隨著清潔能源需求的增加，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越重要。由于不受熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，目前各類燃料電池實(shí)際的能量轉(zhuǎn)化率均可達(dá)40%～60%；燃料電池環(huán)境友好、工作安靜、噪聲很低。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)和電堆等幾部分組成，燃料電池主要由陽極、陰極、電解質(zhì)組成。是一種將氫、氧的化學(xué)能通過催化反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝且。其特點(diǎn)是清潔、高效。被視為石油等生化能源的替代品。燃料電池種類較多，其中質(zhì)子文換膜燃料電池在電動(dòng)汽車上用運(yùn)廣泛。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1 分布式燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

　　針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的上述要求，清華大學(xué)和大連化學(xué)物理研究所合作，研制了分布式燃料電池控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器為，包括了2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)立控制子系統(tǒng)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)包括電堆控制器節(jié)點(diǎn)、增濕控制器節(jié)點(diǎn)、風(fēng)機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)以及4個(gè)單片電壓測量節(jié)點(diǎn)等。加上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主控制器，整個(gè)控制系統(tǒng)共包括15個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)

　　2 基于ARM+MPC561雙單片機(jī)的主控制器設(shè)計(jì)

　　2.1 控制器硬件框架

　　ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個(gè)廠商得到的ARM公司（6張）都是一套的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多性RISC標(biāo)準(zhǔn)的。

　　控制器的硬件框架如圖2所示。該控制器采用MPC56x和AT91SAM9261S單片機(jī)雙核處理器的模式，其中底層IO驅(qū)動(dòng)采用MPC56x單片機(jī)[1]，而控制算法采用ARM9單片機(jī)[2]。采用ARM9單片機(jī)進(jìn)行控制算法的優(yōu)點(diǎn)是：

　?。?）ARM的主頻高、運(yùn)算速度快，主頻可以達(dá)到190 MHz，運(yùn)算速度可達(dá)210 MIPS，大大高于MPC56x的56 MHz；

　?。?）可以配套的內(nèi)存大，擁有豐富的內(nèi)存擴(kuò)展接口，不但能實(shí)現(xiàn)與MPC56x相同的SRAM擴(kuò)展，還擁有專門的SDRAM管理模塊，能進(jìn)行SDRAM擴(kuò)展，其容量可以輕易達(dá)到100 MB以上；

　?。?）外設(shè)接口豐富，USB2.0全速主機(jī)雙端口及設(shè)備端口，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸，保證上傳和數(shù)據(jù)的高效和可靠；

　　（4）價(jià)格低廉，AT91SAM9261S零售價(jià)只需63元，小批量價(jià)格僅為6美元，而MPC561零售價(jià)格高達(dá)40美元，在價(jià)格上具有很強(qiáng)的競爭力。

　　MPC56x的優(yōu)點(diǎn)是：帶有豐富的外圍周邊模塊，能夠直接接口底層的各種信號(hào)。因此將MPC56x和ARM結(jié)合起來，可以保證控制器既具有強(qiáng)大的控制算法，又有強(qiáng)大的底層實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)能力。

　　2.2 基于ARM的控制算法開發(fā)方法

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的控制算法框架如圖3所示。整個(gè)上層控制算法可以分解為2層：輸入輸出信號(hào)接口和控制算法邏輯本身。其中輸入輸出信號(hào)接口在MPC56x中運(yùn)行，而控制算法邏輯直接在ARM中運(yùn)行。

　　上層控制算法可直接利用MATLAB/SIMULINK中的Real Time Workshop工具箱進(jìn)行開發(fā)。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其下的Simulink組件具有強(qiáng)大的算法仿真調(diào)試功能；Stateflow模塊提供直觀可靠的邏輯分析/狀態(tài)機(jī)；Real-time Workshop模塊支持自動(dòng)代碼生成，能將仿真測試后的框圖模型自動(dòng)生成支持ARM9數(shù)字的C代碼。

　　2.3 控制器測試

　　對(duì)于AT91SAM9261S+MPC561的雙數(shù)字燃料電池主控制器，現(xiàn)階段在實(shí)驗(yàn)室中利用Vector公司的CAN Case網(wǎng)絡(luò)通信硬件工具以及CANalyzer軟件模擬整車TTCAN網(wǎng)絡(luò)和燃料電池控制系統(tǒng)的底層控制器，并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)雙數(shù)字燃料電池主控制器進(jìn)行仿真測試，控制器測試照片如圖4所示。

　　通過實(shí)際測試，驗(yàn)證了采用MPC+ARM的雙數(shù)字架構(gòu)的燃料電池主控制器在運(yùn)行同樣的控制算法時(shí)，要比采用單個(gè)MPC561數(shù)字的控制器快得多。在MPC和ARM之間的CAN通信方面不存在任何問題，可以應(yīng)用于實(shí)車運(yùn)行中。

　　（1）為了滿足復(fù)雜的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)或者新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的控制算法，本論文提出了采用ARM9加MPC56x單片機(jī)的雙核控制器設(shè)計(jì)的思路。由計(jì)算性能更好的ARM9負(fù)責(zé)控制算法，而驅(qū)動(dòng)能量較好的MPC56x負(fù)責(zé)輸入輸出驅(qū)動(dòng)。

　　（2）ARM9的控制算法可以實(shí)現(xiàn)在MATLAB/SIMULINK中的圖形化編程，然后利用控制代碼自動(dòng)生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)上層控制算法的高效開發(fā)。

　?。?）在本例中，由于ARM9和MPC56x的數(shù)字的安裝接口完全一致，因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜程度決定是只用一個(gè)數(shù)字MPC56x，還是ARM9+MPC56x的雙數(shù)。其為教學(xué)和科研提供了一個(gè)模塊化的科研平臺(tái)，為兼容各種簡單和復(fù)雜控制算法的應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。