CN109509900A - 一种气体燃料电池控制系统及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体燃料电池控制系统及车辆，包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有燃料气体燃料浓度传感器，气体燃料浓度传感器的输出端与燃料系统控制器连接，燃料系统控制器用于气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制第一开关。燃料电池系统内部的控制器之间相互进行通信，根据燃料系统内部的情况由本身的控制器进行控制，本发明使整车控制器控制算法不那么复杂，减少了网络节点，避免了各控制器之间的干扰，保证了整车运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池客车电控技术领域，特别涉及一种气体燃料电池控制系统及车辆。
背景技术
21世纪，随着经济社会的飞速发展和科学技术的进步，全球汽车产业得到迅速发展，由此引发的能源短缺和环境污染问题已经成为当今社会的两大突出问题。为寻求人类社会与汽车产业的可持续发展，电动汽车(electric vehile，EV)的开发利用越来越受到世界各国政府和汽车产业界的高度重视。燃料电池汽车是公认的可以同时解决能源和环境问题的绿色环保车，也被认为是电动汽车的最终选择，是今后汽车发展的主要方向之一。
燃料电池是一种能够将气体燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrance Electrode Assembly,MEA)，膜电极是一张质子交换膜，膜两面夹两张多孔性的可导电材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，且膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
目前，氢燃料电池汽车以其加注时间短、续驶里程高、零污染等诸多突出优势，备受各大汽车厂商的青睐，纷纷加大研发力度。氢燃料电池发电系统是采用氢气为原料进行发电的新型能源，具有无污染、转换能效高、低噪音、低温运行等特点，有着广泛的应用前景。但是目前的燃料电池汽车都是将燃料电池发动机、升压DC/DC等燃料电池新增部件扩展到整车网络，由整车控制器整体协调控制。如公开号为“CN102358201A”，名称为“基于燃料电池的增程式电动车动力系统及控制方法”，该专利提出了一种燃料电池的电动汽车动力系统，包括整车控制器、燃料电池系统、DC/DC控制器、燃料电池控制系统，其整车控制器控制燃料电磁阀，并通过CAN总线与燃料电池控制器、DC/DC控制器、电池管理系统及电机控制器进行通讯，控制过程都由整车控制器控制完成，导致整车控制器算法复杂，网络节点增多，存在干扰等风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体燃料电池控制系统及车辆，用于解决在氢燃料电池系统中整车控制器对燃料电池系统的各设备总体协调控制导致整车控制器算法复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
系统方案一：一种气体燃料电池控制系统，包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，所述电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有气体燃料浓度传感器，所述气体燃料浓度传感器的输出端与所述燃料系统控制器连接，所述燃料系统控制器用于根据气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制所述第一开关。
系统方案二：在系统方案一的基础上，所述第一开关为第一继电器，所述第一继电器的触点串设在所述电磁阀的供电回路上，所述第一继电器的线圈一端接地，另一端连接所述燃料系统控制器。
系统方案三：在系统方案一的基础上，还包括设置在供电回路上的第二开关，所述整车控制器控制连接所述第二开关。
系统方案四：在系统方案三的基础上，所述第二开关为第二继电器，所述第二继电器包括常开触点和线圈，所述常开触点串设在电磁阀的供电回路上，所述线圈一端与所述整车控制器供电连接，所述线圈另一端接地，所述第一开关于第二继电器之间设置有一个检测点，所述检测点与所述整车控制器连接，用于检测所述供电回路的状态。
系统方案五：在系统方案一的基础上，还包括一个气体燃料阀急停开关，所述气体燃料阀急停开关的一端接地，另一端与所述整车控制器连接。
系统方案六：在系统方案一的基础上，还包括FC开启翘板开关，所述FC开启翘板开关一端接地，另一端与所述整车控制器连接。
系统方案七：在系统方案一的基础上，还包括集成在所述整车控制器内用于检测车辆是否发生碰撞的车辆碰撞检测模块。
系统方案八：在系统方案一的基础上，还包括用于检测车辆是否发生碰撞的车辆碰撞检测模块，所述车辆碰撞检测模块与所述整车控制器连接。
系统方案九和系统方案十：分别在系统方案七和系统方案八的基础上，所述车辆碰撞检测模块为陀螺仪。
车辆方案一：一种车辆，包括气体燃料电池及气体燃料电池控制系统，所述气体燃料电池控制系统包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，所述电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有气体燃料浓度传感器，所述气体燃料浓度传感器的输出端与所述燃料系统控制器连接，所述燃料系统控制器用于根据气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制所述第一开关。
车辆方案二：在车辆方案一的基础上，所述第一开关为第一继电器，所述第一继电器的触点串设在所述电磁阀的供电回路上，所述第一继电器的线圈一端接地，另一端连接所述燃料系统控制器。
车辆方案三：在车辆方案一的基础上，还包括设置在供电回路上的第二开关，所述整车控制器控制连接所述第二开关。
车辆方案四：在车辆方案三的基础上，所述第二开关为第二继电器，所述第二继电器包括常开触点和线圈，所述常开触点串设在电磁阀的供电回路上，所述线圈一端与所述整车控制器供电连接，所述线圈另一端接地，所述第一开关于第二继电器之间设置有一个检测点，所述检测点与所述整车控制器连接，用于检测所述供电回路的状态。
本发明的有益效果是：
本发明包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有燃料气体燃料浓度传感器，所述气体燃料浓度传感器的输出端与燃料系统控制器，燃料系统控制器用于气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制第一开关。燃料电池系统内部的控制器之间相互进行通信，根据燃料系统内部的情况由本身的控制器进行控制，而不用通过整车控制器先与燃料电池控制器、燃料系统控制器进行通信，然后再由整车控制器整体协调控制，本发明使整车控制器控制算法不那么复杂，减少了网络节点，避免了各控制器之间的干扰，保证了整车运行的稳定性。
本发明还包括有气体燃料浓度传感器，在气体燃料供应过程中实时检测气体燃料的浓度，当气体燃料浓度大于设定值时，由气体燃料系统控制断开气体燃料电磁阀，使整车的稳定性和安全性以及人身安全都得到了保证。
附图说明
图1为本发明的气体燃料电池控制系统的结构示意图；
图2为本发明的三合一系统CAN网络结构示意图；
图3为本发明的氢燃料电池控制系统的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
本发明的一种气体燃料电池安全控制系统的实施例：
本发明以氢气体作为电池供电燃料，如图1所示，氢燃料电池供电系统，包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，电磁阀的供电回路上设置有第一开关，第一开关为第一继电器K2，第一继电器的触点串设在电磁阀的供电回路上，第一继电器的线圈一端接地，另一端连接燃料系统控制器。
将氢系统控制器、氢气浓度传感器、控制氢气放送的氢瓶口电磁阀及第一继电器K2构成的系统称作氢系统，将氢系统、升压DC/DC控制器和燃料电池控制器构成的系统称作燃料电池的三合一控制系统，三者之间通过CAN网络组建燃料电池三合一系统内网，燃料电池控制器、氢系统控制器作为CAN网络终端，燃料电池控制器同时作为与整车网络对接的终端，如图2所示，其中，燃料电池控制器用于控制与监测燃料电池，升压DC/DC控制器用于控制DC/DC变换器升压。
但是燃料电池的原料氢是一种易燃、易爆的气体，为了使燃料电池发电系统进行氢气泄漏的检测，当检测到氢气泄漏时及时报警并切断氢气源。因此，还包括有燃料气体燃料浓度传感器，气体燃料浓度传感器的输出端与燃料系统控制器，燃料系统控制器用于气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制第一接触器K2断开，停止对氢燃料阀门的供电，不再输送氢燃料。
还包括有第二开关，整车控制器采样连接第二开关为第二继电器K1，第二继电器包括常开触点(3、5)、常闭触点(3、4)和线圈(1、2)，常开触点串设在电磁阀的供电回路上，线圈一端接地，另一端与整车控制器供电连接；第一继电器和第二继电器之间设置有一个检测点，检测点与整车控制器连接，用于检测供电回路的状态。若需要断开第一继电器K2不再对电磁阀门供电，以停止氢燃料的供应，若整车控制器检测到上述检测点仍为高电平，说明氢系统的供电回路未断开，即第一继电器K2未有效断开，进一步地说明电磁阀供电未断开，此时由整车控制器输出低电平信号强迫第二继电器K1断开，不再向氢燃料阀门供电。
还包括一个气体燃料阀急停开关和一个FC开启翘板开关，气体燃料阀急停开关与整车控制器连接，FC开启翘板开关与整车控制器连接，“氢阀急停翘板开关”、“FC开启翘板开关”均是设计在主仪表台上的翘板开关。前者为常闭模式、后者为常开模式，二者的共同之处：一端接地，另一端信号输出端作为整车控制器的输入信号。
由于车辆在行驶的过程中难免会发生碰撞，该专利未对车辆是否碰撞发生检测，因为当车辆发生碰撞时，由于氢气易燃易爆，为了防止发生事故，危及人身及车辆的安全，所以需要关闭氢气的供应，保证车辆的正常运行。因此，还包括有车辆碰撞检测模块，用于检测车辆是否发生碰撞，车辆碰撞检测模块可设置在整车控制器内部或者设置在整车控制器以外的地方，但要和整车控制器连接诶，本实施例中的车辆碰撞检测模块为陀螺仪。
本发明的氢燃料电池安全控制系统，可实现人(司机)—整车(整车控制器)—零部件(三合一系统)”系统级氢安全控制。正常情况下，司机无需操作“氢阀急停”翘板开关，当“FC开启”翘板开关被按下后，整车控制器向继电器K1的线圈输出高电平控制信号C1，控制K1继电器闭合，并给燃料电池控制器发送开机命令，K2继电器的闭合状态及最终的氢瓶口电磁阀供电由氢系统控制器根据三合一系统的需求控制。当整车控制器检测到整车发生碰撞，整车控制器会立即控制继电器K1断开，切断氢瓶口电磁阀的供电，使氢瓶口电磁阀关闭，停止氢气的供应，为了进一步保证氢气供应的安全，整车控制器检测继电器K1的引脚5的状态，确定继电器K1是否断开，若继电器K1未断开仍为氢瓶口电磁阀供电，则整车控制器输出低边信号到K1控制端2，强制断开瓶口电磁阀的供电；同时，司机若观察到仪表有严重泄漏报警信息，亦可以按下“氢阀急停”翘板开关，各环节强化确保氢阀断电，保证人员安全。
或者当氢系统内部发生严重故障(如氢气泄露)，三合一控制系统内部的氢系统控制器会在第一时间切断氢瓶口电磁阀供电，并反馈氢瓶口电磁阀供电状态。整车控制器若检测到氢系统控制器该功能未执行到位，瓶口电磁阀供电未断开，则整车控制器输出低边信号到K1控制端2，强制断开瓶口电磁阀的供电；同时，司机若观察到仪表有严重泄漏报警信息，亦可以按下“氢阀急停”翘板开关，各环节强化确保氢阀断电，保证人员安全。
上述燃料电池“三合一控制系统”，与整车纯电动模式运行相对独立，有利于减少网络节点，避免外界干扰，提高整车CAN网络、三合一内网通讯质量；燃料电池控制器兼三合一系统控制功能，可根据整车功率需求，控制内部各设备协调工作，高效率运行，简化整车控制器算法。
将氢燃料电池系统应用在车辆上进行控制的过程为，如图3所示：
1、当车辆状态进入“Ready”，“FC开启”翘板开关被按下，且“氢阀急停”翘板开关未被按下，整车控制器控制信号C1输出高电平，控制K1继电器闭合，整车控制器通过K1引脚5的状态确定K2继电器的电源输入端与24V+电源是否接通。若此过程中，“氢阀急停”有效，因氢气无法供应，三合一系统无法启动，仪表提示“氢阀急停开关开启，FC开关无法启动”；若氢阀急停无效，整车控制器C1输出高电平后，整车控制器检测继电器K1的引脚5为低电平，说明K1继电器前端供电(引脚4)供电异常，此时三合一系统无法启动，且仪表会显示“K1供电异常，请停车检修”；若引脚5为高电平，策略进行步骤2。
2、若整车控制器检测继电器K1的引脚5为高电平，整车控制器开始向三合一系统发“启动”命令及功率需求，此功率大小与动力电池SOC和实车整体功率需求状态相关。三合一控制系统接收到命令后，按照一定逻辑启动并跟随整车的需求功率输出。
3、在步骤2的三合一系统正常工作过程中，氢系统控制器、升压DC/DC控制器、燃料电池控制器会实时监控自身的状态信息，并通过燃料电池控制器，按照整车通讯协议，将状态信息发送至整车网络。燃料电池控制器同时作为三合一系统主控制器，响应整车发送的命令，协调三合一系统根据一定策略跟随整车功率需求，进行工作。
4、步骤3中三合一控制系统实时监控自身的状态信息，当整车控制器判断整车发生了碰撞或监测到系统内部发生严重故障时，此方法流程会进行步骤5中整车控制器处理的紧急处理环节。
5、步骤4中的“紧急处理环节”包括：三合一系统紧急停机(继电器K1停止供电)，同时仪表提示“严重故障，燃料电池系统已紧急停机”；若此时有氢气泄露，仪表同时提示“氢气泄露，请按下‘氢气急停’”，此时驾驶员可根据仪表提示按下此开关，切断氢瓶口阀供电电源；同时为保证瓶口阀供电确实断开，整车控制器会判断氢系统反馈的瓶口阀供电状态，若仍有效，说明氢阀口供电未断开，整车控制器输出低电平信号C1，强制K1继电器断开即可。
6、步骤3中，三合一控制系统会实时监控自身的状态信息，若监测到系统内部未发生严重故障或车辆未发生碰撞，“FC开启”翘板开关未断开，则三合一系统正常工作，跟随整车功率输出。
7、步骤6中，在三合一系统正常工作期间，“FC启动”翘板开关断开，说明驾驶员关闭了燃料电池系统，则整车控制器会向三合一系统发“关机”命令，三合一系统会降载关机，同时氢系统控制器会断开K2继电器，切断氢气供应，为确保氢气供应完全切断，该方法流程进入如5所示的整车控制器的执行动作。最终进入纯电动控制模式。
本发明还提供了一种车辆，该车辆包括气体燃料电池及气体燃料电池控制系统，气体燃料电池控制系统包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有燃料气体燃料浓度传感器，气体燃料浓度传感器的输出端与燃料系统控制器连接，燃料系统控制器用于气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制第一开关。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种气体燃料电池控制系统，其特征在于，包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，所述电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有气体燃料浓度传感器，所述气体燃料浓度传感器的输出端与所述燃料系统控制器连接，所述燃料系统控制器用于根据气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制所述第一开关。
2.根据权利要求1所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，所述第一开关为第一继电器，所述第一继电器的触点串设在所述电磁阀的供电回路上，所述第一继电器的线圈一端接地，另一端连接所述燃料系统控制器。
3.根据权利要求1所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，还包括设置在供电回路上的第二开关，所述整车控制器控制连接所述第二开关。
4.根据权利要求3所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，所述第二开关为第二继电器，所述第二继电器包括常开触点和线圈，所述常开触点串设在电磁阀的供电回路上，所述线圈一端与所述整车控制器供电连接，所述线圈另一端接地，所述第一开关于第二继电器之间设置有一个检测点，所述检测点与所述整车控制器连接，用于检测所述供电回路的状态。
5.根据权利要求1所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，还包括一个气体燃料阀急停开关，所述气体燃料阀急停开关的一端接地，另一端与所述整车控制器连接。
6.根据权利要求1所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，还包括FC开启翘板开关，所述FC开启翘板开关一端接地，另一端与所述整车控制器连接。
7.根据权利要求1所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，还包括集成在所述整车控制器内用于检测车辆是否发生碰撞的车辆碰撞检测模块。
8.根据权利要求1所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，还包括用于检测车辆是否发生碰撞的车辆碰撞检测模块，所述车辆碰撞检测模块与所述整车控制器连接。
9.根据权利要求7-8任一项所述的气体燃料电池控制系统，其特征在于，所述车辆碰撞检测模块为陀螺仪。
10.一种车辆，其特征在于，包括气体燃料电池及气体燃料电池控制系统，所述气体燃料电池控制系统包括依次通信连接的整车控制器、燃料电池控制器、燃料系统控制器、DC/DC控制器及用于设置在燃料输送管路上的电磁阀，所述电磁阀的供电回路上设置有第一开关，还包括有气体燃料浓度传感器，所述气体燃料浓度传感器的输出端与所述燃料系统控制器连接，所述燃料系统控制器用于根据气体燃料浓度传感器的燃料浓度检测值控制所述第一开关。
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