燃料電池轎車水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)
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燃料電池轎車是以氫為能源的新一代新能源轎車。由于其本身的工作原理與功能結(jié)構(gòu)決定了它有功率較大的發(fā)熱部件。為了保證燃料電池轎車能夠持久、穩(wěn)定、可靠的工作，必須對發(fā)熱部件進行冷卻。為了達到最佳的冷卻效果和最低的能源消耗，我們設(shè)計了水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)，其基本實現(xiàn)思路也可應(yīng)用于傳統(tǒng)轎車。
燃料電池轎車水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)其工作原理如下：通過溫度傳感器和壓力傳感器對冷卻水溫度和壓力進行定時采樣，進行相應(yīng)的信號調(diào)理獲取當前時刻下的冷卻水溫度和壓力，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換輸入微控制器，隨著溫度的變化，微控制器對風扇和水泵進行調(diào)速，控制冷卻水溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。同時，作為整車CAN 網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，本系統(tǒng)通過CAN 總線將當前的冷卻水溫度和壓力以及系統(tǒng)狀態(tài)值上傳給整車控制器，并接受來自整車控制器的控制指令。
此外，為了便于實車調(diào)試，本系統(tǒng)實現(xiàn)了CCP 標定協(xié)議（CAN Calibration Protocol），能夠借助整車CAN 網(wǎng)絡(luò)完成在線的參數(shù)標定和在線編程，這大大簡化了參數(shù)的標定過程和匹配工作，也為整個網(wǎng)絡(luò)中其他車載控制器的實車調(diào)試提供了解決方案，具有很高的實用性和現(xiàn)實意義。
本系統(tǒng)采用的是摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16 微控制器，該微控制器尺寸小，資源齊全，具有很高的價格性能比。
2. 設(shè)計概述
本系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩大功能：其一，對水冷卻系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制的功能，來實現(xiàn)最佳的冷卻效果和最低的能源消耗；其二，利用CAN 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對微控制器的在線參數(shù)標定與在線編程功能，減輕實車調(diào)試的標定匹配工作。
對水冷卻監(jiān)控功能的實現(xiàn)是：通過兩路溫度傳感器和一路壓力傳感器來獲取當前狀況下的冷卻水溫度和壓力，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換輸入微控制器，微控制器通過一定的控制算法輸出信號給電機驅(qū)動芯片以及水泵變頻器，從而控制四個冷卻風扇的轉(zhuǎn)速以及一個冷卻水泵的啟停和轉(zhuǎn)速，并通過CAN 與整車控制器數(shù)據(jù)進行通訊，以達到最佳的冷卻效果和最低的能源消耗：
實現(xiàn)在線參數(shù)標定與在線編程功能是：通過在微控制器與PC機兩側(cè)實現(xiàn)CCP標定協(xié)議，微控制器（MC68HC908GZ16）硬件接口使用其自帶的MSCAN模塊，在軟件上加入CCP驅(qū)動程序； PC機硬件接口使用SYS TEC 公司的USB-CAN卡，并在Matlab軟件平臺上自主開發(fā)基于CCP協(xié)議的測量標定診斷工具（MCD：Measurement Calibration Device），實現(xiàn)在線標定與在線編程。
整個系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)功能框圖
硬件電路是以MC68HC908GZ16 微控制器為核心，并配以傳感器信號調(diào)理電路，執(zhí)行器驅(qū)動電路以及CAN 通訊電路。
微控制器
由于整個水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)是一個比較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)小但功能全，因此采用摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16 8 位微控制器。該控制器資源齊全，尺寸小，適合整個水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求以及汽車的運行環(huán)境。其主要資源包括：一個CAN 模塊、一個SPI 模塊、一個ESCI 模塊、兩個雙通道16 位定時器接口模塊、8 路10 位AD 通道、一個基本時鐘模塊、37 個通用輸入輸出管腳、8 位鍵盤喚醒端口。并且該控制器采用PLL 鎖相環(huán)技術(shù)，能夠產(chǎn)生最高8M 的總線頻率。
根據(jù)整個系統(tǒng)需要用到以下資源：一個CAN 控制器模塊、兩個定時器接口模塊、四路AD 通道、一個基本時鐘模塊、PLL 鎖相環(huán)模塊以及若干通用IO 輸入輸出口。
微控制器各模塊使用情況如下表1 所示：
表1 MC68HC908GZ16 模塊使用情況 
表2 MC68HC908GZ16 端口定義 
表3 MC68HC908GZ16存儲器分配情況 
傳感器
溫度傳感器采集當前時刻的冷卻水溫度，選用Honeywell公司的TD系列溫度傳感器。信號調(diào)理電路對信號進行適當放大，并且能夠檢測溫度傳感器的斷路和短路故障。
壓力傳感器采集當前時刻的冷卻水壓力。當壓力過高指示水路阻塞故障；壓力過低指示水路泄漏故障。選用Huba公司的511 OEM壓力傳感器，電源8～33V，輸出4～20mA。采用12V電源，并串連240歐采樣電阻，使輸出0.96～4.8V電壓。
執(zhí)行器
冷卻風扇通過散熱器對冷卻水進行散熱?？偣彩褂盟膫€冷卻風扇，對稱布置在水冷系統(tǒng)兩側(cè)，同側(cè)風扇相鄰布置。電機為直流電機，額定電壓為12V，額定電流為3A。兩側(cè)各一個風扇采用PWM 信號調(diào)速控制，電機驅(qū)動芯片采用摩托羅拉公司MC33186。另一風扇采用繼電器開關(guān)控制，不進行調(diào)速。每側(cè)兩個風扇聯(lián)合工作能實現(xiàn)全程調(diào)速控制：即首先使用PWM 對一個風扇進行調(diào)速，當溫度升高到一定值，PWM 信號占空比達到100％時，開啟繼電器使另一風扇工作，而本風扇關(guān)閉，當溫度繼續(xù)升高，則再使用PWM 對本風扇進行調(diào)速，此時兩風扇同時工作但轉(zhuǎn)速不同；當溫度下降時，首先減小PWM 信號占空比使本風扇轉(zhuǎn)速下降，當占空比減到0％時，關(guān)閉繼電器使另一風扇停止工作，同時將PWM 占空比調(diào)到100％，使本風扇滿負荷工作，若溫度繼續(xù)下降，則繼續(xù)減小PWM 占空比。這樣通過兩個風扇的聯(lián)合工作，達到全程調(diào)速的目的。
水泵變頻器推動冷卻水循環(huán)流動，從而帶走發(fā)熱部件的熱量。水泵變頻器是Comp-AC 公司的ACS100 變頻器，控制方式采用遠程3-線型控制，轉(zhuǎn)速控制信號使用0～20mA 電流信號。微控制器輸出PWM 信號，進行有源濾波，得到直流分量，其后使用AD694 電壓轉(zhuǎn)電流芯片，輸出0～20mA 電流信號。
通訊網(wǎng)絡(luò)
本系統(tǒng)作為整車分布式控制系統(tǒng)的一個節(jié)點，與其他車載控制器通訊采用CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊。本系統(tǒng)接收整車控制器CAN 命令消息進行工作，并把系統(tǒng)狀態(tài)量上傳給整車控制器；同時，接收PC 機CAN 消息進行在線標定與在線編程。CAN收發(fā)器采用PHILIPS 公司的PCA82C250 收發(fā)器。
電源管理
考慮到系統(tǒng)的抗干擾性，在硬件電路設(shè)計中對各器件的電源及接地進行如下處理：MC68HC908GZ16 、溫度傳感器電路、壓力傳感器電路、PWM 風扇調(diào)速模塊都由12V 蓄電池電源供電，統(tǒng)一共地；水泵調(diào)速模塊（PWM 濾波電路、AD694 電壓轉(zhuǎn)電流電路）的電源由水泵變頻器自身12V 電源提供，與12V 蓄電池不共地，MC68HC908GZ16 的PWM 信號通過光耦與濾波電路連接；CAN 通訊模塊的電源通過DC/DC 與蓄電池電源隔離，不共地，CANTX 和CANRX 信號均使用光耦進行隔離后輸入PCA82C250。如圖2 所示。
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