燃料电池汽车氢管理控制系统应用设计

A版燃料电池汽车氢管理控制系统应用设计赵斌良樊晓松冷宏祥上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804【摘要】基于MATLABSIMULINKSTATEFLOW软件平台，结合STW的软硬件资源，开发出了燃料电池汽车氢管理控制系统。在氢管理系统技术规范的基础上，实现储氢系统管理、氢安全检测、故障诊断等功能，完成软件框架设计与开发，如SIMULINK模块设计、STATEFLOW模块设计与TASKING集成编译。【ABSTRACT】BASEDONTHESOFTWAREOFMATLAB，SIMULINKANDSTATEFLOW，AHYDROGENMANAGEMENTCONTROLLINGSYSTEMOFFCVISSETUPCOMBINEDWITHTHESOFTWAREANDHARDWARERESOURCESOFSRONTHEBASISOFHYDROGENMANAGEMENTCONTROLLINGSYSTEMTECHNICALSPECIFICATION，THEDESIGNHASFINISHEDSOMEMAINFUNCTIONSOFHYDROGENCAPTUREMANAGEMENT，DETECTIONOFHYDROGENSECURITYANDFAULTDIAGNOSISTHEDESIGNOFSOFTWAREFRAMEWORKISALSOFINISHEDSUCHASSIMULINKMODULEDESIGN，STATEFLOWMODULEDESIGNANDTASKINGINTEGRATEDCOMPILER【主题词】燃料电池控制系统汽车0引言随着汽车排放法规的日益严格，燃料电池电动汽车的发展受到广泛关注。质子交换膜燃料电池发动机由于具有零污染、工作温度低、启动性能好等优点，已成为各国为解决交通污染而竞相研究的焦点。作为能量的载体，氢气的流量和压力控制对燃料电池的正常工作非常重要。在储氢和供氢过程中，需要对相应的执行元件进行实时控制及故障诊断，对管路中氢气泄露进行检测报警。因此开发一套氢安全控制系统HMS很有必要。线完成信息通讯，最终由HMU实现向燃料电池堆的供氢、储氢系统的加氢及整车氢管路的安全检测，详细的系统功能框图见图1。锄A电压泄漏报警L覆_PRIVATECANI,QL“FCPSI自傈信号FRHMU堕P箭R氢气泄漏传感器I拄HL2345和电磁阀控I6鱼出厂螽网J氢安全检测1L堕垫墨1号”系统内硬线信号一系统间硬线信号一系统CANBUS一系统间CANBUSIR通讯1氢管理控制系统组成11信号调理模块HMS从功能来划分主要由HMU电控单元、储信号调理模块主要实现系统间的信号匹配功氢系统、氢安全检测、信号调理模块和IRINFRARED能，包括HMS上电保持和氢安全线。燃料电池汽RAY通讯模块构成。各部件通过硬线和CAN总车采用375V高压作为驱动电机的电源，为了保证收稿日期200912一O92上海汽车201002车辆系统的安全，系统要求HMU常供电，并处于休眠状态。只有当点火钥匙打到AUXI位置且收到VMSVEHICLEMANAGEMENTSYSTEM自保信号才会退出休眠模式进入系统运行状态。为了保证系统的可靠，在出现紧急情况时如氢气泄漏超过10000PPM，出现车辆碰撞或紧急开关被按下等，系统除了通过CANBUS传输报警信息外，还专门设计了由硬线连接的系统安全线，以保证系统立即有效的响应。12IR通讯模块IR通讯模块是一个实现HMU与加氢机之间数据转换的网关模块，即CANBUS和IR通讯之间的数据交换。在燃料电池车进入加氢模式后，HMU将新采集到的氢瓶温度、压力和氢气SOC，也包括燃料电池车的ID号、软件版本号、氢瓶的容积、氢瓶最大可接受压力以及加氢命令通过CANBUS发送给IR通讯模块。13氢安全检测氢安全主要包括氢瓶安全检测和整车氢气泄漏检测。氢瓶安全检测包括氢瓶压力检测、氢瓶温度检测和电磁阀检测。氢泄漏检测包括氢泄漏检测、氢泄漏传感器自检。HMU将氢泄漏报警分3级，分别是轻度、中度和紧急泄漏报警。14HMU电控单元HMU接受供氢和加氢命令，通过对氢管路中3个电磁阀的控制完成储氢系统的管理加氢和供氢，通过监测管路压力，氢瓶温度和各执行器的工作状态实现整车安全策略及故障诊断。各信号参数通过IR通讯发送给加氢机，通过CANBUS送给VMS，通过硬线送给IPKINSTRUMCNTPACK。15储氢系统储氢系统的功能是储存氢气，通过加氢管道受注氢气，通过减压管道向FCS供氢；储氢系统同时向HMU提供相应的温度、压力传感器信号和开关阀、减压阀等执行元件。储氢系统的加氢和供氢受控于HMU。此外，储氢系统还具备泄压保护功能，通过手动阀或者减压阀、安全阀上的自动开关，可以把储氢瓶内或管道内的氢气通过泄压管道排到大气中。上海汽车2010022系统软件设计软件设计原则开闭原则OPENCLOSEDPRINCIPLE。模块、方法类应该对扩展开放，对修改封闭。也就是说，好的软件设计应该是不对已有代码进行修改就能扩展功能。开闭原则本质上意味着将软件设计成为新功能能够作为单独模块加入系统，这样就尽可能降低了集成成本。依赖倒置原则DEPENDENCYINVERSIONPRINCIPLE，高层模块不应该依赖于低层模块，而是依赖于抽象。而抽象，不应依赖于细节，细节应该依赖于抽象。这一原则是使用对象和被使用对象之间只能在概念层次存在依赖，而非实现层次。主要部分为逻辑运算涉及离散状态，N_THENELSE逻辑的功能模块用STATEFLOW来实现。主要部分是逻辑判断同时又有复杂算术运算。应用SIMULINK中的SUBSYSTEM对运算部分进行封装，在STATEFLOW中应用FUNCTION_CALL调用SUBSYSTEM。代码的实现思路是各信号量解析，氢安全检测和故障诊断由SIMULINK建模实现并自动生成代码，各电磁阀的开关控制和氢管理系统状态转换由STATEFLOW建模实现并自动生成代码。CANMESSAGE的收发，各传感器信号电压的读取，对电磁阀的驱动和自动生成代码的调用由S提供的BIOSAPI实现。生成代码与外界的接口为全局变量HMALARMS、HMSSTATUS、VALVECONTROL。最后，在TASKING中对整个程序的MAIN函数手动编码并完成集成编译。21基于STATEFLOW的控制策略开发HMU共有以下6种模式，如图2所示。1SLEEP模式，在FCPS不工作时，HMU处于休眠模式。此时HMU只检测点火开关；2POWERUP模式，在收到AUXILIARY档信号后，HMU开始周期性的系统自检；3READY模式，当检测到FCPS自保继电器通电后进入供氢准备状态；4ENABLE模式，收到VMS供氢允许命令时，HMU打开V1和V2电磁阀开始供氢；5H2REFUELING模式，收到VMS加氢允许命3令后，打开V1和关闭V2对氢瓶加氢；6ERROR模式，当发生紧急报警，HMU立即关闭V1和V2两个电磁阀。图2HMU状态转换示意图以上6种模式，在任意时刻只能有其中一种状态存在，而且各状态之间的转移都必须满足相应的条件。在任一状态中都有对氢管路中3个电磁阀的操作。为此最好的实现手段是使用STATEFLOW。利用STATEFLOW可以方便设置转移条件的优先级，保持当前状态，及利用S函数实现自定义功能。22基于SIMULINK的控制策略开发主要部分为复杂算术运算包括连续状态的数值运算如差分、微分、积分、滤波的功能模块用SIMULINK来实现。需要注意的是SUBSYSTEM应该根据控制算法的功能划分而形成，即是一个单位功能而设，避免仅仅为了节约空间而将模块组合成为SUBSYSTEM。控制器模型必须应用离散模块来设计。在HMU中，涉及到11个不同类型和采样精度的传感器，2个电磁阀反馈电流，数据处理，DTC故障码的判断与协议实现，此类功能选用SIMULINK模块来实现。当然在其中有一些延时功能，信号范围判断模块涉及步长计数和大量条件判断，适合用STATENOW实现更为方便，然后用SUBSYSTEM进行封装即可与其它SIMULINK模块传递信息。为了遵守软件设计的开闭原则，首先划分为两大模块数据处理模块和策略控制模块。在数据处理模块中建立零件库，以具体的硬件为对象，将任一硬件的信号采集及延时刷新，信号协议转化，DTC故障码生成及定条件发送都封装为一个模块。以后不管增加或减少某一硬件，都不需对控制策略做任何改动即可实现功能要求。因为对每一个硬件都建立了相应的模块，只要将目前所需要的硬件对应的模块从零件库中激活并加人到数据网上即可。在策略控制模块中也建立功能库。以具体的功能为对象，建立许多功能模块，如系统报警等级模块、信号趋势判断模块、氢最大泄漏量模块、SOC计算模块等。以后如果需要增加其他功能，也不需对以前的模块进行任何改动，只需增加新的功能模块到系统架构上即可。23基于TASKING平台的集成编译所选用的HMU控制器是德国STW公司的ESX系列控制器，因为它有48个多功能且可配置的输入输出引脚，与许多传感器、电磁阀的连接非常容易。它有2个CANBUS和1个串行接口，是一种广泛应用在工程车辆上安全稳定的控制器。在应用程序开发环境上，可以在TASKING平台上使用C语言直接开发，从而提高程序效率。在底层用TASKING需要实现的功能有、1中断设置，氢安全开关中断、安全线中断。2任务设置，共设有两个任务，一个是执行控制策略即前面的SIMULINK模块和STATEFLOW模块，周期为40MS。另一个是负责采集端口数据，周期为10MS。其中温度、压力、泄漏量的周期为100MS，CAN数据采样周期为10MS。3系统初始化，如给泄漏传感器供电，模块输入输出变量初始化。4软件自保，在收到硬件自保信号后将点火信号屏蔽不响应点火信号。5EEPROM存储，将从开机以来发现的故障码全部存储到EEPROM中去。用TASKING进行集成编译的主要步骤1在SIMULINK中用RTW生成自动C代码，将嵌人到TASKING的SRC文件夹中；对模型和COI1FIGURATIONPARAMETERS进行配置，指定硬件类型上海汽车201002HARDWAREIMPLEMENTATION，应用EFTTLC摸板生成可嵌入式代码，这样生成一个MODELERTRTW的文件夹，其中的MODE1E、MODE1H、MODELDATAC、MODELPRIVATEH、MODELTYPESH和RTWTYPESH需要拷贝和加载到工程中，并在需要的地方调用其中的人口函数，共同编译以后，代码自动生成的工作就初步完成了。2在TASKING中完成底层代码的编写；然后集成编译成HEX文件。3用WINFLASH将HEX文件下载到ESX控制器中。3结语本文基于工程应用，在不具备快速控制原型开发和硬件在环仿真工具的条件下，选用STW公司的ESX系列控制器，利用通用软件MATLAB对HCU系统进行开发。文章详述了燃料电池汽上接第1页小排量产品仍有价格优势，但随着国外企业高性能小排量产品的开发，这种优势是否能继续保持尚有待观察。中国汽车工业起步于商用车产品，自主品牌在商用车一直占据绝对主导地位。但是，最近情况开始变化。除已经完成的上汽集团与依维柯成立商用车合资公司、广汽集团与ET本商用车制造商13野公司合资建立广汽13野汽车有限公司、一汽集团与通用汽车合资成立一汽通用轻型商用汽车公司、德国重型汽车制造商曼公司参股重汽集团外，我国轻型汽车主要生产企业北汽福田、江淮汽车均在寻求合资并初步确定了合作伙伴，东风汽车欲将商用车业务另行组建合资公司的消息时有耳闻。与世界主要汽车企业已全部在我国建立轿车合资企业相似，国外的主要商用车企业也已经或即将在中国布点、成立合资企业，这预示着外资品牌的商用车在中国汽车产量中的比重或将提上海汽车201002车氢管理系统的硬件选择和软件设计方法。该系统采用分布式检测和分级报警，以氢瓶安全检测和整车氢气泄漏检测为安全管理策略的重点，保证供氢系统在满足燃料电池发动机需求后的行车安全。经过验证，该方案在现场进行的整车硬件在环测试中完全满足燃料电池车性能指标要求。参考文献1顾柏良等译BOSH汽车工程师手册M北京北京理工大学出版社，20042余志生汽车理论第三版M北京机械工业出版社，20O03SRRWPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERUSERMANUA1STW公司20054FRANOBARBIRPERUFUELCELLSTHEORYANDPRACTICEELSEVIERINC，20055陈全世，仇斌，谢起成燃料电池电动汽车M北京清华大学出版社，2005高。自主品牌体现自主研发能力的强弱、自主知识产权掌控的程度