CN110053520A - 氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，包括：CPU电路、以及与所述CPU电路相连的电源及保护电路、信号采集电路、电源输出电路、通讯电路、信号控制电路和驱动控制电路；所述CPU电路通过所述信号采集电路采集信息反馈，并通过所述通讯电路得知信息反馈，所述CPU电路通过信息反馈及控制策略确定当前控制方式，并通过所述通讯电路、信号控制电路及驱动控制电路对外部执行机构进行控制，实现其对动力系统的闭环控制和实时监控。本发明能够使燃料电池动力系统高效稳定运行。

Description

氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地，涉及一种氢燃料电池动力系统的燃料电池控制（FCU）装置。
背景技术
随着新能源汽车行业的蓬勃发展，从混合动力汽车到锂电池汽车再到如今的燃料电池车的兴起。常用的燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置，燃料电池系统能量转换效率高，是非常理想的能源利用方式，商业化应用存在着广阔的发展前景，具有重要的研究意义。
目前燃料电池发展主要使用氢氧质子交换膜燃料电池（PEMFC），其具备燃料电池排放零污染，且发电效率高、工作环境稳定可控等一些益处。具体地，氢燃料电池动力系统中，氢气和空气中的氧气通过燃料电池堆的质子交换膜发生化学反应生成水，反应过程中发生化学键断裂、连接产生热，电子从氢气侧（阳极板）经过负载转移到空气侧（阴极板）参加化学反应，产生电能。
FCU装置（燃料电池控制装置）是监控和管理整个动力系统工作的核心部件，对于氢燃料电池动力系统至关重要。现有FCU装置在资源配置上存在不足，无法满足各类执行机构和传感器对控制器资源的需求；且相对容易受外界干扰影响，部分电路多余或配置不合理。针对此类情况，研发新一代FCU装置，以满足动力系统对控制器资源逐渐增加的资源需求，增加控制器的环境耐受性和可靠性。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的目的在于提供一种能够使燃料电池动力系统高效稳定运行的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置。
为此，本发明采用如下技术方案：
本发明的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置包括：
CPU电路、以及与所述CPU电路相连的电源及保护电路、信号采集电路、电源输出电路、通讯电路、信号控制电路和驱动控制电路；
所述CPU电路通过所述信号采集电路采集信息反馈，并通过所述通讯电路得知信息反馈，所述CPU电路通过信息反馈及控制策略确定当前控制方式，并通过所述通讯电路、信号控制电路及驱动控制电路对外部执行机构进行控制，实现其对动力系统的闭环控制和实时监控。
根据本发明，可通过采集信息反馈、检测各外部执行机构的状态，根据既定算法及控制策略，对反应堆的工作进行实时监控管理，从而实现使燃料电池动力系统高效稳定的运行。
也可以是，本发明中，所述电源及保护电路包括两组，分别保护控制电路电源和驱动电路电源。
也可以是，本发明中，所述CPU电路包括提供1.26V的CPU核心供电电路；提供模拟电压采样校对基准4.096V的基准电压电路；提供CPU时钟信号的震荡电路；提供I/O的CPUI/O电路。
也可以是，本发明中，所述信号采集电路包括提供0V~5V的快速模拟电压检测通道的快速模拟电压采集电路；提供多路复用0V~5V模拟电压检测通道的多路复用模拟电压采集电路；提供蓄电池电压范围内的开关量检测通道的开关量检测电路；提供0V~20V的频率信号输入捕捉通道的PWM输入捕捉电路；提供板上芯片监控的I/O及模拟电压采样的板上信号反馈电路。
也可以是，本发明中，所述电源输出电路包括提供5V电源输出的5V传感器电源输出电路；提供12V电源输出的12V传感器电源输出电路。
也可以是，本发明中，所述通讯电路包括提供非隔离式CAN通讯及隔离式CAN通讯的CAN通讯电路；提供SENT信号采集的SENT通讯电路；提供蓄电池电压范围内信号输入输出的HVIO电路；提供LIN通讯的LIN通讯电路；提供板上芯片通讯的SPI电路。
也可以是，本发明中，所述信号控制电路包括提供模拟电压输出通道的模拟电压输出电路。
也可以是，本发明中，所述驱动控制电路包括提供高端驱动输出通道的高端驱动输出电路；提供低端驱动输出通道的低端驱动电路；提供半桥驱动输出通道的半桥驱动电路；提供恒流驱动输出的恒流驱动电路。
附图说明
图1是本发明一实施形态的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置的结构图；
图2是本发明燃料电池控制装置中的电源及保护电路的结构图；
图3是本发明燃料电池控制装置中的开关状态检测电路的结构图；
图4是本发明燃料电池控制装置中的快速模拟电压采集电路的结构图；
图5是本发明燃料电池控制装置中的多路复用模拟电压采集电路的结构图；
图6是本发明燃料电池控制装置中的PWM输入捕捉电路的结构图；
图7是本发明燃料电池控制装置中的模拟电压输出电路的结构图；
图8是本发明燃料电池控制装置中的5V传感器电源输出电路的结构图；
图9是本发明燃料电池控制装置中的12V传感器电源输出电路的结构图；
图10是本发明燃料电池控制装置中的系统基础芯片电路结构图，包含了HVIO电路、LIN电路、及CAN_C通讯电路的电路结构图；
图11是本发明燃料电池控制装置中的SENT通讯电路的结构图；
图12是本发明燃料电池控制装置中的板上6.2V电源电路结构图；
图13是本发明燃料电池控制装置中的CAN通讯电路的结构图，包含了除SBC外其他三路CAN通讯的电路结构图；
图14是本发明燃料电池控制装置中的板上温度压力检测电路的结构图；
图15是本发明燃料电池控制装置中的EEPROM电路的结构图；
图16是本发明燃料电池控制装置中的高端驱动电路的结构图；
图17是本发明燃料电池控制装置中的低端驱动电路的结构图；
图18是本发明燃料电池控制装置中的半桥驱动电路的结构图；
图19是本发明燃料电池控制装置中的恒流驱动电路的结构图；
图20是本发明燃料电池控制装置中的CPU电路及地平面连接的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对现有FCU装置在资源配置上存在不足，本发明提供了一种氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，包括：CPU电路、以及与CPU电路相连的电源及保护电路、信号采集电路、电源输出电路、通讯电路、信号控制电路和驱动控制电路； CPU电路通过信号采集电路采集信息反馈，并通过通讯电路得知信息反馈， CPU电路通过信息反馈及控制策略确定当前控制方式，并通过通讯电路、信号控制电路及驱动控制电路对外部执行机构进行控制，实现其对动力系统的闭环控制和实时监控。
图1示出了本发明氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置的一实施形态。如图1所示，本实施形态的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，包括：电源及保护电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、5V传感器电源输出电路、12V传感器电源输出电路、CAN通讯电路、LIN通讯电路、SENT通讯电路、开关器件状态检测及保护电路、PWM输入捕捉电路、板上温度\压力检测电路、EEPROM电路、高端驱动电路、低端驱动电路、半桥驱动电路、恒流驱动电路及CPU电路。所述电源及保护电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、5V传感器电源输出电路、12V传感器电源输出电路、CAN通讯电路、LIN通讯电路、SENT通讯电路、开关器件状态检测及保护电路、PWM输入捕捉电路、板上温度\压力检测电路、EEPROM电路、高端驱动电路、低端驱动电路、半桥驱动电路、恒流驱动电路与CPU电路通信连接。
根据本发明，CPU电路与上述各电路通信连接，收集各输入信号，及其他控制器通过CAN 反馈的信号。根据既定的控制策略对整个燃料电池动力系统进行实时不间断的监控，直接或间接的控制各执行机构的运行，从而保证整个燃料电池动力系统安全高效的运行。
图2至图20示出了本发明燃料电池控制装置中的各电路的示意性结构图。
上述电源及保护电路可包括两组，分别保护控制电路电源和驱动电路电源。具体地，如图2所以，电源及保护电路可包括2组，分别保护控制电路电源和驱动电路电源。其中包括过欠压保护、过流保护、反向电压保护、电源滤波、EMC防护电路等。例如，可选用MAX6496芯片，分两组分别保护控制电路部分和驱动电路部分。板内5V供电由系统基础芯片（SBC）UJA1132中DCDC模块将电池的9-30V电压转换到6V电压，后由SBC内部的两组LDO降压到5V，分别供给数字电路部分（VDD5V）以及模拟电路部分（analog5V）的5V电源。板内CPU核心供电由SBC输出的6V电压经过二极管降压后通过例如TPS73533芯片降压到3.3V，3.3V的电压再通过三极管例如NJD2873T4G和CPU内部反馈电路组成的线性温压电路降压到1.26V。板内CPU 数字I/O模块 供电由数字电路电源（VDD5V）供电。板内CPU 模拟I/O模块由模拟电路电源（analog5V）供电。由例如TPS54260及其外围电路组成的DCDC将电池电压降到6.2V，给传感器输出模块供电。同时，6.2V电压经过例如TLE751M05降压后给2路隔离式CAN收发器模块供电。增强的电源保护电路，可保护电路板及芯片免受恶劣的工作环境影响。
优选地，本实施形态中，信号采集电路包括提供0V~5V的快速模拟电压检测通道的快速模拟电压采集电路；提供多路复用0V~5V模拟电压检测通道的多路复用模拟电压采集电路；提供蓄电池电压范围内的开关量检测通道的开关量检测电路；提供0V~20V的频率信号输入捕捉通道的PWM输入捕捉电路；提供板上芯片监控的I/O及模拟电压采样的板上信号反馈电路。
具体地，如图3所示，开关状态检测电路1组，提供13路开关状态检测通道。例如，可选用MC33CD1030芯片，提供13路开关状态检测通道，具有可选配2mA~20mA的湿性电流，可保护接触开关器件接触面，提高开关器件的使用寿命。13路开关状态检测通道，能够监控接触器类执行机构的实际工作状态，使主控芯片最大程度的了解燃料电池动力系统的工况。检测通道可配湿性电流，可以增加物理接触性质的开关器件的寿命。
模拟电压采集电路包括提供0V~5V的快速模拟电压检测通道的快速模拟电压采集电路以及提供多路复用0V~5V模拟电压检测通道的多路复用模拟电压采集电路。
如图4所示，快速模拟电压采集电路14组，提供14路0V~5V的快速模拟电压检测通道。例如，可选用芯片OPA4322，电压信号经过滤波跟随后直接进入CPU采样。14路快速电压采集通道，对实时性要求高的模拟信号进行精确采集，可实现高效的闭环控制及异常情况下的快速响应。
如图5所示，多路复用模拟电压采集电路2组，各提供8路（共16路）的多路复用0V~5V模拟电压检测通道。例如，可通过CD4051芯片进行多路复用，复用后经过OPA4322跟随滤波进入CPU采样。16路多路复用电压采集通道，对实时性要求不高的模拟信号进行精确采集，精确了解燃料电池动力系统各模块的工作状态。
如图6所示，PWM输入捕捉电路2组，各提供2路PWM输入捕捉通道。信号经过分压钳位后通过例如斯密特器缓存器SN74LVC2G17QDCKRQ1整形后进入CPU。4路PWM输入捕捉电路，对各执行机构反馈的PWM信号进行精确捕捉，实现PWM通信。采集各执行机构的PWM反馈信号，用以进行闭环控制或诊断工作。
优选地，信号控制电路包括提供模拟电压输出通道的模拟电压输出电路。具体地，如图7所示，模拟电压输出电路2组，各提供2路0V~10V模拟电压输出端口。CPU发出PWM信号，经过例如DA芯片LTC2645转换成模拟电压后再经过运算放大器NCV20072将电压信号进行放大，输出0V~10V的模拟电压。模拟电压输出电路，输出模拟电压值，精确的控制部分执行机构的工作。
优选地，电源输出电路包括5V传感器电源输出电路和12V传感器电源输出电路。
如图8所示，5V传感器电源输出电路2组，每组额定电压5V、额定电流400mA，各通过2个端口向外输出。例如通过TLE4251芯片对模拟电路电源的5V电压进行跟随输出，将输入的6.2V电压降到跟随模拟电路电源（analog5V）输出。5V传感器输出电路，给各类5V供电的传感器提供稳定电源。其输出电压跟随板上模拟电路部分电源电压（analog5V），使采样更加准确。
如图9所示，12V传感器电源输出电路1组，额定电压12V、额定电流800mA，通过2个端口向外输出。例如通过LTC3114芯片及其外围电路组成BUCK-BOOST_DCDC电路，将整车蓄电池电压降到12V输出。12V传感器输出电路，给各类12V供电的传感器提供稳定电源。
优选地，通讯电路包括提供非隔离式CAN通讯及隔离式CAN通讯的CAN通讯电路；提供SENT信号采集的SENT通讯电路；提供蓄电池电压范围内信号输入输出的HVIO电路；提供LIN通讯的LIN通讯电路；提供板上芯片通讯的SPI电路。
具体地，图10是本发明燃料电池控制装置中的系统基础芯片电路结构图，包含了HVIO电路、LIN电路、及CAN_C通讯电路的电路结构图。HVIO电路1组，可实时输入输出和车载电池电压同电压等级的信号。例如由系统基础芯片（SBC）UJA1132提供。HVIO电路，实现高电压的信号输入/输出。LIN通讯电路1组，例如由系统基础芯片（SBC）UJA1132提供。LIN通讯电路，实现LIN通讯，满足LIN协议的执行机构的应用需求。
如图11所示，SENT通讯电路1组，根据SENT通讯协议中的硬件设计部分，信号经过多重滤波后进入CPU的SENT通讯端口。SENT电路，实现SENT通讯，满足SENT协议输出的传感器的应用需求。
如图12所示，示出了本发明燃料电池控制装置中的板上6.2V电源电路结构。
如图13所示，CAN通讯网络4组，其中2路非隔离式，与整车同电压等级。另2路为隔离式，可与不同电压等级的执行机构或设备进行通讯。非隔离式CAN通讯电路，其中1路（CAN-C）由系统基础芯片（SBC）UJA1132提供。另一路（CAN-D）选用TCAN1042芯片。隔离式CAN通讯电路，两路（CAN-A、CAN-B）选用ADuM5402芯片通过磁隔离的方式隔离数字信号。收发器选用TCAN1042芯片。CAN通讯电路，实现2路非隔离式CAN通讯及2路隔离式CAN通讯，和其他控制器/执行机构进行通讯，从其他控制器/执行机构获取信息，分析燃料电池动力系统的工作状态，间接实现FCU燃料电池动力系统的所有执行机构的监管、控制。
如图14所示，板上温度/压力检测电路1组，检测板上温度及气压。例如可选用KP254芯片。板上温度压力采集电路可采集线路板上的温度和气压信息，对线路板的工作环境进行监控。
如图15所示，EEPROM电路1组，利用其非易失性保存一些关键数据。例如可选用AT25256B芯片。EEPROM电路可储存关键参数，保存关键信息。
优选地，驱动控制电路包括提供高端驱动输出通道的高端驱动输出电路；提供低端驱动输出通道的低端驱动电路；提供半桥驱动输出通道的半桥驱动电路；提供恒流驱动输出的恒流驱动电路。
如图16所示，高端驱动电路1组，提供4路高端驱动输出。例如可选用VNQ830P芯片。高端驱动电路可直接快速的以高端驱动控制执行机构。
如图17所示，低端驱动电路3组，各提供4路（共12路）低端驱动输出。例如可选用L9349芯片。低端驱动电路可直接快速的以低端驱动控制执行机构。
如图18所示，半桥驱动电路4组，各提供1路（共4路）半桥驱动输出。例如可选用BTN8962芯片，此芯片包含1路电流反馈脚，电流反馈通过电阻取样、滤波，进入OPA4322放大、钳位、滤波，后进入CPU模拟量采样端口。半桥驱动电路可直接快速的以半桥驱动控制执行机构。
如图19所示，恒流驱动电路1组，提供2路恒流驱动输出。例如可选用TLE82452芯片，TLE82452芯片内部的数字电路时钟由8MHz有源振荡器LTC6930HMS8-8.00#PBF提供。恒流驱动电路可通过电流闭环控制，实现如线性电磁阀类执行机构的快速精确的控制。
CPU电路可包括提供1.26V的CPU核心供电电路；提供模拟电压采样校对基准4.096V的基准电压电路；提供CPU时钟信号的震荡电路；提供I/O的CPU I/O电路。具体地，如图20所示，CPU电路，负责燃料电池动力系统的控制策略的执行。例如可选用SPC5746RK1MMT5芯片，芯片和上述FCU各功能模块通信连接，通过各信号输入模块、通讯模块得到的信息，根据既定的控制策略；通过板上各功能模块及通讯模块控制燃料电池动力系统的各执行机构。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，包括：
CPU电路、以及与所述CPU电路相连的电源及保护电路、信号采集电路、电源输出电路、通讯电路、信号控制电路和驱动控制电路；
所述CPU电路通过所述信号采集电路采集信息反馈，并通过所述通讯电路得知信息反馈，所述CPU电路通过信息反馈及控制策略确定当前控制方式，并通过所述通讯电路、信号控制电路及驱动控制电路对外部执行机构进行控制，实现其对动力系统的闭环控制和实时监控。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述电源及保护电路包括两组，分别保护控制电路电源和驱动电路电源。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述CPU电路包括提供1.26V的CPU核心供电电路；提供模拟电压采样校对基准4.096V的基准电压电路；提供CPU时钟信号的震荡电路；提供I/O的CPU I/O电路。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述信号采集电路包括提供0V~5V的快速模拟电压检测通道的快速模拟电压采集电路；提供多路复用0V~5V模拟电压检测通道的多路复用模拟电压采集电路；提供蓄电池电压范围内的开关量检测通道的开关量检测电路；提供0V~20V的频率信号输入捕捉通道的PWM输入捕捉电路；提供板上芯片监控的I/O及模拟电压采样的板上信号反馈电路。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述电源输出电路包括提供5V电源输出的5V传感器电源输出电路；提供12V电源输出的12V传感器电源输出电路。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述通讯电路包括提供非隔离式CAN通讯及隔离式CAN通讯的CAN通讯电路；提供SENT信号采集的SENT通讯电路；提供蓄电池电压范围内信号输入输出的HVIO电路；提供LIN通讯的LIN通讯电路；提供板上芯片通讯的SPI电路。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述信号控制电路包括提供模拟电压输出通道的模拟电压输出电路。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池动力系统的燃料电池控制装置，其特征在于，所述驱动控制电路包括提供高端驱动输出通道的高端驱动输出电路；提供低端驱动输出通道的低端驱动电路；提供半桥驱动输出通道的半桥驱动电路；提供恒流驱动输出的恒流驱动电路。
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