燃料电池发动机测控系统控制平台的设计

摘要：基于MATLAB/SIMULINK/STATEFLOW软件平台，结合dSPACE的软硬件资源，开发出了燃料电池发动机测控系统的控制平台。在燃料电池发动机测试规范的基础上，该平台实时地实现了发动机的工况管理、基于CAN总线的各部件节点的协调控制、自动和手动测试及无缝切换、测功机负载控制、故障诊断和处理及数据记录等功能，顺利完成了燃料电池发动机的测试。

关键词：燃料电池；发动机；测试；控制平台

前言

随着汽车排放法规的日益严格，燃料电池电动汽车的发展受到人们的广泛关注。质子交换膜燃料电池发动机EMFCE)由于具有零污染、工作温度低、启动性能好等优点，已成为各国为解决交通污染而竞相研究的焦点。燃料电池发动机(FCE)动力系统包括FCE、蓄电池、DC/DC、电机和测功机等多个部件节点，为了实现对各个FCE进行安全、公正、公平的测试，开发一个能在各种工况下，对各个节点协调管理的控制平台是非常重要的。

FCE测控系统构成

FCE测控系统组成如图1所示。氢气系统为燃料电池提供燃料，独立的氢气安全系统提供检测氢气泄漏浓度的继电器信号；FCE、主DC/DC、电机和测功机构成主体的动力系统；蓄电池和相应的辅助DC/DC、DC/AC等用于进行FCE的启动测试；工控机数采系统实时采集并记录电压、电流、压力、温度等各个参数；dSPACE作为核心的控制平台，通过CAN总线与FCE、主DC/DC和电机进行交互，经过SCI总线与数采系统相联系，并接受氢气安全系统的继电器信号和其它的模拟和开关量信号，在不同的工况下对各节点协调控制，并通过D/A直接控制测功机负荷，对FCE进行负载调节。

图1燃料电池发动机测控系统构成

控制平台开发基础

FCE测试规范
FCE测试规范如表1所示，它是控制平台开发的基础，控制平台的自动测试程序以此为依据对FCE进行负载调节。


MATLAB/SIMULINK/SATEFLOW和dSPACE简介
MATLAB/SIMULINK/STATEFLOW是一个基于有限状态机理的图形化设计和开发工具，特别适用于复杂多状态系统的仿真和控制。dSPACE是德国dSPACEGmbH公司开发的与MATLAB完全无缝兼容的通用控制器，其快速控制原型开发、自动代码生成、硬件在环仿真等功能已在汽车、航空航天等各个控制领域广泛运用。文中采用MicorAutoBox1401/1501系列的dSPACE，它具有400MHz的主频，强大的运算能力和丰富的硬件控制资源，包括A/D、D/A、数字I/O、SCI、两个支持CAN210B的CAN模块和TPU等外围模块，友好的ControlDesk监控界面和各种虚拟仪表，可以方便地进行参数的在线修改和实时控制。

控制平台功能模块

控制平台的MATLAB/SIMULINK界面主要包括工况管理模块、手动和自动模块、CAN通信模块、SCI通信模块、测功机扭矩控制模块、故障诊断和处理模块及故障代码记录模块等。

工况管理模块
燃料电池工况管理模块是基于MATLAB/STATEFLOW的FCE工况管理核心。在等待系统自检成功后，将FCE工况分为停车工况、启动工况、等待测试指令工况、怠速工况、部分或标定负荷工况和过载工况等6个状态，手动模式下工况间的转换由相应的事件进行触发，自动模式则在该工况稳定时间达到测试规范的规定值时进入下一测试工况。除停车工况外，使能标志forceexit可以强制退出FCE目前的工况。由于测试系统包括许多强电部件和动力电缆，信号的传递和条件的判断容易受到干扰，为此除了在硬件上进行相应的电磁兼容处理，在软件中也进行了相应的消抖处理。

启动和停车工况由相应的启动和停车标志来判断，等待工况由动力系统保护装置的功率开关触点状态给定，怠速、部分或标定负荷、过载工况由发动机目标净功率判别。启动过程结束的条件为FCE维持自身的运转且蓄电池电流为零。当出现故障时，会进入强制怠速工况或停车工况，以保护燃料电池发动机。在每个工况中，dSPACE将以CAN总线通信的方式向各个部件节点发送相应的控制命令和自身的life信号表示总控单元的正常运行，同时控制测功机的扭矩进行负荷调节。在部分或标定负荷和过载工况中，若是由启动或怠速工况过渡而来，应在电机平稳启动之后才对电机加载，保证系统的正常运行。

手动和自动测试模式
在自动方式下，工况管理模块记录每个工况的工况号(autoindex)，在正常退出条件满足时对此工况号进行更新。在手动和非正常退出工况时(如:强制怠速)工况记录值保持不变。为实现手动和自动的无缝切换，设置“允许手动指定工况号(manualdesignate)”标志和“手动指定工况索引(manualindex)”计数器。当指定测试规范中的工况号和上述使能标志时，可以从手动模式无缝切换到自动模式中，否则将接着上次自动切换到手动时的工况继续运行。自动切换到手动时，仅需使能“手动(manual)”按钮即可。在手动模式下，可以在线输入FCE目标功率和工况稳定运行时间，“工况管理模块”根据“由稳定时间退出(by-dur)”标志的状态判断手动模式下的各工况的正常退出条件。

CAN和SCI总线通信
控制平台除了通过CAN总线与各节点进行数据通信外，还需要与工控机数采系统通过SCI进行信息交互。为了避免与数采系统时钟的不同步，dSPACE采用中断方式接受数采参数。由于数据的传送是每100ms连续发送的，而MATLAB对数据的更新是并行的，这样一旦丢失其中的某个参数，所有参数所对应的物理意义将出现错误。当SCI参数用于工况的判断和管理时，就会导致严重后果。为了解决这一隐患，将所有数据组成的净荷上加上帧头(0XFFFE)和帧尾(0XFFFD)，同时将数据进行压缩，使其不出现帧头和帧尾字节。dSPACE在接受到帧头后，并在规定字节接受到帧尾时，才将数据更新，否则仍然沿用上次的数据，连续5次出错则出现SCI帧出错标志。

测功机负载调节
为了模拟整车路况，测试系统采用测功机对FCE进行负载调节，由于电机的硬特性，设定测功机工作在“定扭矩模式”下。在工况管理模块给出FCE目标功率1s后，dSPACE检测实际的FCE功率与目标功率的偏差进行功率闭环控制。此系统采用改进的PID控制，在大偏差时采用简单的bang-bang控制加快响应，其幅值对应于开环调节的测功机扭矩的一定容差;在小偏差范围则采用PID消除净差。图2所示为dSPACE通过D/A控制测功机扭矩的线性隔离放大电路。

图2测功机扭矩控制线性光隔电路

故障诊断和处理
作为上层的控制管理单元，为了保护燃料电池发动机和各部件节点，故障的诊断和处理是十分重要的。整个系统的故障包括氢气安全故障、通信总线(CAN，SCI)故障、FCE故障、电机等动力部件故障、参数越界等类。对故障的处理分为紧急停车、正常停车、卸载(强制怠速)、记录等4个级别。表2所示为主要故障的诊断和处理。其中，电堆电压、FCE水温和电机温度采用继电器特性处理。


数据记录
运用dSPACE提供的FlightRecorder模块可以方便地实时记录数据到Flash中，以供离线数据分析和处理。

实时监控
运用dSPACE中TargetLink的功能，可以对MATLAB/SIMULINK的程序进行自动代码生成，借助于ControlDesk丰富的虚拟仪表即可实现整个系统的实时监控。此控制平台包括测试规范和操作说明(regulation)、参数监测(parameters)、主控(control)、图形(plots)和故障代码显示(errorcode)5个监控界面。

结论

文中以MATLAB/SIMULINK为软件平台，结合dSPACE的软硬件资源，开发出了用于燃料电池发动机测试的控制平台，实现了发动机的工况管理、基于CAN总线的各部件节点的协调控制、自动和手动测试及无缝切换、测功机负载控制、故障诊断和处理及数据记录等功能，并在燃料电池发动机的实际测试中得到了检验。图3为某单位燃料电池发动机实测参数曲线。由于燃料电池发动机还不太成熟，该测试没有作60kW的过载试验。图中发动机效率的波动是由于发动机的脉冲排气造成的。

图3 燃料电池发动机实测参数曲线