CN108407649A - 一种燃料电池汽车控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车控制系统及其控制方法，对燃料电池散热系统和电机散热系统分别根据不同水温，控制散热器和水泵工作，实现单独散热，提高散热系统的可靠性，实现了燃料电池及电机的冷却温度的精确控制，使各自都处于最佳水温的工作状态下。

Description

一种燃料电池汽车控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其是一种燃料电池汽车控制系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池汽车是一种用氢气作为新能源的新技术汽车，具有节能、零排放、无污染、效率高、噪声低、可靠性高等优点。燃料电池动力系统的热效率一般为35％～42％，而传统的燃油发动机的热效率在30％以下，在产生相同功率的情况下，燃料电池汽车比一般的汽车节能25％左右，可见是十分环保与节能的。尽管燃料电池发动机的效率远高于传统发动机，但其散热问题却是一个难题。这是因为传统发动机的散热，15％是通过发动机机体散出，40％通过排气管以尾气形式排放，只有8％的热量通过散热器散出。燃料电池动力系统相对传统内燃机热负荷大，极限工况约有50％-60％的发热量需要散走，而传统内燃机约有20％的热量需要给冷却系统带走，散热需求远大于内燃机。随着燃料电池功率的不断提升，散热问题将会更加突出。所以单散热系统及单控制策略已经不能满足燃料电池汽车的高散热量需求，为此设计燃料电池及电机的双散热系统及综合控制策略以满足散热量需求。
现有单散热系统是由燃料电池冷却系统、电机冷却系统和整车散热系统组成。整车散热系统由燃料电池的散热器、电机散热器和风扇构成，两套冷却系统共用风扇，布置在车头位置。现有技术把电机、燃料电池进行串联冷却，造成系统总散热量过高，其中有一个温度报警都会造成水泵及风扇高速运转，耗能较大。此种设计对于零部件的可靠性要求较高，一旦出现问题整个散热系统就完全失效。控制策略输入项较多，单一系统控制复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车控制系统及其控制方法，解决现有技术中出现的技术问题，提高散热系统的可靠性，可更精确地控制系统的冷却温度。
本发明提供了一种燃料电池汽车控制系统，其中，包括：燃料电池散热系统和电机散热系统；所述燃料电池散热系统包括：第一水泵、燃料电池、第一散热器、电池控制器和第一温度传感器；所述第一水泵、燃料电池和第一散热器通过管路相连通，形成主路循环；第一温度传感器用于获取所述燃料电池的第一水温；所述电池控制器用于根据所述第一水温控制所述第一水泵的转速和所述第一散热器的风扇的转速；所述电机散热系统包括：第二水泵、电机、电机控制器、第二散热器、整车控制器、元器件组、硬件温度传感器和第二温度传感器，所述第二水泵、电机、电机控制器、元器件组和所述第二散热器通过管路相连通；所述硬件温度传感器用于获取所述元器件组的硬件温度，所述电池控制器还用于通过CAN总线将所述硬件温度传输至所述整车控制器；第二温度传感器用于获取所述电机散热系统的第二水温；所述硬件温度传感器用于分别获取所述电机和所述电机控制器的电机温度和电机控制器温度；所述整车控制器用于根据所获得的所述硬件温度、电机温度、电机控制器温度和所述第二水温，控制所述第二水泵的转速和所述第二散热器的风扇的转速。
优选地，所述元器件组包括：电压变换器、空气压缩机和空气压缩机控制器；所述硬件温度传感器包括：用于获取所述电压变换器温度的电压变换器温度传感器、用于获取空气压缩机温度的空气压缩机温度传感器、和用于获取空气压缩机控制器温度的空气压缩机控制器温度传感器。
优选地，所述电机控制器包括：绝缘栅双极型晶体管，所述硬件温度传感器还包括用于获取所述绝缘栅双极型晶体管温度的晶体管温度传感器，所获取的所述绝缘栅双极型晶体管温度为所述电机控制器温度。
优选地，所述空气压缩机和空气压缩机控制器并联后的回路与所述电机控制器和所述电压变换器并联后的回路相串接。
优选地，所述燃料电池散热系统还包括：膨胀水壶和去离子器，所述膨胀水壶与所述去离子器通过管路连接形成支路循环，所述支路循环与所述主路循环并联。
优选地，所述第一散热器的风扇和所述第二散热器的风扇均为高低挡风扇或者无级变速风扇。
优选地，所述高低挡风扇包括停止挡、中速挡和高速挡。
优选地，所述第一温度传感器的数量为两个，两个所述第一温度传感器分别设置于所述燃料电池的进水口和出水口；所述第二温度传感器设置于所述第二散热器的出水口。
优选地，所述燃料电池散热系统还包括压力传感器，所述压力传感器设置于所述燃料电池的进水口，所述电池控制器用于通过所述压力传感器获取所述燃料电池散热系统的水路压力，并将所述水路压力输送至驾驶室仪表进行实时显示。
本发明还提供了一种如上述任一项所述的燃料电池汽车控制系统的控制方法，其中，包括：
S1：所述电池控制器获取所述第一水温；
S2：预设第一范围、第二范围和第三范围；
其中，所述第一范围为大于第二阈值，所述第二范围为大于第一阈值且小于等于所述第二阈值，第三范围为小于等于所述第一阈值；其中，第一阈值小于第二阈值；
S31：若所述第一水温在所述第一范围，则输出第一占空比信号，以控制所述第一水泵在第一供电频率下运转，并控制所述第一散热器的风扇按照第一转速运转；
S32：若所述第一水温在所述第二范围，则输出第二占空比信号，以控制所述第一水泵在第二供电频率下运转，并控制所述第一散热器的风扇按照第二转速运转；
S33：若所述第一水温在所述第三范围，则输出第三占空比信号，以控制所述第一水泵在第三供电频率下运转，并控制所述第一散热器的风扇关闭；
S11：所述整车控制器获取所述第二水温；
S12：预设第四范围、第五范围和第六范围；
其中，所述第四范围为大于第四阈值，所述第五范围为大于第三阈值且小于等于所述第四阈值，第六范围为小于等于所述第三阈值；其中，第三阈值小于第四阈值；
S131：若所述第二水温在所述第四范围，则获取所述硬件温度、电机温度和所述电机控制器温度；
S132：判断所述硬件温度、电机温度和所述电机控制器温度的任一项是否超出各自工作温度第一限值；
S133：若是，则报警，若不是，则输出第四占空比信号，以控制所述第二水泵在第四供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇按照第三转速运转；
S134：继续判断是否超出各自工作温度的第二限值；
S135：若是，则限制所述燃料电池的发电量输出，输出第四占空比信号，以控制所述第二水泵在第四供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇按照第三转速运转；
S14：若所述第二水温在所述第五范围，则输出第五占空比信号，以控制所述第二水泵在第五供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇按照第四转速运转；
S15：若所述第二水温在所述第六范围，则输出第六占空比信号，以控制所述第二水泵在第六供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇关闭。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种燃料电池汽车控制系统及其控制方法，对燃料电池散热系统和电机散热系统分别根据不同水温，控制散热器和水泵工作，实现单独散热，提高散热系统的可靠性，实现了燃料电池及电机的冷却温度的精确控制，各自都处于最佳水温的工作状态下。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃料电池汽车控制系统的示意图；
图2为电机散热系统的示意图；
图3为燃料电池散热系统的控制流程图；
图4为电机散热系统的控制流程图。
附图标记如下：
100-燃料电池散热系统、110-第一水泵、120-燃料电池、130-第一散热器、140-电池控制器、150-第一温度传感器、160-膨胀水壶、170-去离子器、180-压力传感器、200-电机散热系统、210-第二水泵、220-电机、230-电机控制器、240-第二散热器、250-整车控制器、260-元器件组、261-电压变换器、262-空气压缩机、263-空气压缩机控制器、270-硬件温度传感器、280-第二温度传感器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种燃料电池汽车控制系统，其中，包括：燃料电池散热系统100和电机散热系统200。
所述燃料电池散热系统100包括：第一水泵110、燃料电池120、第一散热器130、电池控制器140和第一温度传感器150，所述第一水泵110、燃料电池120和第一散热器130通过管路相连通，形成主路循环。第一温度传感器150用于获取所述燃料电池120的第一水温，所述电池控制器140用于根据所述第一水温控制所述第一水泵110的转速和所述第一散热器130的风扇的转速。
所述电机散热系统200包括：第二水泵210、电机220、电机控制器230、第二散热器240、整车控制器250、元器件组260、硬件温度传感器270和第二温度传感器280，所述第二水泵210、电机220、电机控制器230、元器件组260和所述第二散热器240通过管路相连通。所述硬件温度传感器270用于获取所述元器件组260的硬件温度。所述电池控制器140还用于通过CAN总线将所述硬件温度传输至所述整车控制器250。第二温度传感器280用于获取所述电机散热系统的第二水温，所述硬件温度传感器270还用于分别获取所述电机220和所述电机控制器230的电机温度和电机控制器温度。所述整车控制器250用于根据所获得的所述硬件温度、电机温度、电机控制器温度和所述第二水温，控制所述第二水泵210的转速和所述第二散热器240的风扇的转速。
与现有技术相比，本发明提供的燃料电池汽车控制系统，通过将燃料电池散热系统100和电机散热系统200单独设计散热系统，使第一散热器130和第二散热器240单独散热，提高散热系统的可靠性，实现了燃料电池120及电机220的冷却温度的精确控制，各自都处于最佳水温的工作状态下。
电机散热系统200中具有多个工作时发热的元器件，会提高水路的温度。如图2所示，进一步地，所述元器件组260包括：电压变换器261、控制压缩机262和空气压缩机控制器263；所述硬件温度传感器270包括：用于获取所述电压变换器温度的电压变换器温度传感器、用于获取控制压缩机温度的控制压缩机温度传感器、和用于获取空气压缩机控制器温度的压缩机控制器温度传感器。上述部件通过实验测得工作时发热量较大，通过采集上述部件的温度，可更为精确地对电机散热系统200进行冷却。
进一步地，所述电机控制器230包括：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述硬件温度传感器270还包括用于获取所述绝缘栅双极型晶体管温度的晶体管温度传感器，所获取的所述绝缘栅双极型晶体管温度为所述电机控制器温度。该IGBT模块为电机控制器230的核心组件，通过采集其温度信号，可更为可靠地保护电机控制器230，提高电机散热系统200的散热精度。
优选地，所述空气压缩机262和空气压缩机控制器263并联后的回路与所述电机控制器230和所述电压变换器261并联后的回路相串接。通过将散热量较大的元件串联在冷却水路中，散热量较小的元件先并联后再串联入冷却水路，可使冷却水对各部件进行均匀散热，提高冷却效果。
进一步地，所述燃料电池散热系统100还包括：膨胀水壶160和去离子器170，所述膨胀水壶160与所述去离子器170通过管路连接形成支路循环，所述支路循环与所述主路循环并联。通过将去离子器170设置于支路循环中，可减少主路循环中的阻力，使冷却循环更加畅通，提高冷却效率。
进一步地，所述第一散热器130的风扇和所述第二散热器240的风扇均为高低挡风扇或者无级变速风扇。优选地，所述高低挡风扇包括停止挡、中速挡和高速挡，该风扇结构简单、工作可靠。本实施例中以高低挡风扇进行说明，但本发明保护范围不限于使用高低挡风扇。为了提高风扇的工作效率，每个第一散热器130和第二散热器240不限于同时使用一个风扇，可多个风扇同时工作。为了避免第一散热器130的风扇和第二散热器240的风扇相互干扰，具体实施时，将两个风扇布置在不同位置，避免热干扰。
进一步地，所述第一温度传感器150的数量为两个，两个所述第一温度传感器150分别设置于所述燃料电池120的进水口和出水口；所述第二温度传感器280设置于所述第二散热器240的出水口。第一水泵110和第二水泵210均采用脉宽调制信号控制，第一水泵110的转速根据燃料电池120的进、出口水温，按照预先设定的水泵占空比进行连续调节，从而保持燃料电池120的进、出口水温差在合理的范围内。第二水泵210的转速根据第二散热器240的出水口的水温按照预先设定的水泵占空比进行连续调节流量输出，从而控制电机水路系统的发热元件的水温差在合理的范围内。通过获取温差信号有助于进一步提升控制的准确性。
进一步地，所述燃料电池散热系统100还包括压力传感器180，所述压力传感器180设置于所述燃料电池120的进水口，所述电池控制器140用于通过所述压力传感器180获取所述燃料电池散热系统100的水路压力。通过检测该压力传感器180的压力值，可判断第一水泵110的工作状态，当压力传感器180检测到水压小于阈值时，则第一水泵110出现了故障，方便问题定位，提高维修效率。在具体实施时，电池控制器140将压力信号传输至仪表控制器，仪表控制器通过显示图标或者声音对驾驶员进行报警。
如图3和图4所示，本发明还提供了一种如上述所述的燃料电池汽车控制系统的控制方法，其中，包括：
S1：所述电池控制器140获取所述第一水温；
S2：预设第一范围、第二范围和第三范围；
其中，所述第一范围为大于第二阈值，所述第二范围为大于第一阈值且小于等于所述第二阈值，第三范围为小于等于所述第一阈值；其中，第一阈值小于第二阈值；
S31：若所述第一水温在所述第一范围，则输出第一占空比信号，以控制所述第一水泵110在第一供电频率下运转，并控制所述第一散热器130的风扇按照第一转速运转；
S32：若所述第一水温在所述第二范围，则输出第二占空比信号，以控制所述第一水泵110在第二供电频率下运转，并控制所述第一散热器130的风扇按照第二转速运转；
S33：若所述第一水温在所述第三范围，则输出第三占空比信号，以控制所述第一水泵110在第三供电频率下运转，并控制所述第一散热器130的风扇关闭；
S11：所述整车控制器250获取所述第二水温；
S12：预设第四范围、第五范围和第六范围；
其中，所述第四范围为大于第四阈值，所述第五范围为大于第三阈值且小于等于所述第四阈值，第六范围为小于等于所述第三阈值；其中，第三阈值小于第四阈值；
S131：若所述第二水温在所述第四范围，则获取所述硬件温度、电机温度和所述电机控制器温度；
S132：判断所述硬件温度、电机温度和所述电机控制器温度的任一项是否超出各自工作温度第一限值；
S133：若是，则报警，若不是，则输出第四占空比信号，以控制所述第二水泵210在第四供电频率下运转，并控制所述第二散热器240的风扇按照第三转速运转；
S134：继续判断是否超出各自工作温度的第二限值；
S135：若是，则限制所述燃料电池120的发电量输出，输出第四占空比信号，以控制所述第二水泵210在第四供电频率下运转，并控制所述第二散热器240的风扇按照第三转速运转；
S14：若所述第二水温在所述第五范围，则输出第五占空比信号，以控制所述第二水泵210在第五供电频率下运转，并控制所述第二散热器240的风扇按照第四转速运转；
S15：若所述第二水温在所述第六范围，则输出第六占空比信号，以控制所述第二水泵210在第六供电频率下运转，并控制所述第二散热器240的风扇关闭。具体地，所述第一限值的为80％，所述第二限值为95％。
燃料电池散热系统100中，第一水泵110的转速根据燃料电池120的进、出口水温，按照预先设定的水泵占空比进行连续调节，从而保持燃料电池120的进、出口水温差在合理的范围内，并且根据不同的第一水温启动风扇的不同挡位，可提高燃料电池散热系统100的冷却精度。
电机散热系统200中，整车控制器250通过CAN总线接收电池控制器140的硬件温度信号，以及电机水路系统的温度信号，通过整车控制器250进行判断，从而实现对第二水泵210和第二散热器240的联合控制。当电机散热控制系统出现报警及温度过高时，电池控制器140会控制燃料电池120限制负荷输出，确保电机220在安全负荷内运行。第二水泵210的转速根据第二散热器240出水口的水温按照预先设定的水泵占空比进行连续调节流量输出，从而控制电机水路系统的发热元件的水温差在合理的范围内，并且根据不同的第二水温启动风扇的不同挡位，可提高电机散热系统的冷却精度。通过使用该燃料电池汽车控制系统的控制方法，解决了现有技术中出现的技术问题，提高了散热系统的可靠性，可更精确地控制系统的冷却温度。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车控制系统，其特征在于，包括：
燃料电池散热系统，所述燃料电池散热系统包括：第一水泵、燃料电池、第一散热器、电池控制器和第一温度传感器；所述第一水泵、燃料电池和第一散热器通过管路相连通，形成主路循环；第一温度传感器用于获取所述燃料电池的第一水温；所述电池控制器用于根据所述第一水温控制所述第一水泵的转速和所述第一散热器的风扇的转速；
电机散热系统，所述电机散热系统包括：第二水泵、电机、电机控制器、第二散热器、整车控制器、元器件组、硬件温度传感器和第二温度传感器，所述第二水泵、电机、电机控制器、元器件组和所述第二散热器通过管路相连通；所述硬件温度传感器用于获取所述元器件组的硬件温度，所述电池控制器还用于通过CAN总线将所述硬件温度传输至所述整车控制器；
第二温度传感器用于获取所述电机散热系统的第二水温；
所述硬件温度传感器用于分别获取所述电机和所述电机控制器的电机温度和电机控制器温度；
所述整车控制器用于根据所获得的所述硬件温度、电机温度、电机控制器温度和所述第二水温，控制所述第二水泵的转速和所述第二散热器的风扇的转速。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述元器件组包括：电压变换器、空气压缩机和空气压缩机控制器；
所述硬件温度传感器包括：用于获取所述电压变换器温度的电压变换器温度传感器、用于获取空气压缩机温度的空气压缩机温度传感器、和用于获取空气压缩机控制器温度的空气压缩机控制器温度传感器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述电机控制器包括：绝缘栅双极型晶体管，所述硬件温度传感器还包括用于获取所述绝缘栅双极型晶体管温度的晶体管温度传感器，所获取的所述绝缘栅双极型晶体管温度为所述电机控制器温度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述空气压缩机和空气压缩机控制器并联后的回路与所述电机控制器和所述电压变换器并联后的回路相串接。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述燃料电池散热系统还包括：膨胀水壶和去离子器，所述膨胀水壶与所述去离子器通过管路连接形成支路循环，所述支路循环与所述主路循环并联。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述第一散热器的风扇和所述第二散热器的风扇均为高低挡风扇或者无级变速风扇。
7.根据权利要求6所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述高低挡风扇包括停止挡、中速挡和高速挡。
8.根据权利要求1所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述第一温度传感器的数量为两个，两个所述第一温度传感器分别设置于所述燃料电池的进水口和出水口；所述第二温度传感器设置于所述第二散热器的出水口。
9.根据权利要求1所述的燃料电池汽车控制系统，其特征在于，所述燃料电池散热系统还包括压力传感器，所述压力传感器设置于所述燃料电池的进水口，所述电池控制器用于通过所述压力传感器获取所述燃料电池散热系统的水路压力，并将所述水路压力输送至驾驶室仪表进行实时显示。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的燃料电池汽车控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
S1：所述电池控制器获取所述第一水温；
S2：预设第一范围、第二范围和第三范围；
其中，所述第一范围为大于第二阈值，所述第二范围为大于第一阈值且小于等于所述第二阈值，第三范围为小于等于所述第一阈值；其中，第一阈值小于第二阈值；
S31：若所述第一水温在所述第一范围，则输出第一占空比信号，以控制所述第一水泵在第一供电频率下运转，并控制所述第一散热器的风扇按照第一转速运转；
S32：若所述第一水温在所述第二范围，则输出第二占空比信号，以控制所述第一水泵在第二供电频率下运转，并控制所述第一散热器的风扇按照第二转速运转；
S33：若所述第一水温在所述第三范围，则输出第三占空比信号，以控制所述第一水泵在第三供电频率下运转，并控制所述第一散热器的风扇关闭；
S11：所述整车控制器获取所述第二水温；
S12：预设第四范围、第五范围和第六范围；
其中，所述第四范围为大于第四阈值，所述第五范围为大于第三阈值且小于等于所述第四阈值，第六范围为小于等于所述第三阈值；其中，第三阈值小于第四阈值；
S131：若所述第二水温在所述第四范围，则获取所述硬件温度、电机温度和所述电机控制器温度；
S132：判断所述硬件温度、电机温度和所述电机控制器温度的任一项是否超出各自工作温度第一限值；
S133：若是，则报警，若不是，则输出第四占空比信号，以控制所述第二水泵在第四供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇按照第三转速运转；
S134：继续判断是否超出各自工作温度的第二限值；
S135：若是，则限制所述燃料电池的发电量输出，输出第四占空比信号，以控制所述第二水泵在第四供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇按照第三转速运转；
S14：若所述第二水温在所述第五范围，则输出第五占空比信号，以控制所述第二水泵在第五供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇按照第四转速运转；
S15：若所述第二水温在所述第六范围，则输出第六占空比信号，以控制所述第二水泵在第六供电频率下运转，并控制所述第二散热器的风扇关闭。
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