CN117111537B - 一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统及方法 - Google Patents

一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统及方法，属于氢系统控制器技术领域。本发明方法，包括：底层，基础层和应用层；所述底层用于获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至所述应用层，所述基础层为所述底层和应用层提供接口，以用于所述底层和应用层的通信及连接，所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态，并基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。本发明对氢系统的稳定运行提供了安全保障，大大的提高了氢系统运行的安全性。

Description

一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及氢系统控制器技术领域，并且更具体地，涉及一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统及方法。
背景技术
目前燃料电池行业正在蓬勃发展，国内企业如春笋般涌现，针对车载氢系统，作为燃料电池车的储氢模块，是必不可少的一部分；而由于整车端的要求，氢系统控制器作为监控、控制氢系统部件的功能，加入到整车CAN网络架构中，根据自身的研发优势，决定自主开发氢系统及氢控制器的控制系统。
发明内容
针对上述说明，本发明针对氢系统及其控制器，提出了一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统，包括：底层，基础层和应用层；
所述底层用于获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至所述应用层，所述基础层为所述底层和应用层提供接口，以用于所述底层和应用层的通信及连接，所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态，并基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。
可选的，氢系统数据包括如下中的至少一种：与氢系统的温度相关的数据，与氢气浓度相关的信号占空比数据和与氢气压力相关的数据。
可选的，底层包括：ADC模块，PWM信号模块和MultiCAN模块；所述ADC模块用于获取氢控制器采集的氢系统的与氢系统的温度相关的数据和与氢气压力相关的数据；所述PWM信号模块用于获取氢控制器采集的与氢气浓度相关的信号占空比数据；所述MultiCAN模块用于将氢系统数据传输至应用层。
可选的，ADC模块和MultiCAN模块分别通过ADC模块驱动程序和MultiCAN模块驱动程序进行驱动，所述ADC模块驱动程序和MultiCAN模块驱动程序通过基础层控制运行。
可选的，PWM信号模块获取的氢控制器采集的与氢气浓度相关的信号占空比数据，为PWM信号数据。
可选的，应用层，包括：输入模块，计算执行模块和输出模块；所述输入模块用于接收氢系统数据，并将所述氢系统数据传输至所述计算执行模块；所述计算执行模块用于根据所述氢系统数据，确定氢系统的状态；所述输出模块用于根据所述氢系统的状态，生成控制指令，并将所述控制指令下发至氢控制器。
可选的，计算执行模块用于根据所述氢系统数据，确定氢系统的状态，包括：
所述计算执行模块收到氢系统数据后，针对所述氢系统数据，分别执行氢系统的瓶温计算、瓶压力计算、瓶氢浓度计算和瓶SOC估算，以及氢控制器的状态计算，以得到计算结果，基于所述计算结果确定氢系统的状态。
可选的，输入模块还用于在不能收到底层传输的氢系统数据时，通过氢控制器直接获取氢系统数据。
可选的，氢控制器，包括：多种传感器和多种定时器；所述多种传感器用于采集与氢系统的温度相关的数据或与氢气压力相关的数据；所述多种定时器用于采集与氢气浓度相关的信号占空比数据；
所述多种定时器采集与氢气浓度相关的信号占空比数据，包括：控制氢 控制器的第一定时器，从0开始计数，并通过控制氢控制器的第二定时器，捕获当所述第一定时器A端口存在上升沿时，所述第一定时器的上升沿值，及通过控制氢控制器的第三定时器，捕获当所述第一定时器A端口存在下降沿时，所述第一定时器的下降沿值，将所述下降沿值与所述上升沿值的比值，作为与氢气浓度相关的信号占空比数据；
所述第一定时器为通用定时器，所述第二定时器和所述第三定时器为捕获计数器，所述第二定时器和所述第三定时器分别与所述第一定时器的A端口连接；
当所述第二定时器捕获到上升沿值后，或当所述第三定时器捕获到下降沿后，对所述第一定时器进行复位。
再一方面，本发明还提出了一种用于氢系统的控制方法，包括：
通过底层获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至应用层；
在所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态；
基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统，包括：底层，基础层和应用层；所述底层用于获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至所述应用层，所述基础层为所述底层和应用层提供接口，以用于所述底层和应用层的通信及连接，所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态，并基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。本发明系统能够高效稳定对氢系统及氢控制器进行控制，并能够监控氢系统及其氢控制器的稳定运行，同时针对氢系统的故障也能进行识别，因此本发明对氢系统的稳定运行提供了安全保障，大大的提高了氢系统运行的安全性。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明系统ADC模块驱动程序的设计流程图；
图3为本发明系统MultiCAN模块驱动程序的设计流程图；
图4为本发明系统占空比捕获原理图；
图5为本发明系统应用层框架原理图；
图6为本发明方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
实施例1：
本发明针对氢系统及其控制器，提出了一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统，如图1所示，包括：底层（底层驱动（驱动硬件动作）），基础层（基础软件层（负责整个程序的正常运行，以及为应用层与底层提供接口））和应用层（负责控制策略）；
所述底层用于获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至所述应用层，所述基础层为所述底层和应用层提供接口，以用于所述底层和应用层的通信及连接，所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态，并基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。
其中，氢系统数据包括如下中的至少一种：与氢系统的温度相关的数据，与氢气浓度相关的信号占空比数据和与氢气压力相关的数据。
其中，底层包括：ADC模块，PWM信号模块和MultiCAN模块；所述ADC模块用于获取氢控制器采集的氢系统的与氢系统的温度相关的数据和与氢气压力相关的数据；所述PWM信号模块用于获取氢控制器采集的与氢气浓度相关的信号占空比数据；所述MultiCAN模块用于将氢系统数据传输至应用层。
其中，ADC模块和MultiCAN模块分别通过ADC模块驱动程序和MultiCAN模块驱动程序进行驱动，所述ADC模块驱动程序和MultiCAN模块驱动程序通过基础层控制运行。
其中，PWM信号模块获取的氢控制器采集的与氢气浓度相关的信号占空比数据，为PWM信号数据。
其中，应用层，包括：输入模块，计算执行模块和输出模块；所述输入模块用于接收氢系统数据，并将所述氢系统数据传输至所述计算执行模块；所述计算执行模块用于根据所述氢系统数据，确定氢系统的状态；所述输出模块用于根据所述氢系统的状态，生成控制指令，并将所述控制指令下发至氢控制器。
其中，计算执行模块用于根据所述氢系统数据，确定氢系统的状态，包括：
所述计算执行模块收到氢系统数据后，针对所述氢系统数据，分别执行氢系统的瓶温计算、瓶压力计算、瓶氢浓度计算和瓶SOC估算，以及氢控制器的状态计算，以得到计算结果，基于所述计算结果确定氢系统的状态。
其中，输入模块还用于在不能收到底层传输的氢系统数据时，通过氢控制器直接获取氢系统数据。
其中，氢控制器，包括：多种传感器和多种定时器；所述多种传感器用于采集与氢系统的温度相关的数据或与氢气压力相关的数据；所述多种定时器用于采集与氢气浓度相关的信号占空比数据；
其中，底层和基础层，均是基于单片机语言（即c语言）开发完成的，应用层则是基于simulink 图形化编程开发完成的，使用simulink 图形化编程便于添加算法，编程更加方便，计算逻辑更容易，也便于修改。
所述多种定时器采集与氢气浓度相关的信号占空比数据，包括：控制氢 控制器的第一定时器，从0开始计数，并通过控制氢控制器的第二定时器，捕获当所述第一定时器A端口存在上升沿时，所述第一定时器的上升沿值，及通过控制氢控制器的第三定时器，捕获当所述第一定时器A端口存在下降沿时，所述第一定时器的下降沿值，将所述下降沿值与所述上升沿值的比值，作为与氢气浓度相关的信号占空比数据；
所述第一定时器为通用定时器，所述第二定时器和所述第三定时器为捕获计数器，所述第二定时器和所述第三定时器分别与所述第一定时器的A端口连接；
当所述第二定时器捕获到上升沿值后，或当所述第三定时器捕获到下降沿后，对所述第一定时器进行复位。
下面对氢控制器及本发明的系统进行详细说明：
首先在本发明基于氢控制器实现，因此需要根据氢系统的特点，确定氢控制器作为硬件的要求，如下表所示：
其次，根据上表，进行元器件选型及原理图库及PCB库的建立；
根据硬件需求表的指导进行元器件的选型，对选型的元器件的数据手册进行深入解读，论证各个元器件对功能需求满足的可行性以及各个元器件之间的逻辑关系。确定硬件设计所需资源的分析。并且根据确定的硬件资源进行逻辑零件库及PCB库的创建。
最后，进行原理图及PCB图的绘制；
根据硬件需求说明书进行原理图设计、PCB绘制，通过结合相关原理图进行交互布局及细化布局工作，完成相关电气特性的布线设计。对完成的PCB图纸进行信号完整性分析，验证PCB设计中的缺陷并进行优化。在完成PCB设计后，输出光绘、钻孔、钢网、装配图等生产文件。
根据上述说明，得到氢控制器；
氢控制器是氢系统上必不可少的一个单元，它作为核心控制部分，既要检测系统运行状态，包括氢瓶的状态、温度、瓶压、管路压力以及氢泄露浓度；还要稳定高效的控制，计算系统运行的耗氢量、对SOC的估计、故障识别；还要通过CAN总线与整车通讯，发送信息给VCU，并接受VCU的指令做出相应动作。
氢控制器根据氢燃料电池系统中氢系统控制要求，采用汽车级硬件，使得产品高质量、高效率的运行；软件配备强大功能，实时跟进技术标准，满足国内外汽车级协议，UDS标准协议，J1939标准协议。根据不同客户的技术协议，提出面向对象的解决方案，快速高效的开发产品。
下面对驱动程序，在软件方面进行详细说明：
基于汽车软件开发规范开发的应用软件能够适用于不同型号的瓶阀，不同供应商的零部件产品以及多代产品平台,从而拥有显著的成本和复用优势,并实现了很高的系统可靠性和延续性。
底层驱动开发，包括：
HMS（Hydrogen Management System氢系统控制器）的底层驱动开发中用到TriCore1782的外设模块有ADC，GPTA，MultiCAN， Port ，STM。Dave
ADC模块驱动开发：
HMS中，ADC模块主要用于采集传感器的信号，包括氢气压力和温度.基于Dave开发ADC模块驱动函数的设计流程如图2所示：
MultiCAN模块驱动开发：
TriCore1782单片机中的MultiCAN+模块包含3个CAN节点，该节点可以独立工作或者通过网关功能交换数据和远程帧。当 CAN 总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文的形式广播给网络中所有节点。根据CAN V2.0B的规范发送和接收 CAN 帧，最高通讯速率1Mbit/s。基于MultiCAN模块驱动函数的设计流程如图3所示：
PWM信号占空比的获取：
因选用的氢浓度传感器为PWM信号，需要根据信号的占空比计算氢气浓度，需要重新写控制器采集计算占空比的驱动。PWM信号占空比计算的方法为采用三个定时器模块，第一个定时器为通用定时器，从0开始计数。第二个计时器为捕获计数器，并与A（A为可给此定时器配置的任意端口）端口相连，当定时器捕获到A端口有上升沿的时候，将通用定时器的值捕获，并将通用定时器复位。第三个也为捕获定时器，并与A端口相连，但他的功能仅为当检测到端口有下降沿的时候将通用定时器的值捕获。用第三个定时器捕获的值比上第二个定时器捕获的值便是采集到的信号的占空比，将其封装在了u16 pwm_zkb（u8，id）中，便于应用层调用。占空比获取原理如图4所示。
应用层开发，包括：
应用层只负责控制逻辑。完全由SIMULINK模型生成。其中应用层的大框架分为三个模块，分别为输入模块、计算执行模块、输出模块。如图5所示。
其中输入模块中分为CAN信号的输入与硬件输入（包括传感器信号及IO信号）。
计算执行模块中包含瓶温计算、压力计算、氢浓度计算、HMS控制器状态计算、氢瓶SOC估算等功能。
输出模块主要是CAN报文的发送。根据通讯协议共有5条报文需发送。
实施例2：
本发明还提出了一种用于氢系统的控制方法，如图6所示，包括：
步骤1、通过底层获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至应用层；
步骤2、在所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态；
步骤3、基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。
本发明系统能够高效稳定对氢系统及氢控制器进行控制，并能够监控氢系统及其氢控制器的稳定运行，同时针对氢系统的故障也能进行识别，因此本发明对氢系统的稳定运行提供了安全保障，大大的提高了氢系统运行的安全性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于氢控制器的用于氢系统的控制系统，其特征在于，所述系统包括：底层，基础层和应用层；
所述底层用于获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至所述应用层，所述基础层为所述底层和应用层提供接口，以用于所述底层和应用层的通信及连接，所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态，并基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行；
所述应用层，包括：输入模块，计算执行模块和输出模块；所述输入模块用于接收氢系统数据，并将所述氢系统数据传输至所述计算执行模块；所述计算执行模块用于根据所述氢系统数据，确定氢系统的状态；所述输出模块用于根据所述氢系统的状态，生成控制指令，并将所述控制指令下发至氢控制器；
所述计算执行模块用于根据所述氢系统数据，确定氢系统的状态，包括：
所述计算执行模块收到氢系统数据后，针对所述氢系统数据，分别执行氢系统的瓶温计算、瓶压力计算、瓶氢浓度计算和瓶SOC估算，以及氢控制器的状态计算，以得到计算结果，基于所述计算结果确定氢系统的状态；
所述输入模块还用于在不能收到底层传输的氢系统数据时，通过氢控制器直接获取氢系统数据；
所述氢控制器，包括：多种传感器和多种定时器；所述多种传感器用于采集与氢系统的温度相关的数据或与氢气压力相关的数据；所述多种定时器用于采集与氢气浓度相关的信号占空比数据；
所述多种定时器采集与氢气浓度相关的信号占空比数据，包括：控制氢控制器的第一定时器，从0开始计数，并通过控制氢控制器的第二定时器，捕获当所述第一定时器A端口存在上升沿时，所述第一定时器的上升沿值，及通过控制氢控制器的第三定时器，捕获当所述第一定时器A端口存在下降沿时，所述第一定时器的下降沿值，将所述下降沿值与所述上升沿值的比值，作为与氢气浓度相关的信号占空比数据；
所述第一定时器为通用定时器，所述第二定时器和所述第三定时器为捕获计数器，所述第二定时器和所述第三定时器分别与所述第一定时器的A端口连接；
当所述第二定时器捕获到上升沿值后，或当所述第三定时器捕获到下降沿后，对所述第一定时器进行复位。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述氢系统数据包括如下中的至少一种：与氢系统的温度相关的数据，与氢气浓度相关的信号占空比数据和与氢气压力相关的数据。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述底层包括：ADC模块，PWM信号模块和MultiCAN模块；所述ADC模块用于获取氢控制器采集的氢系统的与氢系统的温度相关的数据和与氢气压力相关的数据；所述PWM信号模块用于获取氢控制器采集的与氢气浓度相关的信号占空比数据；所述MultiCAN模块用于将氢系统数据传输至应用层。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述ADC模块和MultiCAN模块分别通过ADC模块驱动程序和MultiCAN模块驱动程序进行驱动，所述ADC模块驱动程序和MultiCAN模块驱动程序通过基础层控制运行。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述PWM信号模块获取的氢控制器采集的与氢气浓度相关的信号占空比数据，为PWM信号数据。
6.一种使用如权利要求1-5任一控制系统的用于氢系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
通过底层获取氢控制器采集的氢系统数据，并将所述氢系统数据通过基础层传输至应用层；
在所述应用层在收到所述氢系统数据后，基于所述氢系统数据，确定所述氢系统的运行状态；
基于所述运行状态，向所述氢控制器发出用于控制所述氢系统的控制指令，基于所述控制指令控制所述氢控制器动作，以控制所述氢系统的运行。
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