CN111769311A - 一种氢燃料电池控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池控制系统，采用Autosar架构搭建，该控制系统包括应用层、运行环境层和基础软件层，在应用层对氢燃料电池控制系统的功能进行拆分，并对应的将基础软件层按照软件功能划分为多个软件模块，运行环境层被配置为支持应用层中各个软件组件SWC之间的通信、应用层中的软件组件SWC与基础软件层中的软件模块之间的通信以及基础软件层中各个软件模块之间的通信。应用层中的各个模块和基础软件层中的各个软件模块都可以分别进行模块化开发，当需要增加某个功能模块或对某个功能模块进行修改时，不需要对其他模块进行修改，提高了氢燃料电池系统的兼容性、可移植性和替代性，大幅度提高了系统软件开发效率和可靠性。

Description

一种氢燃料电池控制系统

技术领域

本发明涉及氢燃料电池系统技术领域，更具体的，涉及一种氢燃料电池控制系统。

背景技术

近年来，燃料电池车迅速发展，燃料电池为用车载氢燃料电池产生的电力作为动力的汽车。

氢燃料电池控制系统为燃料电池车的核心控制系统，为了缩短燃料电池控制系统的开发周期，目前一般运用simulink软件搭建模型来代替手写代码，对应的氢燃料电池控制系统的软件架构包括底层驱动和应用层。然而这种氢燃料电池控制系统可继承性较差，在对系统进行功能增加或修改时，都需要对模型和底层驱动做适应性修改，增加了开发人员的工作量和开发时间。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种氢燃料电池控制系统，具有移植性好、替代性高、兼容性好的优点，提高了氢燃料电池控制系统的开发效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供的具体技术方案如下：

一种氢燃料电池控制系统，采用Autosar架构搭建，所述控制系统包括：应用层、运行环境层和基础软件层；

所述应用层至少包括第一软件组件SWC、第二软件组件SWC和第三软件组件SWC；

所述第一软件组件SWC被配置为用于对所述应用层的CAN信号和硬线信号进行接收、处理及发送；

所述第二软件组件SWC包括主状态管理模块和子状态管理模块；

所述第三软件组件SWC包括至少一个功能模块和执行器控制模块，所述执行器控制模块与所述功能模块一一对应，用于执行对应的功能模块的功能；

所述基础软件层包括按照软件功能划分的多个软件模块，所述基础软件层至少包括服务软件模块、ECU抽象软件模块、微控制器抽象软件模块和复杂驱动软件模块；

所述运行环境层被配置为支持所述应用层中各个软件组件SWC之间的通信、所述应用层中的软件组件SWC与所述基础软件层中的软件模块之间的通信以及所述基础软件层中各个软件模块之间的通信。

可选的，所述主状态管理模块用于向所述子状态管理模块发送控制指令，驱动所述子状态管理模块执行状态跳转；

所述子状态管理模块，用于在接收到所述主状态管理模块的控制指令后，根据预先设定的控制逻辑向相应的所述功能模块发送使能信号和控制目标值，调用相应的所述功能模块中的功能函数执行状态跳转；

所述功能模块，用于在接收到所述子状态管理模块的使能信号与控制目标时，调用相应的所述执行器控制模块执行功能函数，以实现所述控制目标；

所述执行器控制模块，用于驱动执行器执行相应的所述功能模块中的功能函数。

可选的，所述主状态管理模块用于向所述子状态管理模块发送控制指令，驱动所述子状态管理模块执行上电状态、准备状态、启动状态、运行状态、唤醒状态、系统待机状态、恢复状态、急停状态和关闭状态之间的状态跳转。

可选的，所述第三软件组件SWC至少包括空气路功能模块、氢气路功能模块、散热路功能模块和功率路功能模块。

可选的，所述第三软件组件SWC至少包括空压机控制模块、氢气循环泵控制模块、节温器控制模块和DCF控制模块。

可选的，所述第三软件组件SWC还包括系统状态监测模块，所述系统状态监测模块包括故障诊断子模块、ODS算法子模块、SOH算法子模块和湿度估计子模块。

可选的，所述服务软件模块包括操作系统、基础软件模式管理器、状态管理器。

可选的，所述操作系统设置了4种任务的符合类：第一基本符合类、第二基本符合类、第一扩展符合类和第二扩展符合类；

每种符合类的属性包括：基本任务激活数、每个优先级的任务数、是否为基本任务和是否为扩展任务。

可选的，所述操作系统为多核操作系统；

所述应用层中的各种软件功能对应的软件程序运行在所述氢燃料电池控制系统的多核控制主芯片中。

可选的，所述基础软件层还包括车载以太网的底层通讯软件模块；

所述车载以太网的底层通讯软件模块包括通讯服务模块、通讯硬件抽象模块和通讯驱动模块；

所述通讯驱动模块，用于驱动硬件进行以太网驱动。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明公开的一种氢燃料电池控制系统，采用Autosar架构搭建，在应用层对氢燃料电池控制系统的功能进行拆分，并对应的将基础软件层按照软件功能划分为多个软件模块，运行环境层被配置为支持应用层中各个软件组件SWC之间的通信、应用层中的软件组件SWC与基础软件层中的软件模块之间的通信以及基础软件层中各个软件模块之间的通信，应用层中的各个模块和基础软件层中的各个软件模块都可以分别进行模块化开发，当需要增加某个功能模块或对某个功能模块进行修改时，不需要对其他模块进行修改，只需在运行环境层中增加或修改该模块与其他模块之间的通信关系即可，提高了氢燃料电池系统的兼容性、可移植性和替代性，大幅度提高了系统软件开发效率和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种氢燃料电池控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种氢燃料电池控制系统中应用层的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种氢燃料电池控制系统中应用层的软件架构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种氢燃料电池控制系统中应用层的主状态流转架构示意图；

图5为本发明实施例公开的车载以太网的底层通讯软件模块的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的AUTOSAR多核操作系统的4种符合类的属性示意图；

图7为本发明实施例公开的操作系统的启动流程示意图；

图8为本发明实施例公开的氢燃料电池控制系统的运行流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种氢燃料电池控制系统，采用Autosar架构搭建，具有可靠性高、移植性好等优点，具体的，请参阅图1，本实施例公开的氢燃料电池控制系统包括应用层、运行环境层和基础软件层。

应用层至少包括第一软件组件SWC、第二软件组件SWC和第三软件组件SWC，当需要增加应用层功能时，可以在应用层中增加软件组件SWC。

基础软件层包括按照软件功能划分的多个软件模块，基础软件层至少包括服务软件模块、ECU抽象软件模块、微控制器抽象软件模块和复杂驱动软件模块；

运行环境层不依赖ECU，是最小可运行实体runnable的实时运行环境，实现了特定ECU上的虚拟功能总线，被配置为支持应用层中各个软件组件SWC之间的通信、应用层中的软件组件SWC与基础软件层中的软件模块之间的通信以及基础软件层中各个软件模块之间的通信。

其中，应用层通过软件组件的形式对主状态管理模块、子状态管理模块、子功能模块和执行器控制模块中功能相关性较强的模块进行分组集成，请参阅图2，第一软件组件SWC被配置为用于对应用层的CAN信号和硬线信号进行接收、处理及发送。第二软件组件SWC包括主状态管理模块和子状态管理模块，其中，主状态管理模块负责燃料电池各状态切换及控制参数的管理控制，子状态管理模块负责运行中控制参数的管理控制。第三软件组件SWC包括至少一个功能模块和执行器控制模块，执行器控制模块与功能模块一一对应，用于执行对应的功能模块的功能。

从应用层的软件架构来说，请参阅图3，本实施例公开的氢燃料电池控制系统中的应用层为4层软件架构，4层软件架构包括主状态管理层、子状态管理层、功能模块层和执行器控制层，分别对应于主状态管理模块、子状态管理模块、功能模块和执行器控制模块。与现有技术相比，本实施例公开的应用层4层软件架构具有可移植性高、通用性强以及二次开发灵活性高等优点。

其中，主状态管理模块用于向子状态管理模块发送控制指令，驱动所述子状态管理模块执行上电状态、准备状态、启动状态、运行状态、唤醒状态、系统待机状态、恢复状态、急停状态和关闭状态之间的状态跳转。

第三软件组件SWC中的功能模块至少包括空气路功能模块、氢气路功能模块、散热路功能模块、功率路功能模块和系统状态监测功能模块。

第三软件组件SWC中的执行器控制模块至少包括空压机控制模块、氢气循环泵控制模块、节温器控制模块和DCF(DCDC Inverter for FCS，直流/直流转换器(升压))控制模块。

具体的，主状态管理模块向子状态管理模块发送控制指令，驱动子状态管理模块执行状态跳转；

子状态管理模块在接收到主状态管理模块的控制指令后，根据预先设定的控制逻辑向相应的功能模块发送使能信号和控制目标值，控制目标值如空气流量、空气压力、氢气压力、水出温度等，并调用相应的功能模块中的功能函数执行状态跳转；

功能模块在接收到子状态管理模块的使能信号与控制目标时，调用相应的执行器控制模块执行功能函数，以实现控制目标；

执行器控制模块驱动执行器执行相应的功能模块中的功能函数。

其中，主状态流转架构请参阅图4，本实施例公开的氢燃料电池控制系统提供了多种状态，用于实现多种状态控制功能。主状态流转中分为上电状态(Powerup)、准备状态(Ready)、启动状态(Startup)、运行状态(Run)、唤醒状态(Wakeup)、系统待机状态(Standby)、恢复状态(Recover)、急停状态(Quickstop)和关闭状态(Shutdown)。系统上电后，首先进入准备状态，在满足一定条件后进入启动状态，若不满足条件可进入唤醒状态，等待再次进入准备状态或进入急停状态，启动状态与系统待机状态之间可以互相切换，系统待机状态比其他状态更快启动，启动正常则进入运行状态，运行状态出现异常可进入恢复状态，异常恢复后可由恢复状态切换到运行状态，运行状态也可以切换到系统待机状态，在运行过程中接收到关闭指令，可由运行状态切换到关闭状态，如未切断电源，也可由关闭状态切换到准备状态，需要说明的是，在满足相应预设条件的情况下，唤醒状态、启动状态、运行状态、恢复状态和关闭状态都可以切换到急停状态。

基于上述主状态流转架构，便于主状态的扩展及调试问题的查找。

优选的，应用层中的第三软件组件SWC还包括系统状态监测模块，系统状态监测模块包括故障诊断子模块、ODS(On Diagnose System，在线诊断系统)算法子模块、SOH(Stateof Health，电池健康度)算法子模块和湿度估计子模块。

基础软件层包括服务软件模块、ECU抽象软件模块、微控制器抽象软件模块和复杂驱动软件模块，优选的，基础软件层还可以包括车载以太网的低层通讯软件模块。

请参阅图5，车载以太网的底层通讯软件模块包括通讯服务模块、通讯硬件抽象模块和通讯驱动模块，通信服务模块包括以太网状态管理模块、网络管理模块、UDP网络管理模块、LDCOM模块、COM模块、DCM模块、PDU路由模块、SOAD模块和TCP/IP协议栈；通信硬件抽象模块包括以太网接口模块、以太网交换机驱动模块和以太网收发器驱动模块；通信驱动包括以太网外设芯片驱动和以太网驱动，由通讯驱动模块驱动硬件，进行以太网驱动。

其中，上述服务软件模块包括操作系统、基础软件模式管理器(BswM，Basicsoftware mode Manager)、状态管理器(EcuM，Ecu state Manager)等，通过AUTOSAR的分层结构和接口的表转化，使主机厂和供应商之间的分工更加明确，达到ECU软件开发与具体硬件相脱离的目的，上层应用策略开发的人员可以更加专注于软件功能的开发，而不用纠缠于底层的细节。

上述操作系统为AUTOSAR多核操作系统，起到核心调度作用，所有的任务都在操作系统下进行合理分配。请参阅图6，在操作系统设置了4种任务的符合类：第一基本符合类BCC1、第二基本符合类BCC2、第一扩展符合类ECC1和第二扩展符合类ECC2，每种符合类的属性包括：基本任务激活数、每个优先级的任务数、是否为基本任务和是否为扩展任务。其中，基本任务激活数是指在一个任务没有被执行完毕时是否可多次激活，为1表示多次激活无效；≥1表示多次激活有效，同等优先级的任务被放入队列等待执行。

AUTSOAR操作系统可以通过商业配置工具来实现，要运用Vector提供的DaVinciDeveloper和DaVinci Configurator进行多核OS的配置，系统运行于英飞凌AURIX/TC397上。

操作系统为多核操作系统，对应的，应用层中的各种软件功能对应的软件程序运行在氢燃料电池控制系统的多核控制主芯片中。

多核控制主芯片可以为TC397芯片，一种可选的该芯片的核心分配方案如下：Core0为主核，运行燃料电池系统控制算法，Core1运行功能安全算法，Core2运行系统核心故障诊断，Core3运行THDA诊断，Core4运行水泵控制程序，Core5运行循环泵控制程序。

在氢燃料电池控制系统的实际应用中，请参阅图7，控制器被唤醒后，进行操作系统初始化，存储器初始化，MCU内核初始化，之后启动操作系统，之后启动六核心任务，即燃料电池系统控制算法，功能安全算法，系统核心故障诊断，THDA诊断，水泵控制程序，循环泵控制程序。

请参阅图8，在操作系统预先启动阶段，系统主要进行如下工作：设置所有可编程的中断的优先级检验数据一致性。在启动操作系统阶段，选择启动模式，操作系统进行核间同步，再执行操作系统的初始化任务。

待系统收到关机、休眠指令，则返回初始状态。

综上，本实施例公开的一种氢燃料电池控制系统，采用Autosar架构搭建，在应用层对氢燃料电池控制系统的功能进行拆分，并对应的将基础软件层按照软件功能划分为多个软件模块，运行环境层被配置为支持应用层中各个软件组件SWC之间的通信、应用层中的软件组件SWC与基础软件层中的软件模块之间的通信以及基础软件层中各个软件模块之间的通信，应用层中的各个模块和基础软件层中的各个软件模块都可以分别进行模块化开发，当需要增加某个功能模块或对某个功能模块进行修改时，不需要对其他模块进行修改，只需在运行环境层中增加或修改该模块与其他模块之间的通信关系即可，提高了氢燃料电池系统的兼容性、可移植性和替代性，大幅度提高了系统软件开发效率和可靠性。

本实施例公开的一种氢燃料电池控制系统中的应用层为4层软件架构，4层软件架构包括主状态管理层、子状态管理层、功能模块层和执行器控制层，各层可分别模块化开发。与现有技术相比，本实施例公开的应用层4层软件架构具有可移植性高、通用性强以及二次开发灵活性高等优点。

本实施例公开的一种氢燃料电池控制系统提供了多种状态：上电状态、准备状态、启动状态、运行状态、唤醒状态、系统待机状态、恢复状态、急停状态和关闭状态，上述主状态流转架构，便于主状态的扩展及调试问题的查找。

本实施例公开的一种氢燃料电池控制系统采用多核分配策略，应用层中的各种软件功能对应的软件程序运行在氢燃料电池控制系统的多核控制主芯片中，充分利用AUTSOAR多核操作系统的调度表、时间保护机制、内存保护机制，充分发挥多核处理器的并行计算能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池控制系统，其特征在于，采用Autosar架构搭建，所述控制系统包括：应用层、运行环境层和基础软件层；

所述应用层至少包括第一软件组件SWC、第二软件组件SWC和第三软件组件SWC；

所述第一软件组件SWC被配置为用于对所述应用层的CAN信号和硬线信号进行接收、处理及发送；

所述第二软件组件SWC包括主状态管理模块和子状态管理模块；

所述第三软件组件SWC包括至少一个功能模块和执行器控制模块，所述执行器控制模块与所述功能模块一一对应，用于执行对应的功能模块的功能；

所述基础软件层包括按照软件功能划分的多个软件模块，所述基础软件层至少包括服务软件模块、ECU抽象软件模块、微控制器抽象软件模块和复杂驱动软件模块；

所述运行环境层被配置为支持所述应用层中各个软件组件SWC之间的通信、所述应用层中的软件组件SWC与所述基础软件层中的软件模块之间的通信以及所述基础软件层中各个软件模块之间的通信。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述主状态管理模块用于向所述子状态管理模块发送控制指令，驱动所述子状态管理模块执行状态跳转；

所述子状态管理模块，用于在接收到所述主状态管理模块的控制指令后，根据预先设定的控制逻辑向相应的所述功能模块发送使能信号和控制目标值，调用相应的所述功能模块中的功能函数执行状态跳转；

所述功能模块，用于在接收到所述子状态管理模块的使能信号与控制目标时，调用相应的所述执行器控制模块执行功能函数，以实现所述控制目标；

所述执行器控制模块，用于驱动执行器执行相应的所述功能模块中的功能函数。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述主状态管理模块用于向所述子状态管理模块发送控制指令，驱动所述子状态管理模块执行上电状态、准备状态、启动状态、运行状态、唤醒状态、系统待机状态、恢复状态、急停状态和关闭状态之间的状态跳转。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述第三软件组件SWC至少包括空气路功能模块、氢气路功能模块、散热路功能模块和功率路功能模块。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述第三软件组件SWC至少包括空压机控制模块、氢气循环泵控制模块、节温器控制模块和DCF控制模块。

6.根据权利要求1所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述第三软件组件SWC还包括系统状态监测模块，所述系统状态监测模块包括故障诊断子模块、ODS算法子模块、SOH算法子模块和湿度估计子模块。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述服务软件模块包括操作系统、基础软件模式管理器、状态管理器。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述操作系统设置了4种任务的符合类：第一基本符合类、第二基本符合类、第一扩展符合类和第二扩展符合类；

每种符合类的属性包括：基本任务激活数、每个优先级的任务数、是否为基本任务和是否为扩展任务。

9.根据权利要求7所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述操作系统为多核操作系统；

所述应用层中的各种软件功能对应的软件程序运行在所述氢燃料电池控制系统的多核控制主芯片中。

10.根据权利要求1所述的氢燃料电池控制系统，其特征在于，所述基础软件层还包括车载以太网的底层通讯软件模块；

所述车载以太网的底层通讯软件模块包括通讯服务模块、通讯硬件抽象模块和通讯驱动模块；

所述通讯驱动模块，用于驱动硬件进行以太网驱动。

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