燃料电池发动机控制器硬件电路设计开题报告

 2022-08-25 20:42:38

全文总字数：8173字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1 目的及意义（含国内外的研究现状分析 ）

1.1目的及意义

能源是人类社会向前发展的源动力，能源技术的发展是衡量一个国家经济发展水平和生活水准的重要指标之一。人类社会的每一次进步都与能源技术的突破与创新不可分割。但现有的能源结构及人类的不合理利用，给人类社会带来“重创”：酸雨、温室效应、全球气候变暖、空气污染、臭氧层破坏等环境问题在一步步“逼迫”人类重视能源结构的转型。而寻求高效、清洁和可持续发展的新能源技术也是全球各国必须面对和重视的问题。而燃料电池以其高效、节能、零排放等优势，越来越受到各国政府和汽车产业界的重视。

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2. 研究的基本内容与方案

2 研究内容

2.1燃料电池原理及系统组成

2.1.1 燃料电池原理

燃料电池按电解质不同，分为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)等五类。其中质子交换膜燃料电池有操作温度低、启动速度快、高效率等优势，有非常广阔运用场景，特别是在交通运输领域，具有较大的商业化前景及概率。

PEMFC的核心部件包括阳极,阴极,电解质,其中电解质 用于隔离阳极的燃料与阴极的氧化剂,防止其直接接触。基本原理如图1所示,阳极持续通入氢气作为燃料,在催化剂的作用下发生氧化反应,生成氢离子和电子,氢离子经过电解质到达阴极准备与氧气结合生成水,而电子则通过外电路从阳极流到阴极,氢气和氧气经过上面的电化学反应后,得到了电能而生成水和热。

图1 燃料电池原理

2.1.2系统组成

PEMFC系统是由许多子系统构成的复杂系统,各个子系统之间既独立又需要相互联系,为确保系统的稳定运行,必须保证每个子系统都正常工作。PEMFC的核心部分是燃料电池堆,它通常由多个燃料电池的单电池串联而成.为了维持燃料电池的正常工作,燃料电池系统还包括由控制单元,多种传感器和减压阀等组成的控制子系统和辅助子系统。图2所示为一个典型的PEMFC供电系统结构图，其中包含反应气体(氢气与氧气)的压力和流速控制系统,电堆的温度和湿度控制系统,气体排放及循环控制系统和电压变换等系统。

图2PEMFC供电系统

2.2 总体方案

控制系统的设计目标就是控制燃料电池发动机工作在最佳状态，尽量避免电堆功能失效和控制系统失效，即保证可靠性、安全性、最佳动力性和高效率。控制系统的具体功能为与整车通讯，根据整车的需求控制燃料电池发动机辅助系统的工作状态，检测发动机的工作状况，对不同等级的故障进行相应的处理。燃料电池发动机控制系统的功能具体可分为通信功能、控制功能和故障诊断功能。

燃料电池发动机控制系统的设计就是采用合适的硬件平台和软件控制算法实现其功能，并具有较高的可靠性。与传统汽车相比，由于燃料电池汽车存在众多大容量电力设备，其环境的电磁干扰很强，因而硬件电路必须具有较强的抗干扰能力。而且与普通工业控制系统相比，发动机控制系统必须具有更好的鲁棒性和响应速。依据燃料电池发动机控制器的功能，可以设计出两个方案：一是集中式设计，二是分布式设计，具体介绍如下。

  1. 集中式设计方案

    集中式设计方案是将各输入输出信号点对点都连接到一个MPU，进行信息管理和数据交换。所有的信号处理和控制策略都在燃料电池控制器MPU中，所有模块之间可以直接进行数据交换，调试方便。

    通过CAN总线与整车智能控制系统交换数据，采用RS232接口与PC机交换数据，用于显示和监控。

  2. 分布式设计方案

    分布式设计方案，系统按功能分为多个子系统，每个子系统的功能都由一个子ECU进行控制，并有一个主ECU进行整个系统个控制，主ECU与子ECU之间、各个子ECU之间都通过CAN总线进行通讯。

    图4 燃料电池发动机控制系统分布式设计方案

    在分布式方案下，燃料电池发动机主控制器是主ECU，在工作过程中每个子ECU以定时的方式或中断的方式与主ECU进行数据交换。每个子ECU以后台的方式运行，这样会大大减少主ECU的负担，提高其效率。分布式系统将系统任务模块化，每一个模块都有一个ECU进行管理，提高了系统运行的可靠性，便于扩展和维护。

    考虑到实际的燃料电池发动机控制系统每一个模块的信号数量不多，如果每一个模块都用一个ECU,整个系统的ECU没有充分利用，且成本较高，综合考虑各种实际因素，决定采用集中式设计方案。

    2.3 核心电路及处理器

    2.3.1 核心电路

    在控制系统中，所有传感器信号（模拟量）都要转化为电信号（数字量）

    图5 燃料电池发动机控制器硬件电路框图的形式输入控制器，所有的控制对象都是由电信号来控制。根据电信号的形式，将输入和输出信号划分为模数转换模块、数模转换模块、脉宽调制模块、数字输入输出模块、捕获单元这几个模块。

  3. 2.3.2 处理器

    燃料电池发动机控制器是整个发动机控制系统的核心，主要作用是接收来自整车控制器的命令，协调燃料电池发动机各部件的工作，并监控燃料电池状态。燃料电池对安全性要求较高，希望燃料电池发动机控制器能够具有高速信号处理能力和响应的实时性，因此选用嵌入式微处理器TI公司DSP，TMS320LF2407作为主控制芯片。

    DSP芯片,也称数字信号控制器,是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以快速实现各种数字信号处理算法。 TMS320LF2407芯片是 TI公司TMS320系列中的一种16位定点 DSP芯片,是目前应用最为广泛的芯片。基于TMS320C2xxDSP的CPU核结构设计提供了低成本,低功耗,高性能的处理能力,对电机的数字化控制非常有用。同时 ,几种先进的外设被集成到该芯片内 ,形成了真正意义上的数字控制器。TMS320LF2407具有TMS320 系列DSP的基本功能之外，还有其自身特点：

    ·采用高性能静态CMOS 技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功率损耗；30MIPS的执行速度是的指令周期缩短到33ns(30MHZ ),从而提高控制器的实时控制能力；

    ·基于TMS320C2XX DSP 的CPU 内核保证了 TMS320LF2407DSP 代码和TMS320 系列DSP代码兼容；

    ·片内有高达32K字×16位的Flash程序存储器,高达2.5K×16位的数据/程序RAM,2K字的单口 RAM ,SPI/SCI引导ROM;

    ·两个事件管理模块 EVA和EVB，每个均包括如下资源： 两个16位通用定时器,8个16位的脉宽调制通道（ PWM ）；可以实现三相反相器控制、 PWM 的中心或边缘校正、当外部引脚\PDPINTX出现低电平时快速关闭PWM通道；防止击穿故障的可编程的PWM失去控制；

    ·对外部事件进行定时捕获的3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道的同步 ADC 转换器；

    ·可扩展的外部存储器具有192K×16位空间，分别为64K字程序存储空间， 64K字的数据存储空间和64K字的I/O存储空间；

    ·看门狗（WD）定时器模块；

    ·10位的ADC转换器，其特性为：最小转换时间为500ns ，16个多路复用的输入通道、可选择两个事件管理器来触发两个8通道输入ADC转换器或一个 16通道输入的 A/D转换器；

    ·基于锁相环（ PLL）的时钟发生器；

    ·高达41个可单独编程或复用的通用输入输出引脚（GPIO）；

    ·5个外部中断（两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）；

    ·电源管理，具有 3种低功耗模式，能够独立的将外围器件转入低功耗工作模式；

    ·数字和混合信号的外设；

    ·事件管理器；

    ·CAN(Controller Area Network) ，即控制器区域网；

    ·串行通信接口（SCI）和16位串行外部设备接口（SPI）；

    ·模数转换器（ADC）；

    ·系统保护，例如低电压保护和看门狗定时器。

    2.4 多路电流/电压信号采集电路

    燃料电池堆通常是由几百片单片电池串联组成 ，虽然单片电池电压不高（正常工作时电压为0.5~l.2 V之间），但几百片电池串联使得单片电池对地端累积电势达到数百伏的电压。常规检测芯片输入电压一般在几十伏之内，难以承受燃料电池数百伏的电压。为了解决单片电压对地累积电势高与芯片耐压值之间的矛盾，系统采用分布式检测，从而使检

    测单元中所有芯片均能满足耐压要求单片电压采用分组测量方法，将燃料电池堆每20片电池分为一组,每个检测单元检测20路电压。各检测单元采用

    图6 电压检测单元结构图

    隔离型DC-DC供电，彼此不共地。检测单元由信号处理单元,模拟通道多路选择开关, A/D转换外部基准电压电路, PIC18F258 ,拨码开关, 人机接口和 CAN 接口电路等组成 ,检测单元结构图如图6所示。

    检测系统包括信号取样 ,信号凋理 , A/D转换 ,CPU控制等单元 ,完成单片 电压实时精确检测 ,显示和报警 ,上位机监控系统通过RS232串口通信与上位PC 机连接,完成数据显示,保存,分析处理等。

    在工业领域里测量电流的方法主要有三种：分流器（电阻取样法）、电流互感器法、霍尔传感器法。分流器所采用的电阻的精度控制很难，电阻值也易受到温度影响。电流互感器体积比较大、安装不方便，而且一般其多用于交流信号的测量。霍尔传感器检测的电流精度很高，检测的实时性突出，而且能够实现与被检测对象的完全隔离。因此，选择霍尔传感器法。

    图7 电流检测框图

    2.5 多路PWM/脉冲量输出驱动电路设计

    DSP2407芯片中有两个事件管理模块，每个模块可同时产生8路的PWM波形输出。本系统中，PWM模块主要用来控制冷风扇。为了避免外部信号对DSP的干扰，DSP的PWM输出引脚接光耦TLP250，对外面的信号进行光电隔离。

    2.6 多路DO数字量/开关量输出驱动电路设计

    TMS320LF2407有多达41个通用、双向的数字I/O(GPIO）引脚，其中大多数是基本功能和一般的I/O引脚，TMS320LF2407的大多数I/O引脚都可以用来实现其他功能。DSP的数字量输出主要用于控制继电器，继电器又用来控制各种开关。DSP通过光耦进行隔离，然后经过一个非门进行驱动，再和继电器的线包相连接，这样只需改变DSP输出电平的高低就可以控制开关。

    2.7 CAN通信

    CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

    CAN控制器通过组成总线的2根线（CAN-H和CAN-L）的电位差来确定总线的电平，在任一时刻，总线上有2种电平：显性电平和隐性电平。“显性”具有“优先”的意味，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，并且，“隐性”具有“包容”的意味，只有所有的单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平。（显性电平比隐性电平更强）。 总线上执行逻辑上的线“与”时，显性电平的逻辑值为“0”，隐性电平为“1”。

3. 研究计划与安排

3 任务进度安排

第1周撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范；

第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义（1-3句话）、目标（1-3句话）、内容（1-3句话）、技术路线，重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解；

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4. 参考文献（12篇以上）

4 参考文献：

  1. 方川，徐梁飞，李建秋.典型燃料电池轿车动力系统的关键技术. 汽车安全与节能学报，2016.VOL.7 No.2

  2. 杨维，全书海，陈启宏．燃料电池堆单片电压巡检系统设计．武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2007.2:36~39，43

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