燃料電池汽車氫氣系統控制器設計*

宮喚春

（中汽汽車工程研究院；河北東方學院）

燃料電池汽車的動力源為質子交換膜燃料電池，借助于氫氧燃料化學反應產生驅動汽車運行的電力，由于氫氧燃料電池反應只產生水，對環境接近零污染且噪聲小，是新一代清潔能源汽車，已經成為汽車產業重要的發展方向[1]。氫氣作為燃料電池汽車的燃料，其儲存及安全使用是燃料電池汽車需要解決的重要難題。通常采用氣態儲氫法，將氫氣儲存于高壓氣瓶中并經過相應的管路傳送到燃料電池組。因為氫氣易燃易爆，所以安全儲氫、防止氫泄漏對燃料電池汽車的安全運行至關重要。因此需要設計一套安全可靠的氫氣監測實時控制系統，這套監測系統可對氫氣的壓力、溫度和泄漏等情況進行檢測。文章提出一種利用飛思卡爾系列[2]單片機設計的燃料電池汽車氫氣系統控制器，實現對氫氣系統溫度、壓力及泄漏的檢測，提高燃料電池汽車的使用效率。

1 燃料電池汽車氫燃料系統結構

1.1 氫燃料系統結構

燃料電池汽車氫氣系統結構，如圖1 所示。燃料電池汽車通常根據續駛里程來安裝氫氣瓶，每個氫氣瓶的瓶口都會安裝一個瓶閥，瓶閥內安裝有溫度傳感器，在瓶閥外裝有高壓傳感器，由于各氫氣瓶的外管路是相通的，因此可以在幾個氣瓶之間選裝高壓傳感器，通常燃料電池轎車安裝6～8 個氣瓶，每3～4 個氣瓶為1 組安裝高壓傳感器。氫氣傳輸系統管路上裝有總閥、減壓閥、壓力控制開關和低壓傳感器等組件。總閥用于控制整個管路的通斷；減壓閥將氫氣瓶總壓力降到燃料電池所需的壓力；壓力控制開關用于保證管路安全和防止壓力超載預警；低壓傳感器用于測量氫氧燃料反應的壓力。在燃料電池汽車車廂內安裝4～6 個H2傳感器，檢測車廂空氣中氫氣的濃度，用于判斷燃料電池汽車是否存在氫燃料泄漏。

圖1 燃料電池汽車氫燃料系統結構

1.2 氫燃料系統監測

氫氣泄漏監測系統通過安裝氫氣傳感器檢測氫氣是否存在泄漏，為了確保燃料電池汽車的安全，采用三級預警原則[3]，根據檢測的氫氣泄漏的濃度分別設置與之相對應的報警和安全措施，具體措施和安全等級設置，如表1 所示。

表1 燃料電池汽車氫燃料系統氫氣泄漏預警分級和安全措施

2 氫燃料監測系統硬件與軟件設計

根據上文氫氣監測系統的作用和功能，文章設計了利用飛思卡爾16 位9S12DG128 單片機[4]作為處理器的控制系統。

2.1 硬件系統設計

氫氣監測系統硬件部分主要分為4 個模塊：

1）主控單元模塊：監測系統主要實現2 個功能，一是對氫燃料電池系統的電壓、溫度進行檢測；二是對氫燃料泄漏進行檢測并將數據傳輸給中央控制器，確保氫燃料系統安全，并在緊急情況下對氫燃料系統進行控制。主控單元模塊，如圖2 所示。

圖2 氫氣監測系統主控單元模塊實物圖

2）執行元件模塊：氫氣監測系統的執行元件主要是各氫燃料瓶的瓶閥、氫燃料傳輸管路的總閥和氫氣泄漏監測的報警提示系統，如：報警器和燈管預警裝置等。它們負責監測各氫氣瓶是否存在泄漏，并對泄漏點進行報警，確保氫氣系統的安全使用。主要電路結構，如圖3 所示。

圖3 氫氣監測系統執行元件電路圖

3）信號輸入模塊：氫氣監測系統的輸入信號主要是氫燃料系統中溫度傳感器、高壓傳感器、低壓傳感器、氫氣傳感器的信息。根據各傳感器信號的特征分別設計了不同的處理模塊，確保氫氣系統安全，對車廂中所有的氫氣傳感器信號進行監測，并根據氫氣泄漏量判定氫泄漏量預警級別，并采取對應的處理措施，信號輸入模塊電路，如圖4 所示。

圖4 氫氣監測系統信號輸入模塊電路

4）通信接口模塊：燃料電池汽車內部的通信主要采用TTCAN 總線通信，氫氣系統的主控單元和氫氣泄漏監測系統單元都集成于CAN 控制器。根據TTCAN的通信協議[5]收發CAN 消息，確保氫氣系統的安全使用，通信接口模塊電路，如圖5 所示。

2.2 軟件系統設計

氫氣泄漏監測系統主要負責氫氣瓶的溫度和壓力檢測、并對車廂內氫氣泄漏情況進行監測。通過CAN網絡監控氫氣傳感器信號，如果車廂內氫氣濃度正常，則監控單片機不發出任何指令，若監測到氫氣濃度超過設定閾值時，則自動關閉管路總閥，中斷氫氣傳輸，并向燃料電池汽車儀表臺和CAN 網絡預警[6]。單片機系統軟件結構，如圖6 所示。

圖6 氫氣監測系統單片機軟件系統結構圖

3 試驗測試

燃料電池汽車氫氣控制系統硬軟件設計完成后，將該系統安裝到某燃料電池汽車上進行測試，并驗證文章設計的系統監測效果。圖7 示出試驗測試結果，利用本控制系統測試了燃料電池汽車運行過程中監測系統測取的溫度、壓力的變化曲線，結果表明該氫氣控制系統工作情況良好，能夠進行有效監測。

圖7 氫氣控制系統測取的溫度及壓力變化曲線

4 結論

文章利用單片機設計了燃料電池汽車氫氣監測系統，該系統用于燃料電池汽車氫氣傳輸和泄漏監測。文章闡述了硬件與軟件系統的構建過程并將設計好的系統用于試驗測試，結果表明：文章設計的燃料電池汽車氫氣監測系統能夠準確監測氫氣的溫度和壓力變化，后期會進一步進行實車測試以提高系統精度和穩定性，為系統的實際應用奠定基礎。