宋翔 马文超 李海涵

摘要：为确保燃料电池驱动系统的安全性和可靠性，提出一种车载燃料电池的故障诊断系统设计。根据燃料电池工作原理，确定系统的功能需求和总体框架，主要组成包括信号调理模块、CAN数据通讯模块、数据采集模块、集成控制器模块等。基于 CAN通讯方案，对系统内的通讯节点和传感节点进行了硬件设计，其核心控制器为 STM 系列单片机。在软件控制设计方面，可通过 UC/ OS-III 系统完成多任务同步执行和不同任务的同步性。该系统集成性良好，稳定性高，可实现良好的社会效益和经济效益。

关键词：控制系统;燃料电池;单片机;通讯

中图分类号：U473.4文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0137-04

Design of Fault Diagnosis System for Vehicle Fuel Cell

Song Xiang ，Ma Wenchao，Li Haihan

（Zaozhuang Science and Technology Career Academy， Zaozhuang， Shandong 277599， China）

Abstract： In order to ensure the safety and reliability of fuel cell drive system， a fault diagnosis system design of vehicle fuel cell was proposed. According to the working principle of fuel cell， the functional requirements and overall framework of the system were determined. The main components include signal conditioning module， can data communication module， data acquisition module， integrated controller module， etc. Based on CAN communication scheme， the hardware design of communication node and sensor node in the system were carried out， and the core controller was STM Series MCU. In the aspect of software control design， multi task synchronization and synchronization of different tasks can be achieved through UC/OS-III system. The system has good integration， high stability and good social and economic benefits.

Key words： control system; fuel cell; single chip microcomputer; communication

0 引言

燃料電池作为新能源汽车最重要的动力装备之一，其放电过程中的稳定性与安全性对于行车安全和续航里程有着关键的影响[1-3]。通过对国内外车载燃料电池在运行中的主流故障分析可知，燃料电池的工作参数需要实时监测[4]，良好的诊断系统可有效地提升电池稳定性。目前，国内外学者对于普通充电电池的监测系统已经开展较长时间的研究，技术与成果也相对成熟，而对于燃料电池的涉及相对较少，车载燃料电池故障诊断系统的应用率明显不足。

在工作效率方面，燃料电池明显优于铅酸电池。燃料电池大多数以氢燃料为主，通过与氧气之间的燃烧反应实现热量的生成，结合传动系统形成典型的燃料电池发动机[5-6]。燃料电池汽车的续航里程可满足基本需求，一般在400 km左右，燃料补给时间一般在10 min以内，能量传递效率为汽油机的3倍以上，而且整个过程中清洁无污染。通过对燃料电池故障诊断系统的设计，可有效确保燃料电池的稳定性，避免电压偏差问题，降低电池的发热量，从而减小整个驱动系统的故障率。

1 系统总体设计方案

1.1 功能需求分析

车载燃料电池故障诊断系统需要对诸多参数进行数据采集，采集后的电信号经过控制器处理后将在云盘和硬盘同时存储。根据汽车行驶过程中的驱动条件，可确立系统的功能需求如下。

（1） 燃料电池的电流、电压以及温度等参数的实时监测和预警。系统中的参数监测通过集成与外接的传感器共同实现，信号传输方式主要为 CAN总线形式[7-8]，不但对电池信号进行判定，而且可以预测整车故障因素。

（2） 故障定位与无线通讯功能。系统若检测出电池或者传动机构发生故障，则根据电信号特点预判故障类型，并实时接收 GPS定位信号，以便救援工作开展。无线通讯的信号覆盖面广泛，数据传输稳定可靠。

（3） 数据处理与存储。各路传感器得出的监测数据可根据控制器要求进行分类处理，比如模拟信号与电信号。数据存储以数据表的形式实现，便于查找和下载。

1.2 总体框架设计

燃料电池以氢燃料的化学反应为主，因此需要对氢元素进行安全监测。在基于模块化设计方案下，可确定系统的基本组成部分包括信号调理模块、CAN数据通讯模块、数据采集模块、集成控制器模块等，其框架结构如图1所示。外围电路包括预警实施电路、各路电磁阀调节电路、控制器最小系统电路等。

氢元素的含量基于传感器的实时监测来获取，不但包括主燃料瓶内的氢元素含量，还包括反应腔和客舱内的氢含量。在系统进行监测时，主要以信号调理的方式获取最终数据，在处理器的连续反馈作用下，最终以数字信号进行存储。燃料电池内的温度信号、进出压力信号也是判定电池是否正常工作的关键数据，因此需要基于 CAN通讯方式将被测信号传输至控制器。控制器能够激发电磁阀，返回模拟信号，可根据这些模拟信号判定故障的类型，并及其提醒驾驶员。故障信号的不限于氢燃料的异常，各路机械部件的损坏，也可进行监测与判断。

1.3 故障诊断系统实施过程

为提升系统的工作效率，将数据采集过程中的反馈形式分为传感节点和通讯节点。采集节点的不同对应信号功能的不同，比如，传感节点采集主要用于获取机械传动机构、车辆本身的加速度、侧翻等信号，通讯节点用于获取燃料电池自身的参数信息。CAN通讯是系统内各硬件之间传递数据的核心方式，传输方式以节点为主，传输媒介为报文。系统工作时，首先对被传输报文的优先级进行判定，对于较高优先级的直接根据通讯协议发送，而优先级相对较低的节点处于待定接收状态。数据接收后，将对节点数据进行检测和反馈，确认数据返回。氢燃料的检测需要与整车的控制系统相连接，比如燃料控制器、驱动与制动控制器等，数据交互便利。

若出现多于的无效数据，则需要对节点进行删减处理。针对该要求，系统可以采用 CAN 节点重新配置方法，灵活调节节点的数量与位置，便于硬件与软件控制的修改和升级。简化整体结构是系统设计的必要条件，氢燃料的检测通过合理的电路设计，可有效地实现低功耗、低成本和较高的稳定性。电池驱动系统的诊断原理如图2所示，采用嵌入式系统设计[9-10]，对于上位机的要求较低，满足性价比要求。在整体监测方面，系统采用了 ARM 控制器，可有效降低发热量，同时监控多个节点数据，内部存储量较大，交互速率快，满足故障诊断对控制效率的要求。系统具备在线监测能力，控制芯片能够实现多任务处理，并针对不同的控制目标进行硬件之间的协调，确保优先级的可靠性。

2 系统硬件电路设计

2.1 通讯节点与电路设计

根据燃料电池故障诊断系统的功能设计要求，确定通讯节点的核心控制器为 STM系列单片机。该系列的控制器具有较高的性价比，具有六级加工精度，在最小系统设计中具有顯著的优势条件，除了集成的功能电路之外，仅需额外设计电源电路（图3）、初始化电路以及调控反馈电路。

通讯节点内的相关硬件数据容易受到多方面因素干扰，严重时诱发寄存器故障出现数据乱码，难以实现复杂功能指令，因此需要良好的初始化功能。对于氢燃料的监测，为避免多路传感器接通控制器时产生死机现象，系统设计时钟电路，以可靠性的时间基准为依据，避免程序的跑飞现象。一般地，系统内的微控制器对于时钟信号的精度要求是非常高的，若时钟信号不同步或者偏差过大，都会导致信号检测出现故障。为此，系统增设了额外的时钟电路，在晶振的作用下，有效保持时钟精度。在该电路中，晶振首先接通电容，然后与控制器内的 XTAL 端口直连，提供稳定的激振信号。

在通讯节点监测中，电路电压有两种： 5 V 与3.3 V 。为得出稳定的直流电压，需要设置良好的电压调节回路，系统采用 MP2359转压芯片，其具有两种输出方式，满足系统供电需求。

2.2 传感节点与电路设计

传感节点隶属于整机监测功能范畴，因此最小系统设计应具备通讯节点的基本功能，而且需要预留特定的接口，以拓展模块功能。传感节点模块的通讯功能具有特殊性，其组成不但包括 CAN通讯端，还具有 GPRS无线通讯模块连接电路以及存储器电路。综合考虑功能与成本，系统采用4G 网络模块作为远程通讯的核心控制器，其接线如图4所示，主要基于 PCI-E 总线的接口设计，可用于各种主板，通用性和互换性良好。传感节点的数据传输支持 TCP/IP 协议，能有效覆盖各种无线网络，抗干扰能力较强。

3 系统软件控制设计

3.1 数据采集控制方案

数据采集软件控制基于 UC/OS-III 系统实现，该操作系统具有开源性，能够有效实现多任务同步执行。对于车载燃料电池故障诊断系统，其表现出良好的可移植性，占用处理器内存较小，因此实时性较好，发生程序 bug的概率非常低。由于操作系统的精简性良好，因此可方便地移至到 PC系统，在上位机远程查看和调控系统参数。数据采集在进行多任务时，处理器能够针对信号的标记号、列队信息以及能量特征实现不同任务的同步性。采集数据的总体流程包括系统初始化、目标初始化、任务创建和多任务协同等，如图5所示。

燃料电池的基本参数可通过 RS232接口传输至控制器，与监测信号相关的时域信号可基于 ADC 控制端输入。通讯节点和传感节点的串口设定采集频率为100 Hz ，最终被 UART 端接收和处理。车辆本身的位置信号以10 Hz 的频率向外发射，在控制端以电压信号的形式接收。

3.2 中断控制方案

中断程序是确保程序顺利切换的关键，为确保软件控制效率，设定中断控制流程如图6所示。通讯节点接收参数数据组后，以数据帧的形式获取解析结果。中断发生时，消息列队将被发送，任务将被转换，同时进行初始化处理。中断返回响应后，消息列队再次被发送，中断进入退出状态。

3.3 系统调试方案

车载燃料电池故障诊断系统需要通过调试才能获取良好的控制效果。对于燃料监测，氢燃料的温度、压力和燃料推进信号均需要实验性解析，设定对发动机驱动系统的故障预判，形成故障信号代码。这些实验代码将基于 CAN总线通讯方式传输至上位机系统，用于反馈指令。系统进行调试时，还需要进行泄露检测实验和通讯故障模拟，均采用CANtest软件进行仿真和测试。

4 结束语

燃料电池驱动系统是国家重点扶持的科研方向，燃料电池安全性和可靠性的提升对于相关产业的发展有着重要的推动作用。由于电料电池相比其他电池的易燃易爆性更为显著，因氢燃料泄露发生火灾甚至爆炸的概率更高。本系统内的通讯节点和传感节点能够有效地监测不同的类型的故障信号。通过对车载燃料电池故障诊断系统的设计与研究，可有效地确保氢燃料动力源的温度、压力等参数处于正常的范围，能够显著改善汽车运行状态，提升驾驶的安全性与舒适性。

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第一作者简介：宋翔（1984-），男，山东枣庄人，硕士，讲师，研究领域为自动化技术。 （编辑：刁少华）