器測試上位機(jī)

試驗(yàn)結(jié)果證明，氫系統(tǒng)控制器各功能滿足供氫系統(tǒng)的控制需求，同時經(jīng)過EMC測試，取得了EMC認(rèn)證報告，證明氫系統(tǒng)控制器的EMC性能滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具備上車試用條件。

4 結(jié)束語

通過分析燃料電池車供氫系統(tǒng)的控制需求，基于恩智浦KEA128單片機(jī)設(shè)計了一套氫系統(tǒng)控制器，并針對汽車電子相關(guān)EMC測試標(biāo)準(zhǔn)，在硬件設(shè)計中加強(qiáng)了控制器的電磁兼容性，順利通過功能試驗(yàn)和EMC試驗(yàn)。目前，氫系統(tǒng)控制器已交整車廠實(shí)車試用，運(yùn)行良好，為燃料電池車的安全運(yùn)行提供保障。

[1]邵志剛，衣寶廉. 氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 中國科學(xué)院院刊，2019，34（4）：469-477.

[2]張奧，楊軍，吳桐，等. 燃料電池車車載氫氣供給系統(tǒng)概述[J]. 船電技術(shù)，2019，39（9）：53-56.

[3]朱玉龍. 汽車電子硬件設(shè)計[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

2020-03-10

U469.79

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.04.007

1002-4581（2020）04-0026-04