收稿日期：2017-03-01
作者简介：韩冬林(1966—)，男，天津市人，正高级工程师，
主要研究方向为传感器与电控技术。
一种车用质子交换膜燃料电池管理系统设计
韩冬林，徐琤颖，陈愚(天津中德应用技术大学，
天津300350)摘要：基于Microchip 公司的高性能数字信号控制器dsPIC30F6014A ，完成了一种车用质子交换膜燃料电池管理系统的单膜电压检测单元CVU 和电堆主控单元FCU 的软硬件设计，开发了基于C 语言的膜电极电压采集程序和管理系统主控程序，并且用样机验证了设计。
关键词：电池管理系统；质子交换膜燃料电池；dsPIC30F6014A ；AD7321中图分类号：TM 911.4
文献标识码：A
文章编号：1002-087X(2017)10-1420-04
Sort of vehicle proton membrane fuel cells management system design
HAN Dong-lin,XU Cheng-ying,CHEN Yu
Abstract: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.Key words:BMS;proton membrane fuel cell;dsPIC30F6014A;AD7321
历经近十几年的研究与开发，
车用质子交换膜燃料电池的研发取得了突破性进展，至今已有近千辆燃料电池车在世界各地示范运行[1]，与传统内燃机和普通电池相比，燃料电池直接将化学能转化为电能，
不受卡诺循环的限制，既可像电池一样安静、清洁的提供电力，又可像内燃机一样重新添加燃料[2]，质子交换膜燃料电池电化学反应产生的唯一副产品就是纯净水，节能环保。燃料电池发电原理与原电池类似，
但与原电池和二次电池比较，需要具备一套相对复杂的管理系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水
热管理及电控单元等子系统[3]，所以燃料电池管理系统必须采用柔性化、可编程的软硬件设计方案，同时为了适应车用环境的严苛要求，
主控芯片不仅需要具备宽温度范围可靠工作性能和极高的抗电磁干扰能力，而且必须具有CAN 总线、LIN 总线等多种串行数据总线通讯能力。
dsPIC30F6014A 是美国Microchip 公司生产的一款高性能数字信号控制器芯片，它由30MIPS 的16位微控制器(MCU)、单周期17位累乘器数字信号处理器(DSP)内核、高速16输入通道的12位A/D 转换模块、
串行外设接口(SPI)串行通讯模块、
全双工通用同步/异步串行收发器(USART)异步通讯模块、控制器局域网CAN 总线模块等主要功能模块构成。基于dsPIC30F6014A 数字信号控制器，本文设计了一种车用质子交换膜燃料电池管理系统，
采用C 语言编程方式，实现了单膜电压检测单元CVU 和电堆主控单元FCU 的软硬件多参数优化设计。
1车用质子交换膜燃料电池管理系统构成
本文设计的车用质子交换膜燃料电池管理系统构成如图1所示，单膜电压检测单元CVU 通过内置的电压隔离选通电路采集燃料电池电堆的单模电压信号C00～C61，电堆主控单元FCU 通过内置的A/D 转换电路采集燃料电池电堆的传感器信号，
同时还通过内置的数字I/O 电路输出控制信号驱动燃料电池电堆的执行器动作，燃料电池电堆的传感器信号主要包括氢气瓶压力、氢气进出堆压力、氢气进出堆温度、空气进堆压力、空气进堆温度、空气进堆流量、冷却液进堆压力、冷却液进出堆温度、
氢气泄漏量PPM 检测，燃料电池电堆的执行器信号主要包括氢气瓶供气电磁阀、氢气进排气电磁阀、空气泵供电继电器、空气泵转速控制、冷却液循环泵、内外循环散热风扇。
因为车用质子交换膜燃料电池在加载的初始阶段，其端电压下降较快，随着负载电流
的继续增加，
输出电压的下降斜图1车用质子交换膜燃料电池管理系统框图
率也比普通蓄电池大得多[4]，考虑到质子交换膜燃料电池偏软的伏安特性无法满足车用动力系统快速加减速工况的功率需求，因此选用锂离子动力电池组作为主动力源，燃料电池和升压式DC-DC 转换器作为辅助动力源实现增加行驶里程和给锂电池组应急充电的作用。燃料电池管理系统采用2组CAN 总线实现数据实时通讯功能，其中CAN1通讯口负责单膜电压检测单元CVU 和电堆主控单元FCU 之间的数据通讯，采用自定义的内部通讯协议，CAN2通讯口负责电堆主控单元FCU 、DC-DC 转换器、整车电控单元ECU 之间的数据通讯，采用专门用于商用车上的汽车工程协会(SAE)标准的J1939通讯协议。
2单膜电压检测单元CVU 设计
2.1单膜电压检测电路硬件设计
因为燃料电池电堆内部串联结构的质子交换膜电极的单膜电压反应了整个电堆和辅助系统的工作状态，通过检测膜电极的单膜电压能及时发现电堆工作的异常状况[5]，所以单膜电压检测单元CVU 需要实时检测每个膜电极的输出电压数据，并将所有单膜电压数据实时上报给电堆主控单元FCU 。
燃料电池单膜电压检测电路信号流程如图2所示，61个膜电极的单膜电压信号C00～C61并行进入单膜电压检测单元CVU 的光电隔离选择通道MUX ，主控芯片dsPIC30F6014A 数字信号控制器通过I/O 接口模块，按照由低到高的次序依次发出61组通道选择脉冲，
单膜电压信号按照选通脉冲时序的控制顺序进入高共模电压差动放大器，因为将差动放大器的电压增益预置为1，所以差动放大器的输出电压就等于膜电极的单膜电压，然后经外置的12-BIT A/D 转换器采样变为数字信号，经dsPIC30F6014A 的SPI 串行接口读入，
再通过内置的CAN 总线通讯模块将全部单膜电压数据上报给电堆主控单元FCU 。
单膜电压检测电路选用美国Analog Devices 公司的AD7321芯片作为A/D 转换器，AD7321是一款高精度高速A/D 转换芯片，分辨率为12位并带有符号位，内置SPI 接口电路，具备±10、±5、±2.5、0～10V 这4种软件可预置的输入范围，由于质子交换膜燃料电池每一片膜电极只能产生大约1V 左右的电压[5]，本设计将AD7321芯片的输入范围预置为±2.5V ，所以AD7321电压采样的最高分辨率为：=
(
-)/(8192Codes)=5000mV/8192≈0.61mV 。
2.2单膜电压检测单元软件设计
因为AD7321芯片已经内置了SPI 接口电路，
所以在单膜电压检测软件设计上只需按照图3所示的AD7321串行通讯接口时序，将dsPIC30F6014A 内置的SPI 模块作为串行通讯主机，将AD7321内置的SPI 模块作为串行通讯从机，驱动程序在dsPIC30F6014A 的输出管脚RG6/SCK2、RG8/SDO2、RG9/CSB 上生成符合图3时序的控制脉冲序列SCLK 、DIN 、CS ，就可以通过读取RG7/SDI2输入管脚的DOUT 电平信号状态值，实现主芯片dsPIC30F6014A 和A/D 转换芯片AD7321之间的SPI 串口通讯功能。
图3中CS 为AD7321芯片的片选信号，SCLK 为AD7321芯片的串行时钟输入信号，DOUT 为AD7321芯片的串行数据输出信号，DIN 为AD7321芯片的串行数据输入信号。根据图3中AD7321芯片串行通讯接口的时序要求，以dsPIC30F6014A 作为通讯主芯片，采用C 语言编写的SPI 总线读写程序如下：
unsigned int ReadADC7321(void){
AD7321_raw_data=0;//clear AD7321_raw_register AD7321_SCLK=1;//AD7321_SCLK=RG6/SCK2=high AD7321_CSB=0;//AD7321_CSB=RG9/CSB=low
=enable Nop();Nop();Nop();Nop();//delay for(i=0;i<16;i++){
AD7321_SCLK=0;
//AD7321_SCLK=RG6/SCK2=low
Nop();Nop();//delay
AD7321_SCLK=1;//AD7321_SCLK=RG6/SCK2=high Nop();Nop();//delay switch(i){
case 0://lock_in_bit15=ZERO if (AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data=AD7321_raw_data|0x8000;
else AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0x7fff;break;
case 1://lock_in_bit14=ADD0
if (AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data=AD7321_raw_data|0x4000;
else AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xbfff;break;
case 2://lock_in_bit13=SIGN
if (AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data=AD7321_raw_data|0x2000;
else AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xdfff;
break;
图2燃料电池单膜电压检测电
路框图
图3
AD7321串行通讯接口时序图
case3://lock_in_bit12=DB11 if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x1000;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xefff;break;
case4://lock_in_bit11=DB10 if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0800;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xf7ff;break;
case5://lock_in_bit10=DB9 if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0400;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xfbff;break;
case6://lock_in_bit9=DB8
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0200;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xfdff;break;
case7://lock_in_bit8=DB7
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0100;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xfeff;break;
case8://lock_in_bit7=DB6
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0080;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xff7f;break;
case9://lock_in_bit6=DB5
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0040;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xffbf;break;
case10://lock_in_bit5=DB4 if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0020;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xffdf;break;
case11://lock_in_bit4=DB3 if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0010;
else
AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xffef;break;
case12://lock_in_bit3=DB2 if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data= AD7321_raw_data|0x0008;
else AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xfff7; break;
case13://lock_in_bit2=DB1
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data=
AD7321_raw_data|0x0004;
else AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xfffb; break;
case14://lock_in_bit1=DB0
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data=
AD7321_raw_data|0x0002;
else AD7321_raw_data=
AD7321_raw_data&0xfffd;break;
case15://lock_in_bit0=NA
if(AD7321_DOUT==1)AD7321_raw_data=
AD7321_raw_data|0x0001;
else AD7321_raw_data=AD7321_raw_data&0xfffe;break;
default:break;
}
}
AD7321_SCLK=0;//AD7321_SCLK=RG6/SCK2=low
Nop();Nop();//delay
AD7321_SCLK=1;//AD7321_SCLK=RG6/SCK2=high
Nop();Nop()//delay
AD7321_CSB=1;//AD7321_CSB=RG9/CSB=high=disable Nop();Nop();Nop();Nop();//delay
AD7321_data=(AD7321_raw_data&0x3ffe)>>1;//in-clude_SIGN@13bit
Return(AD7321_data);//AD7321_result_register
}
3电堆主控单元FCU设计
3.1主控单元硬件电路设计
燃料电池主控系统电路构成如图4所示，以dsPIC30F6014A作为主控芯片，因为dsPIC30F6014A芯片内部集成了高速16通道12位的A/D转换模块，所以本设计将质子交换膜燃料电池电堆的压力传感器、流量传感器、氢气泄漏探头输出的电压信号经0～5V电压调理电路送入主控芯片内置的A/D转换器，电堆温度检测采用热敏电阻式温度传感器作为敏感元件，再经电阻-电压转换电路送入主控芯片内置的A/D转换器，A/D转换器将压力、温度、流量、氢气泄漏传感器的信号采样后转换为数字量，作为电堆主控程序的入口参数。dsPIC30F6014A芯片的数字I/O口一方面负责接收外部的开关量命令信号，另一方面输出控制信号给电动执行器，控制燃料电池电堆进排气电磁阀、冷却液循环泵、内外循环散热风扇、空气泵的工作状态，除此之外，dsPIC30F6014A的CAN1总线模块用于实现与单膜电压检测单元CVU之间的内部数据通讯，CAN2总线模块用于实现与DC-DC转换器、整车电控单元ECU之间的外部数据通讯，dsPIC30F6014A的USART 模块经RS485总线用于实现与SK70BE触摸屏之间的人机调
试通讯功能。
3.2主控单元软件设计
质子交换膜燃料电池的理想输出电压
计算公式如下[6]：
(1)
式中：、、分别为氢气、
氧气和水蒸气的气压；为膜电极的串联个数；为燃料电池的理想标准电动势；R 为通用气体常数；为燃料电池工作温度；F 为法拉第常数[6]。
由式(1)可以得出结论：
理想状态下，通过精确控制质子交换膜燃料电池的工作温度、氢气压力、氧气压力等变量，可以有效控制燃料电池的输出电压。因为实际的车辆在不同工况运行，负载变化频繁，而燃料电池动态响应速度较慢，需要辅助动力源提供能量，
抑制能量波动，才能使整车保持良好的动态性能[4]，所以在设计车用燃料电池电堆主控单元程序时必须考虑与DC-DC 转换器和整车电控单元ECU 的实时功率匹配问题，在本设计中电堆主控单元FCU 通过CAN 总线实时上报电堆运行参数给整车ECU ，并根据电堆运行状态实时控制DC-DC 转换器的输出功率。电堆主控单元FCU 软件流程如图5所示。
4系统实现
本文提出的基于dsPIC30F6014A 数字信号控制器的车用质子交换膜燃料电池管理系统样机采用模块化设计方案，分别设计了单模电压检测单元CVU 和电堆主控单元FCU ，由于采用了高集成度的数字信号控制器dsPIC30F6014A 芯片，显著地降低了电路板的元器件数量，
既降低了印刷电路板(PCB)的布线难度，又有效地提高了燃料电池管理系统的集成度和整体性能。图6～图7分别是单模电压检测单元电路板和电堆主控单元电路板的实物照片。
5结论
本文设计的车用质子交换膜燃料电池管理系统采用了高性能的数字信号控制器dsPIC30F6014A 芯片，
使用CAN 总线将电堆主控单元、DC-DC 转换器、整车电控单元ECU 组成局域网，验证了由燃料电池和锂离子电池组成的车用混合动力系统实时功率匹配方法，
实现了基于CAN 总线的燃料电池电堆运行状态及控制参数实时联网匹配的设计目标。
参考文献：
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ds汽车品牌
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图4燃料电池主控系统电
路框图
2H O R 2F o o T U N E æ´ç=+çèø
2H P 2O P 2H O
P 图5
电堆主控单元软件流程
图
图6
单模电压检测单元电路板
图7
电堆主控单元电路板