基于S32K144的燃料電池堆控制系統設計

韓冬林，劉藝柱，翟曉晗，張 杰

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

經過近十年的持續研發，車用質子交換膜燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動等功能特性方面已經取得了突破性進展，新一輪的燃料電池汽車產業化浪潮正在迫近[1]。質子交換膜燃料電池發電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對復雜的管理系統，通常包括燃料供應、氧化劑供應、水熱管理及電控單元等子系統[2]，所以車用燃料電池堆控制系統所采用的電子器件必須能夠滿足車用環境的嚴格要求，尤其是主控制器芯片要求符合車規等級。S32K144 是NXP 公司生產的一款新型的高集成度、低功耗32 位汽車級高性能微控制器芯片，基于ARM Cortex-M4F 內核，最高主頻達到了112 MHz，符合AEC-Q100 規范，內部集成了具有DSP 功能的單精度浮點單元FPU、1MHz 采樣速率的2×16 通道的高速12 位A/D 轉換模塊、3 通道SPI 串行通訊模塊、支持SAE J2602 協議的3 通道UART/LIN 通訊模塊、支持CAN-FD ISO/CD 11898-1 協議 的3 通道FlexCAN 通訊模塊[3]。基于S32K144 微控制器，本文設計了一種車用質子交換膜燃料電池堆控制系統，采用C 語言編程方式，完成了膜電極單膜電壓檢測電路和燃料電池堆控制電路的軟硬件優化設計。

1 車用質子交換膜燃料電池堆控制系統構成

本文設計的車用質子交換膜燃料電池堆控制系統構成如圖1 所示，主要由膜電極單膜電壓檢測電路和電池堆控制電路構成。

圖1 車用質子交換膜燃料電池堆控制系統框圖

由于近年來車用燃料電池堆的額定功率指標不斷提升，電池堆膜電極的串聯片數也在不斷增加，本課題組前期設計的60 片串聯膜電極單膜電壓檢測電路已經很難滿足大功率車用燃料電池堆控制系統的技術需求了，所以新設計的膜電極單膜電壓檢測電路可以采集120 片串聯膜電極單模電壓信號C00～C121，還可以采用N個單膜電壓檢測電路集成使用的方法，通過CAN2 通訊口實現N×120 片膜電極單模電壓信號的實時數據傳輸。燃料電池堆控制電路通過內置的高速A/D 轉換電路采集燃料電池電堆的傳感器信號，同時還通過內置的數字I/O 電路輸出控制信號驅動燃料電池堆的執行器動作，燃料電池堆的傳感器信號主要包括氫氣側氣源壓力、氫氣側/空氣側進出堆壓力、氫氣側/空氣側出堆壓力、氫氣側/空氣側進出堆溫度、質量式空氣流量值、循環水進堆壓力、循環水進堆/出堆溫度，燃料電池電堆的執行器信號主要包括氫氣側氣源控制閥、氫氣側進氣/排氣控制閥、空氣側氣源控制器、循環水泵、循環水散熱控制器。燃料電池堆控制電路通過總線CAN1 完成與膜電極單膜電壓檢測電路的數據通訊，總線CAN2 完成與鋰電池管理系統和升壓式DC-DC 轉換器的數據通訊，總線CAN3 完成與整車電控單元ECU 的數據通訊。

2 膜電極單膜電壓檢測電路設計

2.1 單膜電壓檢測電路硬件設計

因為燃料電池堆內部為串聯結構，電池堆膜電極的單膜電壓反應了整個電池堆和輔助系統的工作狀態，通過檢測膜電極的單膜電壓能及時發現電池堆工作的異常狀況[4]，所以膜電極單膜電壓檢測電路需要實時檢測電池堆中串聯的每個膜電極單體的實時電壓數據，并將所有單膜電壓數據上報給燃料電池堆控制電路。本文設計的燃料電池堆膜電極單膜電壓檢測電路如圖2 所示。

圖2 膜電極單膜電壓檢測電路圖

膜電極單膜電壓檢測電路采用Linear 公司的新型電池組監視器芯片LTC6804，該芯片是第三代多節電池監視器，單芯片最多可測量12 個串聯電池單體電壓，內部ADC 的分辨率為16 位，單體電壓測量誤差低于1.2 mV[5]。因為LTC6804 芯片內部集成了SPI 串行通訊模塊，所以可以很方便地實現與S32K144 微控制器芯片之間的實時數據通訊功能。本文設計的膜電極單膜電壓檢測電路共使用了10 個LTC6804 芯片，每個單膜電壓檢測電路可以采集120 片膜電極單膜電壓信號，限于篇幅，圖2 只給出了1 個LTC6804 芯片與S32K144 微控制器芯片之間的電路簡圖。S32K144 微控制器采用內部集成的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LTC6804 芯片的片選信號管腳使用，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。因為LTC6804 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 之間的信號線和電源線必須要加入隔離電路，本設計采用ADI 公司基于isoPower 專利技術的四通道隔離器ADuM5401，該芯片內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]，可以產生隔離穩壓輸出的+5 V，再經過非隔離的DC-DC 升壓轉換器，就可以產生LTC6804 芯片所需要的+24 V 隔離供電電壓。

2.2 單膜電壓檢測電路軟件設計

因為LTC6804 芯片內部已經集成了SPI 串行通訊模塊，所以在單膜電壓檢測電路軟件設計上只需按照圖3 所示的LTC6804 串行通訊接口時序[5]，將S32K144 內置的SPI 模塊作為串行通訊主機，將LTC6804 內置的SPI 模塊作為串行通訊從機，SPI 驅動程序在S32K144 的輸出管腳SPI0.SCK、SPI0.MOSI、L6804#1.CS 上生成符合圖3 時序的控制脈沖序列SCK、SDI、CSB，就可以通過讀取SPI0.MISO 輸入管腳的SDO 電平信號狀態值，實現微控制器芯片S32K144 和電池組監視芯片LTC6804 之間的SPI 串口通訊功能。

圖3 LTC6804串行通訊接口時序圖

雖然LTC6804 芯片內置了isoSPI 接口，支持長達100 米內多個LTC6804 芯片的菊鏈式SPI 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占用PCB 空間，所以本設計采用10 個LTC680 芯片共用SPI0.SCK、SPI0.MOSI、SPI0.MISO 信號，每個LTC680 芯片單獨使用CSB 片選信號的并聯單獨尋址的方法，單膜電壓檢測軟件輪流選中1～10 號LTC6804 芯片的CS片選信號，使用ADCV 命令啟動單膜電壓ADC 轉換，使用PLADC 命令輪詢ADC 轉換狀態，使用RDCVA～RDCVAD 命令讀取膜電極單膜電壓ADC 數據。

3 燃料電池堆控制電路設計

3.1 燃料電池堆控制電路硬件設計

本文設計的燃料電池堆控制電路構成如圖4 所示。

圖4 燃料電池堆控制電路結構圖

因為S32K144 微控制器芯片內部集成了2×16 通道的高速12 位A/D 轉換模塊，所以本設計將質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經0～5 V 電壓調理電路送入S32K144 芯片內置的A/D 轉換器，電堆溫度檢測采用熱敏電阻式溫度傳感器作為敏感元件，再經電阻-電壓轉換電路送入S32K144 芯片內置的A/D轉換器，2×16 通道的A/D 轉換器將壓力、溫度、流量傳感器的信號采樣后轉換為數字量，作為燃料電池堆控制程序的入口參數。S32K144 芯片的數字I/O 口一方面負責接收外部的開關量命令信號，另一方面輸出控制信號給電動執行器，除此之外，S32K144 的CAN1 總線模塊用于實現與單膜電壓檢測電路、調試觸摸屏之間的數據通訊，CAN2 總線模塊用于實現與升壓式DC-DC 轉換器、鋰電池管理系統之間的數據通訊，CAN3 總線模塊用于實現與整車ECU 之間的數據通訊。與本課題組前期設計的燃料電池堆控制電路相比，由于S32K144 芯片內置的ADC 支持最大32 次的硬件累加平均功能，所以新的設計可以有效提高傳感器的平均采樣速率和模擬量數據采樣的數字濾波性能。

3.2 燃料電池堆控制電路軟件設計

因為實際的車輛在不同工況運行，負載變化頻繁，而燃料電池動態響應速度較慢，需要輔助動力源提供能量，抑制能量波動，才能使整車保持良好的動態性能[7]，所以在設計車用燃料電池堆控制程序時除了要實時精確調節燃料電池堆的工作溫度及濕度、氫氣側/空氣側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 轉換器和整車ECU 的實時功率匹配問題，本設計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 實驗數據

質子交換膜燃料電池膜電極單體的理想輸出電壓計算公式如下[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準電動勢；R為通用氣體常數；T為燃料電池膜電極單體的工作溫度；F為法拉第常數[8]。由公式(1)可以得出結論：理想狀態下，通過精確控制質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等變量的數值，就可以有效控制質子交換膜燃料電池膜電極單體的輸出電壓Uo，因此，膜電極單膜電壓數據和電流密度數據是評判燃料電池堆控制系統性能優劣的重要指標。在BY-280 型燃料電池堆試驗平臺上，本文設計的基于S32K144的燃料電池堆控制系統實驗測試條件為：單膜工作面積為270 cm2，膜電極厚度為0.47 mm，膜電極數量為30，進氣壓力氫氣側為30 kPa，空氣側為25 kPa，電堆溫度為65～70 ℃。實驗數據如表1和表2所示。圖6為燃料電池堆V/I數據曲線圖。

表1 燃料電池堆測試數據

表2 膜電極單膜電壓測試數據

圖6 燃料電池堆V/I數據曲線圖

5 結論

本文設計的車用質子交換膜燃料電池堆控制系統采用了新型的基于ARM Cortex-M4F 內核的32 位汽車級微控制器S32K144 芯片，充分利用其內部集成的高速A/D 轉換模塊、SPI 串行通訊模塊、FlexCAN 通訊模塊，將膜電極單模電壓檢測電路、燃料電池堆控制電路、升壓式DC-DC 轉換器、整車ECU 組成局域網，用樣機驗證了由燃料電池和鋰離子電池組成的車用混合動力系統實時功率匹配方法，實現了基于CAN 總線的燃料電池堆運行狀態及控制參數實時聯網匹配的設計目標。