CN109950579A - 一种燃料电池发动机智能控制平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机智能控制平台及控制方法，控制平台包括燃料电池电堆、电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置、控制器、上位机，其中，控制器用于接收电堆运行监测装置采集的数据并进行处理，并向电堆运行环境控制装置发出控制指令，控制燃料电池电堆的工作；控制器与电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置之间通过CAN总线通讯，控制器与上位机之间通过串口通信；开关量输入、开关量输出、模拟量输入/输出均有光电隔离保护电路，提高电磁兼容及电气安全。该智能控制平台解决了目前大多燃料电池发动机控制器硬件功能单一、品质参差不齐、可扩展性差、难以满足目前燃料电池发动机及汽车智能化控制的软硬件资源需求问题。

Description

一种燃料电池发动机智能控制平台及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车用燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池发动机智能控制平台及其控制方法。

背景技术

燃料电池发动机控制器是燃料电池发动机的大脑，控制燃料电池发动机的安全可靠运行。燃料电池发动机控制器的功能主要包括气管理，电管理，水管理，热管理，通信功能与故障诊断。

(1)气管理，氢燃料电池主要通过氢气与氧气的反应来发电，因此气管理在系统中具有重要作用。首先根据当前设定的功率，来选择最佳运行状态下的反应气体压力，另一方面，反应气体不断消耗，流量的变化会导致压力的波动。为了保证燃料电池的正常运转，必须设计合理的气管理系统。

(2)电管理，燃料电池的电管理主要包括各个单体电池的电压检测、输出电流过电流保护等。在燃料电池工作期间，电池组监控器要实时检测单电池电压、输出总电压，输出电流等。若有某单电池损坏，则可能导致电池组不能正常运行，甚至爆炸。当输出电流过载时，电池组也会出现故障及危险，这时就要及时停止电池组工作。

(3)水管理，采用有效的水管理，不仅可以增加电池的峰值功率，而且可以增大电池在峰值功率工作时的稳定性。保持电池内部适当的湿度，并及时排除阴极侧多余的水，是确保质子交换膜燃料电池稳定运行及延长工作寿命的重要手段，为确保电池组性能，反应气必须预增湿。此电池组使用尾气循环反应气增湿方法。由于FCE电化学反应上生成的水和水在电池内传递，电池组排出尾气的湿度已经达到或接近100％，因此只要将电池尾气循环，与新进入尚未增湿的反应气混合，再进入电池组，即可达到对反应气增湿的目的。尾气循环采用风机进行，电池组进口反应气的湿度则由循环尾气湿度与循环比决定。增加风机转速就可以增加循环比，从而提高反应气湿度。

(4)热管理，热管理是指对电池工作温度的控制。在FCE电池组工作温度维持在60-75℃有50％左右的热量必须排除出。需要采取适当的冷却措施，如空冷或水冷，以维持电池组工作温度。若系统采用水冷，循环冷却水通过去离子后进入水箱，通过调节水泵的转速，可以控制冷却水的流量，冷却水经过两路，一路为散热器，一路为旁路阀，最后的回水再次回到水箱。通过调节旁路阀的开度，即可控制流经散热器的水的比例，从而可以使燃料电池组快速升温。冷却液采用去离子水，对水的电导要求非常严格。

(5)通信功能，FCE作为整车的一部分，需要接收整车控制器的工作指令并向整车控制器汇报当前FCE的工作状态与工作参数，这都需要通过FCE控制器的通信功能实现。同时，FCE控制器还需要与电脑、诊断仪等设备通信以实现调试与故障诊断等功能。

(6)故障诊断，控制器故障诊断功能可以快速定位汽车电气故障；同时保证行车过程中出现电气故障时车辆的安全性，合理的故障处理是汽车功能安全的核心。FCE控制器故障诊断完善程度决定了FCE与燃料电池汽车安全性可靠性与长期可维护性。

现有氢气为燃料的燃料电池的控制器主要包括电源管理模块、氧传感器控制模块、燃气喷嘴控制模块、节气门控制模块、模拟输入输出模块、开关量输入输出模块、接插件、单片机。

现有的燃料电池发动机控制器，处于高速发展时期，但批量规模仍较小，质量层次不齐。燃料电池系统是一个多输入多输出的复杂电化学装置，燃料电池一般是由很多单体串联而成。在燃料电池运行的过程中，燃料电池控制器能够实时检测和控制系统状态，根据电池的实际运行状态提供所需的原料和合适的环境，保证燃料电池可靠高效地运行。层次不齐的燃料电池发动机控制器质量是很难保证燃料电池系统高效可靠地运行的。

现有的大多燃料电池发动机控制器大多经历的迭代较少，较少考虑功能安全、电磁兼容、安全冗余及智能控制对芯片和系统的扩展要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种燃料电池发动机智能控制器，解决了目前大多燃料电池发动机控制器硬件功能单一、品质参差不齐、可扩展性差、难以满足目前燃料电池发动机及汽车智能化控制的软硬件资源需求的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种燃料电池发动机智能控制平台，包括燃料电池电堆、电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置、控制器、上位机，其中，电堆运行监测装置包括温度监测装置、水监测装置、氢气监测装置、电压电流监测装置、空气监测装置；电堆运行环境控制装置包括空气泵、水泵、进排气阀、燃气喷嘴；控制器用于接收电堆运行监测装置采集的数据并进行处理，并向电堆运行环境控制装置发出控制指令，控制燃料电池电堆的工作；控制器与电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置之间通过CAN总线通讯，控制器与上位机之间通过串口通信。

所述控制器包括核心单片机、CAN接口滤波电路、数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、AD转换电路、电压-电流转换电路；CAN接口滤波电路分别与核心单片机的CAN端口和燃料电池发动机CAN网络连接；数字量输入扩展电路的输入端连接燃料电池发动机的数字量传感器，输出端连接核心单片机的数字量输入端；数字量输出扩展电路的输入端连接核心单片机的数字量输出端，输出端连接燃料电池发动机的感性负载；AD转换电路的输入端连接燃料电池发动机的模拟量传感器，输出端连接核心单片机的模拟量输入端；电压-电流转换电路的输入端连接核心单片机的模拟量输出端，输出端连接燃料电池发动机的DC/DC及变频器；数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、CAN接口滤波电路与核心单片机之间均具有光电隔离电路。

燃料电池发动机的数字量传感器包括各开关量传感器，模拟量传感器包括各电压信号传感器、电流信号传感器；模拟量传感器检测到模拟量信息通过AD转换电路转换为数字量传输至核心单片机；核心单片机对接收到的采集信号进行处理，并根据处理结果发出控制指令及通信指令。

燃料电池电堆的每个部分均设置报警装置。

一种燃料电池发动机的智能控制方法，包括扫气流程控制、启动流程控制、工作流程控制、关机流程控制；首先，燃料电池发动机控制器判断燃料电池发动机是否处于关机状态，如果是，执行关机流程，否则，根据接收到的燃料电池工作状态信息，判断执行扫气流程、启动流程或工作流程。

所述扫气流程控制包括如下步骤：

步骤1、开启尾气电磁阀；

步骤2、开启氮气电磁阀，并启动计时器；

步骤3、判断是否达到预先设定的时间，如果达到预先设定的时间，执行步骤4，否则，继续执行步骤3；

步骤4、依次关闭氮气电磁阀、尾气电磁阀，并将扫气完毕的标志位置1，扫气流程结束。

所述启动流程控制包括如下步骤：

步骤a、向气路充氢气，同时打开风机向气路中输送空气，将扫气流程中充入气路中的氮气排出；

步骤b、判断燃料电池发动机是否满足供电条件，如果满足，执行步骤c，否则，继续执行步骤a；

步骤c、合上负载开关，断开充电开关，延时预定的时间后，判断燃料电池发动机电源逆变器的电压和电堆两端的电压是否相等，如果相等，执行步骤d，否则，继续判断；

步骤d、合上充电开关，启动流程完成。

所述工作流程控制包括如下步骤：

步骤A、启动预先设定的尾气电磁阀开关定时器；

步骤B、判断定时器时间是否到达，如果是，打开尾气电磁阀，延时预定的时间后，关闭尾气电磁阀；

步骤C、判断燃料电池质子交换膜的实时湿度，如果质子交换膜的实时湿度小于湿度下限值，开启加湿喷嘴；如果质子交换膜的实时湿度大于湿度上限值，关闭加湿喷嘴；

步骤D、判断燃料电池电堆的输出功率，并根据所需输出功率以及所述输出功率与氢气尾排电磁阀工作参数的对应值对氢气尾排电磁阀进行控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、燃料电池发动机智能控制平台硬件资源丰富、功能安全、电磁兼容、安全冗余性好，易于进行功能扩展。

2、软硬件通用性好、资源丰富、控制架构可扩展性好，可与智能网联车辆进行数据交互。

附图说明

图1为一种燃料电池发动机智能控制平台架构原理示意图。

图2为一种燃料电池电堆确定工作状态流程图。

图3为一种燃料电池电堆扫气流程图。

图4为一种燃料电池电堆工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

一种燃料电池发动机智能控制平台，包括燃料电池电堆、电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置、控制器、上位机，其中，电堆运行监测装置包括温度监测装置、水监测装置、氢气监测装置、电压电流监测装置、空气监测装置；电堆运行环境控制装置包括空气泵、水泵、进排气阀、燃气喷嘴；控制器用于接收电堆运行监测装置采集的数据并进行处理，并向电堆运行环境控制装置发出控制指令，控制燃料电池电堆的工作；控制器与电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置之间通过CAN总线通讯，控制器与上位机之间通过串口通信。

所述控制器包括核心单片机、CAN接口滤波电路、数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、AD转换电路、电压-电流转换电路；CAN接口滤波电路分别与核心单片机的CAN端口和燃料电池发动机CAN网络连接；数字量输入扩展电路的输入端连接燃料电池发动机的数字量传感器，输出端连接核心单片机的数字量输入端；数字量输出扩展电路的输入端连接核心单片机的数字量输出端，输出端连接燃料电池发动机的感性负载；AD转换电路的输入端连接燃料电池发动机的模拟量传感器，输出端连接核心单片机的模拟量输入端；电压-电流转换电路的输入端连接核心单片机的模拟量输出端，输出端连接燃料电池发动机的DC/DC及变频器；数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、CAN接口滤波电路与核心单片机之间均具有光电隔离电路。

具体实施例，如图1所示：

燃料电池发动机智能控制平台，包括微控制器/主控芯片、模拟量输入、开关量输入、光电隔离保护、电子节气门控制器、氧传感器控制器、水冷散热风扇、燃气喷嘴控制器、电源管理网络、水泵控制、空气泵控制、晶振、DC-DC、VCU通讯、串行通讯接口、模拟量输出、开关量输出、高速CAN总线接口、光电隔离保护电路、信息存储器等。

其中模拟量输入、开关量输入、光电隔离保护、电子节气门控制器、氧传感器控制器、水冷散热风扇、燃气喷嘴控制器、电源管理网络、水泵控制、空气泵控制、晶振、DC-DC、VCU通讯、串行通讯接口、模拟量输出、开关量输出、高速CAN总线接口、光电隔离保护电路、信息存储器等均与主控芯片连接或通讯；燃气喷嘴控制器、水泵和空气泵同时与电源管理网络连接；电子节气门控制器同时与水冷散热风扇控制器通讯；开关量输入、开关量输出、模拟量输入/输出均有光电隔离保护电路，提高电磁兼容及电气安全。

该燃料电池发动机控制器符合ISO26262国际汽车安全标准，参照AUTOSAR软件架构，可确保燃料电池的安全稳定的运行，其32位、最高80MHz的数据传输速率，可大大提高内部数据交互能力，便于及时发现和解决问题。

该燃料电池发动机控制器硬件资源丰富，初步设置3路低通滤波开关量输入、8路低通滤波电压模拟量输入、8路低通滤波电阻模拟量输入、6路PWM输出、13路小功率开关输出、4路大功率开关输出、4路电源输出、3通道CAN通信资源，9V-32V宽工作电压，有利于该控制器建立低功耗、高效率的通用平台，也有利于控制器智能化功能的扩展。

燃料电池发动机的数字量传感器包括各开关量传感器，主要包括液位传感器，模拟量传感器包括各电压信号传感器、电流信号传感器，主要包括氧传感器、氢气浓度传感器、燃料电池温度传感器；模拟量传感器检测到模拟量信息通过AD转换电路转换为数字量传输至核心单片机；核心单片机对接收到的采集信号进行处理，并根据处理结果发出控制指令及通信指令。

在燃料电池发动机控制系统设计中，为消除模拟信号上在各类电磁干扰下的杂波，根据信号类型设计相应的硬件与软件方案进行滤波处理，对于数字信号去干扰主要通过光耦进行隔离。

燃料电池电堆的每个部分均设置报警装置。

本方案还涉及一种燃料电池发动机的智能控制方法，包括扫气流程控制、启动流程控制、工作流程控制、关机流程控制；首先，燃料电池发动机控制器判断燃料电池发动机是否处于关机状态，如果是，执行关机流程，否则，根据接收到的燃料电池工作状态信息，判断执行扫气流程、启动流程或工作流程。

所述扫气流程控制包括如下步骤：

步骤1、开启尾气电磁阀；

步骤2、开启氮气电磁阀，并启动计时器；

步骤3、判断是否达到预先设定的时间，如果达到预先设定的时间，执行步骤4，否则，继续执行步骤3；

步骤4、依次关闭氮气电磁阀、尾气电磁阀，并将扫气完毕的标志位置1，扫气流程结束。

所述启动流程控制包括如下步骤：

步骤a、向气路充氢气，同时打开风机向气路中输送空气，将扫气流程中充入气路中的氮气排出；

步骤b、判断燃料电池发动机是否满足供电条件，如果满足，执行步骤c，否则，继续执行步骤a；

步骤c、合上负载开关，断开充电开关，延时预定的时间后，判断燃料电池发动机电源逆变器的电压和电堆两端的电压是否相等，如果相等，执行步骤d，否则，继续判断；

步骤d、合上充电开关，启动流程完成。

所述工作流程控制包括如下步骤：

步骤A、启动预先设定的尾气电磁阀开关定时器；

步骤B、判断定时器时间是否到达，如果是，打开尾气电磁阀，延时预定的时间后，关闭尾气电磁阀；

步骤C、判断燃料电池质子交换膜的实时湿度，如果质子交换膜的实时湿度小于湿度下限值，开启加湿喷嘴；如果质子交换膜的实时湿度大于湿度上限值，关闭加湿喷嘴；

步骤D、判断燃料电池电堆的输出功率，并根据所需输出功率以及所述输出功率与氢气尾排电磁阀工作参数的对应值对氢气尾排电磁阀进行控制。

根据燃料电池电堆的输出功率对氢气尾排电磁阀的控制包括对氢气尾排电磁阀开启时间间隔的控制和开启时间长度的控制；燃料电池的输出功率与氢气尾排电磁阀的开启时间间隔和开启时间长度的对应关系可通过提前测试获得数据，并在软件开发时将测试的对应关系提前预设完成。

该智能控制平台各模块的工作原理及工作过程如下：

燃料电池发动机控制器通过微处理器/主控芯片接入电源管理网络，接通12V(或24V)电源及内部电源使能信号后，内部电源输出模块提供控制器内部元器件工作所需要的电压，随后控制器开始工作，控制器输入模块通过模拟量输入及开关量输入收集各个部件的工作状态及需求信息，然后将这些信息通过内部的CAN通信协议，以报文的形式发送给控制器主控芯片，微处理器/主控芯片收到这些信息后，内部的控制运算程序经过计算判断，然后下达控制指令。

氢气、氧气浓度/压力控制过程如下：

微处理器/主控芯片根据氧传感器反馈的空燃比信号，给燃气喷嘴控制器下达控制指令，控制燃气的喷入量；

当温度传感器检测到氧传感器的工作温度高于其预设阀值或低于其预设阀值时，微处理器/主控芯片控制氧传感器加热器的加热量，使氧传感器始终处于较理想工作状态。

当燃料电池系统内部的氧气浓度不足时，就会产生一个低压信号，微处理器/主控芯片收到该低压信号后下达控制指令，控制空气泵的工作，控制氧气浓度在预定的范围内。

微处理器/主控芯片根据氢气浓度传感器的浓度信号，判断燃料电池内部的氢气浓度的大小下达控制指令，控制进排气阀的开合，保证燃料电池内部的氢气和氧气浓度与压力处于合适范围内。

燃料电池工作温度控制过程如下：

微处理器/主控芯片根据温度传感器的检测信号，获得燃料电池的工作温度，然后去控制水泵的工作状态，进而通过热交换作用控制燃料电池工作在较理想的温度。

燃料电池输出的电压控制过程如下：

微处理器/主控芯片接收到系统CAN总线传输的DC-DC控制指令信息，并将该信息发送给DC-DC，DC-DC根据这些指令输出合适的电压给电机控制器。

燃料电池发动机控制器与外部通信：微处理器/主控芯片通过CAN通信协议或串行通信接口与VCU(整车控制器)、上位机或其他智能网联信息交互。

Claims (8)

1.一种燃料电池发动机智能控制平台，其特征在于：包括燃料电池电堆、电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置、控制器、上位机，其中，电堆运行监测装置包括温度监测装置、水监测装置、氢气监测装置、电压电流监测装置、空气监测装置；电堆运行环境控制装置包括空气泵、水泵、进排气阀、燃气喷嘴；控制器用于接收电堆运行监测装置采集的数据并进行处理，并向电堆运行环境控制装置发出控制指令，控制燃料电池电堆的工作；控制器与电堆运行监测装置、电堆运行环境控制装置之间通过CAN总线通讯，控制器与上位机之间通过串口通信。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机智能控制平台，其特征在于：所述控制器包括核心单片机、CAN接口滤波电路、数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、AD转换电路、电压-电流转换电路；CAN接口滤波电路分别与核心单片机的CAN端口和燃料电池发动机CAN网络连接；数字量输入扩展电路的输入端连接燃料电池发动机的数字量传感器，输出端连接核心单片机的数字量输入端；数字量输出扩展电路的输入端连接核心单片机的数字量输出端，输出端连接燃料电池发动机的感性负载；AD转换电路的输入端连接燃料电池发动机的模拟量传感器，输出端连接核心单片机的模拟量输入端；电压-电流转换电路的输入端连接核心单片机的模拟量输出端，输出端连接燃料电池发动机的DC/DC及变频器；数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、CAN接口滤波电路与核心单片机之间均具有光电隔离电路。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机智能控制平台，其特征在于：燃料电池发动机的数字量传感器包括各开关量传感器，模拟量传感器包括各电压信号传感器、电流信号传感器；模拟量传感器检测到模拟量信息通过AD转换电路转换为数字量传输至核心单片机；核心单片机对接收到的采集信号进行处理，并根据处理结果发出控制指令及通信指令。

4.根据权利要求1所述的燃料电池发动机智能控制平台，其特征在于：燃料电池电堆的每个部分均设置报警装置。

5.一种燃料电池发动机的智能控制方法，其特征在于：包括扫气流程控制、启动流程控制、工作流程控制、关机流程控制；首先，燃料电池发动机控制器判断燃料电池发动机是否处于关机状态，如果是，执行关机流程，否则，根据接收到的燃料电池工作状态信息，判断执行扫气流程、启动流程或工作流程。

6.根据权利要求5所述的燃料电池发动机的智能控制方法，其特征在于：所述扫气流程控制包括如下步骤：

步骤1、开启尾气电磁阀；

步骤2、开启氮气电磁阀，并启动计时器；

步骤3、判断是否达到预先设定的时间，如果达到预先设定的时间，执行步骤4，否则，继续执行步骤3；

步骤4、依次关闭氮气电磁阀、尾气电磁阀，并将扫气完毕的标志位置1，扫气流程结束。

7.根据权利要求5所述的燃料电池发动机的智能控制方法，其特征在于：所述启动流程控制包括如下步骤：

步骤a、向气路充氢气，同时打开风机向气路中输送空气，将扫气流程中充入气路中的氮气排出；

步骤b、判断燃料电池发动机是否满足供电条件，如果满足，执行步骤c，否则，继续执行步骤a；

步骤c、合上负载开关，断开充电开关，延时预定的时间后，判断燃料电池发动机电源逆变器的电压和电堆两端的电压是否相等，如果相等，执行步骤d，否则，继续判断；

步骤d、合上充电开关，启动流程完成。

8.根据权利要求5所述的燃料电池发动机的智能控制方法，其特征在于：所述工作流程控制包括如下步骤：

步骤A、启动预先设定的尾气电磁阀开关定时器；

步骤B、判断定时器时间是否到达，如果是，打开尾气电磁阀，延时预定的时间后，关闭尾气电磁阀；

步骤C、判断燃料电池质子交换膜的实时湿度，如果质子交换膜的实时湿度小于湿度下限值，开启加湿喷嘴；如果质子交换膜的实时湿度大于湿度上限值，关闭加湿喷嘴；

步骤D、判断燃料电池电堆的输出功率，并根据所需输出功率以及所述输出功率与氢气尾排电磁阀工作参数的对应值对氢气尾排电磁阀进行控制。