基于氢探PowerECU的燃料电池控制系统开发经验

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

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

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（高效性能寿命的关键。

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。

来源：FuelCellPowerIn