燃料电池发动机传感器系统

 　　2.3 燃料电池发动机传感器系统。

　　燃料电池发动机系统是一个较为复杂的系统，其中使用了大量不同类型的传感器，它们构成了一个错综复杂的传感器系统。这些传感器被用于测量系统中各种物理量和状态，为控制系统提供最原始的信息。它们相对于控制系统的"眼睛",其重要性不言而喻。本节将介绍和分析系统中使用较多的几种传感器的原理、特性和常用电路等，提出燃料电池发动机系统适合使用的传感器类型及部分实用的变送电路。

　　2.3.1 压力传感器。

　　燃料电池发动机系统的工作环境较为恶劣，所以在压力传感器和水位传感器等力学量传感器的设计和选型过程中应关注对其各项相关的技术指标。压力传感器的主要技术指标有输入电阻、输出电阻、绝缘电阻这三项，但在恶劣情况下还应了解如非线性、重复性、迟滞、零点输出、满量程输出电压等多种参数指标，以便得到更好的使用效果。

　　在实际的选用与实验中我们得出了许多经验，例如常用的电阻应变式传感器非线性大，输出信号易受干扰，不太适合在燃料电池发动机的恶劣工作环境下使用；而压电式压力传感器较适合测量动态压力的变化情况，但燃料电池的氢气供给系统中的压力变化相对缓慢，因而不是十分合适使用；经过综合的比较与考虑后，选用的是压阻式传感器，下面主要介绍压阻式传感器的原理和特点。

　　（1）压阻式传感器的原理。

　　当对一块半导体在某一晶向上施加应力时，其电阻率会产生一定的变化。这种导体电阻率变化和应力之间的相互关系，称为半导体压阻效应。压阻式传感器就是利用单晶硅的压阻效应而制成的一种力敏器件，它可用于测量压力、加速度和载荷等参数。

　　压阻式传感器的基本原理可以从材料电阻变化率看出，即公式 2-1:

　　对于半导体而言，电阻取决于有限数目的载流子一空穴和电子的迁移。施加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，因而使半导体电阻率产生相应的变化，也就是说，上式的 ΔL/L 和 ΔS/S两相很小，即尺寸的变化率很小，Δρ/ρ 一项较大，即电阻率的变化率较大。若用表 σ 示应力，则有：

　　式中：

　　π─半导体压阻系数；σ─外加作用力引起的应力。

　　这就是压阻式传感器的基本原理。

　　（2）压阻式传感器的特点。

　　（a）灵敏度高。硅单晶的灵敏因子较金属丝高50~100倍，故相应的传感器灵敏度很高。

　　（b）精度高。由于这种传感器的感受、敏感和检测三部分由同一个元件实现，没有中间转换环节，所以重复性和迟滞等误差极小。同时由于单晶硅本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性。

　　（c）体积小、重量轻、工作频率高。

　　（d）结构简单紧凑，无磨损，工作可靠，寿命长。

　　根据以上介绍可知，该类传感器有较好的使用特性，只要在制造过程中进行防爆的处理是测量压力的理想传感器类型。在燃料电池发动机系统中，我们采用测量压力的传感器就是压阻式传感器，供电范围15~24V,输出信号4~20mA,精度等级0.25%FS,零温度系数1x10-4/℃。FS、灵敏度稳定系数1x10-4/℃。FS、零点短期时漂1x10-3/℃。FS/24小时，工作温区宽，适合于潮湿气体的测量，防爆设计。

　　2.3.2 温度传感器电路分析与设计温度传感器在系统中主要用于测量冷却水进堆和出堆的水温，作用十分重要。在实际系统中使用的是铂电阻测温电路[27],以下将着重介绍该类测温电路。

　　（1）铂测温电阻。

　　温度传感器可根据用途制成各式各样的形态。热电偶的检测灵敏度低，但其使用范围宽；热敏电阻器制作的温度传感器，在较窄的温度范围内检测灵敏度高，在微小温度差的测量方面极其有用，但输出值的线性度差，检测时需要线性补偿。

　　因此，要精确检测120℃以内的温度，上述各类温度传感器均不适用。另外，IC温度传感器的分散性太大，进行高精度测量时必须校正。

　　金属铂可提纯达 99.999%,性能稳定，线性较好，电阻温度系数分散性小，精度高灵敏度也比较高，用它制作的温差计性能优良，因而应用广泛。铂电阻适用温度范围：250~640℃铂电阻方程可用多项式表达。

　　式中：

　　t-摄氏温度，R0-t=0℃时的铂电阻值，α-温度系数（3.9082x103/℃），β=?580195×10-7/℃。

　　二次项系数与一次项系数间相差4个数量级，可见具有较好的线性特性。一般应用取至二次项就有足够高的精度，但在精密应用时，对二次非线性进行线性化处理后，仍存在三阶非线性误差。

　　这里将主要介绍Pt热敏薄膜电阻器。热敏薄膜不同于以前的玻璃密封和陶瓷密封的热敏电阻，它是在陶瓷基片上用丝网印刷Pt上浆料，然后烧成。用耐磨玻璃浆料覆盖在Pt上面，玻璃膜厚约几微米，涂覆均匀。膜结构薄而牢固，放热响应非常快。热敏薄膜精度分三级，一级和二级精度按B.S.（英国规格）标淮，一级精度初始值0℃为100?误差范围在0.075%以内；二级精度对应于同样的初始值，误差在0.1%以内。一和二级这样高精度的测温电阻一般不用，考虑到价格，通常用三级精度即可。三级精度在初始值的误差小于0.25%,即精度在Pt测温电阻和热敏电阻器之间，己供应市场。

　　（2）电路设计。

　　一般 Pt 测温电阻测量温度的电路如图 2.8 所示。电桥输出电压.Rr电阻温漂很小，通常是定值，故Vout与Rt的变化成比例，若读出原来的电压，便可求出对应于温度的值。在实际系统中，由于传感器的引线不长，所以使用了两线式的连接方式。变送电路使用了BB公司生产的一款两线电流变送芯片，输出电流4~20mA,供电范围7.5~36V.芯片集成了桥电路，仪器运放和电流输出电路，并且在芯片内部两次校正铂测温电阻的非线性。

　　根据设计测量范围的不同，调节R24和R27的值以及R38和R39的值，达到设计值。Q3起到分流作用，使芯片工作电流减小，长时间工作时受温度影响减小。

　　R26为精密电阻，4~20mA电流经过它转变为电压变化用于采样。芯片负载能力由供电电压决定，电压越高，负载能力越大。图中的TIN1和TIN2为铂电阻的接口。

　　该电路设计测量范围0~1000℃，精度0.1%.

　　2.3.3 霍尔电压、电流传感器。

　　燃料电池发动机系统中的电流和电压传感器均为霍尔传感器，因为系统中大量使用该类传感器，以下将详细介绍霍尔传感器的原理和常用电路以及实际设计使用的电路。

　　（1）霍尔元件的原理。

　　霍尔元件是基于霍尔效应制成的。所谓霍尔效应就是把一个磁场加到一个通有电流的导体上，在该导体的两侧面就会产生一个电压，这一现象就叫霍尔效应，即霍尔效应是由于通电导体的电荷在磁场的作用下发生偏移引起的。霍尔元件是四端子元件，内部结构如图2.6所示。a.b为输入电流端子，c.d为输出电压端子，如果在图示方向加上磁场B,就会在c.d端子输出电压，此电压称为霍尔电压VH,cosH HV = KI B q（2-5）式中K为霍尔元件的灵敏度，通常表示电流为1mA,磁场为1kG时的输出电压，单位为mV/mA/kG;IH霍尔元件的电流，称为霍尔电流，通常为几mA到几十mA;B为加在霍尔元件上的磁场强度，单位为高斯（G）或特斯拉（t）1T=104G为所加磁场与磁敏面垂直方向的夹角。实验证明，磁场作用于通电半导体时，产生的霍尔电压比较高，因此，霍尔元件的材料常用GaAs（砷化稼）、InSb（锑化铟）等半导体。

　　霍尔元件内部电路可用电阻桥来表示，如图2.6所示。由图可知：a.b间以及c.d间或d.b间通过电阻工作，也就是说，霍尔元件是P型或N型半导体的欧姆结构，认为是纯电阻性质。但严格地说，这种表示方法是不正确的，因霍尔元件有立体、平面那样的结构，也具有源元件的作用，不过广义上认为这样的机理也是可以的。

　　若a.b间输入电阻为RI,a.d或d.b间电阻为（1/2）RI,ROUT电阻，因此，霍尔元件可有单端输出和双端输出形式，常用电路符号。

　　（2）霍尔元件的特性。

　　霍尔元件的特性有两种，即线性特性和开关特性，如图2.8所示。

　　（a）为线性特性，磁通计中的传感器多用此特性的霍尔元件；（b）为开关特性，低磁场时磁通饱和，此特性因集磁体本身的材料及形状不同而异，无刷电机控制用传感器多用此特性的霍尔元件。

　　GaAs（砷化稼）和InSb（锑化铟）材料的霍尔元件都具有良好的线性。以前InSb材料霍尔元件用得较多，目前使用的霍尔元件材料主要是GaAs.除此之外，还有Ge（锗）和InAs（砷化锢）材料的霍尔元件。

　　GaAs材料霍尔元件有如下特点；霍尔电压的温度系数较小，霍尔电压温度系数的最大值为-600ppm/℃，温度变化10℃时，霍尔电压仅变化-0.6%（max）。温度系数的典型值为-30~-400ppm/℃，线形好，1kG霍尔电压相对于5kG时霍尔电压的最大误差只有2%,己满足一般用途的要求，但灵敏度低，这是GaAs霍尔元件不足之处，使用时要注意。

　　InSb 材料霍尔传感器稳定性好，受漂移电压的影响较小，这是此种材料霍尔元件的最大优点，并且噪声也小。因此、当磁场较低时，也有较好的 S/N 比。

　　但霍尔电压受温度变化影响较大，这是此种材料霍尔元件的不足之处，输出电压的温度特性较差。恒流工作时其温度系数为-2000ppm/℃它是 GaAs 霍尔元件温度系数的 3~4 倍。为采用恒压工作方式，可使温度系数降到 1/10.这种材料霍尔元件的频率特性也较差，带宽为几 kHz 到几十 kHz,而 GaAs 材料霍尔元件。理论上的带宽为 MHz 以上，但是，频率较高时 di/dt 效应的影响，不能进行精确的测量[28].

　　霍尔元件的磁阻效应非常弱，这是由它的性质决定的。因内电阻变化，则电流也要改变，这样就会使输出霍尔电压产生失真。因此，外接电阻要比内阻RIN大得多，才能抑制电流的变化。本电路中，采用的霍尔元件的RIN为2000?,RA+RB为2.2k?完全满足要求，可选用RA为1.1k?,RB为1.1k?.

　　图 2.9 列出霍尔元件的几种偏值电路。因 2.9（a）是没有外接偏置电阻的电路，这种电路有如下特点：即适用于 RIN较高的霍尔元件；霍尔电流 IH=Eb/RIN磁阻效应影响较大；用于 InSb 材料霍尔元件，其温度特性较好。图 2.9（b）在电源正端与霍尔元件之间外接偏置电阻 R 的电路。

　　（4）霍尔元件的实际应用电路燃料电池发动机系统中实际使用了WB系列的电压电流传感器，WB系列霍尔电流传感器/变送器由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成，有直测式（见图2.10）和磁补偿式（见图2.11）两种工作方式，以下将介绍其工作原理及特点。

　　众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比。在一块环形铁磁材料上，绕一组线圈或母线直接贯穿其间，通有一定控制电流Ic的霍尔器件置于铁磁体的气隙中，在电流绕组产生的磁电势作用下，用霍尔器件测出气隙里磁压降，就决定了被测电流I1.由于铁磁体的磁阻远小于气隙磁阻，因此铁磁体磁压降比气隙的磁压降小到可以忽略的程度。又因为气隙较小而均匀，所以可认为霍尔器件的磁轴方向与气隙里的磁感应强度方向一致，则霍尔器件输出的霍尔电压UH正比于气隙里磁感应强度和磁场强度，即正比于气隙里的磁压降。

　　将霍尔电压放大后直接输出或经交流/直流变换器把 0~1V 的交、直流信号转换为 Iz:4~20mA 或 0~20mA,Vz:0~5V 或 1~5V 的标准直流信号输出。WB 系列磁补偿式电流传感器/变送器与 WB 系列直测式电流传感器/变送器的区别在于其铁磁体上另外加有一平衡绕组，气隙里的霍尔器件仅作为检零器件，用来检测被测电流 I1和平衡绕组中电流 I2在铁磁体中所产生的磁电势的平衡状态。

　　一次电流I1流过一次绕组N1产生的磁通作用于导磁体气隙中的霍尔元件，在一定的控制电流Ic下，其霍尔输出电压经放大器A进行电压放大及互补三极管T1,T2功率放大后，输出的补偿电流I2经二次（补偿）绕组N2产生与一次电流相反的磁通，因而补偿了一次电流产生的磁通，使霍尔输出电压逐渐减小，直到一、二次侧磁通相等时，二次电流不再增加。这时霍尔器件起到指示零磁通的作用，且有：2 1 2 1I = （ N / N ）I（2-8）上述电流补偿的过程是一个动态平衡过程。当I1通过N1,N2尚未形成时，霍尔器件H检测出I1N1所产生的磁场的霍尔电压，经电压、功率放大。由于N2为补偿绕组，经过它的电流不会突变。I2只能逐渐上升，I2N2产生的磁通抵消（补偿）I1N1产生的磁通，霍尔输出电压降低，I2上升减慢。当I2N2=I1N1时，磁通为零，霍尔输出电压为零。由于二次绕组的缘故，I2还会再上升，这样I2N2>I1N1,补偿过冲，霍尔输出电压改变极性，互补三极管组成的功率放大输出级使I2减少，如此反复在平衡点附近振荡。这样的动态平衡建立时间=lus,二次电流正比于一次被测电流。采用霍尔器件、导磁体、放大电路、补偿绕组和交渝直流变换器把0~1V的交、直流信号转换为Iz:4~20mA或0~20mA,VZ:0~5V或1~5V的标准。

　　2.4 燃料电池发动机系统的控制分析。

　　（1）氢气供给系统的控制。

　　燃料电池氢气系统工作时，要求进入电堆的氢气压力为0.8bar,且具有一定的湿度。为此在氢气供给系统的电堆入口处设置了压力传感器、加湿器、流量传感器。

　　（2）空气供给系统的控制。

　　燃料电池空气供给系统工作时，要求进入电堆空气压力为1bar,温度为80℃，且具有一定的湿度。为此，在空气供给系统的电堆入口处设置了压力传感器、温度传感器、湿度传感器，MCU根据这两个传感器的信号对空压机、加湿器等实现动态控制，从而使系统工作在最佳状态，满足系统对空气的压力、温度、湿度的要求。流量传感器用于对反应进行分析计算。

　　（3）冷却水温控制。

　　进、出电堆的冷却水温必须控制在100℃以内，为此在电堆进、出口处分别设置了温度传感器，MCU根据该传感器的信号对高压水泵及散热风扇等实现动态控制，达到所需的温度。流量传感器用于对反应进行分析计算。

　　（4）安全系统控制。

　　考虑质子交换膜两侧的气体压力升高速度不应太快，因此要对氢气供给系统中的减压阀的开启状况和空气供给系统中的高速风机的开启状况进行控制，使其压力的升高按一定规律进行。

　　为保证电堆系统安全工作，在电堆系统中设置了两个氢气传感器，控制到燃料电池系统中有氢气泄露或电导率传感器检测到冷却水系统中的导电率较高时，立即反馈回信号，通过MCU发出信号切断氢气系统中的电磁阀和空气系统中的高压风机；当氢气、空气供给系统中的压力差过高时也切断氢气和空气供给。此时，改用镍氢电池向外供电做短暂运行，同时仪表盘的故障指示等闪烁，提醒驾驶者尽快停车维修。

　　燃料电池发电系统控制环节的好坏，直接影响燃料电池发动机和整车性能的好坏，因此这也是本系统的一个关键所在。

　　2.5 本章小结。

　　本章首先简单介绍了燃料电池，描述了燃料电池的工作原理、分类及其特点。

　　然后介绍了整个燃料电池电动汽车的组成，指出了燃料电池发动机是整个燃料电池电动汽车的关键。接着详细介绍了燃料电池发动机系统的各个组成部分，系统中较为常用的几种类型传感器的原理、特点和常用典型电路，指出系统所需传感器的适合种类及其参数指标，同时给出系统中实际使用的温度变送电路和电压、电流变送电路，最后介绍了燃料电池发电的控制分析。