燃料电池轿车水冷却监控系统的实现
燃料电池轿车是以氢为能源的新一代新能源轿车。由于其本身的工作原理与功能结构决定了它有功率较大的发热部件。为了保证燃料电池轿车能够持久、稳定、可靠的工作，必须对发热部件进行冷却。为了达到最佳的冷却效果和最低的能源消耗，我们设计了水冷却监控系统，其基本实现思路也可应用于传统轿车。
燃料电池轿车水冷却监控系统其工作原理如下：通过温度传感器和压力传感器对冷却水温度和压力进行定时采样，进行相应的信号调理获取当前时刻下的冷却水温度和压力，经过AD 转换输入微控制器，随着温度的变化，微控制器对风扇和水泵进行调速，控制冷却水温度在设定范围内。同时，作为整车CAN 网络的一个节点，本系统通过CAN 总线将当前的冷却水温度和压力以及系统状态值上传给整车控制器，并接受来自整车控制器的控制指令。
此外，为了便于实车调试，本系统实现了CCP 标定协议（CAN Calibration Protocol），能够借助整车CAN 网络完成在线的参数标定和在线编程，这大大简化了参数的标定过程和匹配工作，也为整个网络中其他车载控制器的实车调试提供了解决方案，具有很高的实用性和现实意义。
本系统采用的是摩托罗拉公司的MC68HC908GZ16 微控制器，该微控制器尺寸小，资源齐全，具有很高的价格性能比。
2. 设计概述
本系统主要实现两大功能：其一，对水冷却系统进行监测和控制的功能，来实现最佳的冷却效果和最低的能源消耗；其二，利用CAN 网络实现对微控制器的在线参数标定与在线编程功能，减轻实车调试的标定匹配工作。
对水冷却监控功能的实现是：通过两路温度传感器和一路压力传感器来获取当前状况下的冷却水温度和压力，经过AD 转换输入微控制器，微控制器通过一定的控制算法输出信号给电机驱动芯片以及水泵变频器，从而控制四个冷却风扇的转速以及一个冷却水泵的启停和转速，并通过CAN 与整车控制器数据进行通讯，以达到最佳的冷却效果和最低的能源消耗：
实现在线参数标定与在线编程功能是：通过在微控制器与PC机两侧实现CCP标定协议，微控制器（MC68HC908GZ16）硬件接口使用其自带的MSCAN模块，在软件上加入CCP驱动程序； PC机硬件接口使用SYS TEC 公司的USB-CAN卡，并在Matlab软件平台上自主开发基于CCP协议的测量标定诊断工具（MCD：Measurement Calibration Device），实现在线标定与在线编程。
整个系统功能框图如图1所示。
图1 系统功能框图
硬件电路是以MC68HC908GZ16 微控制器为核心，并配以传感器信号调理电路，执行器驱动电路以及CAN 通讯电路。
微控制器
由于整个水冷却监控系统是一个比较完整的闭环控制系统，系统小但功能全，因此采用摩托罗拉公司的MC68HC908GZ16 8 位微控制器。该控制器资源齐全，尺寸小，适合整个水冷却监控系统的功能要求以及汽车的运行环境。其主要资源包括：一个CAN 模块、一个SPI 模块、一个ESCI 模块、两个双通道16 位定时器接口模块、8 路10 位AD 通道、一个基本时钟模块、37 个通用输入输出管脚、8 位键盘唤醒端口。并且该控制器采用PLL 锁相环技术，能够产生最高8M 的总线频率。
根据整个系统需要用到以下资源：一个CAN 控制器模块、两个定时器接口模块、四路AD 通道、一个基本时钟模块、PLL 锁相环模块以及若干通用IO 输入输出口。
微控制器各模块使用情况如下表1 所示：
表1 MC68HC908GZ16 模块使用情况 
表2 MC68HC908GZ16 端口定义 
表3 MC68HC908GZ16存储器分配情况 
传感器
温度传感器采集当前时刻的冷却水温度，选用Honeywell公司的TD系列温度传感器。信号调理电路对信号进行适当放大，并且能够检测温度传感器的断路和短路故障。
压力传感器采集当前时刻的冷却水压力。当压力过高指示水路阻塞故障；压力过低指示水路泄漏故障。选用Huba公司的511 OEM压力传感器，电源8～33V，输出4～20mA。采用12V电源，并串连240欧采样电阻，使输出0.96～4.8V电压。
执行器
冷却风扇通过散热器对冷却水进行散热。总共使用四个冷却风扇，对称布置在水冷系统两侧，同侧风扇相邻布置。电机为直流电机，额定电压为12V，额定电流为3A。两侧各一个风扇采用PWM 信号调速控制，电机驱动芯片采用摩托罗拉公司MC33186。另一风扇采用继电器开关控制，不进行调速。每侧两个风扇联合工作能实现全程调速控制：即首先使用PWM 对一个风扇进行调速，当温度升高到一定值，PWM 信号占空比达到100％时，开启继电器使另一风扇工作，而本风扇关闭，当温度继续升高，则再使用PWM 对本风扇进行调速，此时两风扇同时工作但转速不同；当温度下降时，首先减小PWM 信号占空比使本风扇转速下降，当占空比减到0％时，关闭继电器使另一风扇停止工作，同时将PWM 占空比调到100％，使本风扇满负荷工作，若温度继续下降，则继续减小PWM 占空比。这样通过两个风扇的联合工作，达到全程调速的目的。
水泵变频器推动冷却水循环流动，从而带走发热部件的热量。水泵变频器是Comp-AC 公司的ACS100 变频器，控制方式采用远程3-线型控制，转速控制信号使用0～20mA 电流信号。微控制器输出PWM 信号，进行有源滤波，得到直流分量，其后使用AD694 电压转电流芯片，输出0～20mA 电流信号。
通讯网络
本系统作为整车分布式控制系统的一个节点，与其他车载控制器通讯采用CAN 网络通讯。本系统接收整车控制器CAN 命令消息进行工作，并把系统状态量上传给整车控制器；同时，接收PC 机CAN 消息进行在线标定与在线编程。CAN收发器采用PHILIPS 公司的PCA82C250 收发器。
电源管理
考虑到系统的抗干扰性，在硬件电路设计中对各器件的电源及接地进行如下处理：MC68HC908GZ16 、温度传感器电路、压力传感器电路、PWM 风扇调速模块都由12V 蓄电池电源供电，统一共地；水泵调速模块（PWM 滤波电路、AD694 电压转电流电路）的电源由水泵变频器自身12V 电源提供，与12V 蓄电池不共地，MC68HC908GZ16 的PWM 信号通过光耦与滤波电路连接；CAN 通讯模块的电源通过DC/DC 与蓄电池电源隔离，不共地，CANTX 和CANRX 信号均使用光耦进行隔离后输入PCA82C250。如图2 所示。
评论