基于S32K144的燃料電池堆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓冬林，劉藝柱，翟曉晗，張 杰

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

經(jīng)過(guò)近十年的持續(xù)研發(fā)，車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動(dòng)等功能特性方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，新一輪的燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化浪潮正在迫近[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)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(duì)復(fù)雜的管理系統(tǒng)，通常包括燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、水熱管理及電控單元等子系統(tǒng)[2]，所以車(chē)用燃料電池堆控制系統(tǒng)所采用的電子器件必須能夠滿足車(chē)用環(huán)境的嚴(yán)格要求，尤其是主控制器芯片要求符合車(chē)規(guī)等級(jí)。S32K144 是NXP 公司生產(chǎn)的一款新型的高集成度、低功耗32 位汽車(chē)級(jí)高性能微控制器芯片，基于ARM Cortex-M4F 內(nèi)核，最高主頻達(dá)到了112 MHz，符合AEC-Q100 規(guī)范，內(nèi)部集成了具有DSP 功能的單精度浮點(diǎn)單元FPU、1MHz 采樣速率的2×16 通道的高速12 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊、3 通道SPI 串行通訊模塊、支持SAE J2602 協(xié)議的3 通道UART/LIN 通訊模塊、支持CAN-FD ISO/CD 11898-1 協(xié)議 的3 通道FlexCAN 通訊模塊[3]。基于S32K144 微控制器，本文設(shè)計(jì)了一種車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆控制系統(tǒng)，采用C 語(yǔ)言編程方式，完成了膜電極單膜電壓檢測(cè)電路和燃料電池堆控制電路的軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆控制系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，主要由膜電極單膜電壓檢測(cè)電路和電池堆控制電路構(gòu)成。

圖1 車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆控制系統(tǒng)框圖

由于近年來(lái)車(chē)用燃料電池堆的額定功率指標(biāo)不斷提升，電池堆膜電極的串聯(lián)片數(shù)也在不斷增加，本課題組前期設(shè)計(jì)的60 片串聯(lián)膜電極單膜電壓檢測(cè)電路已經(jīng)很難滿足大功率車(chē)用燃料電池堆控制系統(tǒng)的技術(shù)需求了，所以新設(shè)計(jì)的膜電極單膜電壓檢測(cè)電路可以采集120 片串聯(lián)膜電極單模電壓信號(hào)C00～C121，還可以采用N個(gè)單膜電壓檢測(cè)電路集成使用的方法，通過(guò)CAN2 通訊口實(shí)現(xiàn)N×120 片膜電極單模電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。燃料電池堆控制電路通過(guò)內(nèi)置的高速A/D 轉(zhuǎn)換電路采集燃料電池電堆的傳感器信號(hào)，同時(shí)還通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字I/O 電路輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)燃料電池堆的執(zhí)行器動(dòng)作，燃料電池堆的傳感器信號(hào)主要包括氫氣側(cè)氣源壓力、氫氣側(cè)/空氣側(cè)進(jìn)出堆壓力、氫氣側(cè)/空氣側(cè)出堆壓力、氫氣側(cè)/空氣側(cè)進(jìn)出堆溫度、質(zhì)量式空氣流量值、循環(huán)水進(jìn)堆壓力、循環(huán)水進(jìn)堆/出堆溫度，燃料電池電堆的執(zhí)行器信號(hào)主要包括氫氣側(cè)氣源控制閥、氫氣側(cè)進(jìn)氣/排氣控制閥、空氣側(cè)氣源控制器、循環(huán)水泵、循環(huán)水散熱控制器。燃料電池堆控制電路通過(guò)總線CAN1 完成與膜電極單膜電壓檢測(cè)電路的數(shù)據(jù)通訊，總線CAN2 完成與鋰電池管理系統(tǒng)和升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)通訊，總線CAN3 完成與整車(chē)電控單元ECU 的數(shù)據(jù)通訊。

2 膜電極單膜電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1 單膜電壓檢測(cè)電路硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)槿剂想姵囟褍?nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電池堆膜電極的單膜電壓反應(yīng)了整個(gè)電池堆和輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)膜電極的單膜電壓能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池堆工作的異常狀況[4]，所以膜電極單膜電壓檢測(cè)電路需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電池堆中串聯(lián)的每個(gè)膜電極單體的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)，并將所有單膜電壓數(shù)據(jù)上報(bào)給燃料電池堆控制電路。本文設(shè)計(jì)的燃料電池堆膜電極單膜電壓檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 膜電極單膜電壓檢測(cè)電路圖

膜電極單膜電壓檢測(cè)電路采用Linear 公司的新型電池組監(jiān)視器芯片LTC6804，該芯片是第三代多節(jié)電池監(jiān)視器，單芯片最多可測(cè)量12 個(gè)串聯(lián)電池單體電壓，內(nèi)部ADC 的分辨率為16 位，單體電壓測(cè)量誤差低于1.2 mV[5]。因?yàn)長(zhǎng)TC6804 芯片內(nèi)部集成了SPI 串行通訊模塊，所以可以很方便地實(shí)現(xiàn)與S32K144 微控制器芯片之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊功能。本文設(shè)計(jì)的膜電極單膜電壓檢測(cè)電路共使用了10 個(gè)LTC6804 芯片，每個(gè)單膜電壓檢測(cè)電路可以采集120 片膜電極單膜電壓信號(hào)，限于篇幅，圖2 只給出了1 個(gè)LTC6804 芯片與S32K144 微控制器芯片之間的電路簡(jiǎn)圖。S32K144 微控制器采用內(nèi)部集成的FIRC 振蕩器，省掉了外部晶振電路，S32K144 的PB2、PB3、PB4 分別作為SPI0.SCK、SPI0.MISO、SPI0.MOSI 串行通訊管腳使用，PB7、PB6、PE14、PE3、PE12、PD17、PD16、PD15、PE9、PD14、分別作為1～10 號(hào)LTC6804 芯片的片選信號(hào)管腳使用，PB0、PB1 分別作為CAN1.RXD、CAN1.TXD 通訊管腳使用，PA12、PA13 分別作為CAN2.RXD、CAN2.TXD 通訊管腳使用。因?yàn)長(zhǎng)TC6804 芯片的C00～C12 管腳直接與燃料電池堆膜電極單體相連，所以LTC6804 與S32K144 之間的信號(hào)線和電源線必須要加入隔離電路，本設(shè)計(jì)采用ADI 公司基于isoPower 專利技術(shù)的四通道隔離器ADuM5401，該芯片內(nèi)部集成了三通道輸入隔離電路、一通道輸出隔離電路及DC-DC隔離電源電路[6]，可以產(chǎn)生隔離穩(wěn)壓輸出的+5 V，再經(jīng)過(guò)非隔離的DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，就可以產(chǎn)生LTC6804 芯片所需要的+24 V 隔離供電電壓。

2.2 單膜電壓檢測(cè)電路軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)長(zhǎng)TC6804 芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了SPI 串行通訊模塊，所以在單膜電壓檢測(cè)電路軟件設(shè)計(jì)上只需按照?qǐng)D3 所示的LTC6804 串行通訊接口時(shí)序[5]，將S32K144 內(nèi)置的SPI 模塊作為串行通訊主機(jī)，將LTC6804 內(nèi)置的SPI 模塊作為串行通訊從機(jī)，SPI 驅(qū)動(dòng)程序在S32K144 的輸出管腳SPI0.SCK、SPI0.MOSI、L6804#1.CS 上生成符合圖3 時(shí)序的控制脈沖序列SCK、SDI、CSB，就可以通過(guò)讀取SPI0.MISO 輸入管腳的SDO 電平信號(hào)狀態(tài)值，實(shí)現(xiàn)微控制器芯片S32K144 和電池組監(jiān)視芯片LTC6804 之間的SPI 串口通訊功能。

圖3 LTC6804串行通訊接口時(shí)序圖

雖然LTC6804 芯片內(nèi)置了isoSPI 接口，支持長(zhǎng)達(dá)100 米內(nèi)多個(gè)LTC6804 芯片的菊鏈?zhǔn)絊PI 通訊連接[5]，但是考慮到S32K144 微控制器芯片具備足夠多的IO 管腳，并且isoSPI 接口使用的隔離變壓器會(huì)占用PCB 空間，所以本設(shè)計(jì)采用10 個(gè)LTC680 芯片共用SPI0.SCK、SPI0.MOSI、SPI0.MISO 信號(hào)，每個(gè)LTC680 芯片單獨(dú)使用CSB 片選信號(hào)的并聯(lián)單獨(dú)尋址的方法，單膜電壓檢測(cè)軟件輪流選中1～10 號(hào)LTC6804 芯片的CS片選信號(hào)，使用ADCV 命令啟動(dòng)單膜電壓ADC 轉(zhuǎn)換，使用PLADC 命令輪詢ADC 轉(zhuǎn)換狀態(tài)，使用RDCVA～RDCVAD 命令讀取膜電極單膜電壓ADC 數(shù)據(jù)。

3 燃料電池堆控制電路設(shè)計(jì)

3.1 燃料電池堆控制電路硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的燃料電池堆控制電路構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 燃料電池堆控制電路結(jié)構(gòu)圖

因?yàn)镾32K144 微控制器芯片內(nèi)部集成了2×16 通道的高速12 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊，所以本設(shè)計(jì)將質(zhì)子交換膜燃料電池堆的壓力傳感器、流量傳感器、氫氣泄漏探頭輸出的電壓信號(hào)經(jīng)0～5 V 電壓調(diào)理電路送入S32K144 芯片內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換器，電堆溫度檢測(cè)采用熱敏電阻式溫度傳感器作為敏感元件，再經(jīng)電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路送入S32K144 芯片內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，2×16 通道的A/D 轉(zhuǎn)換器將壓力、溫度、流量傳感器的信號(hào)采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，作為燃料電池堆控制程序的入口參數(shù)。S32K144 芯片的數(shù)字I/O 口一方面負(fù)責(zé)接收外部的開(kāi)關(guān)量命令信號(hào)，另一方面輸出控制信號(hào)給電動(dòng)執(zhí)行器，除此之外，S32K144 的CAN1 總線模塊用于實(shí)現(xiàn)與單膜電壓檢測(cè)電路、調(diào)試觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通訊，CAN2 總線模塊用于實(shí)現(xiàn)與升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器、鋰電池管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，CAN3 總線模塊用于實(shí)現(xiàn)與整車(chē)ECU 之間的數(shù)據(jù)通訊。與本課題組前期設(shè)計(jì)的燃料電池堆控制電路相比，由于S32K144 芯片內(nèi)置的ADC 支持最大32 次的硬件累加平均功能，所以新的設(shè)計(jì)可以有效提高傳感器的平均采樣速率和模擬量數(shù)據(jù)采樣的數(shù)字濾波性能。

3.2 燃料電池堆控制電路軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)閷?shí)際的車(chē)輛在不同工況運(yùn)行，負(fù)載變化頻繁，而燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，需要輔助動(dòng)力源提供能量，抑制能量波動(dòng)，才能使整車(chē)保持良好的動(dòng)態(tài)性能[7]，所以在設(shè)計(jì)車(chē)用燃料電池堆控制程序時(shí)除了要實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)燃料電池堆的工作溫度及濕度、氫氣側(cè)/空氣側(cè)壓力及流量等控制變量之外，還必須綜合考慮與升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器和整車(chē)ECU 的實(shí)時(shí)功率匹配問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中燃料電池堆控制軟件流程如圖5 所示。

圖5 燃料電池堆控制軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極單體的理想輸出電壓計(jì)算公式如下[8]：

式中：pH2、pO2、pH2O分別為氫、氧和水蒸氣的壓力；Eo為燃料電池膜電極單體的理想標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)；R為通用氣體常數(shù)；T為燃料電池膜電極單體的工作溫度；F為法拉第常數(shù)[8]。由公式(1)可以得出結(jié)論：理想狀態(tài)下，通過(guò)精確控制質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極單體的工作溫度T、氫氣壓力pH2、氧氣壓力pO2等變量的數(shù)值，就可以有效控制質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極單體的輸出電壓Uo，因此，膜電極單膜電壓數(shù)據(jù)和電流密度數(shù)據(jù)是評(píng)判燃料電池堆控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。在BY-280 型燃料電池堆試驗(yàn)平臺(tái)上，本文設(shè)計(jì)的基于S32K144的燃料電池堆控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件為：?jiǎn)文すぷ髅娣e為270 cm2，膜電極厚度為0.47 mm，膜電極數(shù)量為30，進(jìn)氣壓力氫氣側(cè)為30 kPa，空氣側(cè)為25 kPa，電堆溫度為65～70 ℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。圖6為燃料電池堆V/I數(shù)據(jù)曲線圖。

表1 燃料電池堆測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 膜電極單膜電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 燃料電池堆V/I數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池堆控制系統(tǒng)采用了新型的基于ARM Cortex-M4F 內(nèi)核的32 位汽車(chē)級(jí)微控制器S32K144 芯片，充分利用其內(nèi)部集成的高速A/D 轉(zhuǎn)換模塊、SPI 串行通訊模塊、FlexCAN 通訊模塊，將膜電極單模電壓檢測(cè)電路、燃料電池堆控制電路、升壓式DC-DC 轉(zhuǎn)換器、整車(chē)ECU 組成局域網(wǎng)，用樣機(jī)驗(yàn)證了由燃料電池和鋰離子電池組成的車(chē)用混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率匹配方法，實(shí)現(xiàn)了基于CAN 總線的燃料電池堆運(yùn)行狀態(tài)及控制參數(shù)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)匹配的設(shè)計(jì)目標(biāo)。