燃料电池电动汽车控制系统

摘要
在能源和环保形势日益严峻的今天，燃料电池电动汽车以其特有的优势成为未来环保汽车的首选之一。

本文以研究电动汽车为背景，以燃料电池电动汽车为研究对象，开展对整车控制器及能量管理的研究。

本文对燃料电池电动汽车整车电控系统作了分析，讨论整车控制系统的结构，包括燃料电池，蓄电池组，燃料电池控制器，整车控制器，DC-DC变换器，数字电机控制器，电机等。

介绍了各组成部分的特性和功能，分析了燃料电池电动汽车的能量控制策略和行驶控制策略，通过结合能量管理的任务和实际运行情况来制定整车控制器的控制策略。

以8位微控制器为核心，设计车辆控制关键参量的采集与输出控制模块以及与其他通信模块。

关键参量包括油门电压、档位信号、刹车信号、总线电压等。

结合整车控制器的控制策略，基于VW开发平台，采用汇编语言对整车控制器软件系统进行了研究设计。

同时，将CAN总线引入了车辆控制系统，用于实现基于CAN总线的VCU与FCU 间的通信，改变了以往的通信方式。

此外，专门研究了蓄电池组的管理问题，结合蓄电池组管理任务和实际情况设计了目前的蓄电池组管理系统。

主要包括蓄电池电压和温度的管理、充放电控制。

关键词：燃料电池，车控制器，字电机控制器，CAN总线，电池管理
Abstract
In nowadays, with the situation of energy and environmental protection has became austere day by day, the fuel cell electric vehicle will become one of the first choices of environmental protection vehicle in future because of its unique superiority. This dissertation takes the research and develops of electric vehicle as a background, then the vehicle control unit and the energy management are researched and developed for fuel cell car.
This dissertation analyzes the whole vehicle control system of fuel cell electric vehicle in detail and discusses the configuration of vehicle control system, which includes fuel cell, battery package, fuel cell control unit, vehicle control unit, DC-DC converter, digital motor controller, motor and so on. The characteristic and function of each unit are introduced specifically, and the energy control strategy and driving control strategy of fuel cell electric vehicle are analyzed, and also the control strategy about vehicle control unit is completed based on the task of vehicle energy management and the actual situation.
Using 8-bit micro controller as the core, the collecting of key parameter of vehicle control and output control module is designed. The key parameters include accelerator voltage, shift position signal, brake signal, the voltage of DC BUS and so on. Under the VW platform, the software system of vehicle control unit was designed based on the control strategy of vehicle control.
At the same time, the CAN BUS is introduced in the vehicle control system, to realized the communication between VCU and FCU witch based on CAN BUS. It changes the former communications mode. In addition, study on battery management is put forwarded specially. Based on the task of battery management system and the actual situation, the management system of battery package is discussed. The system mainly includes the monitoring of the voltage and the temperature of battery, the control of charge and discharge, the malfunction alarm and diagnosis.
Key words：Fuel cell，vehicle control unit，digital motor controller，can bus，the management of battery package
目录
1绪论 (1)
1.1课题研究的背景及重要意义 (1)
1.2燃料电池汽车的国内外发展现状 (2)
1.3燃料电池汽车关键技术 (4)
1.4论文主要的研究内容 (6)
2燃料电池电动汽车控制系统 (7)
2.1燃料电池电动汽车整车电控系统的结构 (7)
2.2燃料电池电动汽车整车电控系统的控制策略 (10)
本章小结 (13)
3关键参量 (14)
3.1 VCU主控芯片 (14)
3.2关键参量 (20)
本章小结 (24)
4 VCU与FCU通信 (25)
4.1 CAN总线通信技术 (26)
4.2 CAN主要功能模块 (28)
4.3 CAN总线智能节点 (30)
本章小结 (31)
5电池组的管理系统的设计 (32)
5.1电池管理系统概述 (32)
5.2电池组管理模块设计 (33)
本章小结 (36)
6软件系统设计 (37)
6.1系统软件语言及编译环境 (37)
6.2软件系统总体设计 (37)
本章小结 (44)
7总结与展望 (45)
7.1总结 (45)
7.2展望 (45)
参考文献 (46)
致谢 (48)
附录 (49)
1 系统主电路原理图 (49)
2蓄电池组温度和电压采集电路原理图 (50)
1绪论
1.1课题研究的背景及重要意义
1.1.1课题研究的背景
汽车工业是国民经济的支柱产业，是衡量一个国家工业化水平的重要标志。

经济的迅速发展和城市人口的增加，促使了交通运输业的极大发展，汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活。

2006年我国汽车的销售量已突破700多万辆。

经济发达国家在世界经济中的地位与其在世界汽车工业中的排名顺序是基本吻合的。

迄今为止，还没有任何一种商品能够取代汽车在全球出口贸易中第一大商品的地位[1]。

汽车工业的发展将带动相关产业的技术创新和产业本身的发展。

然而，随着汽车日益增多，以石油产品为动力源的车辆所排放的废气成了影响地球气候和污染城市自然环境的主要来源。

同时也带来了潜在的能源危机问题，特别是最近十年，环境污染和能源危机已经成为世界各国面临的两大问题。

2000年以来，车用汽油、柴油年消费约占我国汽油、柴油消费总量的一半，石油消费的1/3左右。

我国是石油生产大国，年产石油达1.6亿吨，居世界第五位。

但是人均占有量仅为世界平均水平的1/10。

近些年来，随着国民经济的持续发展，我国对石油的需求不断增加，供需缺口增大，迫使我国从国外进口大量石油。

据权威组织预测，地球上已探明的石油储量在50年内将耗尽，而在各种石油消耗中，汽车消耗占50%以上。

寻找新型能源已经成为人类社会发展的必经之路。

目前，汽车的主要动力源还是以石油为主，汽车已经成为大气污染的主要来源。

特别对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车在停停走走的工况下运行，使汽车经常处于怠速状态，不仅增加了油耗，也使汽车的排放恶化。

进入21世纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出了越来越高的要求，为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了更严格的排放法规。

汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。

但是传统的内燃机汽车由于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。

同时复杂技术改造的直接后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小，长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。

因此需要寻找一个新型的“清洁”车型来逐渐取代传统的内燃机汽车。

纯电动汽车在使用中可实现零排放，在运行中无排放污染，如果发电厂以核能、水力、太阳能、风能或天然气为能源发电，对大气的污染会很小，并可利用煤炭、水力等其它非石油资源。

电动汽车具有低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点是解决问题最有效的途径之一。

然而，由于电动汽车的关键技术-蓄电池技术的制约，电动汽车的性能价格比远远不能达到推广应用的标准。

其主要障碍是电池的能量密度极低，因此导致电池组的质量较大，电动汽车一次充电的续驶里程无法达到当前内燃机汽车水平，电
池组价格昂贵，循环寿命有限，充电时间太长，频繁更换电池的成本也是难以接受的。

在传统内燃机汽车致命的缺点不能从根本上解决，而电动汽车由于技术问题在目前难以推广的情况下，人们提出了混合动力汽车这一概念。

它采用内燃机和电动机作为混合动力源，改善了整车的排放性能和燃油经济性，弥补了电动车辆续驶里程短的不足[2]。

虽然混合动力汽车有上述优点，但混合动力汽车终究是一种过渡产品，因为它不能彻底地解决污染问题，而且成本比传统内燃机汽车要高。

为了彻底解决汽车废气排放问题，美国加利福尼亚州大气资源局（CARB）在1990年10月提出了世界上第一个限制汽车废气排放的法案。

该法案规定：到1998年，凡在加利福尼亚销售汽车的汽车制造商，其零排放车至少要占到总数的2%，到2003年零排放车至少占10%。

1993年9月，联邦政府和美国汽车联合（USCAR）（包括克莱斯勒、福特、通用）进行了历史性的合作，提出了新一代汽车合作计划（PNGV）。

PNGV把美国政府的7个联邦政府部门研究工作联系在一起，主要目标是在10年内把燃油经济性提高3倍而维持价格不变。

在美国的影响下，世界各国政府和学术界以及工业界一直致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车，以解决空气污染问题。

因此，世界各国汽车工业巨头们都致力于其它燃料汽车和电动汽车的研究与开发，以求掌握未来汽车的主动权。

为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入WTO后我国汽车工业的竞争力，我国政府在“十五”863计划中设立了电动汽车重大专项，包括燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电池电动汽车三大课题。

至今，各国政府和专家及大企业集团均看好的是燃料电池电动汽车。

燃料电池具有能量转化率高，燃料多样化，环境污染小，噪音低，可靠性强，维修性好的优点，其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达80%，实际使用效率是普通内燃机的2倍以上[3]。

1.1.2研究的重要意义
我国的传统汽车工业远落后于当代世界先进水平，同时我国的石油资源比较匮乏，仅居世界第十位，从1993年开始我国已经从石油净出口国转变为石油进口国，2005年的石油进口量突破1亿吨。

目前发展我国的汽车工业，应当顺应当今科技发展的趋势，把握时机，在汽车的高新技术，尤其是以后发展的关键技术方面努力和发达国家保持一致。

电动汽车，特别是代表未来方向的燃料电池汽车是实现我国汽车工业跨越式发展的战略选择。

资源和环境压力使燃料电池汽车在全球范围内成为研究热点，因此，充分利用现有条件，整合研究、设计、制造力量，解决燃料电池汽车的各种关键技术，积极推进电动汽车产业化，其影响广泛而深远。

1.2燃料电池汽车的国内外发展现状
目前世界各国政府及各大汽车厂商都纷纷进行燃料电池汽车的研发，已经推出各种型号的概念车，并且已经有进入商业化示范运行的成功范例，下面介绍一下世界各国研
制燃料电池汽车的技术发展状况。

1.2.1国外发展概况
北美影响最大的开发项目有两个：一个是由美国能源部组织的国家燃料电池汽车研究计划；第二个是以巴拉德动力系统公司的技术为依托，由戴姆勒克莱斯勒公司、福特汽车公司等跨国公司投资合作的燃料电池汽车项目。

福特汽车公司在1998年1月北美底特律国际汽车展上展出了P2000燃料电池概念车，使用了DBB公司生产的燃料电池堆，时速可达144.8km/h。

在2006年洛杉矶国际车展上推出以氢燃料电池为动力的全新Explorer，行驶里程可以达到350英里，远远超过了以其它燃料电池为动力的车型。

戴姆勒克莱斯勒公司在FCEV领域一直是世界领先的制造商。

公司旗下的戴姆勒奔驰公司从1990年开始研究燃料电池技术，1994年戴姆勒奔驰公司与Ballard合作推出了第一辆FCEV车型NECAR1，NECAR1采用MB190厢式车体，装载Ballard生产的50kW质子交换膜燃料电池，一次填充燃料续驶里程为130km，最高车速90km/h。

克莱斯勒计划在2010年开展其FCEV商业化进程。

在北京“国际氢能论坛2004”开幕之际，戴姆勒克莱斯勒公司在北京天安门广场展出了以氢为燃料的燃料电池公共汽车。

展出的该燃料电池公共汽车是从凯宾斯基饭店开往天安门广场的，这是北京大街上首次行驶“零排放”的氢燃料电池公共汽车，沿途受到广大行人的关注。

通用作为世界第一大汽车制造商，一直致力于FCEV的开发。

1968年推出的Electrovan是世界上第一辆FCEV。

1998年推出了小型厢式车Zafira，2000年推出了HydroGen1，到2002年已发展到HydroGen3，该车型装载94kW的PEMFC，使用液氢为燃料，一次填充燃料可行驶400km，最高车速160km/h。

2002年推出了全新的概念车型HY-WIRE，该车采用线控驾驶技术，它的燃料电池、电机和控制器全部集成在11英寸厚的板状底盘中，车身可以分离，根据驾驶者意愿可以变形成轿车、货车或SUV[4][5]。

通用计划在2010年前批量生产FCEV，到2020年售出十万台FCEV。

为了实现这一目标，通用与许多公司建立了合作伙伴关系，如壳牌、美孚、宝马、丰田等。

通用公司最新研发的成果Sequel氢燃料电池车于2005年4月驶入上海国际车展。

1.2.2国内燃料电池汽车发展概况
我国政府非常重视和支持燃料电池汽车技术的研究和开发，“九五”期间，国家科技部将燃料电池关键技术研究列入国家攻关计划。

在国家科技部、中科院、北京市和上海市政府的支持下，中科院大连化学物理研究所、北京世纪富源燃料电池公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、上海神力科技有限公司等分别研制出5kW～30kW质子交换膜燃料电池。

清华大学汽车工程系和北京世纪富源燃料电池公司合作，于1999年11月研制成功5kW质子交换膜燃料电池电动游览车，这是我国第一辆质子交换膜燃料电池电动汽车。

2001年1月中科院大连化学物理研究所、电工所和东风汽车公司合作研制成功质子交换膜燃料电池（30kW）轻型客车。

在北京市经委、科委的资助下，2001
年4月清华大学和北京飞驰绿能电源技术有限责任公司联合研制成功质子交换膜燃料电池（15kW）轻型客车。

燃料电池关键技术的研究已经全面展开[1]。

我国由上海汽车集团、同济大学等10多家单位联合开发首辆燃料电池和锂离子电池混合动力轿车“超越一号”，已接受国家科技部的验收。

之后又成功研制出“超越二号”、“超越三号”。

同济大学研制的“春晖三号”四轮驱动微型概念车，运用燃料电池与蓄电池组成的混合驱动系统。

1.3燃料电池汽车关键技术
燃料电池汽车是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学能源、计算机、新能源及新材料等高新技术集成的产物。

研制和开发的关键技术主要有燃料电池技术、电动机及其控制技术、控制策略和算法设计技术、多能源管理技术、分布式控制系统和网络通讯技术、动力系统平台的集成设计技术、整车电气安全和氢安全技术、整车的匹配、标定、优化和试验技术以及车身和底盘设计技术等。

1.3.1燃料电池及氢能利用技术
氢气是燃料电池电动汽车的最佳燃料，是一种非常好的能量载体，具有质量能量密度高，使用方便，资源丰富，制取方法多，可获取性大，可以大量存储和长距离运输[6]等特点。

目前质子交换膜燃料电池，被认为是最适合于汽车的燃料电池。

但目前采用的以氢为燃料的燃料电池存在成本高、氢的储存、保管、充加、随带困难等缺点。

因此在研发和产业化过程中，急需在以下几个方面进行技术改进和提高：
(1)尽量减少昂贵的催化剂的用量，并寻找新的价格较低的非金属催化剂，从而减低制造成本。

(2)利用重整技术，采用改质型燃料电池（如甲醇燃料电池），以提高燃料的储存保管、充加、随带的方便性和安全性。

(3)减少燃料电池系统技术设施的体积和质量，以提高燃料电池的比能量等。

燃料电池汽车以氢能作为燃料，通过燃料电池发动机输出电能。

这与传统的石油燃料发动机系统有着本质的区别，因此合理的设计氢能系统，计算分析氢燃料的经济性，趋利避害地利用氢能，是研发燃料电池城市客车的关键技术之一。

1.3.2电机及电机控制技术
驱动电机是燃料电池电动汽车的重要组成部分，它正向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。

当前驱动电机主要有感应电动机（IM）和永磁无刷电动机（PMBLM）。

永磁无刷电动机具有较高的功率密度和效率、体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔的应用前景。

由于感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制，矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制，前
者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化而变化，从而使电动机的损耗最小，效率最大；后者是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，不用速度传感器，从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。

直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的思想，把转子磁通定向变换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。

由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。

美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电机[7]。

在设计和选择驱动电机时应满足以下技术要求：
(1)电机的转矩/转速特性与整车负载特性匹配良好，低速发出大转矩，高速发出小转矩。

(2)电机转矩的动态性能好，能够迅速和平滑地控制电机的转矩，适应电动汽车经常启动、停车、加速和减速的要求。

(3)保证在恒速、恒功率和变工况下都有较高的效率。

(4)功率密度高，自身质量和体积小。

(5)再生制动时的能量回收效率高。

(6)能在不同的工作环境下可靠地工作，并有优良的温度适应性能。

1.3.3整车控制系统设计技术
整车控制系统是燃料电池电动汽车的大脑，负责对燃料电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理。

整车控制技术主要包括电耦合技术、多能源管理技术、控制策略和算法技术、失效模式、故障诊断和容错技术、分布式控制系统和网络通讯技术等。

目前控制系统向智能化和数字化方向发展，模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统及遗传算法等非线性智能控制技术都可以应用于燃料电池电动汽车的控制系统中[8]。

整车控制系统优化整车系统的能量分配，使得整车处于最佳的行驶模式。

在再生制动时，合理调整再生能量。

确定各子部件系统和整车系统的控制策略和控制算法。

同时，实现基于CAN总线的整车控制器网络通信技术，进行整车系统工作状况的监控和故障诊断等。

1.3.4基于CAN总线的车载网络技术
CAN总线属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络[9]，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。

CAN可以通过简单的协议实现在电磁干扰环境下远距离实时数据的可靠传输，且硬件成本较低。

由于CAN总线本身的特点，在以汽车行业为代表的机械行业、数控机床、纺织机械及医疗器械等领域得到广泛应用。

出于标准化要求，1992年11月国际标准化组织（ISO）正式颁布了ISO11898标准。

随后，汽车行业也颁布了一系列的行业标准，最具代表性的标准就是SAEJ1939[10]。

汽车车载网络技术是汽车技术高速发展的标志，是传统汽车技术和新兴计算机网络技术相互结合的结晶。

随着控制系统复杂化程度的增加，信号线束急剧增加，传统的信号接线方式越来越不能适应汽车控制系统的需求，同时复杂的线束也增加了系统的不可靠性。

由于燃料电池城市客车动力系统采用了大量的电力电子元器件和数字化控制单元，整车的电控系统比传统的驱动系统更加复杂，所以CAN总线更加适合于实现驱动系统的各子系统之间的通信。

今天，几乎每一辆在欧洲生产的新轿车都至少装配有一个CAN网络系统。

CAN也应用在从火车到轮船等其他类型的运输工具上，以及工业控制方面。

1.4论文主要的研究内容
燃料电池车辆以清洁、高效、环境友好的燃料电池为主动力源，同时以高压电池组等为辅助能源。

车辆的能源由多个能量子模块组成，而因车辆大多运行于变化工况状态，如何优化燃料电池车辆各子能量体系使得车辆在任意工况点处于最优的效率，是业内亟待解决的难题。

每个子能量系统，如燃料电池发动机本体、DC-DC、超级电容、辅助动力蓄电池组、驱动电机及控制器等，都有其特定效率曲线，当它们联合作用就构成一个多维的综合效率空间矩阵。

燃料电池电动汽车整车控制器是整个系统的控制核心，它接收到驾驶员的踏板信号和其它信号，然后做出相应的判断，以控制下层各个部件做出动作，驱动汽车正常行驶，并尽可能实现比较高的能量效率。

本文主要研究内容就是整个控制器的硬、软件设计，概括起来有以下几点：
(1)燃料电池汽车电控系统的结构及控制策略的研究与设计。

介绍了燃料电池电动汽车整车电控系统的结构，并阐述了各组成部分的特性和功能。

然后研究了燃料电池汽车电控系统的控制策略，结合能量管理任务和实际情况制定整车控制器的控制策略。

(2)介绍各模块的结构及功能、需要采集的关键参量。

(3)采用CAN总线技术实现VCU与FCU的通信。

介绍了CAN总线特性、技术规范和协议以及CAN总线在汽车中的应用。

介绍了CAN控制器和收发器。

(4)研究并设计蓄电池组的管理系统。

介绍了燃料电池管理系统，结合蓄电池组管理的任务和本文的实际情况设计了本文的蓄电池管理系统。

(5)燃料电池车辆控制器软件系统的设计。

采用汇编语言设计整个软件系统。

然后介绍了软件系统的总体结构，重点分析了整车控制策略的软件设计。

2燃料电池电动汽车控制系统
燃料电池电动汽车是一个高度集成的电气系统，各个部件之间的耦合性很强，为了实现燃料电池汽车多个能源之间的能量分配，需要一个中央控制单元来进行动力系统的协调控制，从而达到更好的经济性和动力性，实现这个功能的控制的单元就是整车电控系统[1]。

2.1燃料电池电动汽车整车电控系统的结构
燃料电池电动汽车整车电控系统由燃料电池（Fuel Cell，FC）、蓄电池组、燃料电池控制器（Fuel cell Control Unit，FCU）、DC-DC变换器、数字电机控制器（DMOC）、电机、车辆控制器（Vehicle Control Unit，VCU）等部分组成。

其结构图如图2-1所示。

图2-1燃料电池电动汽车整车控制系统构架
2.1.1燃料电池
燃料电池是燃料电池电动汽车的主动力源，提供车辆正常行驶的能量，在蓄电池组电压过低时，还可以为蓄电池组充电。

燃料电池实质上是电化学反应发生器。

燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。

氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。

氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂[11]。

燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型。

按工作温度分为低温型、中温型和高温。