1.引言

燃料電池轎車是以氫為能源的新一代新能源轎車。由于其本身的工作原理與功能結(jié)構(gòu)決定了它有功率較大的發(fā)熱部件。為了保證燃料電池轎車能夠持久、穩(wěn)定、可靠的工作，必須對(duì)發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。為了達(dá)到最佳的冷卻效果和最低的能源消耗，我們?cè)O(shè)計(jì)了水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)，其基本實(shí)現(xiàn)思路也可應(yīng)用于傳統(tǒng)轎車。

燃料電池轎車水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)其工作原理如下：通過溫度傳感器和壓力傳感器對(duì)冷卻水溫度和壓力進(jìn)行定時(shí)采樣，進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理獲取當(dāng)前時(shí)刻下的冷卻水溫度和壓力，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換輸入微控制器，隨著溫度的變化，微控制器對(duì)風(fēng)扇和水泵進(jìn)行調(diào)速，控制冷卻水溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。同時(shí)，作為整車CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)通過CAN總線將當(dāng)前的冷卻水溫度和壓力以及系統(tǒng)狀態(tài)值上傳給整車控制器，并接受來自整車控制器的控制指令。

此外，為了便于實(shí)車調(diào)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCP標(biāo)定協(xié)議（CANCalibrationProtocol），能夠借助整車CAN網(wǎng)絡(luò)完成在線的參數(shù)標(biāo)定和在線編程，這大大簡(jiǎn)化了參數(shù)的標(biāo)定過程和匹配工作，也為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中其他車載控制器的實(shí)車調(diào)試提供了解決方案，具有很高的實(shí)用性和現(xiàn)實(shí)意義。

本系統(tǒng)采用的是摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16微控制器，該微控制器尺寸小，資源齊全，具有很高的價(jià)格性能比。

2.設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：其一，對(duì)水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的功能，來實(shí)現(xiàn)最佳的冷卻效果和最低的能源消耗；其二，利用CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器的在線參數(shù)標(biāo)定與在線編程功能，減輕實(shí)車調(diào)試的標(biāo)定匹配工作。

對(duì)水冷卻監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)是：通過兩路溫度傳感器和一路壓力傳感器來獲取當(dāng)前狀況下的冷卻水溫度和壓力，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換輸入微控制器，微控制器通過一定的控制算法輸出信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以及水泵變頻器，從而控制四個(gè)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以及一個(gè)冷卻水泵的啟停和轉(zhuǎn)速，并通過CAN與整車控制器數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊，以達(dá)到最佳的冷卻效果和最低的能源消耗：

實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)標(biāo)定與在線編程功能是：通過在微控制器與PC機(jī)兩側(cè)實(shí)現(xiàn)CCP標(biāo)定協(xié)議，微控制器（MC68HC908GZ16）硬件接口使用其自帶的MSCAN模塊，在軟件上加入CCP驅(qū)動(dòng)程序；PC機(jī)硬件接口使用SYSTEC公司的USB-CAN卡，并在Matlab軟件平臺(tái)上自主開發(fā)基于CCP協(xié)議的測(cè)量標(biāo)定診斷工具（MCD：MeasurementCalibrationDevice），實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定與在線編程。

整個(gè)系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)功能框圖3.硬件描述

硬件電路是以MC68HC908GZ16微控制器為核心，并配以傳感器信號(hào)調(diào)理電路，執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路以及CAN通訊電路。

微控制器

由于整個(gè)水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)比較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)小但功能全，因此采用摩托羅拉公司的MC68HC908GZ168位微控制器。該控制器資源齊全，尺寸小，適合整個(gè)水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求以及汽車的運(yùn)行環(huán)境。其主要資源包括：一個(gè)CAN模塊、一個(gè)SPI模塊、一個(gè)ESCI模塊、兩個(gè)雙通道16位定時(shí)器接口模塊、8路10位AD通道、一個(gè)基本時(shí)鐘模塊、37個(gè)通用輸入輸出管腳、8位鍵盤喚醒端口。并且該控制器采用PLL鎖相環(huán)技術(shù)，能夠產(chǎn)生最高8M的總線頻率。

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要用到以下資源：一個(gè)CAN控制器模塊、兩個(gè)定時(shí)器接口模塊、四路AD通道、一個(gè)基本時(shí)鐘模塊、PLL鎖相環(huán)模塊以及若干通用IO輸入輸出口。

微控制器各模塊使用情況如下表1所示：表1MC68HC908GZ16模塊使用情況
微控制器各端口定義如下表2所示：表2MC68HC908GZ16端口定義
MC68HC908GZ16可尋址64KB地址空間，其中包括：15872字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器Flash，1024字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，406字節(jié)的Flash編程例程ROM，44字節(jié)的用戶定義矢量區(qū)以及350字節(jié)的監(jiān)控ROM。存儲(chǔ)器的具體分配如下表3所示：表3MC68HC908GZ16存儲(chǔ)器分配情況
綜上所述，MC68HC908GZ16微控制器資源較為豐富，可以滿足水冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的要求，價(jià)格比較便宜，具有高的價(jià)格性能比。

傳感器

溫度傳感器采集當(dāng)前時(shí)刻的冷卻水溫度，選用Honeywell公司的TD系列溫度傳感器。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，并且能夠檢測(cè)溫度傳感器的斷路和短路故障。

壓力傳感器采集當(dāng)前時(shí)刻的冷卻水壓力。當(dāng)壓力過高指示水路阻塞故障；壓力過低指示水路泄漏故障。選用Huba公司的511OEM壓力傳感器，電源8～33V，輸出4～20mA。采用12V電源，并串連240歐采樣電阻，使輸出0.96～4.8V電壓。