一種車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓冬林，徐琤穎，陳 愚

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

一種車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓冬林，徐琤穎，陳 愚

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

基于Microchip公司的高性能數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F6014A，完成了一種車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)的單膜電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU的軟硬件設(shè)計(jì)，開發(fā)了基于C語言的膜電極電壓采集程序和管理系統(tǒng)主控程序，并且用樣機(jī)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。

電池管理系統(tǒng)；質(zhì)子交換膜燃料電池；dsPIC30F6014A；AD7321

歷經(jīng)近十幾年的研究與開發(fā)，車用質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，至今已有近千輛燃料電池車在世界各地示范運(yùn)行[1]，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和普通電池相比，燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，既可像電池一樣安靜、清潔的提供電力，又可像內(nèi)燃機(jī)一樣重新添加燃料[2]，質(zhì)子交換膜燃料電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品就是純凈水，節(jié)能環(huán)保。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)[3]，所以燃料電池管理系統(tǒng)必須采用柔性化、可編程的軟硬件設(shè)計(jì)方案，同時(shí)為了適應(yīng)車用環(huán)境的嚴(yán)苛要求，主控芯片不僅需要具備寬溫度范圍可靠工作性能和極高的抗電磁干擾能力，而且必須具有CAN總線、LIN總線等多種串行數(shù)據(jù)總線通訊能力。

dsPIC30F6014A是美國Microchip公司生產(chǎn)的一款高性能數(shù)字信號(hào)控制器芯片，它由30 MIPS的16位微控制器(MCU)、單周期17位累乘器數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)核、高速16輸入通道的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行外設(shè)接口(SPI)串行通訊模塊、全雙工通用同步/異步串行收發(fā)器(USART)異步通訊模塊、控制器局域網(wǎng)CAN總線模塊等主要功能模塊構(gòu)成?；赿sPIC30F6014A數(shù)字信號(hào)控制器，本文設(shè)計(jì)了一種車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)，采用C語言編程方式，實(shí)現(xiàn)了單膜電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU的軟硬件多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，單膜電壓檢測單元CVU通過內(nèi)置的電壓隔離選通電路采集燃料電池電堆的單模電壓信號(hào)C00～C61，電堆主控單元FCU通過內(nèi)置的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)燃料電池電堆的執(zhí)行器動(dòng)作，燃料電池電堆的傳感器信號(hào)主要包括氫氣瓶壓力、氫氣進(jìn)出堆壓力、氫氣進(jìn)出堆溫度、空氣進(jìn)堆壓力、空氣進(jìn)堆溫度、空氣進(jìn)堆流量、冷卻液進(jìn)堆壓力、冷卻液進(jìn)出堆溫度、氫氣泄漏量PPM檢測，燃料電池電堆的執(zhí)行器信號(hào)主要包括氫氣瓶供氣電磁閥、氫氣進(jìn)排氣電磁閥、空氣泵供電繼電器、空氣泵轉(zhuǎn)速控制、冷卻液循環(huán)泵、內(nèi)外循環(huán)散熱風(fēng)扇。

圖1 車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)框圖

因?yàn)檐囉觅|(zhì)子交換膜燃料電池在加載的初始階段，其端電壓下降較快，隨著負(fù)載電流的繼續(xù)增加，輸出電壓的下降斜率也比普通蓄電池大得多[4]，考慮到質(zhì)子交換膜燃料電池偏軟的伏安特性無法滿足車用動(dòng)力系統(tǒng)快速加減速工況的功率需求，因此選用鋰離子動(dòng)力電池組作為主動(dòng)力源，燃料電池和升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器作為輔助動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)增加行駛里程和給鋰電池組應(yīng)急充電的作用。燃料電池管理系統(tǒng)采用2組CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊功能，其中CAN1通訊口負(fù)責(zé)單膜電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU之間的數(shù)據(jù)通訊，采用自定義的內(nèi)部通訊協(xié)議，CAN2通訊口負(fù)責(zé)電堆主控單元FCU、DC-DC轉(zhuǎn)換器、整車電控單元ECU之間的數(shù)據(jù)通訊，采用專門用于商用車上的汽車工程協(xié)會(huì)(SAE)標(biāo)準(zhǔn)的J1939通訊協(xié)議。

2 單膜電壓檢測單元CVU設(shè)計(jì)

2.1 單膜電壓檢測電路硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)槿剂想姵仉姸褍?nèi)部串聯(lián)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜電極的單膜電壓反應(yīng)了整個(gè)電堆和輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過檢測膜電極的單膜電壓能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電堆工作的異常狀況[5]，所以單膜電壓檢測單元CVU需要實(shí)時(shí)檢測每個(gè)膜電極的輸出電壓數(shù)據(jù)，并將所有單膜電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)給電堆主控單元FCU。

燃料電池單膜電壓檢測電路信號(hào)流程如圖2所示，61個(gè)膜電極的單膜電壓信號(hào)C00～C61并行進(jìn)入單膜電壓檢測單元CVU的光電隔離選擇通道MUX，主控芯片dsPIC30F6014A數(shù)字信號(hào)控制器通過I/O接口模塊，按照由低到高的次序依次發(fā)出61組通道選擇脈沖，單膜電壓信號(hào)按照選通脈沖時(shí)序的控制順序進(jìn)入高共模電壓差動(dòng)放大器，因?yàn)閷⒉顒?dòng)放大器的電壓增益預(yù)置為1，所以差動(dòng)放大器的輸出電壓就等于膜電極的單膜電壓，然后經(jīng)外置的12-BIT A/D轉(zhuǎn)換器采樣變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，經(jīng)dsPIC30F6014A的SPI串行接口讀入，再通過內(nèi)置的CAN總線通訊模塊將全部單膜電壓數(shù)據(jù)上報(bào)給電堆主控單元FCU。

圖2 燃料電池單膜電壓檢測電路框圖

單膜電壓檢測電路選用美國Analog Devices公司的AD7321芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器，AD7321是一款高精度高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，分辨率為12位并帶有符號(hào)位，內(nèi)置SPI接口電路，具備±10、±5、±2.5、0～10 V這4種軟件可預(yù)置的輸入范圍，由于質(zhì)子交換膜燃料電池每一片膜電極只能產(chǎn)生大約1 V左右的電壓[5]，本設(shè)計(jì)將AD7321芯片的輸入范圍預(yù)置為±2.5 V，所以AD7321電壓采樣的最高分辨率為：LSB Size=(Full-Scale Range)/(8192 Codes)=5 000 mV/8 192≈0.61 mV。

2.2 單膜電壓檢測單元軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)锳D7321芯片已經(jīng)內(nèi)置了SPI接口電路，所以在單膜電壓檢測軟件設(shè)計(jì)上只需按照?qǐng)D3所示的AD7321串行通訊接口時(shí)序，將dsPIC30F6014A內(nèi)置的SPI模塊作為串行通訊主機(jī)，將AD7321內(nèi)置的SPI模塊作為串行通訊從機(jī)，驅(qū)動(dòng)程序在 dsPIC30F6014A的輸出管腳 RG6/SCK2、RG8/SDO2、RG9/CSB上生成符合圖3時(shí)序的控制脈沖序列SCLK、DIN、CS，就可以通過讀取RG7/SDI2輸入管腳的DOUT電平信號(hào)狀態(tài)值，實(shí)現(xiàn)主芯片dsPIC30F6014A和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7321之間的SPI串口通訊功能。

圖3 AD7321串行通訊接口時(shí)序圖

圖3中CS為 AD7321芯片的片選信號(hào)，SCLK為AD7321芯片的串行時(shí)鐘輸入信號(hào)，DOUT為AD7321芯片的串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)，DIN為AD7321芯片的串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)。根據(jù)圖3中AD7321芯片串行通訊接口的時(shí)序要求，以dsPIC30F6014A作為通訊主芯片，采用C語言編寫的SPI總線讀寫程序如下：

3 電堆主控單元FCU設(shè)計(jì)

3.1 主控單元硬件電路設(shè)計(jì)

燃料電池主控系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖4所示，以dsPIC30F6014A作為主控芯片，因?yàn)閐sPIC30F6014A芯片內(nèi)部集成了高速16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以本設(shè)計(jì)將質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的壓力傳感器、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)理電路送入主控芯片內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)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(jīng)電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路送入主控芯片內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將壓力、溫度、流量、氫氣泄漏傳感器的信號(hào)采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，作為電堆主控程序的入口參數(shù)。dsPIC30F6014A芯片的數(shù)字I/O口一方面負(fù)責(zé)接收外部的開關(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，控制燃料電池電堆進(jìn)排氣電磁閥、冷卻液循環(huán)泵、內(nèi)外循環(huán)散熱風(fēng)扇、空氣泵的工作狀態(tài)，除此之外，dsPIC30F6014A的CAN1總線模塊用于實(shí)現(xiàn)與單膜電壓檢測單元CVU之間的內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，CAN2總線模塊用于實(shí)現(xiàn)與DC-DC轉(zhuǎn)換器、整車電控單元ECU之間的外部數(shù)據(jù)通訊，dsPIC30F6014A的USART模塊經(jīng)RS485總線用于實(shí)現(xiàn)與SK70BE觸摸屏之間的人機(jī)調(diào)試通訊功能。

圖4 燃料電池主控系統(tǒng)電路框圖

3.2 主控單元軟件設(shè)計(jì)

質(zhì)子交換膜燃料電池的理想輸出電壓Uo計(jì)算公式如下[6]：

由式(1)可以得出結(jié)論：理想狀態(tài)下，通過精確控制質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度、氫氣壓力、氧氣壓力等變量，可以有效控制燃料電池的輸出電壓。因?yàn)閷?shí)際的車輛在不同工況運(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)，才能使整車保持良好的動(dòng)態(tài)性能[4]，所以在設(shè)計(jì)車用燃料電池電堆主控單元程序時(shí)必須考慮與DC-DC轉(zhuǎn)換器和整車電控單元ECU的實(shí)時(shí)功率匹配問題，在本設(shè)計(jì)中電堆主控單元FCU通過CAN總線實(shí)時(shí)上報(bào)電堆運(yùn)行參數(shù)給整車ECU，并根據(jù)電堆運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率。電堆主控單元FCU軟件流程如圖5所示。

圖5 電堆主控單元軟件流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文提出的基于dsPIC30F6014A數(shù)字信號(hào)控制器的車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，分別設(shè)計(jì)了單模電壓檢測單元CVU和電堆主控單元FCU，由于采用了高集成度的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F6014A芯片，顯著地降低了電路板的元器件數(shù)量，既降低了印刷電路板(PCB)的布線難度，又有效地提高了燃料電池管理系統(tǒng)的集成度和整體性能。圖6～圖7分別是單模電壓檢測單元電路板和電堆主控單元電路板的實(shí)物照片。

圖6 單模電壓檢測單元電路板

圖7 電堆主控單元電路板

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車用質(zhì)子交換膜燃料電池管理系統(tǒng)采用了高性能的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F6014A芯片，使用CAN總線將電堆主控單元、DC-DC轉(zhuǎn)換器、整車電控單元ECU組成局域網(wǎng)，驗(yàn)證了由燃料電池和鋰離子電池組成的車用混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率匹配方法，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的燃料電池電堆運(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)。

[1]俞紅梅，衣寶廉.車用燃料電池現(xiàn)狀與電催化[J].中國科學(xué)：化學(xué)，2012(4)：480-494.

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Sort of vehicle proton membrane fuel cells management system design

HAN Dong-lin,XU Cheng-ying,CHEN Yu
(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences,Tianjin 300350,China)

Based on high performance digital signal controller dsPIC30F6014A produced by Microchip,the hardware and software design of vehicle proton membrane fuel cells voltage measurement unit and fuel stack control unit were completed.The cells voltage acquisition programs and stack management system master programs with C language were developed.Then the design was verified using prototype.

BMS;proton membrane fuel cell;dsPIC30F6014A;AD7321

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)10-1420-04

2017-03-01

韓冬林(1966—)，男，天津市人，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c電控技術(shù)。