車載供氫系統控制器開發

葉川 馬天才 陳翌 楊柳明

（1.同濟大學，上海 201804；2.同濟大學新能源工程中心，上海 201804）

主題詞：燃料電池客車 車載供氫系統 控制器

1 前言

由于能源與環境問題日益突出，傳統內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、清潔的電化學發電技術，近年來成為最有可能替代傳統發動機技術的先進新能源汽車技術[3]。供氫系統為燃料電池發動機系統的關鍵組成部分，車載儲氫多采用高壓氣態儲氫，壓力在20～70 MPa范圍內[4]。目前車載供氫系統缺乏國內統一標準，據了解國內大多數供氫系統的控制被集成在燃料電池發動機控制器（FCU，Fuelcell Con?trol Unit）中，導致FCU與供氫系統耦合過強，系統的移植性、兼容性較差。特別對于大型客車而言，供氫系統氫瓶大多設置在車輛頂部，導致線束過長、線束過重等問題。

近年來，相關人員針對車載供氫系統進行了研究與開發，如，吳兵等人[4]在供氫系統設計中提出了HMS（氫管理系統）的使用，但是僅針對特定供氫系統，并沒有進行分布式設計；全書海等人[5]基于PIC18F258單片機設計了用于供氫系統的控制器，但是缺少針對不同供氫系統的兼容性和可移植性的設計，實際運用場景較為局限。

為提高燃料電池發動機系統的可移植性和兼容性，本文提出采用車載供氫系統分布式控制，并開發了獨立車載供氫系統控制器，通過獨立的安全監測和控制，大大提高了車載供氫系統的可靠性。

2 車載供氫系統分析

針對車載燃料電池發動機的氣態儲氫系統進行控制器的開發。圖1為燃料電池發動機供氫系統，該系統通常包含多個氣瓶，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、發動機艙、客艙安裝有氫氣濃度傳感器。

圖1 燃料電池發動機供氫系統

2.1 分布式控制

不同于傳統內燃機系統，燃料電池系統的供能系統（供氫系統）具有較高的安全等級要求，并具有較多的傳感器和執行器設備，若集成在燃料電池發動機控制器中，會增加其工作負荷，同時也會導致線束布置困難，供氫系統與燃料電池發動機系統耦合性較強等問題。因此采用分布式控制的方式，一方面可將供氫系統控制的功能從燃料電池發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的可移植性和安全性，方便燃料電池系統進行模塊化管理。

2.2 供氫系統功能需求

2.2.1 硬件功能需求

根據供氫系統瓶閥和傳感器布置（圖1），得到供氫系統控制器需求如表1所列。

表1 供氫系統控制器需求

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險[4]，因此需要對空氣中氫氣濃度進行實時監控。

對于高壓儲氫系統，需要對高壓供氫管路進行壓力監控來確保燃料電池系統能正常工作。除此之外，燃料電池反應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控進堆氫氣的壓力是否正常。

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

綜上所述，對供氫系統的安全管理，需要對各個傳感器數據進行監控并上報，對于出現異常的數據需要確定故障等級，并同時執行相應的緊急操作，以保證供氫系統的可靠性。

2.3 供氫系統控制器資源

在燃料電池客車電氣系統分配中，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 車載供氫系統控制器資源

3 車載供氫系統控制器硬件設計

3.1 控制器硬件架構

車載燃料電池供氫系統控制器（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、低邊驅動模塊、CAN通訊模塊組成，通過分模塊電路設計可實現功能模塊替換和復用。

圖2 車載供氫系統控制器硬件設計框架

3.2 控制器電源模塊設計

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。根據系統資源，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、下拉電阻配置轉換成電壓信號供MCU進行AD采樣?？刂破魍饨觽鞲衅餍盘栆姳?。

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 控制器低邊開關驅動電路設計

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

圖4 TLE6232GP設計電路原理圖

3.5 控制器CAN總線通訊模塊電路設計

3.5.1 CAN總線電路

在燃料電池客車的CAN通訊協議定義中使用的總線速率為250 kbps，圖5是利用CAN收發器PCA82C250設計的CAN收發電路，在總線端設置了CAN屏蔽端和終端電阻。

圖5 CAN收發電路原理圖

3.5.2 CAN電源隔離

在大多數的遠程數據通訊中，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，耦合到數據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雙通道數字隔離器ADuM5201W集成隔離式的DC-DC轉換器，在5 V輸入電源下提供500 mW的穩壓隔離電源，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 車載供氫系統控制器軟件設計

本控制器基于狀態機控制、任務調度模式進行軟件編寫，圖8為控制器軟件系統流程圖。系統在初始化結束后，程序主循環執行狀態機控制、任務調度、清空看門狗。

圖8 控制器軟件系統流程

4.1 狀態機設計

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，按照圖9進行狀態機切換。

圖9 控制器狀態機框圖

a.控制器上電后進入啟動狀態。在此狀態下將自動進行系統自檢，保證系統執行器和傳感器等上電成功，各模塊工作穩定，信號輸入和驅動輸出正常。如果系統無故障報出則進入就緒狀態。

b.就緒狀態下，等待CAN消息幀確定控制器工作模式，并進入對應工作狀態，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（系統正常運行狀態）。此狀態下可接受來自CAN總線上的控制指令，輸出相應驅動信號，上傳傳感器信息和控制器狀態信息，若出現故障進入故障狀態。

d. 接收到手動模式（0xAA）命令后進入手動狀態，主要用于系統調試。在該狀態下，若發現系統故障則不進入故障狀態。

e. 在故障狀態下，執行不同故障處理，見表5。

f. 在標定狀態下，可標定瓶閥數量、傳感器數量、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的控制器進行區分，以提高控制器的兼容性。

表5 控制器故障狀態定義

4.2 任務調度設計

控制器的軟件設計采用了任務調度模式，根據狀態機、執行頻率進行任務分化，并將任務分為控制器層和系統層，采用分模塊代碼管理，如圖10所示。在本程序架構中，任務調度流程如圖11所示。

圖10 系統軟件架構

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的故障檢測。

b.根據溫度、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，包括執行器動作和控制器狀態機切換等。此外，根據整車網絡規劃，按照應答時序將控制器采集到的傳感器信號以及控制器狀態、故障信息等上報給主控制器。

d. 驅動控制采用SPI與驅動芯片通訊，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行器的故障情況，保存故障診斷數據以用于控制器的調試。然后將診斷數據轉換成系統需要的故障上報格式。

4.3 氫氣剩余量計算

根據車載儲氫方式，同等容積下氣體量只與密度相關，我國燃料電池車普遍采用35 MPa氫系統，若在35 MPa壓力、15℃溫度條件下為額定儲氫100%狀態，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，氫氣的物理性質會偏離理想氣體狀態,所以不能直接使用理想氣體狀態方程[6],此處采用壓縮系數法來表示狀態方程：

式中，z為壓縮系數；n為氣體物質的量；R為理想氣體常數。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，并將維里系數降階計算從而得到壓縮系數計算公式[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，并根據式(1)得到當前氫氣剩余量。

5 控制器驗證

在實際供氫環境下，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，并在實際場景能夠正確打開瓶閥，說明所設計控制器已滿足供氫系統功能需求。

圖12 控制器及上位機監控界面

在實際系統運行過程中，燃料電池系統保持恒定功率運行，通過CAN總線通訊采集到的氫氣剩余量與壓力、溫度的關系如圖13所示。據了解，許多系統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，有助于車輛續駛里程的計算。

圖13 氫氣剩余量與壓力、溫度的關系

6 結束語

本文提出分布式車載供氫系統控制器方案并進行了軟硬件開發，實現了對供氫系統溫度、壓力、氫氣濃度等數據進行檢測，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，提高了供氫系統的可靠性和可移植性，該控制器軟硬件的兼容性設計可基本適應不同車載供氫系統需求。