CN110315980A - 一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统，控制方法包括：获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。由上述内容可知，本发明提供的技术方案，通过判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，确定所述电堆出现绝缘失效故障，之后对出现绝缘失效故障的子电堆进行定位，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，之后使所述电堆以故障运行模式运行，以对所述电堆进行故障保护，避免电堆绝缘失效故障恶化，烧坏电堆，提高电堆的安全性能。

Description

一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池电动汽车电堆控制领域，尤其涉及一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统。
背景技术
燃料电池电动汽车是一种用车载燃料电池的电堆产生的电力作为动力的汽车。燃料电池电动汽车的关键是燃料电池的电堆。
而现有燃料电池电动汽车不具备电堆绝缘失效保护功能，会导致电堆绝缘失效故障恶化，烧坏电堆，同时不能定位绝缘失效的子电堆，电堆安全性能较低，风险较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统, 能够有效解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法，包括：
获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；
判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。
可选的，判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，包括：
判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，所述电堆停止引入空气、燃气和水，且断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电；
检测每一所述子电堆是否绝缘失效；
控制绝缘失效的子电堆断开与所述直流母线的连接，剩余子电堆与所述直流母线连接。
可选的，检测每一所述子电堆是否绝缘失效，包括：
获取所有所述子电堆均与所述直流母线连接时的电堆的第一绝缘电阻；
断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的子电堆构成的电堆的第二绝缘电阻；
通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效；
再次断开一个子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻；
通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效；
重复上述步骤直至判断所有子电堆是否绝缘失效。
可选的，检测每一所述子电堆是否绝缘失效，包括：
选择任意一子电堆作为当前的子电堆，控制当前的子电堆与直流母线连接，断开剩余子电堆与直流母线的连接，以使电堆仅由所述当前的子电堆构成，检测所述电堆的绝缘电阻，若所述电堆的绝缘电阻小于第二预设阈值，则确定当前的子电堆绝缘失效。
可选的，所述故障运行模式包括：
获取正常运行的所述子电堆的数量；
根据正常运行的所述子电堆的数量计算所述电堆当前的最大输出功率；
获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，根据所述电堆当前的最大输出功率调整空气的流量、压力和温度，燃气的流量、压力和温度，水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证电堆实际的输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
可选的，每个所述子电堆串联一个功率电子开关，所述功率电子开关用于控制其串联的所述子电堆与所述直流母线的连接。
可选的，每个所述子电堆的正极与直流母线的正极之间串联一个第一功率二极管，且每个所述子电堆的负极与直流母线的负极之间串联一个第二功率二极管。
相应的，本发明还提供一种燃料电池电动汽车电堆的控制系统，包括：绝缘监测仪、电堆和燃料电池控制器，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；
所述绝缘监测仪用于获取所述电堆的绝缘电阻；
所述燃料电池控制器用于在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，控制所述电堆进入故障运行模式。
可选的，所述控制系统包括：空气控制单元、燃气控制单元、水控制单元和电堆预充单元；
所述空气控制单元用于为所述电堆提供空气，并控制所述空气的流量、压力和温度 ；
所述燃气控制单元用于为所述电堆提供燃气，并控制所述燃气的流量、压力和温度；
所述水控制单元用于为所述电堆提供水，并控制所述水的流量、压力和温度；
所述电堆预充单元用于将所述电堆输出的电流进行预充电，完成预充电过程后，输出到直流电压变换器，且控制所述电堆与整车负载的连接；
其中，所述燃料电池控制器在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，包括：
所述燃料电池控制器在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，控制所述空气控制单元、所述燃气控制单元和所述水控制单元停止工作，同时控制所述电堆预充单元断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电；且在所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆后，控制绝缘失效的所述子电堆断开与所述直流母线的连接，控制剩余的所述子电堆与所述直流母线连接。
可选的，所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆包括：
所述绝缘监测仪获取所有所述子电堆均与所述直流母线连接时的所述电堆的第一绝缘电阻；
所述燃料电池控制器控制断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，所述绝缘监测仪获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第二绝缘电阻；
所述燃料电池控制器通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效；
所述燃料电池控制器控制再次断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，所述绝缘监测仪获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻；
所述燃料电池控制器通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效；
重复上述步骤直至判断所有子电堆是否绝缘失效。
可选的，所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆包括：所述燃料电池控制器选择任意一子电堆作为当前的子电堆，控制所述当前的子电堆与所述直流母线连接，断开剩余子电堆与所述直流母线的连接，以使电堆仅由所述当前的子电堆构成，绝缘监测仪检测所述电堆的绝缘电阻，若所述燃料电池控制器判断所述电堆的绝缘电阻小于第二预设阈值，则确定当前的子电堆绝缘失效。
可选的，所述控制系统包括：整车控制器；其中，所述燃料电池控制器控制所述电堆进入故障运行模式包括：
所述燃料电池控制器获取正常运行的所述子电堆的数量；根据正常运行的所述子电堆的数量计算所述电堆当前的最大输出功率；
所述燃料电池控制器从所述整车控制器获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，所述燃料电池控制器根据所述电堆当前的最大输出功率调整进入所述电堆的空气的流量、压力和温度，进入所述电堆的燃气的流量、压力和温度，进入所述电堆的水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证实际的电堆输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
可选的，每个所述子电堆串联一个功率电子开关，所述功率电子开关用于控制其串联的所述子电堆与所述直流母线的连接。
可选的，每个所述子电堆的正极与所述直流母线的正极之间串联一个第一功率二极管，且每个所述子电堆的负极与所述直流母线的负极之间串联一个第二功率二极管。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统，控制方法包括：获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。由上述内容可知，本发明提供的技术方案，通过判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，确定所述电堆出现绝缘失效故障，之后对出现绝缘失效故障的子电堆进行定位，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，之后使所述电堆以故障运行模式运行，以对所述电堆进行故障保护，避免电堆绝缘失效故障恶化，而烧坏电堆，提高电堆的安全性能 。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种在判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接的方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池电动汽车电堆的控制系统的结构图；
图4为本发明实施例提供的子电堆的并联结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，现有技术中的燃料电池电动汽车不具备电堆绝缘失效保护功能，会导致电堆绝缘失效故障恶化，烧坏电堆，同时不能定位绝缘失效的子电堆，电堆安全性能较低，风险较大。
基于此，本申请提供了一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统，控制方法包括：获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。由上述内容可知，本申请提供的技术方案，通过判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，确定所述电堆出现绝缘失效故障，之后对出现绝缘失效故障的子电堆进行定位，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，之后使所述电堆以故障运行模式运行，以对所述电堆进行保护，避免电堆绝缘失效故障恶化，而烧坏电堆，提高电堆的安全性能 。
为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图4对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，图1为本申请实施例提供的一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法的流程图;
一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法，包括：
获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；
判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。
需要说明的是：参见图4所示，所述电堆由至少两个并联的子电堆构成，每个所述子电堆的正极连接直流母线的正极，每个所述子电堆的负极连接直流母线的负极。
当电堆出现绝缘失效故障时，其电阻必然会出现异常而未在正常范围内，所以本申请实施例中的所述第一预设阈值用于判断所述电堆是否出现绝缘失效故障，本申请实施例对于“第一预设阈值”的具体数值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。
本实施例中，当所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，说明所述电堆出现绝缘失效故障，而电堆是由至少两个子电堆并联构成的，因此，必然是有子电堆出现绝缘失效故障才会导致电堆出现绝缘失效故障，所以在判断电堆出现绝缘失效故障之后，需要对出现绝缘失效故障的子电堆进行定位，并将出现故障的子电堆与直流母线的连接断开，即，使出现绝缘失效故障的子电堆停止工作，然后使所述电堆进入故障运行模式，以对出现绝缘失效故障的电堆进行保护。
每个子电堆由一系列电池片串联而成，包含空气的进气、排气接口；燃气的进气、排气接口，动力的正、负极输出接口。子电堆的阴极通入空气，阳极通入燃气，在一定温度下通过电池片发生电化学反应，阴极氧气变成阳离子，通过电解质传递到阳极，与阳极的氢离子和CO反应，生成水和CO2，电子在子电堆正、负极通过负载形成电回路。
所述燃料电池的电堆还可以包括：子电堆、重整器、换热器、燃烧器、蒸汽发生器等部件，通过电化学反应产生需求的电功率，即，电堆通过引入空气、燃气和水工作发电提供给动力电池和高压部件。
如图2所示，在本申请一实施例中，判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，包括：
判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，所述电堆停止引入空气、燃气和水，且断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电；
检测每一所述子电堆是否绝缘失效；
控制绝缘失效的子电堆断开与所述直流母线的连接，剩余子电堆与所述直流母线连接。
需要说明的是，电堆通过引入空气、燃气和水工作发电，并将发出的电提供给整车负载使用，当判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，说明此时电堆出现绝缘失效故障，此时控制电堆停止引入空气、燃气和水，且断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电并停止工作，避免电堆放电对电堆的性能造成衰减或者造成电堆短路,以对电堆进行保护。
之后检测每一所述子电堆，查找出现绝缘失效故障的子电堆，控制绝缘失效的子电堆断开与所述直流母线的连接，控制剩余子电堆与所述直流母线连接构成运行的电堆。
在本申请一实施例中，检测每一所述子电堆是否绝缘失效，包括：
获取所有所述子电堆均与所述直流母线连接时的电堆的第一绝缘电阻；
断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第二绝缘电阻；
通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效；
再次断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻；
通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效；
重复上述步骤直至判断所有子电堆是否绝缘失效。
需要说明的是：绝缘电阻实质为电堆的电阻，即与所述直流母线连接的所有子电堆的并联电阻，其中，所述第一绝缘电阻为所有子电堆均与所述直流母线连接的并联电阻，所述第二绝缘电阻为断开任意一个子电堆与直流母线的连接后的剩余子电堆并联的并联电阻，这样通过第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻即可确定断开与直流母线连接的所述子电堆的电阻，将所述电阻与第二预设阈值进行比较，若所述电阻小于第二预设阈值，则确定断开与直流母线连接的所述子电堆绝缘失效。重复上述步骤则能够获取每个子电堆的电阻，进而判断所有子电堆是否绝缘失效。
其中，通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效，包括：
获取所述第一绝缘电阻Rt1，
断开任意一个子电堆与直流母线的连接;
获取所述第二绝缘电阻Rt2，
根据公式R1=Rt1*Rt2/(Rt2-Rt1)计算获取断开与直流母线连接的所述子电堆的电阻，其中，R1为断开的所述子电堆的电阻;
将所述子电堆的电阻R1与第二预设阈值进行比较，若所述电阻小于第二预设阈值，则确定断开与直流母线连接的所述子电堆绝缘失效。
需要说明的是，根据并联电阻的计算公式建立第一方程式：1/R1+1/R2+...1/Rn=1/Rt1，以及第二方程式：1/R2+1/R2+...1/Rn=1/Rt2；其中，Rt1为第一绝缘电阻，Rt2为第二绝缘电阻，R1-Rn分别为各个子电堆的电阻；
将第一方式与第二方程式做差得到第三方程式，所述第三方程式为：1/R1=1/Rt1-1/Rt2，由所述第三方程式可以得出子电堆的电阻计算公式R1=Rt1*Rt2/(Rt2-Rt1)；
即，子电堆的电阻是按照Ri=Rti*Rti+1/(Rti+1-Rti)这一公式进行计算，其中，Ri为第i个子电堆的电阻，Rti为i个与所述直流母线连接的子电堆的并联电阻，Rti+1为除第i个子电堆外剩余的i-1个与所述直流母线连接的子电堆的并联电阻，1≤i≤n-1，计算第n-1个子电堆的绝缘电阻时，由于断开第n-1个电堆时，只有第n个子电堆与直流母线连接，所以第n个子电堆的电阻等于电堆的绝缘电阻Rtn，其可以直接获取。
通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效，包括：
再次断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻RT3；
根据公式R2=Rt2*Rt3/(Rt3-Rt2)计算获取再次断开与直流母线连接的所述子电堆的电阻R2;
将所述电阻R2与第二预设阈值进行比较，若所述电阻小于第二预设阈值，则确定再次断开与直流母线连接的所述子电堆绝缘失效。
重复上述步骤则能够获取剩余的每个子电堆的电阻，并判断各个子电堆是否绝缘失效。
本申请实施例对于“第二预设阈值”的具体数值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。
在本申请一实施例中，检测每一所述子电堆是否绝缘失效，包括：选择任意一子电堆作为当前的子电堆，控制当前的子电堆与直流母线连接，断开剩余子电堆与直流母线的连接，以使电堆仅由所述当前的子电堆构成，检测所述电堆的绝缘电阻，若所述电堆的绝缘电阻小于第二预设阈值，则确定当前的子电堆绝缘失效；所述第二预设阈值用于判断单个子电堆是否出现绝缘失效故障，本申请实施例对于“第二预设阈值”的具体数值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。
在申请一实施例中，所述故障运行模式包括：
获取正常运行的所述子电堆的数量；
根据正常运行的所述子电堆的数量计算所述电堆当前的最大输出功率；
获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，根据所述电堆当前的最大输出功率调整空气的流量、压力和温度，燃气的流量、压力和温度，水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证电堆实际的输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
需要说明的是：在故障运行模式下，当电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，为了确保电堆的实际输出功率不会为了与电堆需求输出功率匹配，而超出电堆当前的最大输出功率，电堆将会以电堆当前的最大输出功率匹配电堆需求输出功率，从而使电堆的实际输出功率等于电堆当前的最大输出功率，并根据所述电堆当前的最大输出功率调整空气的流量、压力和温度，燃气的流量、压力和温度，水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证电堆实际的输出功率与电堆当前的最大输出功率相同，其中所述水为去离子水。
在故障运行模式下，当所述电堆需求输出功率不大于所述电堆当前的最大输出功率时，根据所述电堆需求输出功率调整空气的流量、压力和温度，燃气的流量、压力和温度，水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证电堆实际的输出功率与电堆需求输出功率相同。
在本申请一实施例中，参照图4所示，每个所述子电堆串联一个功率电子开关，所述功率电子开关用于控制其串联的所述子电堆与所述直流母线的连接。
需要说明的是，所述功率电子开关可以串联在子电堆与直流母线的正极之间，也可以串联在子电堆与直流母线的负极之间。所述功率电子开关用于控制所述子电堆与直流母线的连接和断开，以对子电堆是否工作进行控制，具体的是对子电堆的电流是否输出进行控制。
所述功率电子开关可以为IGBT、MOS管、碳化硅管等。
在本申请一实施例中，参照图4所示，每个所述子电堆的正极与直流母线的正极之间串联一个第一功率二极管，且每个所述子电堆的负极与直流母线的负极之间串联一个第二功率二极管，包括：所述子电堆的正极连接第一功率二极管的正极，所述第一功率二极管的负极连接直流母线的正极，且所述子电堆的负极连接第二功率二极管的负极，所述第二功率二极管的正极连接直流母线的负极。
需要说明的是：若没有功率二极管对子电堆的正、负极进行相互隔离，各个子电堆之间有电压差，那么电压高的子电堆会给电压低的子电堆充电，从而造成电堆内部损伤，而通过在每个所述子电堆的正极与直流母线的正极之间串联一个功率二极管，且每个所述子电堆的负极与直流母线的负极之间串联一个功率二极管可以防止电压高的子电堆给电压低的子电堆充电，避免不同子电堆之间因为电压差别造成的相互影响，从而对电堆进行保护，延长电堆的寿命。
参照图3所示，本申请实施例提供一种燃料电池电动汽车电堆的控制系统，包括：绝缘监测仪、电堆和燃料电池控制器(FCU, Fuelcell Control Unit)，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；
所述绝缘监测仪用于获取所述电堆的绝缘电阻；
所述燃料电池控制器用于在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，控制所述电堆进入故障运行模式。
需要说明的是：参见图4所示，所述电堆由至少两个并联的子电堆构成，每个所述子电堆的正极连接直流母线的正极，每个所述子电堆的负极连接直流母线的负极。
当电堆出现绝缘失效故障时，其电阻必然会出现异常而未在正常范围内，所以本申请实施例中的所述第一预设阈值用于判断所述电堆是否出现绝缘失效故障，本申请实施例对于“第一预设阈值”的具体数值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。
本实施例中，当所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，说明所述电堆出现绝缘失效故障，而电堆是由至少两个子电堆并联构成的，因此，必然是有子电堆出现绝缘失效故障才会导致电堆出现绝缘失效故障，所以在判断电堆出现绝缘失效故障之后，需要对出现绝缘失效故障的子电堆进行定位，并将出现故障的子电堆与直流母线的连接断开，即，使出现绝缘失效故障的子电堆停止工作，然后使所述电堆进入故障运行模式，以对出现绝缘失效故障的电堆进行保护。
每个子电堆由一系列电池片串联而成，包含空气的进气、排气接口；燃气的进气、排气接口，动力的正、负极输出接口。子电堆的阴极通入空气，阳极通入燃气，在一定温度下通过电池片发生电化学反应，阴极氧气变成阳离子，通过电解质传递到阳极，与阳极的氢离子和CO反应，生成水和CO2，电子在子电堆正、负极通过负载形成电回路。
所述燃料电池的电堆还可以包括：子电堆、重整器、换热器、燃烧器、蒸汽发生器等部件，通过电化学反应产生需求的电功率，即，电堆通过引入空气、燃气和水工作发电提供给动力电池和高压部件。
在本申请一实施例中所述绝缘监测仪放置在电堆预充单元内部。
需要说明的是：绝缘监测仪监测绝缘电阻的检测原理为低频信号注入法或不平衡电桥法。
低频信号注入法原理为：
给定已知的激励信号，测试系统的响应信号，根据响应信号的不同计算出被测对象。绝缘检测仪内部生成激励脉冲，在高压系统和车身之间正负脉动，从而形成正负脉动的响应信号。当被测对象绝缘电阻不同时，响应信号与被测对象呈现出一定的数学关系，从而可以计算出被测对象的绝缘电阻，即电堆的绝缘电阻。
不平衡电桥法原理为：
在直流母线和底盘之间接入一系列电阻，通过电子开关或继电器切换接入电阻的大小，测量不同接入电阻下正、负直流母线在被测电阻的分压值，结合方程式解出正、负直流母线对地的绝缘电阻，所述正、负直流母线对地的绝缘电阻即为被测电堆的绝缘电阻。
参照图3所示，在本申请一实施例中，所述控制系统包括：空气控制单元、燃气控制单元、水控制单元和电堆预充单元；
所述空气控制单元用于为所述电堆提供空气，并控制所述空气的流量、压力和温度 ；
所述燃气控制单元用于为所述电堆提供燃气，并控制所述燃气的流量、压力和温度；
所述水控制单元用于为所述电堆提供水，并控制所述水的流量、压力和温度；
所述电堆预充单元用于将所述电堆输出的电流进行预充电，完成预充电过程后，输出到直流电压变换器（DCDC单元），且控制所述电堆与整车负载的连接；
其中，所述燃料电池控制器在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，包括：
所述燃料电池控制器在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，控制所述空气控制单元、所述燃气控制单元和所述水控制单元停止工作，同时控制所述电堆预充单元断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电；且在所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆后，控制绝缘失效的所述子电堆断开与所述直流母线的连接，控制剩余的所述子电堆与所述直流母线连接。
需要说明的是，所述燃料电池控制器还用于控制电堆预充单元的预充过程，与直流电压变换器通讯，控制直流电压变换器的输入电流，其中，所述直流电压变换器的输入电流为所述电堆预充单元输出给所述直流电压变换器的的电流，通过控制所述直流电压变换器的输入电流能够控制电堆的输出电流。
燃料电池控制器控制电堆通过空气控制单元、燃气控制单元和水控制单元分别引入空气、燃气和水工作发电，并控制电堆将发出的电通过电堆预充单元进行预充电，完成预充电过程后，输出到直流电压变换器提供给整车负载使用，当判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，说明此时电堆出现绝缘失效故障，此时燃料电池控制器控制所述空气控制单元、所述燃气控制单元和所述水控制单元停止工作，且通过电堆预充单元断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电并停止工作，避免电堆放电对电堆的性能造成衰减，或者造成电堆短路,以对电堆进行保护。
之后检测每一所述子电堆，查找出现绝缘失效故障的子电堆，控制绝缘失效的子电堆断开与所述直流母线的连接，控制剩余子电堆与所述直流母线连接构成运行的电堆。
在本申请一实施例中，所述电堆预充单元中包括：主正继电器、预充继电器和主负继电器，完成所述电堆与直流电压变换器之间的预充过程，同时可以通过控制主继电器来控制所述电堆与整车负载的连接。
在本申请一实施例中，所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆包括：
所述绝缘监测仪获取所有所述子电堆均与所述直流母线连接时的所述电堆的第一绝缘电阻；
所述燃料电池控制器控制断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，所述绝缘监测仪获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第二绝缘电阻；
所述燃料电池控制器通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效；
所述燃料电池控制器控制再次断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，所述绝缘监测仪获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻；
所述燃料电池控制器通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效；
重复上述步骤直至判断所有子电堆是否绝缘失效。
需要说明的是：绝缘电阻实质为电堆的电阻，即与所述直流母线连接的所有子电堆的并联电阻，其中，所述第一绝缘电阻为所有子电堆均与所述直流母线连接的并联电阻，所述第二绝缘电阻为断开任意一个子电堆与直流母线的连接后的剩余子电堆并联的并联电阻，这样通过第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻的差值即可确定断开与直流母线连接的所述子电堆的电阻，将所述电阻与第二预设阈值进行比较，若所述电阻小于第二预设阈值，则确定断开与直流母线连接的所述子电堆绝缘失效。重复上述步骤则能够获取每个子电堆的电阻，进而判断所有子电堆是否绝缘失效。
所述燃料电池控制器通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效，包括：
所述燃料电池控制器获取所述第一绝缘电阻Rt1，
所述燃料电池控制器控制断开任意一个子电堆与直流母线的连接;
所述燃料电池控制器获取所述第二绝缘电阻Rt2，
所述燃料电池控制器根据公式R1=Rt1*Rt2/(Rt2-Rt1)计算获取断开与直流母线连接的所述子电堆的电阻，其中，R1为断开的所述子电堆的电阻;
所述燃料电池控制器将所述子电堆的电阻R1与第二预设阈值进行比较，若所述电阻小于第二预设阈值，则确定断开与直流母线连接的所述子电堆绝缘失效。
需要说明的是，根据并联电阻的计算公式建立第一方程式：1/R1+1/R2+...1/Rn=1/Rt1，以及第二方程式：1/R2+1/R2+...1/Rn=1/Rt2；其中，Rt1为第一绝缘电阻，Rt2为第二绝缘电阻，R1-Rn分别为各个子电堆的电阻；
将第一方式与第二方程式做差得到第三方程式，所述第三方程式为：1/R1=1/Rt1-1/Rt2，由所述第三方程式可以得出R1=Rt1*Rt2/(Rt2-Rt1)。
即，子电堆的电阻是按照Ri=Rti*Rti+1/(Rti+1-Rti)这一公式进行计算，其中，Ri为第i个子电堆的电阻，Rti为i个与所述直流母线连接的子电堆的并联电阻，Rti+1为除第i个子电堆外剩余的i-1个与所述直流母线连接的子电堆的并联电阻，1≤i≤n-1，计算第n-1个子电堆的绝缘电阻时，由于断开第n-1个电堆时，只有第n个子电堆与直流母线连接，所以第n个子电堆的电阻等于电堆的绝缘电阻Rtn，其可以直接获取。
所述燃料电池控制器通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效，包括：
所述燃料电池控制器控制再次断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻RT3；
所述燃料电池控制器根据公式R2=Rt2*Rt3/(Rt3-Rt2)计算获取再次断开与直流母线连接的所述子电堆的电阻R2;
所述燃料电池控制器将所述电阻R2与第二预设阈值进行比较，若所述电阻小于第二预设阈值，则确定再次断开与直流母线连接的所述子电堆绝缘失效。
所述燃料电池控制器重复上述步骤则能够获取剩余的每个子电堆的电阻，并判断各个子电堆是否绝缘失效。
本申请实施例对于“第二预设阈值”的具体数值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。
在本申请一实施例中，所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆包括：所述燃料电池控制器选择任意一子电堆作为当前的子电堆，控制所述当前的子电堆与所述直流母线连接，断开剩余子电堆与所述直流母线的连接，以使电堆仅由所述当前的子电堆构成，绝缘监测仪检测所述电堆的绝缘电阻，若所述燃料电池控制器判断所述电堆的绝缘电阻小于第二预设阈值，则确定当前的子电堆绝缘失效。所述第二预设阈值用于判断单个子电堆是否出现绝缘失效故障，本申请实施例对于“第二预设阈值”的具体数值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体计算选取。
在申请一实施例中，所述控制系统包括：整车控制器（VCU, Vehicle ControlUnit）；其中，所述燃料电池控制器控制所述电堆进入故障运行模式包括：
所述燃料电池控制器获取正常运行的所述子电堆的数量；根据正常运行的所述子电堆的数量计算所述电堆当前的最大输出功率；
所述燃料电池控制器从所述整车控制器获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，所述燃料电池控制器根据所述电堆当前的最大输出功率调整进入所述电堆的空气的流量、压力和温度，进入所述电堆的燃气的流量、压力和温度，进入所述电堆的水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证实际的电堆输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
需要说明的是：所述整车控制器用于控制整车动力功率输出，以及与燃料电池控制器交互，控制电堆处于不同的工作状态。
在故障运行模式下，当电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，为了确保电堆的实际输出功率不会为了与电堆需求输出功率匹配，而超出电堆当前的最大输出功率，电堆将会以电堆当前的最大输出功率匹配电堆需求输出功率，从而使电堆的实际输出功率等于电堆当前的最大输出功率，并根据所述电堆当前的最大输出功率调整空气的流量、压力和温度，燃气的流量、压力和温度，水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证电堆实际的输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
在故障运行模式下，所述燃料电池控制器从所述整车控制器获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率不大于所述电堆当前的最大输出功率时，所述燃料电池控制器根据所述电堆需求输出功率调整进入所述电堆的空气的流量、压力和温度，进入所述电堆的燃气的流量、压力和温度，进入所述电堆的水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证实际的电堆输出功率与电堆需求输出功率相同。
在本申请一实施例中，参照图4所示，每个所述子电堆串联一个功率电子开关，所述功率电子开关用于控制其串联的所述子电堆与所述直流母线的连接。
需要说明的是，所述功率电子开关可以串联在子电堆与直流母线的正极之间，也可以串联在子电堆与直流母线的负极之间。所述功率电子开关用于控制所述子电堆与直流母线的连接和断开，以对子电堆是否工作进行控制，具体的是对子电堆的电流是否输出进行控制。
所述功率电子开关可以为IGBT、MOS管、碳化硅管等。
在本申请一实施例中，参照图4所示，每个所述子电堆的正极与所述直流母线的正极之间串联一个功率二极管，且每个所述子电堆的负极与所述直流母线的负极之间串联一个功率二极管。包括：所述子电堆的正极连接第一功率二极管的正极，所述第一功率二极管的负极连接直流母线的正极，且所述子电堆的负极连接第二功率二极管的负极，所述第二功率二极管的正极连接直流母线的负极。
需要说明的是：若没有功率二极管对子电堆的正、负极进行相互隔离，各个子电堆之间有电压差，那么电压高的子电堆会给电压低的子电堆充电，从而造成电堆内部损伤，而通过在每个所述子电堆的正极与直流母线的正极之间串联一个功率二极管，且每个所述子电堆的负极与直流母线的负极之间串联一个功率二极管可以防止电压高的子电堆给电压低的子电堆充电，避免不同子电堆之间因为电压差别造成的相互影响，从而对电堆进行保护，延长电堆的寿命。
在本申请一实施例中，参照图3所示，所述控制系统包括：动力电池，所述动力电池包含电池管理系统（BMS,Battery Management System）、多合一控制器和高压部件。
所述动力电池与电堆并联在直流母线上，其是用于为电动汽车提供瞬时功率需求电源，包括：燃料电池控制器控制预充单元完成预充过程，使得电堆的电源输出接口接入直流电压变换器，电池管理系统向整车控制器发送动力电池最大的充、放电功率输出参数，整车控制器根据该参数，结合当前燃料电池控制器发出的电堆最大输出功率，为整车高压部件提供电源。
所述多合一控制器用于分配直流母线的电源，包含动力分配单元（PDU，PowerDistribute Unit）、低压输出直流电压变换器、电动转向泵控制器和电动空压机控制器等。
所述高压部件包含电机控制器、电动转向泵、电动空压机、电动空调、电除霜、电暖风和鼓风机控制器等。
本申请提供了一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法及系统，控制方法包括：获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。由上述内容可知，本发明提供的技术方案，通过判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，确定所述电堆出现绝缘失效故障，之后对出现绝缘失效故障的子电堆进行定位，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，之后使所述电堆以故障运行模式运行，以对所述电堆进行故障保护，避免电堆绝缘失效故障恶化，而烧坏电堆，提高电堆的安全性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种燃料电池电动汽车电堆的控制方法，其特征在于，包括：
获取电堆的绝缘电阻，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；
判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，所述电堆进入故障运行模式。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，包括：
判断所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，所述电堆停止引入空气、燃气和水，且断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电；
检测每一所述子电堆是否绝缘失效；
控制绝缘失效的子电堆断开与所述直流母线的连接，剩余子电堆与所述直流母线连接。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，检测每一所述子电堆是否绝缘失效，包括：
获取所有所述子电堆均与所述直流母线连接时的电堆的第一绝缘电阻；
断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的子电堆构成的电堆的第二绝缘电阻；
通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效；
再次断开一个子电堆与所述直流母线的连接，并获取相应的与所述直流母线连接的子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻；
通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效；
重复上述步骤直至判断所有子电堆是否绝缘失效。
4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，检测每一所述子电堆是否绝缘失效，包括：
选择任意一子电堆作为当前的子电堆，控制当前的子电堆与直流母线连接，断开剩余子电堆与直流母线的连接，以使电堆仅由所述当前的子电堆构成，检测所述电堆的绝缘电阻，若所述电堆的绝缘电阻小于第二预设阈值，则确定当前的子电堆绝缘失效。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述故障运行模式包括：
获取正常运行的所述子电堆的数量；
根据正常运行的所述子电堆的数量计算所述电堆当前的最大输出功率；
获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，根据所述电堆当前的最大输出功率调整空气的流量、压力和温度，燃气的流量、压力和温度，水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证电堆实际的输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，每个所述子电堆串联一个功率电子开关，所述功率电子开关用于控制其串联的所述子电堆与所述直流母线的连接。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，每个所述子电堆的正极与直流母线的正极之间串联一个第一功率二极管，且每个所述子电堆的负极与直流母线的负极之间串联一个第二功率二极管。
8.一种燃料电池电动汽车电堆的控制系统，其特征在于，包括：绝缘监测仪、电堆和燃料电池控制器，其中，所述电堆包括：并联的至少两个子电堆；
所述绝缘监测仪用于获取所述电堆的绝缘电阻；
所述燃料电池控制器用于在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接后，控制所述电堆进入故障运行模式。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：空气控制单元、燃气控制单元、水控制单元和电堆预充单元；
所述空气控制单元用于为所述电堆提供空气，并控制所述空气的流量、压力和温度 ；
所述燃气控制单元用于为所述电堆提供燃气，并控制所述燃气的流量、压力和温度；
所述水控制单元用于为所述电堆提供水，并控制所述水的流量、压力和温度；
所述电堆预充单元用于将所述电堆输出的电流进行预充电，完成预充电过程后，输出到直流电压变换器，且控制所述电堆与整车负载的连接；
其中，所述燃料电池控制器在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，断开绝缘失效的子电堆与直流母线的连接，包括：
所述燃料电池控制器在所述电堆的绝缘电阻小于第一预设阈值时，控制所述空气控制单元、所述燃气控制单元和所述水控制单元停止工作，同时控制所述电堆预充单元断开所述电堆与整车负载的连接，所述电堆停止放电；且在所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆后，控制绝缘失效的所述子电堆断开与所述直流母线的连接，控制剩余的所述子电堆与所述直流母线连接。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆包括：
所述绝缘监测仪获取所有所述子电堆均与所述直流母线连接时的所述电堆的第一绝缘电阻；
所述燃料电池控制器控制断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，所述绝缘监测仪获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第二绝缘电阻；
所述燃料电池控制器通过所述第一绝缘电阻和所述第二绝缘电阻判断断开的所述子电堆是否绝缘失效；
所述燃料电池控制器控制再次断开一个所述子电堆与所述直流母线的连接，所述绝缘监测仪获取相应的与所述直流母线连接的所述子电堆构成的电堆的第三绝缘电阻；
所述燃料电池控制器通过所述第二绝缘电阻和所述第三绝缘电阻判断再次断开的所述子电堆是否绝缘失效；
重复上述步骤直至判断所有子电堆是否绝缘失效。
11.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述燃料电池控制器检测绝缘失效的子电堆包括：所述燃料电池控制器选择任意一子电堆作为当前的子电堆，控制所述当前的子电堆与所述直流母线连接，断开剩余子电堆与所述直流母线的连接，以使电堆仅由所述当前的子电堆构成，绝缘监测仪检测所述电堆的绝缘电阻，若所述燃料电池控制器判断所述电堆的绝缘电阻小于第二预设阈值，则确定当前的子电堆绝缘失效。
12.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：整车控制器；其中，所述燃料电池控制器控制所述电堆进入故障运行模式包括：
所述燃料电池控制器获取正常运行的所述子电堆的数量；根据正常运行的所述子电堆的数量计算所述电堆当前的最大输出功率；
所述燃料电池控制器从所述整车控制器获取电堆需求输出功率，当所述电堆需求输出功率大于所述电堆当前的最大输出功率时，所述燃料电池控制器根据所述电堆当前的最大输出功率调整进入所述电堆的空气的流量、压力和温度，进入所述电堆的燃气的流量、压力和温度，进入所述电堆的水的流量、压力和温度，以及电堆的输出电流，以保证实际的电堆输出功率与电堆当前的最大输出功率相同。
13.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，每个所述子电堆串联一个功率电子开关，所述功率电子开关用于控制其串联的所述子电堆与所述直流母线的连接。
14.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，每个所述子电堆的正极与所述直流母线的正极之间串联一个第一功率二极管，且每个所述子电堆的负极与所述直流母线的负极之间串联一个第二功率二极管。
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