基于S32K144的燃料电池堆控制系统设计

韩冬林，刘艺柱，翟晓晗，张 杰

(天津中德应用技术大学，天津 300350)

经过近十年的持续研发，车用质子交换膜燃料电池在能量效率、功率密度、低温启动等功能特性方面已经取得了突破性进展，新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近[1]。质子交换膜燃料电池发电原理与原电池类似，但与原电池和二次电池比较，需要具备一套相对复杂的管理系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控单元等子系统[2]，所以车用燃料电池堆控制系统所采用的电子器件必须能够满足车用环境的严格要求，尤其是主控制器芯片要求符合车规等级。S32K144 是NXP 公司生产的一款新型的高集成度、低功耗32 位汽车级高性能微控制器芯片，基于ARM Cortex-M4F 内核，最高主频达到了112 MHz，符合AEC-Q100 规范，内部集成了具有DSP 功能的单精度浮点单元FPU、1MHz 采样速率的2×16 通道的高速12 位A/D 转换模块、3 通道SPI 串行通讯模块、支持SAE J2602 协议的3 通道UART/LIN 通讯模块、支持CAN-FD ISO/CD 11898-1 协议 的3 通道FlexCAN 通讯模块[3]。基于S32K144 微控制器，本文设计了一种车用质子交换膜燃料电池堆控制系统，采用C 语言编程方式，完成了膜电极单膜电压检测电路和燃料电池堆控制电路的软硬件优化设计。

1 车用质子交换膜燃料电池堆控制系统构成

本文设计的车用质子交换膜燃料电池堆控制系统构成如图1 所示，主要由膜电极单膜电压检测电路和电池堆控制电路构成。

图1 车用质子交换膜燃料电池堆控制系统框图

由于近年来车用燃料电池堆的额定功率指标不断提升，电池堆膜电极的串联片数也在不断增加，本课题组前期设计的60 片串联膜电极单膜电压检测电路已经很难满足大功率车用燃料电池堆控制系统的技术需求了，所以新设计的膜电极单膜电压检测电路可以采集120 片串联膜电极单模电压信号C00～C121，还可以采用N个单膜电压检测电路集成使用的方法，通过CAN2 通讯口实现N×120 片膜电极单模电压信号的实时数据传输。燃料电池堆控制电路通过内置的高速A/D 转换电路采集燃料电池电堆的传感器信号，同时还通过内置的数字I/O 电路输出控制信号驱动燃料电池堆的执行器动作，燃料电池堆的传感器信号主要包括氢气侧气源压力、氢气侧/空气侧进出堆压力、氢气侧/空气侧出堆压力、氢气侧/空气侧进出堆温度、质量式空气流量值、循环水进堆压力、循环水进堆/出堆温度，燃料电池电堆的执行器信号主要包括氢气侧气源控制阀、氢气侧进气/排气控制阀、空气侧气源控制器、循环水泵、循环水散热控制器。燃料电池堆控制电路通过总线CAN1 完成与膜电极单膜电压检测电路的数据通讯，总线CAN2 完成与锂电池管理系统和升压式DC-DC 转换器的数据通讯，总线CAN3 完成与整车电控单元ECU 的数据通讯。

2 膜电极单膜电压检测电路设计

2.1 单膜电压检测电路硬件设计

因为燃料电池堆内部为串联结构，电池堆膜电极的单膜电压反应了整个电池堆和辅助系统的工作状态，通过检测膜电极的单膜电压能及时发现电池堆工作的异常状况[4]，所以膜电极单膜电压检测电路需要实时检测电池堆中串联的每个膜电极单体的实时电压数据，并将所有单膜电压数据上报给燃料电池堆控制电路。本文设计的燃料电池堆膜电极单膜电压检测电路如图2 所示。

图2 膜电极单膜电压检测电路图

膜电极单膜电压检测电路采用Linear 公司的新型电池组监视器芯片LTC6804，该芯片是第三代多节电池监视器，单芯片最多可测量12 个串联电池单体电压，内部ADC 的分辨率为16 位，单体电压测量误差低于1.2 mV[5]。因为LTC6804 芯片内部集成了SPI 串行通讯模块，所以可以很方便地实现与S32K144 微控制器芯片之间的实时数据通讯功能。本文设计的膜电极单膜电压检测电路共使用了10 个LTC6804 芯片，每个单膜电压检测电路可以采集120 片膜电极单膜电压信号，限于篇幅，图2 只给出了1 个LTC6804 芯片与S32K144 微控制器芯片之间的电路简图。S32K144 微控制器采用内部集成的FIRC 振荡器，省掉了外部晶振电路，S32K144 的PB2、PB3、PB4 分别作为SPI0.SCK、SPI0.MISO、SPI0.MOSI 串行通讯管脚使用，PB7、PB6、PE14、PE3、PE12、PD17、PD16、PD15、PE9、PD14、分别作为1～10 号LTC6804 芯片的片选信号管脚使用，PB0、PB1 分别作为CAN1.RXD、CAN1.TXD 通讯管脚使用，PA12、PA13 分别作为CAN2.RXD、CAN2.TXD 通讯管脚使用。因为LTC6804 芯片的C00～C12 管脚直接与燃料电池堆膜电极单体相连，所以LTC6804 与S32K144 之间的信号线和电源线必须要加入隔离电路，本设计采用ADI 公司基于isoPower 专利技术的四通道隔离器ADuM5401，该芯片内部集成了三通道输入隔离电路、一通道输出隔离电路及DC-DC隔离电源电路[6]，可以产生隔离稳压输出的+5 V，再经过非隔离的DC-DC 升压转换器，就可以产生LTC6804 芯片所需要的+24 V 隔离供电电压。

2.2 单膜电压检测电路软件设计

因为LTC6804 芯片内部已经集成了SPI 串行通讯模块，所以在单膜电压检测电路软件设计上只需按照图3 所示的LTC6804 串行通讯接口时序[5]，将S32K144 内置的SPI 模块作为串行通讯主机，将LTC6804 内置的SPI 模块作为串行通讯从机，SPI 驱动程序在S32K144 的输出管脚SPI0.SCK、SPI0.MOSI、L6804#1.CS 上生成符合图3 时序的控制脉冲序列SCK、SDI、CSB，就可以通过读取SPI0.MISO 输入管脚的SDO 电平信号状态值，实现微控制器芯片S32K144 和电池组监视芯片LTC6804 之间的SPI 串口通讯功能。

图3 LTC6804串行通讯接口时序图

虽然LTC6804 芯片内置了isoSPI 接口，支持长达100 米内多个LTC6804 芯片的菊链式SPI 通讯连接[5]，但是考虑到S32K144 微控制器芯片具备足够多的IO 管脚，并且isoSPI 接口使用的隔离变压器会占用PCB 空间，所以本设计采用10 个LTC680 芯片共用SPI0.SCK、SPI0.MOSI、SPI0.MISO 信号，每个LTC680 芯片单独使用CSB 片选信号的并联单独寻址的方法，单膜电压检测软件轮流选中1～10 号LTC6804 芯片的CS片选信号，使用ADCV 命令启动单膜电压ADC 转换，使用PLADC 命令轮询ADC 转换状态，使用RDCVA～RDCVAD 命令读取膜电极单膜电压ADC 数据。

3 燃料电池堆控制电路设计

3.1 燃料电池堆控制电路硬件设计

本文设计的燃料电池堆控制电路构成如图4 所示。

图4 燃料电池堆控制电路结构图

因为S32K144 微控制器芯片内部集成了2×16 通道的高速12 位A/D 转换模块，所以本设计将质子交换膜燃料电池堆的压力传感器、流量传感器、氢气泄漏探头输出的电压信号经0～5 V 电压调理电路送入S32K144 芯片内置的A/D 转换器，电堆温度检测采用热敏电阻式温度传感器作为敏感元件，再经电阻-电压转换电路送入S32K144 芯片内置的A/D转换器，2×16 通道的A/D 转换器将压力、温度、流量传感器的信号采样后转换为数字量，作为燃料电池堆控制程序的入口参数。S32K144 芯片的数字I/O 口一方面负责接收外部的开关量命令信号，另一方面输出控制信号给电动执行器，除此之外，S32K144 的CAN1 总线模块用于实现与单膜电压检测电路、调试触摸屏之间的数据通讯，CAN2 总线模块用于实现与升压式DC-DC 转换器、锂电池管理系统之间的数据通讯，CAN3 总线模块用于实现与整车ECU 之间的数据通讯。与本课题组前期设计的燃料电池堆控制电路相比，由于S32K144 芯片内置的ADC 支持最大32 次的硬件累加平均功能，所以新的设计可以有效提高传感器的平均采样速率和模拟量数据采样的数字滤波性能。

3.2 燃料电池堆控制电路软件设计

因为实际的车辆在不同工况运行，负载变化频繁，而燃料电池动态响应速度较慢，需要辅助动力源提供能量，抑制能量波动，才能使整车保持良好的动态性能[7]，所以在设计车用燃料电池堆控制程序时除了要实时精确调节燃料电池堆的工作温度及湿度、氢气侧/空气侧压力及流量等控制变量之外，还必须综合考虑与升压式DC-DC 转换器和整车ECU 的实时功率匹配问题，本设计中燃料电池堆控制软件流程如图5 所示。

图5 燃料电池堆控制软件流程图

4 实验数据

质子交换膜燃料电池膜电极单体的理想输出电压计算公式如下[8]：

式中：pH2、pO2、pH2O分别为氢、氧和水蒸气的压力；Eo为燃料电池膜电极单体的理想标准电动势；R为通用气体常数；T为燃料电池膜电极单体的工作温度；F为法拉第常数[8]。由公式(1)可以得出结论：理想状态下，通过精确控制质子交换膜燃料电池膜电极单体的工作温度T、氢气压力pH2、氧气压力pO2等变量的数值，就可以有效控制质子交换膜燃料电池膜电极单体的输出电压Uo，因此，膜电极单膜电压数据和电流密度数据是评判燃料电池堆控制系统性能优劣的重要指标。在BY-280 型燃料电池堆试验平台上，本文设计的基于S32K144的燃料电池堆控制系统实验测试条件为：单膜工作面积为270 cm2，膜电极厚度为0.47 mm，膜电极数量为30，进气压力氢气侧为30 kPa，空气侧为25 kPa，电堆温度为65～70 ℃。实验数据如表1和表2所示。图6为燃料电池堆V/I数据曲线图。

表1 燃料电池堆测试数据

表2 膜电极单膜电压测试数据

图6 燃料电池堆V/I数据曲线图

5 结论

本文设计的车用质子交换膜燃料电池堆控制系统采用了新型的基于ARM Cortex-M4F 内核的32 位汽车级微控制器S32K144 芯片，充分利用其内部集成的高速A/D 转换模块、SPI 串行通讯模块、FlexCAN 通讯模块，将膜电极单模电压检测电路、燃料电池堆控制电路、升压式DC-DC 转换器、整车ECU 组成局域网，用样机验证了由燃料电池和锂离子电池组成的车用混合动力系统实时功率匹配方法，实现了基于CAN 总线的燃料电池堆运行状态及控制参数实时联网匹配的设计目标。