燃料電池汽車(chē)氫氣系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)*

宮喚春

（中汽汽車(chē)工程研究院；河北東方學(xué)院）

燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力源為質(zhì)子交換膜燃料電池，借助于氫氧燃料化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的電力，由于氫氧燃料電池反應(yīng)只產(chǎn)生水，對(duì)環(huán)境接近零污染且噪聲小，是新一代清潔能源汽車(chē)，已經(jīng)成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向[1]。氫氣作為燃料電池汽車(chē)的燃料，其儲(chǔ)存及安全使用是燃料電池汽車(chē)需要解決的重要難題。通常采用氣態(tài)儲(chǔ)氫法，將氫氣儲(chǔ)存于高壓氣瓶中并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的管路傳送到燃料電池組。因?yàn)闅錃庖兹家妆园踩珒?chǔ)氫、防止氫泄漏對(duì)燃料電池汽車(chē)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。因此需要設(shè)計(jì)一套安全可靠的氫氣監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)氫氣的壓力、溫度和泄漏等情況進(jìn)行檢測(cè)。文章提出一種利用飛思卡爾系列[2]單片機(jī)設(shè)計(jì)的燃料電池汽車(chē)氫氣系統(tǒng)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣系統(tǒng)溫度、壓力及泄漏的檢測(cè)，提高燃料電池汽車(chē)的使用效率。

1 燃料電池汽車(chē)氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車(chē)氫氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。燃料電池汽車(chē)通常根據(jù)續(xù)駛里程來(lái)安裝氫氣瓶，每個(gè)氫氣瓶的瓶口都會(huì)安裝一個(gè)瓶閥，瓶閥內(nèi)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(gè)氣瓶之間選裝高壓傳感器，通常燃料電池轎車(chē)安裝6～8 個(gè)氣瓶，每3～4 個(gè)氣瓶為1 組安裝高壓傳感器。氫氣傳輸系統(tǒng)管路上裝有總閥、減壓閥、壓力控制開(kāi)關(guān)和低壓傳感器等組件。總閥用于控制整個(gè)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(kāi)關(guān)用于保證管路安全和防止壓力超載預(yù)警；低壓傳感器用于測(cè)量氫氧燃料反應(yīng)的壓力。在燃料電池汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)安裝4～6 個(gè)H2傳感器，檢測(cè)車(chē)廂空氣中氫氣的濃度，用于判斷燃料電池汽車(chē)是否存在氫燃料泄漏。

圖1 燃料電池汽車(chē)氫燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 氫燃料系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝氫氣傳感器檢測(cè)氫氣是否存在泄漏，為了確保燃料電池汽車(chē)的安全，采用三級(jí)預(yù)警原則[3]，根據(jù)檢測(cè)的氫氣泄漏的濃度分別設(shè)置與之相對(duì)應(yīng)的報(bào)警和安全措施，具體措施和安全等級(jí)設(shè)置，如表1 所示。

表1 燃料電池汽車(chē)氫燃料系統(tǒng)氫氣泄漏預(yù)警分級(jí)和安全措施

2 氫燃料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用和功能，文章設(shè)計(jì)了利用飛思卡爾16 位9S12DG128 單片機(jī)[4]作為處理器的控制系統(tǒng)。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要分為4 個(gè)模塊：

1）主控單元模塊：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)2 個(gè)功能，一是對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)的電壓、溫度進(jìn)行檢測(cè)；二是對(duì)氫燃料泄漏進(jìn)行檢測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸給中央控制器，確保氫燃料系統(tǒng)安全，并在緊急情況下對(duì)氫燃料系統(tǒng)進(jìn)行控制。主控單元模塊，如圖2 所示。

圖2 氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控單元模塊實(shí)物圖

2）執(zhí)行元件模塊：氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)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(jiān)測(cè)的報(bào)警提示系統(tǒng)，如：報(bào)警器和燈管預(yù)警裝置等。它們負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各氫氣瓶是否存在泄漏，并對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警，確保氫氣系統(tǒng)的安全使用。主要電路結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行元件電路圖

3）信號(hào)輸入模塊：氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)主要是氫燃料系統(tǒng)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(jù)各傳感器信號(hào)的特征分別設(shè)計(jì)了不同的處理模塊，確保氫氣系統(tǒng)安全，對(duì)車(chē)廂中所有的氫氣傳感器信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)氫氣泄漏量判定氫泄漏量預(yù)警級(jí)別，并采取對(duì)應(yīng)的處理措施，信號(hào)輸入模塊電路，如圖4 所示。

圖4 氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)輸入模塊電路

4）通信接口模塊：燃料電池汽車(chē)內(nèi)部的通信主要采用TTCAN 總線通信，氫氣系統(tǒng)的主控單元和氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單元都集成于CAN 控制器。根據(jù)TTCAN的通信協(xié)議[5]收發(fā)CAN 消息，確保氫氣系統(tǒng)的安全使用，通信接口模塊電路，如圖5 所示。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)氫氣瓶的溫度和壓力檢測(cè)、并對(duì)車(chē)廂內(nèi)氫氣泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控氫氣傳感器信號(hào)，如果車(chē)廂內(nèi)氫氣濃度正常，則監(jiān)控單片機(jī)不發(fā)出任何指令，若監(jiān)測(cè)到氫氣濃度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉管路總閥，中斷氫氣傳輸，并向燃料電池汽車(chē)儀表臺(tái)和CAN 網(wǎng)絡(luò)預(yù)警[6]。單片機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖6 氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單片機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)測(cè)試

燃料電池汽車(chē)氫氣控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)完成后，將該系統(tǒng)安裝到某燃料電池汽車(chē)上進(jìn)行測(cè)試，并驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果。圖7 示出試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，利用本控制系統(tǒng)測(cè)試了燃料電池汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)取的溫度、壓力的變化曲線，結(jié)果表明該氫氣控制系統(tǒng)工作情況良好，能夠進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

圖7 氫氣控制系統(tǒng)測(cè)取的溫度及壓力變化曲線

4 結(jié)論

文章利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了燃料電池汽車(chē)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于燃料電池汽車(chē)氫氣傳輸和泄漏監(jiān)測(cè)。文章闡述了硬件與軟件系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程并將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)用于試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：文章設(shè)計(jì)的燃料電池汽車(chē)氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)氫氣的溫度和壓力變化，后期會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試以提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。