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(jìn)行冷卻。為了達(dá)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(jìn)行定時采樣，進(jìn)行相應(yīng)的信號調(diào)理獲取當(dāng)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(fēng)扇和水泵進(jìn)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(dāng)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(biāo)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(biāo)定和在線編程，這大大簡化了參數(shù)的標(biāo)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(jìn)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(biāo)定與在線編程功能，減輕實車調(diào)試的標(biāo)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(dāng)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(jī)驅(qū)動芯片以及水泵變頻器，從而控制四個冷卻風(fēng)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(jìn)行通訊，以達(dá)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(biāo)定與在線編程功能是：通過在微控制器與PC機(jī)兩側(cè)實現(xiàn)CCP標(biāo)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(jī)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(biāo)定診斷工具（MCD：Measurement Calibration Device），實現(xiàn)在線標(biāo)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(dāng)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(jìn)行適當(dāng)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(dāng)前時刻的冷卻水壓力。當(dāng)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(fēng)扇通過散熱器對冷卻水進(jìn)行散熱?？偣彩褂盟膫€冷卻風(fēng)扇，對稱布置在水冷系統(tǒng)兩側(cè)，同側(cè)風(fēng)扇相鄰布置。電機(jī)為直流電機(jī)，額定電壓為12V，額定電流為3A。兩側(cè)各一個風(fēng)扇采用PWM 信號調(diào)速控制，電機(jī)驅(qū)動芯片采用摩托羅拉公司MC33186。另一風(fēng)扇采用繼電器開關(guān)控制，不進(jìn)行調(diào)速。每側(cè)兩個風(fēng)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(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)溫度升高到一定值，PWM 信號占空比達(dá)到100％時，開啟繼電器使另一風(fēng)扇工作，而本風(fēng)扇關(guān)閉，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，則再使用PWM 對本風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速，此時兩風(fēng)扇同時工作但轉(zhuǎn)速不同；當(dāng)溫度下降時，首先減小PWM 信號占空比使本風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)占空比減到0％時，關(guān)閉繼電器使另一風(fēng)扇停止工作，同時將PWM 占空比調(diào)到100％，使本風(fēng)扇滿負(fù)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(fēng)扇的聯(lián)合工作，達(dá)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jī)CAN 消息進(jìn)行在線標(biāo)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(jìn)行如下處理：MC68HC908GZ16 、溫度傳感器電路、壓力傳感器電路、PWM 風(fēng)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(jìn)行隔離后輸入PCA82C250。如圖2 所示。
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