APP下载

燃料电池客车氢系统碰撞保护传感器应用研究

2020-04-26周广波王品泉

客车技术与研究 2020年2期
关键词:燃料电池客车加速度

周广波, 王品泉

(扬州亚星客车股份有限公司, 江苏 扬州 225000)

氢气易挥发、易燃、易爆及氢脆等特性[1],使得氢燃料电池客车在使用过程中存在一定的安全隐患。对于车载供氢系统的安全措施,已具备过压保护、过流保护、过温保护、低压报警等功能[2-3],还具备了氢气泄漏的检测和控制。但燃料电池客车发生碰撞的时候存在火灾风险,因此燃料电池客车还要具备车载氢系统碰撞安全设计[4]。其中碰撞传感器是车载氢系统碰撞安全保护系统的“神经末稍”,它主要检测、判断汽车发生碰撞时的撞击信号[5],并将信号输入到整车和氢系统控制器,以便它们及时启动一系列安全保护措施。

1 碰撞保护传感系统设计

1.1 布置及安装要求

目前,对燃料电池氢安全的碰撞防护设计除了关键零部件具有防撞能力外,还通过位置布置、固定装置保护、主动碰撞保护系统监控碰撞并与整车控制系统联动、自动断电、自动关闭阀门等措施来避免灾难的发生。在氢燃料电池客车上可安装多个碰撞传感器,与整车控制器组成燃料电池氢安全的碰撞主动防护系统。

一般氢燃料电池客车设置2~5个碰撞传感器[5],多路并联使用,分别安装在车辆前方大梁、车辆后方大梁及车辆重要部位处的侧面,如安装在前后保险杠中间、左右侧围、加氢口和燃料电池处,但一定要保持与车辆前后方向和车身左右方向对齐一致,切勿倾斜安装,角度误差应≤5°[6]。由于大型车辆底盘有一定韧性,距离较远的碰撞能量无法全部传递到碰撞传感器,所以需要在车辆前方大梁、车辆后方大梁及车辆重要部位处的侧面分别布置,多路传感器并联使用,最大程度地减轻车身变形对瞬时加速度的影响。

为了保证检测信号的准确性,碰撞传感器必须具备一定的刚性,以免碰撞后发生吸能变形导致加速度检测不准确[7]。选用合金塑料作为传感器的外壳,同时灌封环氧树脂,让电路板上器件和整个安装底座形成一个刚性的连接体。碰撞传感器应适应汽车上的恶劣环境,整体防护等级达到IP67, 在-40~+85 ℃范围内都能可靠工作,输出信号必须稳定,不易受车辆电气环境干扰。能防意外溅水,低温结冰环境应能正常工作,高温时寿命和可靠性也不受影响。

1.2 主要参数要求

碰撞传感器负责检测碰撞的激烈程度,为了保证碰撞检测信号的准确性,有两个重要指标,一是加速度阈值,二是精度,防止因碰撞传感器误动作而造成系统意外保护。

1) 加速度阈值。车身在碰撞过程中产生的加速度分为两个主要阶段:在碰撞初期,车身加速度有一个很大的峰值出现;随后车身及吸能部件依次发生压溃变形,进入相对稳定的吸能阶段。加速度的峰值通常高出稳态阶段的2~3倍。

如碰撞过程中加速度的峰值按稳定阶段的2倍估算,则有am=2a=-14.2g×2≈-30g。

碰撞传感器加速度阈值是由客车性能及其碰撞特性(如速度、正面、侧面等)而定,为保证燃料电池客车碰撞检测的准确性,碰撞传感器的加速度阈值按25%提前量设定,即-7.5g。

2) 精度。结合加速度阈值和碰撞检测的准确度要求,碰撞传感器的精度要求达到0.1g。

2 碰撞传感器工作原理

燃料电池客车碰撞保护系统核心部件是碰撞传感器,如图1所示,主要由电源、双轴加速度传感器、CAN收发器电路、单片机及其外围电路和软件组成。碰撞传感器内部集成有加速度计AIS2120SX,实时检测汽车前后和左右方向上的碰撞加速度,当实时检测出当前的碰撞加速度超过设定阈值时,通过CAN接收器U1及时输出报警报文和报警信号给整车控制器,整车控制器立即给氢系统控制器发出指令关闭储氢瓶阀门,断开氢气供应和整车电源,将氢气的泄漏量降至最低,从而起到保护车辆的作用,减少火灾的发生。

图1 碰撞传感器工作原理图

报警信号采用双组冗余设计[8]:报警低电平信号ALARM1;报警高电平信号ALARM2。同时报警信号动作后需锁存,直到电源重启后才可解锁。碰撞信号持续时间在额定输出电流情况下应可维持50 ms,防止碰撞瞬间电源丢失,导致触发信号无效。

1) 电源部分。车辆不稳定的电源(通常为DC 18~32 V)经过线性直流稳压芯片U5得到+5 V电源,+5 V再经过LDO电源芯片U6得到+3.3 V电源。3.3 V电源为主电源,给单片机及双轴加速度计AIS2120SX芯片U3供电,+5 V电源给CAN收发器U1供电。为了提高电源系统的可靠性及稳定性,增加了2个输入电路TVS,对后面的电源芯片进行保护,提高了系统的EMC和EMI能力。

2) 双轴加速度传感器AIS2120SX。U3为双轴加速度检测芯片,集成了X轴、Y轴2个独立加速度检测通道,集成了精密的温度补偿装置,通过数字低通滤波器抵消由于失调电压造成的速度偏移误差,滤除由于碰撞造成的噪声和振动高频分量,最终得到真实的加速度。内置的上电自检功能确保可靠性和运行实时诊断[9-10]。

3) CAN收发器电路。U1为CAN收发器电路,MCU通过读到的X轴、Y轴方向的加速度值,通过CAN总线发送出去。

4) 单片机MCU。采用的是STM8A系列车规级芯片,TM8单片机由意法半导体(ST)于2009年推出,它具有3级流水线架构、性价比高、开发方便等优点。MCU通过SPI总线读到X轴、Y轴方向的加速度,当大于设定阈值时,ALARM1输出低电平(正常悬空状态)。报警时ALARM2输出高电平(正常悬空状态)。

5) 单片机外围电路。保证MCU在上电期间能够进行正常复位及初始化,为单片机提供稳定的时钟信号。

6) 软件。碰撞传感器软件主要包含上电初始化设置、加速度值读取及报警输出、CAN总线数据发送3个流程。使用ST TOOLS进行软件开发,ST TOOLS包含STVD和STVP两个工具包,是STM8芯片集成的软件开发环境;使用C语言和汇编语音混合编程。STVD提供芯片在线仿真和脱机软件仿真功能,在线仿真为非侵入式仿真,通过STLINK工具可连接到目标板,观察CPU的实际运行状态,包括各种变量变化和设置、程序调整、断点设置等实用功能。但在使用前须根据芯片规格进行开发工具的配置(Toolset)选项和选择编译器。STM8可选IAR和Cosmic作为编译器,但Cosmic编译出来的代码比IAR更好。

3 结束语

燃料电池客车已经开始商业示范运营,以碰撞传感器为核心的燃料电池氢安全的碰撞防护系统已广泛应用,可以有效降低燃料电池客车发生碰撞时的火灾风险。

猜你喜欢

燃料电池客车加速度
“鳖”不住了!从26元/斤飙至38元/斤,2022年甲鱼能否再跑出“加速度”?
燃料电池题解法分析
客车难改下滑颓势
金龙客车的不凡履历
天际加速度
客车市场进入寒冬?
创新,动能转换的“加速度”
死亡加速度
试驾丰田氢燃料电池车“MIRAI未来”后的六个疑问?
基于Cruise的纯电动客车动力系统匹配