宋翔 馬文超 李海涵

摘要：為確保燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)的安全性和可靠性，提出一種車載燃料電池的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)燃料電池工作原理，確定系統(tǒng)的功能需求和總體框架，主要組成包括信號調(diào)理模塊、CAN數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、集成控制器模塊等。基于 CAN通訊方案，對系統(tǒng)內(nèi)的通訊節(jié)點和傳感節(jié)點進(jìn)行了硬件設(shè)計，其核心控制器為 STM 系列單片機(jī)。在軟件控制設(shè)計方面，可通過 UC/ OS-III 系統(tǒng)完成多任務(wù)同步執(zhí)行和不同任務(wù)的同步性。該系統(tǒng)集成性良好，穩(wěn)定性高，可實現(xiàn)良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng);燃料電池;單片機(jī);通訊

中圖分類號：U473.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0137-04

Design of Fault Diagnosis System for Vehicle Fuel Cell

Song Xiang ，Ma Wenchao，Li Haihan

（Zaozhuang Science and Technology Career Academy， Zaozhuang， Shandong 277599， China）

Abstract： In order to ensure the safety and reliability of fuel cell drive system， a fault diagnosis system design of vehicle fuel cell was proposed. According to the working principle of fuel cell， the functional requirements and overall framework of the system were determined. The main components include signal conditioning module， can data communication module， data acquisition module， integrated controller module， etc. Based on CAN communication scheme， the hardware design of communication node and sensor node in the system were carried out， and the core controller was STM Series MCU. In the aspect of software control design， multi task synchronization and synchronization of different tasks can be achieved through UC/OS-III system. The system has good integration， high stability and good social and economic benefits.

Key words： control system; fuel cell; single chip microcomputer; communication

0 引言

燃料電池作為新能源汽車最重要的動力裝備之一，其放電過程中的穩(wěn)定性與安全性對于行車安全和續(xù)航里程有著關(guān)鍵的影響[1-3]。通過對國內(nèi)外車載燃料電池在運(yùn)行中的主流故障分析可知，燃料電池的工作參數(shù)需要實時監(jiān)測[4]，良好的診斷系統(tǒng)可有效地提升電池穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于普通充電電池的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)開展較長時間的研究，技術(shù)與成果也相對成熟，而對于燃料電池的涉及相對較少，車載燃料電池故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用率明顯不足。

在工作效率方面，燃料電池明顯優(yōu)于鉛酸電池。燃料電池大多數(shù)以氫燃料為主，通過與氧氣之間的燃燒反應(yīng)實現(xiàn)熱量的生成，結(jié)合傳動系統(tǒng)形成典型的燃料電池發(fā)動機(jī)[5-6]。燃料電池汽車的續(xù)航里程可滿足基本需求，一般在400 km左右，燃料補(bǔ)給時間一般在10 min以內(nèi)，能量傳遞效率為汽油機(jī)的3倍以上，而且整個過程中清潔無污染。通過對燃料電池故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計，可有效確保燃料電池的穩(wěn)定性，避免電壓偏差問題，降低電池的發(fā)熱量，從而減小整個驅(qū)動系統(tǒng)的故障率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 功能需求分析

車載燃料電池故障診斷系統(tǒng)需要對諸多參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后的電信號經(jīng)過控制器處理后將在云盤和硬盤同時存儲。根據(jù)汽車行駛過程中的驅(qū)動條件，可確立系統(tǒng)的功能需求如下。

（1） 燃料電池的電流、電壓以及溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測和預(yù)警。系統(tǒng)中的參數(shù)監(jiān)測通過集成與外接的傳感器共同實現(xiàn)，信號傳輸方式主要為 CAN總線形式[7-8]，不但對電池信號進(jìn)行判定，而且可以預(yù)測整車故障因素。

（2） 故障定位與無線通訊功能。系統(tǒng)若檢測出電池或者傳動機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，則根據(jù)電信號特點預(yù)判故障類型，并實時接收 GPS定位信號，以便救援工作開展。無線通訊的信號覆蓋面廣泛，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

（3） 數(shù)據(jù)處理與存儲。各路傳感器得出的監(jiān)測數(shù)據(jù)可根據(jù)控制器要求進(jìn)行分類處理，比如模擬信號與電信號。數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)表的形式實現(xiàn)，便于查找和下載。

1.2 總體框架設(shè)計

燃料電池以氫燃料的化學(xué)反應(yīng)為主，因此需要對氫元素進(jìn)行安全監(jiān)測。在基于模塊化設(shè)計方案下，可確定系統(tǒng)的基本組成部分包括信號調(diào)理模塊、CAN數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、集成控制器模塊等，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。外圍電路包括預(yù)警實施電路、各路電磁閥調(diào)節(jié)電路、控制器最小系統(tǒng)電路等。

氫元素的含量基于傳感器的實時監(jiān)測來獲取，不但包括主燃料瓶內(nèi)的氫元素含量，還包括反應(yīng)腔和客艙內(nèi)的氫含量。在系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測時，主要以信號調(diào)理的方式獲取最終數(shù)據(jù)，在處理器的連續(xù)反饋作用下，最終以數(shù)字信號進(jìn)行存儲。燃料電池內(nèi)的溫度信號、進(jìn)出壓力信號也是判定電池是否正常工作的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此需要基于 CAN通訊方式將被測信號傳輸至控制器。控制器能夠激發(fā)電磁閥，返回模擬信號，可根據(jù)這些模擬信號判定故障的類型，并及其提醒駕駛員。故障信號的不限于氫燃料的異常，各路機(jī)械部件的損壞，也可進(jìn)行監(jiān)測與判斷。

1.3 故障診斷系統(tǒng)實施過程

為提升系統(tǒng)的工作效率，將數(shù)據(jù)采集過程中的反饋形式分為傳感節(jié)點和通訊節(jié)點。采集節(jié)點的不同對應(yīng)信號功能的不同，比如，傳感節(jié)點采集主要用于獲取機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、車輛本身的加速度、側(cè)翻等信號，通訊節(jié)點用于獲取燃料電池自身的參數(shù)信息。CAN通訊是系統(tǒng)內(nèi)各硬件之間傳遞數(shù)據(jù)的核心方式，傳輸方式以節(jié)點為主，傳輸媒介為報文。系統(tǒng)工作時，首先對被傳輸報文的優(yōu)先級進(jìn)行判定，對于較高優(yōu)先級的直接根據(jù)通訊協(xié)議發(fā)送，而優(yōu)先級相對較低的節(jié)點處于待定接收狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收后，將對節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和反饋，確認(rèn)數(shù)據(jù)返回。氫燃料的檢測需要與整車的控制系統(tǒng)相連接，比如燃料控制器、驅(qū)動與制動控制器等，數(shù)據(jù)交互便利。

若出現(xiàn)多于的無效數(shù)據(jù)，則需要對節(jié)點進(jìn)行刪減處理。針對該要求，系統(tǒng)可以采用 CAN 節(jié)點重新配置方法，靈活調(diào)節(jié)節(jié)點的數(shù)量與位置，便于硬件與軟件控制的修改和升級。簡化整體結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)設(shè)計的必要條件，氫燃料的檢測通過合理的電路設(shè)計，可有效地實現(xiàn)低功耗、低成本和較高的穩(wěn)定性。電池驅(qū)動系統(tǒng)的診斷原理如圖2所示，采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[9-10]，對于上位機(jī)的要求較低，滿足性價比要求。在整體監(jiān)測方面，系統(tǒng)采用了 ARM 控制器，可有效降低發(fā)熱量，同時監(jiān)控多個節(jié)點數(shù)據(jù)，內(nèi)部存儲量較大，交互速率快，滿足故障診斷對控制效率的要求。系統(tǒng)具備在線監(jiān)測能力，控制芯片能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)處理，并針對不同的控制目標(biāo)進(jìn)行硬件之間的協(xié)調(diào)，確保優(yōu)先級的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 通訊節(jié)點與電路設(shè)計

根據(jù)燃料電池故障診斷系統(tǒng)的功能設(shè)計要求，確定通訊節(jié)點的核心控制器為 STM系列單片機(jī)。該系列的控制器具有較高的性價比，具有六級加工精度，在最小系統(tǒng)設(shè)計中具有顯著的優(yōu)勢條件，除了集成的功能電路之外，僅需額外設(shè)計電源電路（圖3）、初始化電路以及調(diào)控反饋電路。

通訊節(jié)點內(nèi)的相關(guān)硬件數(shù)據(jù)容易受到多方面因素干擾，嚴(yán)重時誘發(fā)寄存器故障出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼，難以實現(xiàn)復(fù)雜功能指令，因此需要良好的初始化功能。對于氫燃料的監(jiān)測，為避免多路傳感器接通控制器時產(chǎn)生死機(jī)現(xiàn)象，系統(tǒng)設(shè)計時鐘電路，以可靠性的時間基準(zhǔn)為依據(jù)，避免程序的跑飛現(xiàn)象。一般地，系統(tǒng)內(nèi)的微控制器對于時鐘信號的精度要求是非常高的，若時鐘信號不同步或者偏差過大，都會導(dǎo)致信號檢測出現(xiàn)故障。為此，系統(tǒng)增設(shè)了額外的時鐘電路，在晶振的作用下，有效保持時鐘精度。在該電路中，晶振首先接通電容，然后與控制器內(nèi)的 XTAL 端口直連，提供穩(wěn)定的激振信號。

在通訊節(jié)點監(jiān)測中，電路電壓有兩種： 5 V 與3.3 V 。為得出穩(wěn)定的直流電壓，需要設(shè)置良好的電壓調(diào)節(jié)回路，系統(tǒng)采用 MP2359轉(zhuǎn)壓芯片，其具有兩種輸出方式，滿足系統(tǒng)供電需求。

2.2 傳感節(jié)點與電路設(shè)計

傳感節(jié)點隸屬于整機(jī)監(jiān)測功能范疇，因此最小系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具備通訊節(jié)點的基本功能，而且需要預(yù)留特定的接口，以拓展模塊功能。傳感節(jié)點模塊的通訊功能具有特殊性，其組成不但包括 CAN通訊端，還具有 GPRS無線通訊模塊連接電路以及存儲器電路。綜合考慮功能與成本，系統(tǒng)采用4G 網(wǎng)絡(luò)模塊作為遠(yuǎn)程通訊的核心控制器，其接線如圖4所示，主要基于 PCI-E 總線的接口設(shè)計，可用于各種主板，通用性和互換性良好。傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸支持 TCP/IP 協(xié)議，能有效覆蓋各種無線網(wǎng)絡(luò)，抗干擾能力較強(qiáng)。

3 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集控制方案

數(shù)據(jù)采集軟件控制基于 UC/OS-III 系統(tǒng)實現(xiàn)，該操作系統(tǒng)具有開源性，能夠有效實現(xiàn)多任務(wù)同步執(zhí)行。對于車載燃料電池故障診斷系統(tǒng)，其表現(xiàn)出良好的可移植性，占用處理器內(nèi)存較小，因此實時性較好，發(fā)生程序 bug的概率非常低。由于操作系統(tǒng)的精簡性良好，因此可方便地移至到 PC系統(tǒng)，在上位機(jī)遠(yuǎn)程查看和調(diào)控系統(tǒng)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集在進(jìn)行多任務(wù)時，處理器能夠針對信號的標(biāo)記號、列隊信息以及能量特征實現(xiàn)不同任務(wù)的同步性。采集數(shù)據(jù)的總體流程包括系統(tǒng)初始化、目標(biāo)初始化、任務(wù)創(chuàng)建和多任務(wù)協(xié)同等，如圖5所示。

燃料電池的基本參數(shù)可通過 RS232接口傳輸至控制器，與監(jiān)測信號相關(guān)的時域信號可基于 ADC 控制端輸入。通訊節(jié)點和傳感節(jié)點的串口設(shè)定采集頻率為100 Hz ，最終被 UART 端接收和處理。車輛本身的位置信號以10 Hz 的頻率向外發(fā)射，在控制端以電壓信號的形式接收。

3.2 中斷控制方案

中斷程序是確保程序順利切換的關(guān)鍵，為確保軟件控制效率，設(shè)定中斷控制流程如圖6所示。通訊節(jié)點接收參數(shù)數(shù)據(jù)組后，以數(shù)據(jù)幀的形式獲取解析結(jié)果。中斷發(fā)生時，消息列隊將被發(fā)送，任務(wù)將被轉(zhuǎn)換，同時進(jìn)行初始化處理。中斷返回響應(yīng)后，消息列隊再次被發(fā)送，中斷進(jìn)入退出狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試方案

車載燃料電池故障診斷系統(tǒng)需要通過調(diào)試才能獲取良好的控制效果。對于燃料監(jiān)測，氫燃料的溫度、壓力和燃料推進(jìn)信號均需要實驗性解析，設(shè)定對發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的故障預(yù)判，形成故障信號代碼。這些實驗代碼將基于 CAN總線通訊方式傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，用于反饋指令。系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，還需要進(jìn)行泄露檢測實驗和通訊故障模擬，均采用CANtest軟件進(jìn)行仿真和測試。

4 結(jié)束語

燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)是國家重點扶持的科研方向，燃料電池安全性和可靠性的提升對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的推動作用。由于電料電池相比其他電池的易燃易爆性更為顯著，因氫燃料泄露發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸的概率更高。本系統(tǒng)內(nèi)的通訊節(jié)點和傳感節(jié)點能夠有效地監(jiān)測不同的類型的故障信號。通過對車載燃料電池故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與研究，可有效地確保氫燃料動力源的溫度、壓力等參數(shù)處于正常的范圍，能夠顯著改善汽車運(yùn)行狀態(tài)，提升駕駛的安全性與舒適性。

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第一作者簡介：宋翔（1984-），男，山東棗莊人，碩士，講師，研究領(lǐng)域為自動化技術(shù)。 （編輯：刁少華）