基于氢探PowerECU的燃料电池控制系统开发经验

Posted 2023-02-08 FuelCellPowerIn

基于氢探PowerECU燃料电池控制系统开发内容如下：

1、主控系统选型。

2、完成PowerECU硬件原理和架构设计，完成设计方案的论证、仿真与方案确认。；

3、完成PowerS12软件架构，基础软件与应用软件分别实施，且从功能和执行上分属不同架构，能够实现单独开发；

4、在软件架构基础上完成基础软件、底层驱动、操作系统的配置开发。

5、完成应用层软件接口设计，并开发测试用软件组件模块；

6、基于PowerFCU完成60KW车载水冷燃料电池系统控制策略开发；

7、HIL台架测试及匹配（含标定和诊断），需要通过实车工况模拟验证；

硬件开发内容

PowerECU燃料电池控制器项目	内容
处理器	MC9S12XEP10048MHz
数据存储	1000KB ROM，其中4KB EEE数据存储空间 64KB RAM
电源输入	DC  9V-32V 13路5V，400mA传感器电源输出，短路保护
5V模拟量输入	22路模拟量输入通道，12Bit分辨率
模拟量输出	4路模拟量输出通道，12Bit分辨率
数字量输入	12路数字量输入通道
时间测量	4路频率测量，分配率1us
功率输出	8路高边功率开关，支持故障诊断 8路低边功率开关，支持故障诊断 6路低边PWM功率输出，带电流测量和短路保护 2路直流电机驱动，支持故障诊断
CAN	5路CAN 2.0A/B
其他	板载温度传感器、电源电压测量 8路自由定时器 可配置看门狗
尺寸	250mm*165mm*40mm

 

硬件方案

硬件方案制订

根据硬件开发需求，制订相关的硬件方案，硬件方案需要包括：关键器件的选型和分析，硬件模块的确定，以及硬件方案的评审。

这里的分析是做关键参数的分析，不会涉及到非常详细的计算和仿真，具体的计算和仿真会在模块设计中实现。

1. 硬件主要模块确定

根据系统需求和方案的分析，可以初步确定硬件电路模块。

1. 针对上述的方案设计，甲乙方共同进行评审，评审的结果作为后续设计的输入。

物料的分析和评估，主要包括有以下方面：

• 要求供应商提供关于物料认可的报告和IMDS报告，并进行分析
• 器件生命周期
• 电气参数分析
• 寿命计算
• 供应商提供的EMC测试报告分析
• 生产条件和焊接曲线要求
• 实际电路验证

对物料进行分析和评估，并形成相关的报告和使用指导书。只有经过认可的物料才能在后续设计中使用。

原理图设计基于乙方在控制器开发领域的既有经验进行开发，根据事先确定的硬件功能定义，进行相关功能的开发，最终整合成完整的硬件原理图，在初步检查后进行原理图的评审，通过评审后，原理图设计阶段初步结束。

生成后的原理图需要经过评审，最后形成正式的原理图。

• 设计和评审

Layout设计过程如下：

•  Layout设计过程

在Layout设计过程中，需要进行振动分析，热分析和局部的EMC仿真分析。振动分析，主要是分析Layout在恶劣的振动环境下，控制器上的器件或者控制器本身不会损坏。

热分析主要看板子上热的分布情况，以及在最恶劣的情况下，板子上的温度不会超过器件本身的工作温度。

EMC分析是对局部关键信号进行EMC的分析，防止走线导致EMC的问题。

Layout设计完成后，需要经过双方的Review后，才可以发布生产。

 

设计完成后的硬件，需要经过硬件测试，硬件测试的目的就是验证硬件设计是否满足法规的要求，是否满足设计需求，是否存在着硬件设计的问题，只有经过硬件测试的产品，才能发布为正式的产品。

硬件测试分白盒测试和黑盒测试，本项目将以黑盒测试为主。

• 硬件测试过程

产品验证由试验工程部专门负责，验证控制器的可靠性，EMC性能和电性能。根据客户要求和其它标准制定试验标准和试验方法。

由于本项目的目标为B样件开发，所以只进行Pre-DV和DV试验，包含可靠性、电性能以及EMC项目，具体试验项目根据双方确认的系统需求分析结果确定。

• 结构开发V流程

结构的开发过程按照“V”流程分为7个环节，在生产集成前的需求分析、方案设计和详细设计等开发环节，分别进行针对每一环节的分析、仿真和校核工作，使最多的问题能在结构开发阶段得到定位和解决。在此过程中，先进的设计思想和高水平CAE工具的应用是必不可少的。

基础软件开发

基础软件涵盖内容：

• 底层驱动     
  • 硬件资源驱动程序。
• 标定协议，诊断协议，通信协议     
  • 协议开发，标定软件。
• 看门狗     
  • 程序唤醒与重置。
• Bootloader     
  • 程序下载接口

PowerECU燃料电池控制功能开发

名称	功能描述
基于PowerECU进行燃料电池控制系统FCU开发的流程介绍
燃料电池系统设计	系统设计 氢探新能源提供燃料电池发动机设计技术支持，包含主要参数匹配计算，必要设计的CFD分析，BOP选型支持，系统结构设计支持。如有需求，可对BOP部件、电堆、电气、系统进行失效分析。提供关于BOP选型BOM表。
PowerECU燃料电池控制	PowerECU燃料电池控制汽车级飞思卡尔处理器，48MHz时钟频率1024KB存储空间，其中32KB的数据存储空间22路可配置模拟量输入通道12路可配置数字量输入通道4路可配置时间/频率测量通道6路2A低边脉宽调制功率输出8路2A低边功率开关输出，8路2A高边功率开关，4路模拟量输出接口4路CAN接口2通道H桥输出，支持Simulixxxxnk模型开发。氢探新能源PowerECU燃料电池控制
PowerECU燃料电池控制	Simulink自动代码生成底层驱动支持。利用MATLAB RTWEC为模型生成高质量的嵌入式代码，可直接应用于PowerECU。  代码一键自动生成，PowerECU产品级开发ECU为基础 的快速原型化系统开发工具包，在底层软件ControlCore框架上提供了各种接口硬件的驱动程序；支持Bootloader下载。
氢探新能源PowerECU燃料电池控制策略开发	氢探新能源PowerECU燃料电池控制根据功能要求以及发动机系统架构进行燃料电池系统控策略FCU开发。包括并不仅限于:架构模型基于MATLAB/Simulixxxxnk模型的控制算法，控制软件满足MAAB设计规范，满足国内汽车行业建模规范要求。功能开发根据用户的系统架构，BOP组成，定义包含完整的燃料电池系统控制功能的控制算法模型（信号处理、系统工作状态、阳极供给系统、阴极供给系统、冷却系统、电堆、DCDC、功率跟随等系统的控制功能），同时包括高级的控制软件实现，系统参数标定文件。故障诊断覆盖基本的故障诊断功能，以满足系统的运行需求。
燃料电池发动机电气系统调试	氢探新能源PowerECU燃料电池控制提供的系统，以及原有设计的电气原理图，整理完成相关非总线及总线类传感器和执行部件的开环调试及功能测试，以及部件参数的标定。
氢探新能源PowerECU燃料电池控制策略调试与标定	氢探新能源PowerECU燃料电池控制系统集成并进行基础的压力和泄露测试，具备供氢条件后， 第一步进行传感的精度标定，执行部件的开控制率参数标定，电堆等参数的标定。  第二步对每个分系统进行闭环控制率参数初步标定与调试； 第四步，将会对控制软件的上层状态机进行调试与测试，同时保证逻辑合理性。 第五步，将进行带载情况下的各部分功能测试，进行控制参数的精度标定，系统工作状态标定，高级控制策略参数标定与调试，以达到最佳的工作状态。 第五步，进行功率加减载以及整体功耗和性能的平衡调试（根据目标）。 第六步，进行系统不同工况的测试与回归修改。
氢探新能源PowerECU燃料电池控制系统性能优化标定	氢探新能源PowerECU燃料电池控制针对性能测试中的出现的典型问题，并可定位到控制软件或者甲方无法进行部件修改的问题，配合甲方完成控制软件的修改；根据性能测试的实验数据，进行高级算法的参数标定，电堆工作点的优化；根据电堆供应商的反馈建议，对控制算法进行调整优化。
氢探新能源PowerECU燃料电池控制系统整车调试	氢探新能源PowerECU燃料电池控制主要进行VCU及供氢系统联合调试，根据整车DCDC及锂电高压系统工作状态对控制软件的功率、故障诊断以及可靠性相关参数进行标定和调试。
氢探新能源PowerECU燃料电池发动机调试环境	氢探新能源PowerECU燃料电池控制燃料电池 发动机测试与调试（系统功能调试X天；动态闭环调试X天。氢探提供试验场地(含送排风安全系统)；提供气密性检查所需的仪器等保障条件；氢探提供常温启动试验所需的大气温湿度、进气温度、进气压力等传感器及数据采集、处理平台；氢探提供供配电电源及电源箱；提供工况法性能测试所需的电池模拟器（电子负载）：150kW；24~800V，峰值电流600A)；氢探提供150kW电机试验台架，含相应的被试电机及其控制器，用于发动机台架调试试验；氢探提供绝缘性测试所需的绝缘电阻测试仪等；
	99.999%氢气，40L/瓶，压力13.5Mpa；

氢探新能源PowerECU燃料电池控制应用于氢燃料电池控制器。

整体流程如下图所示，其中系统初始化负责初始化单片机时钟、IO和CAN总线；传感器处理用来读取当前各个传感器的输出（如流量、压力、温度、电压、电流以及其他控制器的CAN数据），故障诊断模块用来诊断传感器或某些值的越界故障；决策状态机模块用来进行开机、自检、启动、运行、故障、关机等状态下的处理。控制率计算模块用于计算执行器的操作参数。控制输出模块根据状态机和控制率，控制各个执行器输出并发送相关CAN报文。

控制系统架构如下：

 

1. 基于PowerECU的FCU系统功能要求和控制策略

（该部分仅作为初步方案，最终状态以实际策略为准）

根据功能需求，燃料电池动力系统功能，包括各种状态，状态之间的转换以及必要的警告和错误信息等系统状态

氢探新能源PowerECU燃料电池控制需要实现燃料电池动力系统如下状态：开机自检；待机；启动；运行；关机；紧急关机。其中状态流转图如下

氢探新能源 燃料电池控制系统 软件应用层详细设计及数据流框图，应用层软件分为基础软件、传感器模块、诊断模块、状态机、控制计算模块、输出/执行器模块五个模块

1）开机：开机阶段燃料电池系统的FCU及部分BOP是由整车供电，各部件将会进行自检，具备维护模式。

2）待机：在此状态等待启动信号；收到启动信号且没有故障与其他状态的转换触发条件后，系统进入状态流转图。

3）启动：收到启动信号且无故障，燃料电池启动，连通氢源相关部件；进行必要排气；启动水路循环，连通DCDC内开关等操作。

4）运行：运行氢气路、空气路、冷却回路、DCDC的控制算法、电堆工作状态预估。

5）正常关机：收到停止信号后，关断DCDC输出，进行必要的排气处理，发送下高压信号，断开燃料电池主继电器。

6）紧急关机：当燃料电池系统检测到必要故障，将关断DCDC输出；做快速排气处理和供氧侧吹扫处理；发送下高压信号，断开燃料电池主继电器。

 

2 氢探新能源 燃料电池控制系统 燃料电池系统控制理论

空气路控制流程：

 

空气路控制解耦

氢探新能源 燃料电池控制系统 经验：解耦靠参数标定。空气路控制是决定燃料电池发动机性能（高效？高性能？长寿命？）的关键。

 

氢气路控制基本理论：

 

氢气路控制逻辑

氢探新能源 燃料电池控制系统 经验：压力控制注意小流量情况，考虑前馈控制，考虑传感器参考点。进氢系统的主流是比例阀，典型博世Hydrogen gas injector：Fuel-cell systems not only require constant hydrogen recirculation, but also a continuous, needs-based supply of hydrogen from the tank. The hydrogen gas injector ensures the needs-based supply of hydrogen to the fuel-cell system. Actuation is performed by the fuel-cell control unit.

冷却路控制基本理论

很多人讲的是温度、温差。水泵和风扇的控制

氢探新能源燃料电池控制，经验是：单纯PID实现很难，尤其在小功率和大功率运行时候。温升速率的控制也很关键。

湿度预估方式很多，如果说湿度可与预估到0-14，这很扯的。首先湿度影响因素包括温度、压力、水含量、饱和度、膜厚度、膜密度等等问题。但是趋势判断很重要。