一種車用質子交換膜燃料電池管理系統設計

韓冬林，徐琤穎，陳 愚

(天津中德應用技術大學，天津300350)

一種車用質子交換膜燃料電池管理系統設計

韓冬林，徐琤穎，陳 愚

(天津中德應用技術大學，天津300350)

基于Microchip公司的高性能數字信號控制器dsPIC30F6014A，完成了一種車用質子交換膜燃料電池管理系統的單膜電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU的軟硬件設計，開發了基于C語言的膜電極電壓采集程序和管理系統主控程序，并且用樣機驗證了設計。

電池管理系統；質子交換膜燃料電池；dsPIC30F6014A；AD7321

歷經近十幾年的研究與開發，車用質子交換膜燃料電池的研發取得了突破性進展，至今已有近千輛燃料電池車在世界各地示范運行[1]，與傳統內燃機和普通電池相比，燃料電池直接將化學能轉化為電能，不受卡諾循環的限制，既可像電池一樣安靜、清潔的提供電力，又可像內燃機一樣重新添加燃料[2]，質子交換膜燃料電池電化學反應產生的唯一副產品就是純凈水，節能環保。燃料電池發電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對復雜的管理系統，通常包括燃料供應、氧化劑供應、水熱管理及電控單元等子系統[3]，所以燃料電池管理系統必須采用柔性化、可編程的軟硬件設計方案，同時為了適應車用環境的嚴苛要求，主控芯片不僅需要具備寬溫度范圍可靠工作性能和極高的抗電磁干擾能力，而且必須具有CAN總線、LIN總線等多種串行數據總線通訊能力。

dsPIC30F6014A是美國Microchip公司生產的一款高性能數字信號控制器芯片，它由30 MIPS的16位微控制器(MCU)、單周期17位累乘器數字信號處理器(DSP)內核、高速16輸入通道的12位A/D轉換模塊、串行外設接口(SPI)串行通訊模塊、全雙工通用同步/異步串行收發器(USART)異步通訊模塊、控制器局域網CAN總線模塊等主要功能模塊構成。基于dsPIC30F6014A數字信號控制器，本文設計了一種車用質子交換膜燃料電池管理系統，采用C語言編程方式，實現了單膜電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU的軟硬件多參數優化設計。

1 車用質子交換膜燃料電池管理系統構成

本文設計的車用質子交換膜燃料電池管理系統構成如圖1所示，單膜電壓檢測單元CVU通過內置的電壓隔離選通電路采集燃料電池電堆的單模電壓信號C00～C61，電堆主控單元FCU通過內置的A/D轉換電路采集燃料電池電堆的傳感器信號，同時還通過內置的數字I/O電路輸出控制信號驅動燃料電池電堆的執行器動作，燃料電池電堆的傳感器信號主要包括氫氣瓶壓力、氫氣進出堆壓力、氫氣進出堆溫度、空氣進堆壓力、空氣進堆溫度、空氣進堆流量、冷卻液進堆壓力、冷卻液進出堆溫度、氫氣泄漏量PPM檢測，燃料電池電堆的執行器信號主要包括氫氣瓶供氣電磁閥、氫氣進排氣電磁閥、空氣泵供電繼電器、空氣泵轉速控制、冷卻液循環泵、內外循環散熱風扇。

圖1 車用質子交換膜燃料電池管理系統框圖

因為車用質子交換膜燃料電池在加載的初始階段，其端電壓下降較快，隨著負載電流的繼續增加，輸出電壓的下降斜率也比普通蓄電池大得多[4]，考慮到質子交換膜燃料電池偏軟的伏安特性無法滿足車用動力系統快速加減速工況的功率需求，因此選用鋰離子動力電池組作為主動力源，燃料電池和升壓式DC-DC轉換器作為輔助動力源實現增加行駛里程和給鋰電池組應急充電的作用。燃料電池管理系統采用2組CAN總線實現數據實時通訊功能，其中CAN1通訊口負責單膜電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU之間的數據通訊，采用自定義的內部通訊協議，CAN2通訊口負責電堆主控單元FCU、DC-DC轉換器、整車電控單元ECU之間的數據通訊，采用專門用于商用車上的汽車工程協會(SAE)標準的J1939通訊協議。

2 單膜電壓檢測單元CVU設計

2.1 單膜電壓檢測電路硬件設計

因為燃料電池電堆內部串聯結構的質子交換膜電極的單膜電壓反應了整個電堆和輔助系統的工作狀態，通過檢測膜電極的單膜電壓能及時發現電堆工作的異常狀況[5]，所以單膜電壓檢測單元CVU需要實時檢測每個膜電極的輸出電壓數據，并將所有單膜電壓數據實時上報給電堆主控單元FCU。

燃料電池單膜電壓檢測電路信號流程如圖2所示，61個膜電極的單膜電壓信號C00～C61并行進入單膜電壓檢測單元CVU的光電隔離選擇通道MUX，主控芯片dsPIC30F6014A數字信號控制器通過I/O接口模塊，按照由低到高的次序依次發出61組通道選擇脈沖，單膜電壓信號按照選通脈沖時序的控制順序進入高共模電壓差動放大器，因為將差動放大器的電壓增益預置為1，所以差動放大器的輸出電壓就等于膜電極的單膜電壓，然后經外置的12-BIT A/D轉換器采樣變為數字信號，經dsPIC30F6014A的SPI串行接口讀入，再通過內置的CAN總線通訊模塊將全部單膜電壓數據上報給電堆主控單元FCU。

圖2 燃料電池單膜電壓檢測電路框圖

單膜電壓檢測電路選用美國Analog Devices公司的AD7321芯片作為A/D轉換器，AD7321是一款高精度高速A/D轉換芯片，分辨率為12位并帶有符號位，內置SPI接口電路，具備±10、±5、±2.5、0～10 V這4種軟件可預置的輸入范圍，由于質子交換膜燃料電池每一片膜電極只能產生大約1 V左右的電壓[5]，本設計將AD7321芯片的輸入范圍預置為±2.5 V，所以AD7321電壓采樣的最高分辨率為：LSB Size=(Full-Scale Range)/(8192 Codes)=5 000 mV/8 192≈0.61 mV。

2.2 單膜電壓檢測單元軟件設計

因為AD7321芯片已經內置了SPI接口電路，所以在單膜電壓檢測軟件設計上只需按照圖3所示的AD7321串行通訊接口時序，將dsPIC30F6014A內置的SPI模塊作為串行通訊主機，將AD7321內置的SPI模塊作為串行通訊從機，驅動程序在 dsPIC30F6014A的輸出管腳 RG6/SCK2、RG8/SDO2、RG9/CSB上生成符合圖3時序的控制脈沖序列SCLK、DIN、CS，就可以通過讀取RG7/SDI2輸入管腳的DOUT電平信號狀態值，實現主芯片dsPIC30F6014A和A/D轉換芯片AD7321之間的SPI串口通訊功能。

圖3 AD7321串行通訊接口時序圖

圖3中CS為 AD7321芯片的片選信號，SCLK為AD7321芯片的串行時鐘輸入信號，DOUT為AD7321芯片的串行數據輸出信號，DIN為AD7321芯片的串行數據輸入信號。根據圖3中AD7321芯片串行通訊接口的時序要求，以dsPIC30F6014A作為通訊主芯片，采用C語言編寫的SPI總線讀寫程序如下：

3 電堆主控單元FCU設計

3.1 主控單元硬件電路設計

燃料電池主控系統電路構成如圖4所示，以dsPIC30F6014A作為主控芯片，因為dsPIC30F6014A芯片內部集成了高速16通道12位的A/D轉換模塊，所以本設計將質子交換膜燃料電池電堆的壓力傳感器、流量傳感器、氫氣泄漏探頭輸出的電壓信號經0～5 V電壓調理電路送入主控芯片內置的A/D轉換器，電堆溫度檢測采用熱敏電阻式溫度傳感器作為敏感元件，再經電阻-電壓轉換電路送入主控芯片內置的A/D轉換器，A/D轉換器將壓力、溫度、流量、氫氣泄漏傳感器的信號采樣后轉換為數字量，作為電堆主控程序的入口參數。dsPIC30F6014A芯片的數字I/O口一方面負責接收外部的開關量命令信號，另一方面輸出控制信號給電動執行器，控制燃料電池電堆進排氣電磁閥、冷卻液循環泵、內外循環散熱風扇、空氣泵的工作狀態，除此之外，dsPIC30F6014A的CAN1總線模塊用于實現與單膜電壓檢測單元CVU之間的內部數據通訊，CAN2總線模塊用于實現與DC-DC轉換器、整車電控單元ECU之間的外部數據通訊，dsPIC30F6014A的USART模塊經RS485總線用于實現與SK70BE觸摸屏之間的人機調試通訊功能。

圖4 燃料電池主控系統電路框圖

3.2 主控單元軟件設計

質子交換膜燃料電池的理想輸出電壓Uo計算公式如下[6]：

由式(1)可以得出結論：理想狀態下，通過精確控制質子交換膜燃料電池的工作溫度、氫氣壓力、氧氣壓力等變量，可以有效控制燃料電池的輸出電壓。因為實際的車輛在不同工況運行，負載變化頻繁，而燃料電池動態響應速度較慢，需要輔助動力源提供能量，抑制能量波動，才能使整車保持良好的動態性能[4]，所以在設計車用燃料電池電堆主控單元程序時必須考慮與DC-DC轉換器和整車電控單元ECU的實時功率匹配問題，在本設計中電堆主控單元FCU通過CAN總線實時上報電堆運行參數給整車ECU，并根據電堆運行狀態實時控制DC-DC轉換器的輸出功率。電堆主控單元FCU軟件流程如圖5所示。

圖5 電堆主控單元軟件流程圖

4 系統實現

本文提出的基于dsPIC30F6014A數字信號控制器的車用質子交換膜燃料電池管理系統樣機采用模塊化設計方案，分別設計了單模電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU，由于采用了高集成度的數字信號控制器dsPIC30F6014A芯片，顯著地降低了電路板的元器件數量，既降低了印刷電路板(PCB)的布線難度，又有效地提高了燃料電池管理系統的集成度和整體性能。圖6～圖7分別是單模電壓檢測單元電路板和電堆主控單元電路板的實物照片。

圖6 單模電壓檢測單元電路板

圖7 電堆主控單元電路板

5 結論

本文設計的車用質子交換膜燃料電池管理系統采用了高性能的數字信號控制器dsPIC30F6014A芯片，使用CAN總線將電堆主控單元、DC-DC轉換器、整車電控單元ECU組成局域網，驗證了由燃料電池和鋰離子電池組成的車用混合動力系統實時功率匹配方法，實現了基于CAN總線的燃料電池電堆運行狀態及控制參數實時聯網匹配的設計目標。

[1]俞紅梅，衣寶廉.車用燃料電池現狀與電催化[J].中國科學：化學，2012(4)：480-494.

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[3]侯明，衣寶廉.燃料電池技術發展現狀與展望[J].電化學，2012(1)：1-13.

[4]趙志國，張賽.燃料電池轎車能量源混合度仿真優化[J].汽車工程，2014(2)：168-173.

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[6]王玲，李欣然，馬亞輝，等.燃料電池發電系統的機電動態模型[J].中國電機工程學報，2011(8)：40-47.

Sort of vehicle proton membrane fuel cells management system design

HAN Dong-lin,XU Cheng-ying,CHEN Yu
(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences,Tianjin 300350,China)

Based on high performance digital signal controller dsPIC30F6014A produced by Microchip,the hardware and software design of vehicle proton membrane fuel cells voltage measurement unit and fuel stack control unit were completed.The cells voltage acquisition programs and stack management system master programs with C language were developed.Then the design was verified using prototype.

BMS;proton membrane fuel cell;dsPIC30F6014A;AD7321

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)10-1420-04

2017-03-01

韓冬林(1966—)，男，天津市人，正高級工程師，主要研究方向為傳感器與電控技術。