車載供氫系統(tǒng)控制器開發(fā)

葉川 馬天才 陳翌 楊柳明

（1.同濟大學(xué)，上海 201804；2.同濟大學(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)動機技術(shù)的先進新能源汽車技術(shù)[3]。供氫系統(tǒng)為燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，車載儲氫多采用高壓氣態(tài)儲氫，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)一標準，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)動機控制器（FCU，F(xiàn)uelcell Con?trol Unit）中，導(dǎo)致FCU與供氫系統(tǒng)耦合過強，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)進行了研究與開發(fā)，如，吳兵等人[4]在供氫系統(tǒng)設(shè)計中提出了HMS（氫管理系統(tǒng)）的使用，但是僅針對特定供氫系統(tǒng)，并沒有進行分布式設(shè)計；全書海等人[5]基于PIC18F258單片機設(shè)計了用于供氫系統(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，實際運用場景較為局限。

為提高燃料電池發(fā)動機系統(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)了獨立車載供氫系統(tǒng)控制器，通過獨立的安全監(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)動機的氣態(tài)儲氫系統(tǒng)進行控制器的開發(fā)。圖1為燃料電池發(fā)動機供氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常包含多個氣瓶，由管路接出后進行一級減壓，然后進入燃料電池前再次減壓，以供燃料電池反應(yīng)堆使用。每個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，在儲氫艙、發(fā)動機艙、客艙安裝有氫氣濃度傳感器。

圖1 燃料電池發(fā)動機供氫系統(tǒng)

2.1 分布式控制

不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機系統(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)動機控制器中，會增加其工作負荷，同時也會導(dǎo)致線束布置困難，供氫系統(tǒng)與燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)耦合性較強等問題。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)動機控制器中分離出來，僅使用CAN通訊就可進行控制和信息獲取，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有輕微泄露和聚集的風(fēng)險[4]，因此需要對空氣中氫氣濃度進行實時監(jiān)控。

對于高壓儲氫系統(tǒng)，需要對高壓供氫管路進行壓力監(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)控進堆氫氣的壓力是否正常。

在燃料電池客車系統(tǒng)中，儲氫瓶常放置在客車棚頂，氣溫的變化會導(dǎo)致氫氣壓力變化，影響燃料電池發(fā)動機工作，因此需要對供氫系統(tǒng)進行溫度檢測。

綜上所述，對供氫系統(tǒng)的安全管理，需要對各個傳感器數(shù)據(jù)進行監(jiān)控并上報，對于出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)需要確定故障等級，并同時執(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

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)計框架如圖2所示，主要由MCU模塊、電源模塊、信號采集模塊、低邊驅(qū)動模塊、CAN通訊模塊組成，通過分模塊電路設(shè)計可實現(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)計框架

3.2 控制器電源模塊設(shè)計

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，并添加保險絲對傳感器進行保護。

3.3 控制器AD信號處理電路設(shè)計

本控制器需要處理NTC型熱敏電阻溫度傳感器信號、氫氣濃度傳感器信號及壓力傳感器信號，通過上、下拉電阻配置轉(zhuǎn)換成電壓信號供MCU進行AD采樣。控制器外接傳感器信號見表3。

表3 控制器外接傳感器信號

在AD信號的處理電路中，使用了軌到軌運算放大器AD8626。將傳感器輸入信號處理成0～5 V的電壓信號，再通過信號跟隨電路進入單片機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處理電路

3.4 控制器低邊開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計

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

圖4 TLE6232GP設(shè)計電路原理圖

3.5 控制器CAN總線通訊模塊電路設(shè)計

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，通過磁性元件進行雙通道的邏輯信號傳輸，如圖7所示。由于該隔離器的開關(guān)頻率達180 MHz，可能會引起比較大的高頻電磁干擾，PCB（印制電路板）設(shè)計時需要注意電磁屏蔽。

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

本控制器基于狀態(tài)機控制、任務(wù)調(diào)度模式進行軟件編寫，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)機設(shè)計

本控制器具有啟動、就緒、自動、手動、故障、標定共6個工作狀態(tài)，按照圖9進行狀態(tài)機切換。

圖9 控制器狀態(tài)機框圖

a.控制器上電后進入啟動狀態(tài)。在此狀態(tài)下將自動進行系統(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，信號輸入和驅(qū)動輸出正常。如果系統(tǒng)無故障報出則進入就緒狀態(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. 接收到自動模式（0x55）命令后進入自動狀態(tài)（系統(tǒng)正常運行狀態(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)動信號，上傳傳感器信息和控制器狀態(tài)信息，若出現(xiàn)故障進入故障狀態(tài)。

d. 接收到手動模式（0xAA）命令后進入手動狀態(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. 在標定狀態(tài)下，可標定瓶閥數(shù)量、傳感器數(shù)量、傳感器類型等，同時添加工程代號、標定日期用以對不同系統(tǒng)的控制器進行區(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

控制器的軟件設(shè)計采用了任務(wù)調(diào)度模式，根據(jù)狀態(tài)機、執(zhí)行頻率進行任務(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采樣，計算得出實際物理值，用于氫氣剩余量計算和進行后續(xù)的故障檢測。

b.根據(jù)溫度、壓力信息計算氫氣剩余量。

c.CAN信息接收來自主控制器的控制指令，包括執(zhí)行器動作和控制器狀態(tài)機切換等。此外，根據(jù)整車網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，按照應(yīng)答時序?qū)⒖刂破鞑杉降膫鞲衅餍盘栆约翱刂破鳡顟B(tài)、故障信息等上報給主控制器。

d. 驅(qū)動控制采用SPI與驅(qū)動芯片通訊，控制周期為100 ms/次，瓶閥交替開啟以避免同時開啟時沖擊電流較大，同時獲取驅(qū)動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)需要的故障上報格式。

4.3 氫氣剩余量計算

根據(jù)車載儲氫方式，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氫100%狀態(tài)，則氫氣剩余量計算式為：

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為額定儲氫100%時氫氣摩爾密度。

由于氫氣的儲存壓力在10 MPa以上時，氫氣的物理性質(zhì)會偏離理想氣體狀態(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)降階計算從而得到壓縮系數(shù)計算公式[7]：

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

5 控制器驗證

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

圖12 控制器及上位機監(jiān)控界面

在實際系統(tǒng)運行過程中，燃料電池系統(tǒng)保持恒定功率運行，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確，有助于車輛續(xù)駛里程的計算。

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)控制器方案并進行了軟硬件開發(fā)，實現(xiàn)了對供氫系統(tǒng)溫度、壓力、氫氣濃度等數(shù)據(jù)進行檢測，并對瓶閥和管路電磁閥進行控制，完成了氫氣剩余量計算、故障診斷、CAN總線信息上報、控制器標定等功能，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)計可基本適應(yīng)不同車載供氫系統(tǒng)需求。