專利名稱：車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)屬于燃料電池控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及車用燃料電池控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)是燃料電池城市客車整車的主動力源，對整車的性能、控制與安全影響很大。必須對燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部原理和性能有相當(dāng)深入的了解，獲得燃料電池關(guān)鍵零部件特性數(shù)據(jù)，積累燃料電池系統(tǒng)集成經(jīng)驗。而燃料電池系統(tǒng)的集成與研究離不開電子控制，離不開控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)各主要車用燃料電池研究與生產(chǎn)單位均采用了集中式控制，輔以單片電壓的分布式采集，即單片電壓采集為一個獨立節(jié)點。
但是，集中式控制有其自身的局限性。燃料電池系統(tǒng)集成了大量的傳感器和執(zhí)行器，輸入輸出通道數(shù)龐大，因此集中式控制必然面對接線復(fù)雜，控制器設(shè)計復(fù)雜的問題；燃料電池系統(tǒng)的電磁環(huán)境比較惡劣，集中式控制并不利于提高系統(tǒng)電磁兼容性；燃料電池系統(tǒng)由氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、水熱系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，集中式控制并不適于模塊化開發(fā)。燃料電池系統(tǒng)目前處于研制與開發(fā)階段，對集中式控制系統(tǒng)的修改與升級將會面臨極大的工作量和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了集中式控制的缺點，提供一種車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)接線復(fù)雜性，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化開發(fā)，控制結(jié)構(gòu)清晰，升級與修改靈活方便，在為各節(jié)點合理選擇和搭配芯片方面能夠兼顧功能、效率和成本，并能控制總線負(fù)載，降低各節(jié)點間的耦合度。
本發(fā)明的特征在于，含有主控制器、子控制器、溫度采集節(jié)點、單片電壓統(tǒng)計節(jié)點和單片電壓采集單板；主控制器，通過一路CAN與外部節(jié)點構(gòu)成整車CAN網(wǎng)絡(luò)，通過另一路CAN與子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集統(tǒng)計節(jié)點構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)，接收子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集統(tǒng)計節(jié)點傳來的信號，進(jìn)行處理并與外部節(jié)點進(jìn)行信息傳輸；子控制器，含有供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器和電氣系統(tǒng)子控制器，各個子控制器分別連接其對應(yīng)子系統(tǒng)的數(shù)字量傳感器、感性負(fù)載、模擬量傳感器、DC/DC及變頻器；溫度采集節(jié)點，含有基于CAN總線的多路溫度采集裝置，用于采集燃料電池的溫度信號，并通過CAN上傳到主控制器；單片電壓統(tǒng)計節(jié)點，通過一路CAN與單片電壓采集單板相連，接收所有單片電壓采集單板上傳的電壓信號，經(jīng)過統(tǒng)計，通過另一路CAN將數(shù)據(jù)上傳到主控制器；所述單片電壓采集單板有至少兩片，構(gòu)成單片電壓采集單板CAN網(wǎng)絡(luò)；單片電壓采集單板將采集到的燃料電池單片電壓通過CAN傳送到所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點。
所述主控制器由MC68376數(shù)字核心子板和主控制器母板接插組成，所述主控制器母板含有CAN濾波電路，分別與MC68376數(shù)字核心子板的CAN端口、燃料電池客車整車CAN網(wǎng)絡(luò)和燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)連接；數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路，輸入端連接燃料電池的數(shù)字量傳感器，輸出端連接MC68376數(shù)字核心子板的數(shù)字量輸入端；數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路，輸入端連接MC68376數(shù)字核心子板的數(shù)字量輸出端，輸出端連接燃料電池的感性負(fù)載；AD轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接燃料電池的模擬量傳感器，輸出端連接MC68376數(shù)字核心子板的模擬量輸入端；DA轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接MC68376數(shù)字核心子板的模擬量輸出端，輸入端連接電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的輸入端；電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接DA轉(zhuǎn)換電路的輸出端，輸出端連接輸?shù)饺剂想姵氐腄C/DC及變頻器。
所述子控制器含有C8051F040數(shù)字核心、CAN接口濾波電路、數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路、數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路；CAN接口濾波電路，分別與C8051F040數(shù)字核心的CAN端口和燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)連接；數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路，輸入端連接燃料電池的數(shù)字量傳感器，輸出端連接C8051F040數(shù)字核心的數(shù)字量輸入端；數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路，輸入端連接C8051F040數(shù)字核心的數(shù)字量輸出端，輸出端連接燃料電池的感性負(fù)載；AD轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接燃料電池的模擬量傳感器，輸出端連接C8051F040數(shù)字核心的模擬量輸入端；電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接MC68376數(shù)字核心子板的模擬量輸出端，輸出端連接燃料電池的DC/DC及變頻器。
所述主控制器和子控制器中的數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路含有低速光隔TLP121、由電阻RDI31和電容CDI21構(gòu)成的一級低通阻容濾波、芯片74HC14，和電阻RDI51和電容CDI31構(gòu)成的二級低通阻容濾波。
所述主控制器和子控制器中的數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路采用集成低邊驅(qū)動器TLE6228。
所述主控制器和子控制器中的所述電壓-電流轉(zhuǎn)換電路采用AD694芯片。
所述溫度采集節(jié)點采用基于CAN總線的K7411多路溫度采集裝置。所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點采用MC68376數(shù)字核心子板。
試驗證明，本系統(tǒng)與傳感器、執(zhí)行器接線簡單，電磁兼容性好，適合模塊化開發(fā)，系統(tǒng)升級和修改方便，成本較低，控制結(jié)構(gòu)清晰，非常適用于燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)和滿足燃料電池發(fā)展的需求。


圖1是燃料電池分布式控制系統(tǒng)結(jié)框圖。
圖2是主控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是子控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是主控制器母板接插件電路和MC68376數(shù)字核心子板接插件電路原理圖。
圖5是子控制器電路原理圖。
圖6為單片電壓采集單板的電路原理框圖。
圖7是AD轉(zhuǎn)換電路原理圖。
圖8是數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路圖。
圖9是DA轉(zhuǎn)換電路圖。
圖10是電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖。
圖11是數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施做進(jìn)一步說明圖1所示為燃料電池分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。燃料電池分布式控制系統(tǒng)包含有燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)和單片電壓采集CAN網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點可分成主控制器、子控制器和采集節(jié)點三類。
主控制器通過一路CAN與整車CAN網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點相連構(gòu)成整車CAN網(wǎng)絡(luò)，通過另一路CAN與供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器、電氣系統(tǒng)子控制器、溫度采集節(jié)點以及單片電壓統(tǒng)計節(jié)點相連構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)。主控制器是為了完成繁重的運算、管理任務(wù)、故障診斷以及與整車CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊等，因此采用運算能力較強(qiáng)的32位單片機(jī)。
子控制器完成與大量傳感器、執(zhí)行器的連接以及閉環(huán)控制任務(wù)，其運算能力要求不高，但是輸入輸出通道數(shù)眾多，因此采用圍繞I/O資源豐富的C8051F040設(shè)計的8位數(shù)字核心。子控制器的設(shè)置需要考慮燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布的原則，以為盡量降低總線負(fù)載，減小節(jié)點間耦合程度，一般可對燃料電池各個子系統(tǒng)單獨配備子控制器，燃料電池包含的子系統(tǒng)有空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、水熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)；二為使接線簡單，節(jié)點應(yīng)和與其相連的相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器盡量接近；原則三是功能相近的環(huán)節(jié)可集中安排在同一個節(jié)點內(nèi)。由于氫氣系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)相互之間控制耦合較大，為提高控制安全性和降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，將氫氣子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)的控制合二為一，辟出供氣子節(jié)點，這樣就得到了供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器和電氣系統(tǒng)子控制器。
采集節(jié)點用于對需要集中采集的信號進(jìn)行處理，并提供給主控制器和子控制器。采集節(jié)點主要包括溫度采集節(jié)點和單片電壓統(tǒng)計節(jié)點。
溫度采集比較常用的傳感器為熱電阻Pt100，Pt100信號一般需要用專門的變送器處理后才能被AD采集模塊直接采集，為了省去變送器，同時也為了節(jié)約控制器資源，可對Pt100信號進(jìn)行統(tǒng)一處理，因此按功能集中原則辟出溫度采集節(jié)點，溫度采集節(jié)點在對Pt100信號進(jìn)行集中處理和采集后直接將多路溫度數(shù)值送上CAN總線。
單片電壓采集CAN網(wǎng)絡(luò)，車用燃料電池電堆單片電池數(shù)眾多，一般在幾百片甚至上千片。因而單片電壓信號也需要集中處理。考慮到燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載和主控制器的負(fù)擔(dān)，不可能將每一片單片電壓信號都反饋回主控制器，因此專門設(shè)立統(tǒng)計節(jié)點對所有單片信號進(jìn)行統(tǒng)計后再送往主控制器，這樣就引入了單片電壓統(tǒng)計節(jié)點。單片電壓采集單板采集的信號經(jīng)單片電壓采集CAN網(wǎng)絡(luò)傳送給單片電壓統(tǒng)計節(jié)點，單片電壓統(tǒng)計節(jié)點對所有單片電壓信號進(jìn)行統(tǒng)計后將統(tǒng)計結(jié)果經(jīng)燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)送回主控制器。單片電壓統(tǒng)計節(jié)點和采集單板構(gòu)成單片電壓采集子系統(tǒng)，單片電壓采集子系統(tǒng)可作為燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的一個采集節(jié)點。單片電壓統(tǒng)計節(jié)點也擁有雙CAN，一路用于連接至上述的燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)，另一路CAN與若干單片電壓采集單板的CAN相連構(gòu)成單片電壓采集CAN網(wǎng)絡(luò)，其運算量較大，且需要作為網(wǎng)橋，因此也基于運算能力較強(qiáng)且具有雙CAN的32位數(shù)字核心，可直接運用實用新型專利“新型動力車用控制器通用子板”(公開號CN2681952Y，授權(quán)公告日2005年3月2日)涉及的MC68376數(shù)字核心子板。單片電壓采集單板的數(shù)目根據(jù)所面向的車用燃料電池的單片數(shù)而定，設(shè)為n塊。
圖2所示為主控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。主控制器為雙板復(fù)合接插結(jié)構(gòu)，由MC68376數(shù)字核心子板和主控制器母板接插組成。圖中1，2，3，4，5代表MC68376數(shù)字核心子板的輸入/輸出信號。主控制器母板由CAN濾波電路、數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路、數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。見圖4(a)、(b)所示的接插件原理圖，MC68376數(shù)字核心子板與CAN濾波電路通過CANAL、CANAH、CANBL以及CANBH相連；MC68376數(shù)字核心子板與數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路通過數(shù)字量輸入端口DIN1～DIN8相連；MC68376數(shù)字核心子板與數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路通過數(shù)字量輸出端口DOUT1～DOUT8相連；MC68376數(shù)字核心子板與AD轉(zhuǎn)換電路通過模擬量輸入端口AIN1～AIN8相連；MC68376數(shù)字核心子板與DA轉(zhuǎn)換電路通過SPI端口MOSI、SCK以及PCS0～PCS2相連；DA轉(zhuǎn)換電路與電壓-電流轉(zhuǎn)換電路通過DA轉(zhuǎn)換電路的電壓量輸出端口AO1～AO4相連(結(jié)合圖9)。由此可見，主控制器設(shè)計有模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出各8路，模擬量輸出4路。通道數(shù)有一定設(shè)計富裕，可作為分布式控制系統(tǒng)備用。圖2中，與主控制器相連的數(shù)字量傳感器主要為系統(tǒng)內(nèi)各種命令開關(guān)；與主控制器相連的感性負(fù)載主要為供氣子系統(tǒng)的開關(guān)閥以及系統(tǒng)強(qiáng)電輸出的接觸器；與主控制器相連的模擬量傳感器提供與系統(tǒng)安全相關(guān)密切相關(guān)的信號，例如氫氣濃度傳感器；目前在系統(tǒng)應(yīng)用中尚不需要用到主控制器的模擬量輸出。
圖3所示為子控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。子控制器的結(jié)構(gòu)與主控制器相似，但采用的是單板結(jié)構(gòu)，而不是復(fù)合接插結(jié)構(gòu)，并且子控制器、供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器以及電氣系統(tǒng)子控制器的硬件設(shè)計完全相同。子控制器由C8051F040數(shù)字核心、CAN接口濾波電路、數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路、數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。圖中1，2，3，4，5代表C8051F040數(shù)字核心的輸入/輸出信號。C8051F040數(shù)字核心電路與CAN接口濾波電路通過單片機(jī)C8051F040的CAN控制器收發(fā)引腳CANTX和CANRX相連；C8051F040數(shù)字核心電路與數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路通過數(shù)字量輸入端口DIN1～DIN12相連；C8051F040數(shù)字核心電路與數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路通過數(shù)字量輸出端口DOUT1～DOUT12相連；C8051F040數(shù)字核心電路與AD轉(zhuǎn)換電路通過模擬量輸入端口AIN1～AIN8相連；C8051F040數(shù)字核心電路與電壓-電流轉(zhuǎn)換電路通過單片機(jī)C8051F040的模擬量輸出引腳AO1和AO2相連。與子控制器相連的數(shù)字量傳感器主要為水位傳感器、溫度開關(guān)和壓力開關(guān)；與子控制器相連的感性負(fù)載主要為控制水路和氣路通斷的電磁閥以及電氣系統(tǒng)中的接觸器；與子控制器相連的模擬量傳感器主要為各種壓力傳感器；與子控制器相連的DC/DC和變頻器主要用于控制水泵、冷卻風(fēng)扇等。子控制器包括供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器和電氣系統(tǒng)子控制器，各個子控制器僅連接其對應(yīng)的子系統(tǒng)(供氣系統(tǒng)、水熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng))涉及的傳感器、感性負(fù)載、DC/DC及變頻器。
圖4所示為主控制器母板接插件電路和MC68376數(shù)字核心子板接插件電路原理圖。MC68376數(shù)字核心子板設(shè)計有4組標(biāo)準(zhǔn)40針雙排接插件SI1～SI4，將數(shù)字核心的資源連接至接插件，以方便MC68376數(shù)字核心子板與母板的插接。因此，為了利用MC68376數(shù)字核心子板的資源，在主控制器母板上也設(shè)計了4組同名的40針雙排接插件SI1～SI4。當(dāng)MC68376數(shù)字核心子板與主控制器母板復(fù)合接插時，其連接關(guān)系為MC68376數(shù)字核心子板上任一40針雙排接插件的任一引腳將與主控制器母板的同名40針雙排接插件的同序號引腳相連。例如MC68376數(shù)字核心子板上SI1插針的20引腳為TP15(TP15是單片機(jī)MC68376的TPU模塊的15號通用I/O口)，而主控制器母板上SI1插針的20引腳為DOUT1，那么，TP15將與DOUT1直接相連。
圖5所示為子控制器電路原理圖，子控制器采用C8051F040數(shù)字核心電路，C8051F040數(shù)字核心電路圖由單片機(jī)C8051F040、外部存儲器擴(kuò)展模塊、外部晶振模塊、走馬燈指示模塊、外部電壓基準(zhǔn)配置模塊、復(fù)位電路、JTAG編程接口、EEPROM外部存儲模塊組成。外部存儲器擴(kuò)展模塊由鎖存器74LV373和RAM芯片HY628100B組成，兩個芯片之間以及它們與單片機(jī)C8051F040的連接方式為C8051F040的低八位數(shù)據(jù)線-地址線復(fù)用線與74LV373的輸入端以及HY628100B的數(shù)據(jù)線引腳相連；74LV373輸出端和C8051F040的高八位數(shù)據(jù)線分別與HY628100B的低八位和高八位地址線相連；為保持復(fù)用方式擴(kuò)展的正確時序，C8051F040的鎖存器使能控制引腳ALE與74LV373的使能端ALE相連，其/WR和RD引腳分別與HY628100B的寫使能和讀使能引腳相連。外部晶振模塊由外部晶振Crystal、電阻RCRY以及電容C11和C12組成，外部晶振模塊與單片機(jī)C8051F040通過外部晶振引腳XTAL1和XTAL2相連。走馬燈指示模塊由8個電阻RLED1～RLED8和8個發(fā)光二極管H1～H8組成，走馬燈指示模塊與單片機(jī)C8051F040通過8個數(shù)字兩端口LED1～LED8相連。LED1～LED8端口實質(zhì)為C8051F0405號端口P5.0～P5.7。外部電壓基準(zhǔn)配置模塊由基準(zhǔn)電壓源芯片REF03、電容C1～C4以及跳線JP1組成，外部電壓基準(zhǔn)配置模塊與單片機(jī)C8051F040通過外部電壓基準(zhǔn)源引腳VREF_use相連。模擬量輸入和輸出電壓基準(zhǔn)可采用內(nèi)部基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)，內(nèi)部基準(zhǔn)由軟件配置，經(jīng)VREF引腳輸出，外部基準(zhǔn)基于REF03實現(xiàn)。REF03的2腳與4腳之間輸入經(jīng)當(dāng)?shù)?0μF鉭電容和0.1μF瓷片電容濾波的5V，輸出2.5V電壓基準(zhǔn)。電壓基準(zhǔn)的選擇由跳線JP1實現(xiàn)。C8051F040的VREFD、VREF0和VREF2引腳分別為模擬量輸出、12位模擬量輸入和8位模擬量輸入模塊。復(fù)位電路由復(fù)位開關(guān)Reset、電阻RRT1和RRT2以及電容C5和C6組成，復(fù)位電路與單片機(jī)通過復(fù)位引腳RST相連。JTAG編程接口為標(biāo)準(zhǔn)10針雙排接插件JTAG，JTAG編程接口與單片機(jī)C8051F040通過TMS、TDO、TDI和TCK相連，TMS、TDO、TDI和TCK分別為JTAG編程接口的JTAG測試模式選擇線，測試數(shù)據(jù)輸出線、測試數(shù)據(jù)輸入線和測試時鐘線。EEPROM外部存儲模塊即為EEPROM芯片AT25256，EEPROM擴(kuò)展電路與單片機(jī)C8051F040的連接方式為C8051F040的SPI模塊的NSS、MOSI、MISO和GND引腳分別與AT25256的/CS、SO、/WP和GND引腳相連，分別為片選線、主模塊數(shù)據(jù)輸出線、從模塊數(shù)據(jù)輸出線和信號地。結(jié)合圖3，單片機(jī)C8051F040的端口P3.0～P3.3和AIN0.0～P0.3被配置為8個12位模擬量輸入引腳AIN1～AIN8，與A/D轉(zhuǎn)換電路輸出端相連；單片機(jī)C8051F040的端口P1.0～P1.7和P4.1～P4.4被配置為12個數(shù)字量輸入引腳DIN1～DIN12，與數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路的輸出端相連；單片機(jī)C8051F040的端口P2.0～P2.7和P3.4～P3.7被配置為12個數(shù)字量輸出引腳DOUT1～DOUT12，與數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路相連的輸入端；單片機(jī)C8051F040的端口DAC0～DAC1是模擬量輸出(電壓量)端口，被標(biāo)為模擬量輸出引腳AO1～AO2，與電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連。
溫度采集節(jié)點可使用基于CAN總線的多路溫度采集裝置，例如科日新工控有限公司的K7411溫度采集裝置，該裝置能夠采集多路溫度，并將數(shù)據(jù)通過CAN總線輸入主控制器。具體結(jié)構(gòu)和使用指標(biāo)可參見該裝置的使用手冊，這里不在贅述。
單片電壓統(tǒng)計節(jié)點由于運算量較大，且需要作為網(wǎng)橋，因此也基于運算能力較強(qiáng)且具有雙CAN的32位數(shù)字核心，也擁有雙CAN，一路用于連接至上述的燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)，另一路CAN與若干單片電壓采集單板的CAN相連構(gòu)成單片電壓采集CAN網(wǎng)絡(luò)，因此也采用MC68376數(shù)字核心子板。
圖6為單片電壓采集單板的電路原理框圖，單片電壓采集單板的數(shù)目根據(jù)所面向的車用燃料電池的單片數(shù)而定。本發(fā)明采用發(fā)明專利申請公開的“一種車用燃料電池堆單片電壓監(jiān)測裝置”(公開號CN1564011A，
公開日2005年1月12日)，該裝置可在50ms內(nèi)完成59路單片電壓采集，并可實現(xiàn)一路CAN通訊，將其用作單片電壓采集單板，應(yīng)用多個這樣的單片電壓采集單板并行工作可實現(xiàn)采集更多路數(shù)的單片電壓。
主控制器和子控制器中的子模塊是相同的結(jié)構(gòu)，下面分別進(jìn)行介紹。
圖7所示為AD轉(zhuǎn)換電路圖。圖中AI1為模擬量傳感器信號輸入，AIN1為單片機(jī)模擬量輸入引腳，從AI1到AIN1要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路的處理。RAI1為電流采樣電阻，其一端可通過撥片開關(guān)JP1選擇是否與隔離后地相連，若模擬量傳感器為電流型，則相連，若模擬量傳感器為電壓型，則不相連。為了保證電磁兼容性，控制器與模擬量傳感器除了傳感器信號輸入線以外還以信號回流線AI1_HL相連，按模擬量傳感器種類不同，AI1_HL可能是隔離后24V，也可能是隔離后地，可通過對跳線JP21的配置實現(xiàn)兼容。運放LM224與電阻RAI11、CAI1組成有源濾波模塊。DAI11和DAI21為齊納二極管，用于過壓保護(hù)。需要指出的是，主控制器和子控制器均設(shè)計有8路AD輸入，8路AD轉(zhuǎn)換電路在器件連接和器件參數(shù)上完全相同，圖6所示僅為一路AD轉(zhuǎn)換電路圖，其他7路不同之處僅在于器件和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的尾標(biāo)不一樣，例如模擬量傳感器信號輸入的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號和單片機(jī)模擬量輸入引腳網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號應(yīng)為AI2～AI8和AIN2～AIN8。
圖8所示為數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路圖。圖中DI1為數(shù)字量傳感器信號輸入，DIN1為單片機(jī)數(shù)字量輸入引腳。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號Power24+代表隔離前24V，也是數(shù)字量傳感器的供電電壓。RDI11、RDI21以及低速光隔TLP121的輸入端發(fā)光二極管構(gòu)成數(shù)字量傳感器的集電極負(fù)載，也是數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路的隔離前部分。低速光隔TLP121實現(xiàn)對數(shù)字量輸入的隔離，數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路隔離后由四部分組成RDI31和CDI21構(gòu)成的一級低通阻容濾波、芯片74HC14的一個反向施密特通道，RDI51和CDI31構(gòu)成的二級低通阻容濾波以及由發(fā)光二極管HDI1和電阻RDI41構(gòu)成的數(shù)字量輸入指示燈。主控制器設(shè)計有8路數(shù)字量輸入，子控制器設(shè)計有12路數(shù)字量輸入，兩種控制器的所有各路數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路完全相同。不同僅在于器件和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的尾標(biāo)，例如模擬量傳感器，例如子控制器的其他11路數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路的數(shù)字量傳感器信號輸入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為DI2～DI12，單片機(jī)數(shù)字量輸入引腳為DIN2～DIN12。
圖9所示為DA轉(zhuǎn)換電路圖。MC68376數(shù)字核心子板沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，因此為實現(xiàn)主控制器的模擬量輸出，需要外擴(kuò)獨立數(shù)模轉(zhuǎn)換器。選用的芯片是DAC7614。MC68376以QSM模塊中的SPI實現(xiàn)與DAC7614的連接與控制。SPI的PCS0、PCS1和PCS2用作DAC7614的片選信號、復(fù)位信號和轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號，并以軟件編程實現(xiàn)DAC7614需要的工作時序(詳見DAC7614器件手冊)。MOSI為DAC7614的16位串行信號輸入，最高兩位為模擬兩輸出通道選擇，低12位為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)字信號地和模擬信號地沒有隔離，但以磁珠CAPW1單點接地。AO1～AO4為四個模擬量(電壓量)輸出通道。電感LPW3、電解電容Chd6和瓷片電容Cx9構(gòu)成了DAC7614的供電濾波網(wǎng)絡(luò)。C8051F040片內(nèi)集成了數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，因此C8051F040可以通過管腳AO1(DAC0)和AO2(DAC1)直接輸出模擬量(電壓量)。
圖10所示為電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖。采用的芯片為AD694。將模擬量輸出從電壓量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髁靠梢愿纳齐姶偶嫒菪裕龃竽M量輸出的適用范圍。AO1為電壓量輸入，經(jīng)過一階阻容低通濾波進(jìn)入AD694入口運放的同向輸入端+SIG，其反向輸入端與反饋端FB相連以構(gòu)成電壓跟隨器，提高電壓量的驅(qū)動能力。4腳、9腳均與5腳(地)相連從而將輸入和輸出分別配置在0～2V和4～20mA，且為線性對應(yīng)關(guān)系。13腳與14腳間的0.1μF的瓷片電容將AD694的帶寬配置在1.768kHz。輸出端以磁珠和電容構(gòu)成3級L-T-L感容濾波，并配有限流電阻RAO21和防過壓的齊納二極管DAO11和DAO21。
圖11所示為數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路圖。在燃料電池系統(tǒng)中需要以數(shù)字量驅(qū)動的感性負(fù)載主要有接觸器、繼電器和電磁閥。運用了集成低邊驅(qū)動器TLE6228，每片TLE6228擁有4個驅(qū)動通道TSL1～TSL4，主控制器的數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路包括兩片TLE6228，因此主控制器可實現(xiàn)8路數(shù)字量輸出；子控制器的數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路包括3片TLE6228，因此子控制器可實現(xiàn)12路數(shù)字量輸出。圖10所示的是一片TLE6228，四路數(shù)字量輸出。圖中的四路單片機(jī)數(shù)字量輸出端口為DOUT1～DOUT4，感性負(fù)載驅(qū)動端口為DO11～DO4。以圖中第一路數(shù)字量輸出為例，DOUT1為單片機(jī)數(shù)字量輸出端口，與板上5V電源VCC之間串接電阻RDO11和低速光隔TLP121的輸入端發(fā)光二極管，數(shù)字核心端口被配置為漏極開路輸出方式，能夠降低芯片功耗，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對3.3V(C8051F040)和5V(MC68376)兩種單片機(jī)電平的兼容。TLP121輸出端的射極接低邊MOS驅(qū)動器TSL1，這樣單片機(jī)數(shù)字核心端口低電平對應(yīng)MOS管導(dǎo)通，這是因為考慮到上電瞬間單片機(jī)管腳狀態(tài)為高，采用這樣的配置可以保證被驅(qū)動的執(zhí)行器在系統(tǒng)上電時處于常態(tài)。MOS_VCC隔離前5V。TLE6228以隔離前5V供電，實現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)的隔離，提高了電磁兼容性。ZSL1為齊納二極管，保護(hù)MOS管門極。
主控制器中，MC68376數(shù)字核心子板已經(jīng)集成了CAN收發(fā)器和CAN隔離電路，因此主控制器母板上只需要設(shè)計CAN濾波電路即可。子控制器應(yīng)用的單片機(jī)C8051F040也集成了片內(nèi)CAN控制器，片外除了CAN濾波外還要有CAN接口電路。CAN濾波電路和CAN接口濾波電路都是燃料電池CAN網(wǎng)絡(luò)中常用的公知電路，這里僅作簡單介紹。CAN接口電路包括對C8051F040的CAN收發(fā)信號進(jìn)行隔離的高速光隔6N137和將隔離后的CAN收發(fā)信號處理為CAN網(wǎng)絡(luò)差分信號的CAN收發(fā)器82C250。高速光隔6N137和CAN收發(fā)器82C250電路均為標(biāo)準(zhǔn)配置，可參看其器件手冊。CAN濾波電路以共模電感與濾波電容連接構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)共模濾波網(wǎng)絡(luò)。LM2576及濾波電路選用的核心芯片是5V版本的LM2576-5.0，AS1117及濾波電路選用的核心芯片是3.3V版本的AS1117-3.3。其濾波電路的構(gòu)成方式為標(biāo)準(zhǔn)電路，均可參看其期間手冊。π型感容濾波是以普通電感和瓷片電容構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)π型感容濾波。
所述各節(jié)點間的相互配合模式是主控制器根據(jù)子控制器和采集節(jié)點信息反饋以及整車網(wǎng)絡(luò)傳來的駕駛員意圖進(jìn)行故障診斷，決定系統(tǒng)工作模式及控制目標(biāo)，各子控制器嚴(yán)格工作在主控制器決定的系統(tǒng)工作模式并運用當(dāng)?shù)厮惴▽⑾鄳?yīng)控制量維持在控制目標(biāo)。比較繁重的算法在主控制器得到執(zhí)行，大部分傳感器、執(zhí)行器與擁有豐富I/O資源的子控制器連接，少量關(guān)鍵傳感器與執(zhí)行器可與主控制器實現(xiàn)。子控制器對當(dāng)?shù)乜刂屏堪锤S主控制器控制目標(biāo)方式進(jìn)行調(diào)整的算法為閉環(huán)，即相應(yīng)的信號采集、執(zhí)行算法和按算法結(jié)果驅(qū)動執(zhí)行器均在當(dāng)?shù)赝瓿?，既保證了各節(jié)點間相互依賴程度的降低，又減小了總線負(fù)載。
本發(fā)明通過合理選擇32位數(shù)字核心和8位數(shù)字核心兼顧了功能、效率和成本；通過對各控制節(jié)點大量運用公共硬件技術(shù)平臺大大簡化了硬件設(shè)計；各子控制器實現(xiàn)的當(dāng)?shù)亻]環(huán)控制減小了總線負(fù)載，降低了節(jié)點間耦合程度，提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰度和安全性，也適當(dāng)降低了接線復(fù)雜性。采集節(jié)點的引入進(jìn)一步降低了接線復(fù)雜性和控制節(jié)點的負(fù)擔(dān)。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明與傳感器、執(zhí)行器接線簡單，電磁兼容性好，適合模塊化開發(fā)，系統(tǒng)升級和修改方便，成本較低，控制結(jié)構(gòu)清晰，非常適用于燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)和滿足燃料電池發(fā)展的需求。
權(quán)利要求
1.車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，含有主控制器、子控制器、溫度采集節(jié)點、單片電壓統(tǒng)計節(jié)點和單片電壓采集單板；主控制器，通過一路CAN與外部節(jié)點構(gòu)成整車CAN網(wǎng)絡(luò)，通過另一路CAN與子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集統(tǒng)計節(jié)點構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)，接收子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集統(tǒng)計節(jié)點傳來的信號，進(jìn)行處理并與外部節(jié)點進(jìn)行信息傳輸；子控制器，含有供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器和電氣系統(tǒng)子控制器，各個子控制器分別連接其對應(yīng)子系統(tǒng)的數(shù)字量傳感器、感性負(fù)載、模擬量傳感器、DC/DC及變頻器；溫度采集節(jié)點，含有基于CAN總線的多路溫度采集裝置，用于采集燃料電池的溫度信號，并通過CAN上傳到主控制器；單片電壓統(tǒng)計節(jié)點，通過一路CAN與單片電壓采集單板相連，接收所有單片電壓采集單板上傳的電壓信號，經(jīng)過統(tǒng)計，通過另一路CAN將數(shù)據(jù)上傳到主控制器；所述單片電壓采集單板有至少兩片，構(gòu)成單片電壓采集單板CAN網(wǎng)絡(luò)；單片電壓采集單板將采集到的燃料電池單片電壓通過CAN傳送到所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點。
2.如權(quán)利要求1所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主控制器由MC68376數(shù)字核心子板和主控制器母板接插組成，所述主控制器母板含有CAN濾波電路，分別與MC68376數(shù)字核心子板的CAN端口、燃料電池客車整車CAN網(wǎng)絡(luò)和燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)連接；數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路，輸入端連接燃料電池的數(shù)字量傳感器，輸出端連接MC68376數(shù)字核心子板的數(shù)字量輸入端；數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路，輸入端連接MC68376數(shù)字核心子板的數(shù)字量輸出端，輸出端連接燃料電池的感性負(fù)載；AD轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接燃料電池的模擬量傳感器，輸出端連接MC68376數(shù)字核心子板的模擬量輸入端；DA轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接MC68376數(shù)字核心子板的模擬量輸出端，輸入端連接電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的輸入端；電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接DA轉(zhuǎn)換電路的輸出端，輸出端連接輸?shù)饺剂想姵氐腄C/DC及變頻器。
3.如權(quán)利要求1所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述子控制器含有C8051F040數(shù)字核心、CAN接口濾波電路、數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路、數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路、AD轉(zhuǎn)換電路、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路；CAN接口濾波電路，分別與C8051F040數(shù)字核心的CAN端口和燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)連接；數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路，輸入端連接燃料電池的數(shù)字量傳感器，輸出端連接C8051F040數(shù)字核心的數(shù)字量輸入端；數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路，輸入端連接C8051F040數(shù)字核心的數(shù)字量輸出端，輸出端連接燃料電池的感性負(fù)載；AD轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接燃料電池的模擬量傳感器，輸出端連接C8051F040數(shù)字核心的模擬量輸入端；電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，輸入端連接MC68376數(shù)字核心子板的模擬量輸出端，輸出端連接燃料電池的DC/DC及變頻器。
4.如權(quán)利要求2或3所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字量輸入擴(kuò)展電路含有低速光隔TLP121、由電阻RDI31和電容CDI21構(gòu)成的一級低通阻容濾波、芯片74HC14，和電阻RDI51和電容CDI31構(gòu)成的二級低通阻容濾波。
5.如權(quán)利要求2或3所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字量輸出擴(kuò)展電路采用集成低邊驅(qū)動器TLE6228。
6.如權(quán)利要求2或3所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓-電流轉(zhuǎn)換電路采用AD694芯片。
7.如權(quán)利要求1所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度采集節(jié)點采用基于CAN總線的K7411多路溫度采集裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)，其特征在于，所述單片電壓統(tǒng)計節(jié)點采用MC68376數(shù)字核心子板。
全文摘要
車用燃料電池分布式控制系統(tǒng)屬于燃料電池控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及車用燃料電池控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，含有主控制器，通過CAN與外部節(jié)點構(gòu)成整車CAN網(wǎng)絡(luò)，與子控制器、溫度采集節(jié)點和單片電壓采集統(tǒng)計節(jié)點構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)；子控制器，含有供氣系統(tǒng)子控制器、水熱系統(tǒng)子控制器和電氣系統(tǒng)子控制器；溫度采集節(jié)點，含有基于CAN總線的多路溫度采集裝置，用于采集燃料電池的溫度信號，并通過CAN單片電壓采集單板有至少兩片，將采集到的燃料電池單片電壓通過CAN傳送到單片電壓統(tǒng)計節(jié)點。本發(fā)明成本較低，控制結(jié)構(gòu)清晰，非常適用于燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)和滿足燃料電池發(fā)展的需求。
文檔編號H01M8/00GK101030083SQ20061016734
公開日2007年9月5日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者劉蒙, 盧蘭光, 李建秋, 歐陽明高 申請人:清華大學(xué)