CN111114325A - 一种燃料电池客车的上电控制保护系统 - Google Patents

一种燃料电池客车的上电控制保护系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池客车的上电控制保护系统，包括VCU、FCU、预充回路、高压接触器、氢气浓度传感器、显示屏和报警器，预充回路与VCU的模拟量输出端连接，预充回路设有两组回路，每组有两个支路并联，第一组中第一条支路包括燃料电池继电器，第一组中第二条支路包括预充电阻和与之串联的燃料电池预充继电器，第二组中第一条支路为主正继电器，第二组中第二条支路包括预充电阻和与之串联的电控预充继电器，其中预充电阻为两组预充回路共用。与现有技术相比，本发明通过上电保护确保燃料电池客车在氢气泄露时不可上高压电，从而提高驾驶安全性，同时纯电动系统可正常工作，提高了容错率及客户体验。

Description

一种燃料电池客车的上电控制保护系统
技术领域
本发明涉及燃料电池客车的控制技术领域，尤其是涉及一种燃料电池客车的上电控制保护系统。
背景技术
燃料电池客车已经成为新能源客车的热点，通过采用清洁、可再生的能源实现能源加载快、续驶里程高、无污染、低成本等优点。但目前燃料电池的发展还处于初级阶段，目前燃料电池系统与整车配合的容错率不高，极易出现在上高压电过程中燃气泄漏的情况，以及非危险故障发生后会导致车辆无法行驶。客车内的燃料电池系统与驱动系统为并联状态，且共设一个预充回路，实际为串联架构，当一个电池系统出现故障时，因串联架构，导致共用的预充回路无法正常工作。因此，如何保障上电安全以及在故障发生时纯电系统可直接驱动是急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池客车的上电控制保护系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池客车的上电控制保护系统，包括燃料电池系统、驱动系统、动力电池，该系统还包括预充回路和辅助驱动模块，所述的动力电池通过预充回路与燃料电池系统、驱动系统分别连接，所述的辅助驱动模块设于动力电池与车内电控设备之间，所述的预充回路与VCU的输出端连接，所述的预充回路包括燃料电池系统预充回路和驱动系统预充回路，所述的燃料电池系统预充回路包括并联连接的第一支路和第二支路，所述的第一支路包括燃料电池继电器，所述的第二支路包括预充电阻和与之串联的燃料电池预充继电器，所述的驱动系统预充回路包括并联连接的第三支路和第四支路，所述的第三支路包括主正继电器，所述的第四支路包括所述的预充电阻和与之串联的电控预充继电器；
VCU上电自检，若检测无故障，按下整车钥匙的start档后，电控预充继电器闭合进行驱动系统的预充，待检测到电机控制器的电压与动力电池的电压小于20V时，闭合主正继电器，然后断开电控预充继电器，该回路预充完成；驱动系统预充完成1s后，闭合燃料电池预充继电器，对燃料电池系统的回路进行预充，待检测到燃料电池端电压与动力电池端电压小于20V时闭合燃料电池继电器，再断开燃料电池预充继电器，该回路预充完成；
若检测出燃料电池系统发生非氢气泄漏故障，断开燃料电池继电器或上电时禁止燃料电池系统预充回路工作，驱动系统预充回路正常工作，驱动系统单独通过动力电池供电对燃料电池客车进行驱动。
优选地，所述的辅助驱动模块包括辅助电源继电器、分别与辅助电源继电器连接的箱内DCDC保险丝和箱内DCAC保险丝，箱内DCDC保险丝与DC/DC转换器连接，箱内DCAC保险丝通过DC/AC2转换器与车内油泵、气泵连接。
优选地，该系统还包括氢气浓度传感器，所述的氢气浓度传感器与VCU的模拟量输入端连接，若氢气浓度传感器检测出燃料电池系统发送氢气泄漏，VCU控制阻止整个高压系统上电。
优选地，所述的燃料电池继电器串联一个燃料电池保险丝，驱动系统预充回路通过电机控制器保险丝与驱动系统连接，通过空调保险丝连接车内的空调，通过第二辅助接触器、电除霜保险丝连接车内的电除霜设备。
优选地，所述的预充电阻的阻值为150Ω。
优选地，所述的主正继电器的载流量为300A，所述的燃料电池继电器的载流量为100A，所述的电控预充继电器的载流量为20A，所述的燃料电池预充继电器的载流量为20A，所述的辅助电源继电器的载流量为60A。
优选地，所述的燃料电池保险丝的额定电流为100A，所述的箱内DCDC保险丝的额定电流为32A，所述的箱内DCAC保险丝额定电流为60A。
优选地，该系统还包括FCU、用以实时显示系统状态的显示屏和用以提示驾驶员故障发生的报警器，显示屏和报警器分别设置在驾驶操作面板处，并分别通过CAN线与FCU连接。
优选地，所述的氢气浓度传感器采用24V氢气浓度传感器，其上电唤醒时间小于2s。
优选地，所述的报警器采用声光报警器，所述的显示屏采用以太阳能电池板为辅助电源的液晶显示屏。
现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明设有单独的燃料电池接触器和燃料电池预充接触器，二者形成并联预充架构，当一个电池系统出现故障时，在一个然里啊电池系统出现故障时，并联架构通过预充回路确保纯电动系统正常工作；
(2)本发明通过燃料电池系统控制器反馈与VCU的控制，在发生燃料电池系统发送故障无法工作时，VCU控制断开燃料电池系统的燃料电池继电器并且禁止该预充回路工作，同时保证驱动系统回路正常工作，使驱动系统可独立工作保障运营，确保故障不影响整车安全，提高了容错率及客户体验；
(3)本发明的预充回路设有一个共用预充电阻，结构简单，相对于现有技术的预充回路，节约了成本；
(4)本发明利用氢气浓度传感器及预充回路可确保燃料电池客车在氢气泄露时不可上高压电，从而提高驾驶的安全性；
(5)本发明采用高精度氢气浓度传感器对车内氢气泄漏进行检测，氢气浓度传感器唤醒快、无延迟反馈，安全可靠；
(6)本发明的保护系统还包括显示屏，显示屏设置在驾驶操作面板上，与燃料电池控制单元连接，可以实时获取燃料电池系统的状态，驾驶员可根据显示屏显示的状态进行规范操作；此外，采用太阳能电池板作为辅助电源的液晶显示屏节能且环保；
(7)保护系统还包括与燃料电池控制单元连接的报警器，采用声光报警器，在特殊状态下可及时提醒驾驶员执行紧急下电处理，进一步提高安全性。
附图说明
图1为本发明系统的连接结构示意图；
图2为本发明系统工作原理的电路示意图；
图中标号所示：
1、动力电池，2、燃料电池系统，3、VCU，4、FCU，5、预充回路，6、高压接触器，7、氢气浓度传感器，8、显示屏，9、报警器，10、驱动系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明涉及一种燃料电池客车的上电控制保护系统，用于避免车内的燃料电池系统发生故障时整车无法行驶挪动的问题以及在确保氢气泄露时整车高压部件和燃料电池系统均无法工作保障安全。如图1所示，该装置包括VCU(Vehicle control unit，车辆控制单元)3、FCU(Fuel-control unit，燃料电池控制单元)4、预充回路5、高压接触器6、氢气浓度传感器7、显示屏8和报警器9。
氢气浓度传感器7通过硬线与VCU3的模拟量输入端连接，用于检测车内氢气泄露，阻止燃料电池系统上高压电。氢气浓度传感器7设有氢浓度探头。氢气浓度传感器7为24V氢气浓度传感器，其上电唤醒时间在2s以内。
FCU4是与VCU3相互通信的燃料电池控制单元，FCU4具有CAN通信端口，其通过CAN线与VCU3连接。显示屏8通过CAN线与FCU4连接，用于显示实时系统状态。报警器9通过CAN线与FCU4连接，用于提示驾驶员有危险发生，需应急处理。显示屏8和报警器9设置在驾驶操作面板处。作为优选，显示屏8为采用太阳能电池板作为辅助电源的液晶显示屏；报警器9采用声光报警器。
VCU3具有模拟量输入、输入端、输出端和CAN通信端口。预充回路5和高压接触器6通过硬线与VCU3的输出端连接。如图2所示，高压接触器6为受VCU3控制的在燃料电池系统2或动力电池1预充完毕后分别控制闭合的两个高压接触器，即主正继电器KM1和燃料电池继电器KM6，且两个继电器设于预充回路中。预充回路设有两组预充回路，分别为连接动力电池1与燃料电池系统2的燃料电池系统预充回路，以及连接动力电池1与驱动系统10的驱动系统预充回路。每个预充回路设有并联的两个支路，燃料电池系统预充回路中第一条支路包括燃料电池继电器KM6，第二条支路包括预充电阻R1和与之串联的燃料电池预充继电器KM5，驱动系统预充回路中第一条支路为主正继电器KM1，第二条支路包括预充电阻R1和与之串联的电控预充继电器KM4，预充R1电阻为两组预充回路的共用电阻。
燃料电池继电器KM6串联一个燃料电池保险丝FU7。驱动系统预充回路通过电机控制器保险丝FU1连接驱动系统10，通过空调保险丝FU4连接车内的空调，通过第二辅助接触器KM2、电除霜保险丝FU2连接车内的电除霜设备。动力电池1通过辅助驱动模块与车内电控设备和动力电池连接。辅助驱动模块包括辅助电源继电器KM3、分别与辅助电源继电器KM3连接的箱内DCDC保险丝FU6和箱内DCAC保险丝FU5。箱内DCDC保险丝FU6与DC/DC转换器连接。箱内DCAC保险丝FU5通过DC/AC2转换器与车内油泵、气泵连接。
上述元件的属性如下：
(1)预充电阻R1：150Ω；
(2)保险丝额定电流：
电机控制器保险丝FU1：350A；
空调保险丝FU4、燃料电池保险丝FU7：100A；
电除霜保险丝FU2、箱内DCDC保险丝FU6：32A；
箱内DCAC保险丝FU5：60A。
(3)继电器载流量：
主正继电器KM1：300A；
燃料电池继电器KM6：100A；
辅助电源继电器KM3：60A；
电除霜继电器KM2、电控预充继电器KM4、燃料电池预充继电器KM5：20A。
(4)DC/DC转换器、DC/AC1转换器、DC/AC2转换器均自带预充回路。
本发明可对检测出的燃料电池系统出现的故障进行上电控制。
正常上电流程为：
VCU3上电自检，如检测无故障，则要求动力电池1内的电池端的接触器(未在图中画出)闭合，然后按顺序要求辅助电源接触器KM3(油泵、气泵、低压24V蓄电池)闭合。按下整车钥匙的start档后，首先闭合电控预充继电器KM4所在的回路进行预充，待检测到电机控制器的电压与蓄电池端电压小于20V时闭合主正继电器KM1，再断开电控预充继电器KM4，该回路预充完成。
在上述回路预充完成后1s闭合燃料电池预充继电器KM5，对燃料电池系统2的回路进行预充。同样检测到燃料电池端电压与蓄电池端电压小于20V时闭合燃料电池继电器KM6，再断开燃料电池预充继电器KM5，该回路预充完成。
当燃料电池系统出现非氢气泄漏故障且该故障导致燃料电池系统不可工作时时，本发明的优势为：
可断开燃料电池继电器KM6或在上电时不允许燃料电池系统预充回路工作，此时驱动系统10可单独预充，通过动力电池1供电进行驱动。
当氢气浓度传感器7的氢浓度探头检测出燃料电池系统2的氢气泄漏时，VCU3不允许整个燃料电池系统上电，以防止严重的事故发生。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池客车的上电控制保护系统，包括燃料电池系统(2)、驱动系统(10)、动力电池(1)，其特征在于，该系统还包括预充回路(5)和辅助驱动模块，所述的动力电池(1)通过预充回路(5)与燃料电池系统(2)、驱动系统(10)分别连接，所述的辅助驱动模块设于动力电池(1)与车内电控设备之间，所述的预充回路(5)与VCU(3)的输出端连接，所述的预充回路(5)包括燃料电池系统预充回路和驱动系统预充回路，所述的燃料电池系统预充回路包括并联连接的第一支路和第二支路，所述的第一支路包括燃料电池继电器(KM6)，所述的第二支路包括预充电阻(R1)和与之串联的燃料电池预充继电器(KM5)，所述的驱动系统预充回路包括并联连接的第三支路和第四支路，所述的第三支路包括主正继电器(KM1)，所述的第四支路包括所述的预充电阻(R1)和与之串联的电控预充继电器(KM4)；
VCU(3)上电自检，若检测无故障，按下整车钥匙的start档后，电控预充继电器(KM4)闭合进行驱动系统(10)的预充，待检测到电机控制器的电压与动力电池(1)的电压小于20V时，闭合主正继电器(KM1)，然后断开电控预充继电器(KM4)，该回路预充完成；驱动系统(10)预充完成1s后，闭合燃料电池预充继电器(KM5)，对燃料电池系统(2)的回路进行预充，待检测到燃料电池端电压与动力电池(1)端电压小于20V时闭合燃料电池继电器(KM6)，再断开燃料电池预充继电器(KM5)，该回路预充完成；
若检测出燃料电池系统(2)发生非氢气泄漏故障，断开燃料电池继电器(KM6)或上电时禁止燃料电池系统预充回路工作，驱动系统预充回路正常工作，驱动系统(10)单独通过动力电池(1)供电对燃料电池客车进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的辅助驱动模块包括辅助电源继电器(KM3)、分别与辅助电源继电器(KM3)连接的箱内DCDC保险丝(FU6)和箱内DCAC保险丝(FU5)，箱内DCDC保险丝(FU6)与DC/DC转换器连接，箱内DCAC保险丝(FU5)通过DC/AC2转换器与车内油泵、气泵连接。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，该系统还包括氢气浓度传感器(7)，所述的氢气浓度传感器(7)与VCU(3)的模拟量输入端连接，若氢气浓度传感器(7)检测出燃料电池系统(2)发送氢气泄漏，VCU(3)控制阻止整个高压系统上电。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的燃料电池继电器(KM6)串联一个燃料电池保险丝(FU7)，驱动系统预充回路通过电机控制器保险丝(FU1)与驱动系统(10)连接，通过空调保险丝(FU4)连接车内的空调，通过第二辅助接触器(KM2)、电除霜保险丝(FU2)连接车内的电除霜设备。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的预充电阻(R1)的阻值为150Ω。
6.根据权利要求2所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的主正继电器(KM1)的载流量为300A，所述的燃料电池继电器(KM6)的载流量为100A，所述的电控预充继电器(KM4)的载流量为20A，所述的燃料电池预充继电器(KM5)的载流量为20A，所述的辅助电源继电器(KM3)的载流量为60A。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的燃料电池保险丝(FU7)的额定电流为100A，所述的箱内DCDC保险丝(FU6)的额定电流为32A，所述的箱内DCAC保险丝(FU5)额定电流为60A。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，该系统还包括FCU(4)、用以实时显示系统状态的显示屏(8)和用以提示驾驶员故障发生的报警器(9)，显示屏(8)和报警器(9)分别设置在驾驶操作面板处，并分别通过CAN线与FCU(4)连接。
9.根据权利要求3所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的氢气浓度传感器(7)采用24V氢气浓度传感器，其上电唤醒时间小于2s。
10.根据权利要求8所述的一种燃料电池客车的上电控制保护系统，其特征在于，所述的报警器(9)采用声光报警器，所述的显示屏(8)采用以太阳能电池板为辅助电源的液晶显示屏。
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