CN111332124B - 基于两级保护的燃料电池系统泄放电路 - Google Patents

基于两级保护的燃料电池系统泄放电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于两级保护的燃料电池系统泄放电路。包括燃料电堆、燃料电池升压DCDC模块、整车高压配电盒PDU和泄放加热器，燃料电池升压DCDC模块包括DCDC升压电路、DCDC输入侧主继电器K2和DCDC输出侧主继电器K5，燃料电堆输出端通过K2与DCDC升压电路连接，DCDC升压电路通过K5与整车高压配电盒PDU输入端连接，燃料电池升压DCDC模块包括放电继电器K3和PTC供电继电器K7，燃料电堆的输出端通过K3与泄放加热器输入端连接，K5通过K7与泄放加热器输入端连接。取消了传统泄放电阻，直接利用负载PTC加热器，节约了升压DCDC空间和成本。同时能满足快速泄放要求，节省燃料电池系统紧急停机时间。

Description

基于两级保护的燃料电池系统泄放电路
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于两级保护的燃料电池系统泄放电路。
背景技术
随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池车型已经成为国内发展的主要趋势。目前氢燃料电池车国内外市场主要为“电-电混合”的模式为主，即燃料电池为主，动力电池为辅的混合模式。由于目前国内燃料电池技术发展刚起步，主要零部件还需依靠进口，因此成本昂贵。
目前国内主流燃料电池寿命为3000H左右，有的甚少更短，因此提高燃料电池使用寿命尤为重要，特别是对燃料电池堆的保护设计成为行业首先需要关注的问题，燃料电堆在整车下高压电断载，停机后，在电堆中存在残余氢气和空气未反应完全，会造成残余电量。如果这些残余电量不能泄放掉会对电堆中零部件造成损伤，尤其当燃料电池紧急关机时，由于突然切断整车负载造成燃料电池输出电压突变冲击，因此需要紧急泄放回路消除峰值电压，消耗残余电量进而对电堆进行保护。
如图1，传统的燃电系统泄放电路简单，采用的纯电阻进行泄放，泄放策略也相对简单，无法很好起到对电堆的保护作用。此外，其采用电阻串联继电器进行泄放，一般将燃料电堆输出电压降到60V以下，电阻采用500Ω/200W，放电效率低下，耗时长。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，它采用两级保护，不管在何种情况下都能将整车下电后燃料电堆多余电量释放掉，避免对电堆内元件产生损伤，影响其使用寿命。
本发明技术方案为：包括燃料电堆、燃料电池升压DCDC模块、整车高压配电盒PDU和泄放加热器，所述燃料电池升压DCDC模块包括DCDC升压电路、DCDC输入侧主继电器K2和DCDC输出侧主继电器K5，所述燃料电堆输出端通过DCDC输入侧主继电器K2与DCDC升压电路连接，所述DCDC升压电路通过DCDC输出侧主继电器K5与整车高压配电盒PDU输入端连接，所述燃料电池升压DCDC模块还包括放电继电器K3和PTC供电继电器K7，所述燃料电堆的输出端通过放电继电器K3与泄放加热器输入端连接，所述DCDC输出侧主继电器K5通过PTC供电继电器K7与泄放加热器输入端连接。
较为优选的，还包括共阴极二极管D1、D2，所述二极管D2连接在放电继电器K3与泄放加热器输入端之间，所述二极管D1连接在PTC供电继电器K7与泄放加热器输入端之间，所述二极管D2的阳极与放电继电器K3连接，所述二极管D1的阳极与PTC供电继电器K7连接。
较为优选的，还包括高压附件a、高压附件b和高压附件c，所述燃料电池升压DCDC模块包括继电器K6和熔断器F2、F3、F5，所述继电器K6与熔断器F5串联设置在DCDC输出侧主继电器K5与高压附件a供电端之间，所述熔断器F3设置在DCDC输出侧主继电器K5与高压附件b供电端之间，所述熔断器F2设置在DCDC输出侧主继电器K5与高压附件c供电端之间。
较为优选的，所述燃料电池升压DCDC模块包括DCDC输入侧预充继电器K1、DCDC输出侧预充继电器K4、DCDC输入侧预充电阻R1和DCDC输出侧预充电阻R4，所述DCDC输入侧预充继电器K1和DCDC输入侧预充电阻R1串联设置在燃料电堆输出端与DCDC升压电路输入端之间，所述DCDC输出侧预充继电器K4和DCDC输出侧预充电阻R4串联设置在DCDC升压电路输出端。
较为优选的，所述燃料电池升压DCDC模块包括电容C1和电容C2，所述电容C1连接在DCDC升压电路输入端的正负极之间，所述电容C2连接在DCDC升压电路输出端的正负极之间。
较为优选的，所述燃料电池升压DCDC模块包括DCDC输出侧放电电阻R3和熔断器F1，所述熔断器F1连接在DCDC升压电路输出端与DCDC输出侧预充继电器K4之间，所述DCDC输出侧放电电阻R3一端连接在DCDC输出侧预充继电器K4与熔断器F1之间，另一端与DCDC升压电路输出端负极连接。
较为优选的，所述泄放加热器包括正常工作状态和紧急泄放状态；
所述正常工作状态下，燃料电堆输出端、DCDC输入侧主继电器K2、DCDC升压电路、DCDC输出侧主继电器K5、PTC供电继电器K7、泄放加热器之间形成供电回路；
所述紧急泄放状态下，燃料电堆输出端、放电继电器K3、泄放加热器之间形成紧急泄放回路。
较为优选的，两级保护包括正常泄放保护和紧急泄放保护，其中，正常泄放保护方法为：
FCU下发泄放指令给燃料电池升压DCDC模块；
燃料电池升压DCDC模块执行降电流或降功率命令，并在电流或功率达到设定值后进入待机状态；
监测燃料电堆的输出电压，并在所述输出电压低于设定值时断开继电器K6和PTC供电继电器K7；
断开整车高压配电盒PDU的主正继电器K11和主负继电器K12。
较为优选的，下发泄放指令需要满足以下条件：
闭合DCDC输入侧主继电器K2、DCDC输出侧主继电器K5、继电器K6、PTC供电继电器K7、整车高压配电盒PDU的主正继电器K11和主负继电器K12。
较为优选的，两级保护包括正常泄放保护和紧急泄放保护，其中，紧急泄放保护方法为：
断开整车高压配电盒PDU的主正继电器K11和主负继电器K12，下发紧急下电指令；
先断开继电器K6和PTC供电继电器K7，再断开DCDC输入侧主继电器K2和DCDC输出侧主继电器K5；
闭合放电继电器K3，进入待机模式；
监测燃料电堆的输出电压，并在所述输出电压低于设定值时完成泄放。
本发明的有益效果为：
1、泄放功率可以依靠加热器PTC的功率来定(加热器PTC的功率远大于传统泄放电阻，其一般可以高达8KW)，能满足快速泄放要求，节省燃料电池系统紧急停机时间。当电压突变比较大时，直接采用燃料电池系统中PTC加热器中大功率电阻进行泄放，提高整个系统的使用寿命。
2、取消了传统泄放电阻，直接利用负载PTC加热器，节约了升压DCDC空间和成本。
3、采用D1、D2共阴二极管，D1防止由于突然断载后电堆产生的高电动势通过泄放回路对燃料电池升压DCDC模块输出端高压负载造成高压冲击，起到保护作用。D2避免当PTC加热器正常工作时整车电压变化对电堆造成干扰。
附图说明
图1为传统泄放电路示意图；
图2为本发明基于两级保护的燃料电池系统泄放电路示意图；
图3为本发明正常关机下的泄放流程示意图；
图4为本发明紧急关机下的泄放流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图2所示，本发明包括燃料电堆、燃料电池升压DCDC模块、整车高压配电盒PDU、泄放加热器、高压附件a、b、c(用电设备)、整车高压负载和电机控制器MCU。
燃料电池升压DCDC模块包括一个高压输入端口DC(这里不需要更改为DCDC)IN和五个高压输出端口DC OUT1～DC OUT5。其中，DC OUT1用于连接整车高压配电盒PDU，DCOUT2～DC OUT 4用于连接高压附件a、b、c，DC OUT5用于连接泄放加热器。
燃料电池升压DCDC模块内设有DCDC输入侧预充继电器K1、DCDC输入侧主继电器K2、放电继电器K3、DCDC输出侧预充继电器K4、DCDC输出侧主继电器K5、继电器K6、PTC供电继电器K7、DCDC输入侧预充电阻R1、DCDC输出侧放电电阻R3、DCDC输出侧预充电阻R4、共阴极二极管D1、D2、电容C1和电容C2、熔断器F1～F5。
其中，燃料电池升压DCDC模块包含三个部分，分别为DCDC升压电路、泄放模块和高压配电模块。
泄放模块包括放电继电器K3、PTC供电继电器K7和共阴极二极管D2，燃料电池升压DCDC模块内除DCDC升压电路和泄放模块之外的部件均属于高压配电模块。
各部件的功能如下表：
编号 零件代号 功能
1 K1 DCDC输入侧预充继电器
2 K2 DCDC输入侧主正继电器
3 K3 放电继电器
4 K4 DCDC输出侧预充继电器
5 K5 DCDC输出侧主正继电器
6 K6 继电器
7 K7 PTC供电继电器
8 F1 DCDC输出熔断器
9 F2 高压附件c熔断器
10 F3 高压附件b熔断器
11 F4 PTC供电端熔断器
12 F5 高压附件a熔断器
13 R1 DCDC输入侧预充电阻
14 R3 DCDC输出侧放电电阻
15 R4 DCDC输出侧预充电阻
16 C1、C2 DCDC内部电容
17 D1、D2 共阴极二极管
18 K11、K12 整车PDU主正，主负接触器
燃料电堆输出端口DC IN正极通过DCDC输入侧主继电器K2与DCDC升压电路输入端正极连接，DCDC输入侧预充继电器K1和DCDC输入侧预充电阻R1串联设置在DC IN与DCDC升压电路输入端正极之间，与DCDC输入侧主继电器K2并联。DC IN负极直接与DCDC升压电路输入端负极连接。电容C1连接在DCDC升压电路输入端的正负极之间。DCDC升压电路输出端正极通过DC输出侧主继电器K5与DC OUT1端口连接，DC OUT1端口与整车高压配电盒PDU输入端连接，同时并联动力电池包。整车高压配电盒PDU输出端连接整车高压负载和电机控制器MCU。
DC IN正极通过放电继电器K3与泄放加热器输入端DC OUT5连接，DCDC输出侧主继电器K5通过串联的PTC供电继电器K7、熔断器F4与DC OUT5连接。二极管D2连接在放电继电器K3与DC OUT5之间，二极管D1连接在PTC供电继电器K7与DC OUT5之间，二极管D2的阳极与放电继电器K3连接，二极管D1的阳极与PTC供电继电器K7连接。继电器K6与熔断器F5串联设置在DCDC输出侧主继电器K5与DC OUT2之间，熔断器F3设置在DCDC输出侧主继电器K5与DCOUT3之间，熔断器F2设置在DCDC输出侧主继电器K5与DC OUT4之间。DCDC输出侧预充继电器K4和DCDC输出侧预充电阻R4串联设置在DCDC升压电路输出端。电容C2连接在DCDC升压电路输出端的正负极之间。熔断器F1连接在DCDC升压电路输出端与DCDC输出侧预充继电器K4之间，DCDC输出侧放电电阻R3一端连接在DCDC输出侧预充继电器K4与熔断器F1之间，另一端与DCDC升压电路输出端负极连接。
放电继电器K3一共有四个引脚：控制端正、控制端负、输入端和输出端。燃料电堆正极输出直接与放电继电器K3输入端相连，K3输出端接到二极管D2输出端，D2输出端与DCOUT5端口相连，再连接到PTC 8KW加热器正极输入端。燃料电堆负极直接与PTC 8KW加热器负极输入端。
本方案中加热器泄放电路以及加热器正常工作时是独立分开的，互不干扰，其工作回路如下：
(1)加热器正常工作回路：燃料电堆输出正极-DCDC输入侧主继电器K2-DCDC升压电路-熔断器F1-DCDC输出侧主继电器K5-PTC供电继电器K7-熔断器F4-D1二极管-泄放加热器正极；
燃料电堆输出负极-DCDC升压电路-泄放加热器负极。
(2)加热器紧急泄放回路：燃料电堆输出正极-放电继电器K3-二极管D2-泄放加热器正极；
燃料电堆输出负极-泄放加热器负极。
对于燃料电池系统高压泄放方法设计，本设计采用两级保护策略，具体控制策略如下所示：
(1)燃料电池正常关机情况。如图3所示，VCU发送燃料电池正常关机指令后，燃料电池控制器FCU执行正常的关机过程，此时在电堆中会存在残余的氢气和空气进行反应，残余的电量主要由燃料电池升压DCDC模块内DCDC升压电路中的半导体元件完成放电，将电能转化为热能，再通过冷却水路排放掉。同时也可以通过整车用电设备进行消耗，也可以给整车动力电池进行充电，此情况下放电时间小于3s。此时紧急泄放电路不参与工作，放电继电器K3处于断开状态。
FCU给升压DCDC下发泄放指令，在泄放过程中燃料电池升压DCDC模块处于正常工作状态，其内部继电器K2、K5、K6和K7均处于闭合状态，其余继电器处于断开状态；整车PDU中主正继电器K11，主负继电器K12处于闭合状态。随后燃料电池升压DCDC模块执行降功、降载命令后进入待机状态，监控电堆输出电压低于36V后，泄放基本完成。FCU控制燃料电池升压DCDC模块进入待机状态，同时控制继电器K6和K7断开，最后再断开K2和K5，完成燃料电池系统下高压。同时VCU执行整车下高压指令，断开整车PDU中K11和K12接触器，完成整车高压下电操作。
(2)如图4所示，紧急情况下，比如严重碰撞导致漏电事件，基于安全因素考虑，VCU直接强制执行紧急下高压电流程，VCU会强行控制切断K11和K12接触器，让整车断载，同时VCU发动燃料电池系统紧急下电指令，DCDC执行紧急下电指令，首先断开K6和K7后，然后断开K2和K5，再闭合K3，进入待机模式。由于突然断开整车所有负载，电堆输出端会产生一个高达500V以上电压突变，需要通过泄放回路中10KW加热器电阻消除电压脉冲同时进行放电，燃料电池升压DCDC模块监控电堆输出电压，当电压低于36V以后，泄放完毕。燃料电池系统完成紧急下电操作。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，包括燃料电堆、燃料电池升压DCDC模块、整车高压配电盒PDU和泄放加热器，所述燃料电池升压DCDC模块包括DCDC升压电路、DCDC输入侧主继电器K2和DCDC输出侧主继电器K5，所述燃料电堆输出端通过DCDC输入侧主继电器K2与DCDC升压电路连接，所述DCDC升压电路通过DCDC输出侧主继电器K5与整车高压配电盒PDU输入端连接，其特征在于：所述燃料电池升压DCDC模块还包括放电继电器K3和PTC供电继电器K7，所述燃料电堆的输出端通过放电继电器K3与泄放加热器输入端连接，所述DCDC输出侧主继电器K5通过PTC供电继电器K7与泄放加热器输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：还包括共阴极二极管D1、D2，所述二极管D2连接在放电继电器K3与泄放加热器输入端之间，所述二极管D1连接在PTC供电继电器K7与泄放加热器输入端之间，所述二极管D2的阳极与放电继电器K3连接，所述二极管D1的阳极与PTC供电继电器K7连接。
3.根据权利要求1所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：还包括高压附件a、高压附件b和高压附件c，所述燃料电池升压DCDC模块包括继电器K6和熔断器F2、F3、F5，所述继电器K6与熔断器F5串联设置在DCDC输出侧主继电器K5与高压附件a供电端之间，所述熔断器F3设置在DCDC输出侧主继电器K5与高压附件b供电端之间，所述熔断器F2设置在DCDC输出侧主继电器K5与高压附件c供电端之间。
4.根据权利要求1所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：所述燃料电池升压DCDC模块包括DCDC输入侧预充继电器K1、DCDC输出侧预充继电器K4、DCDC输入侧预充电阻R1和DCDC输出侧预充电阻R4，所述DCDC输入侧预充继电器K1和DCDC输入侧预充电阻R1串联设置在燃料电堆输出端与DCDC升压电路输入端之间，所述DCDC输出侧预充继电器K4和DCDC输出侧预充电阻R4串联设置在DCDC升压电路输出端。
5.根据权利要求1所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：所述燃料电池升压DCDC模块包括电容C1和电容C2，所述电容C1连接在DCDC升压电路输入端的正负极之间，所述电容C2连接在DCDC升压电路输出端的正负极之间。
6.根据权利要求4所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：所述燃料电池升压DCDC模块包括DCDC输出侧放电电阻R3和熔断器F1，所述熔断器F1连接在DCDC升压电路输出端与DCDC输出侧预充继电器K4之间，所述DCDC输出侧放电电阻R3一端连接在DCDC输出侧预充继电器K4与熔断器F1之间，另一端与DCDC升压电路输出端负极连接。
7.根据权利要求2所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：所述泄放加热器包括正常工作状态和紧急泄放状态；
所述正常工作状态下，燃料电堆输出端、DCDC输入侧主继电器K2、DCDC升压电路、DCDC输出侧主继电器K5、PTC供电继电器K7、共阴极二极管D1、泄放加热器之间形成供电回路；
所述紧急泄放状态下，燃料电堆输出端、放电继电器K3、共阴极二极管D2、泄放加热器之间形成紧急泄放回路。
8.根据权利要求2所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：两级保护包括正常泄放保护和紧急泄放保护，其中，正常泄放保护方法为：
FCU下发泄放指令给燃料电池升压DCDC模块；
燃料电池升压DCDC模块执行降电流或降功率命令，并在电流或功率达到设定值后进入待机状态；
监测燃料电堆的输出电压，并在所述输出电压低于设定值时断开继电器K6和PTC供电继电器K7；
断开整车高压配电盒PDU的主正继电器K11和主负继电器K12。
9.根据权利要求8所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：所述下发泄放指令需要满足以下条件：
闭合DCDC输入侧主继电器K2、DCDC输出侧主继电器K5、继电器K6、PTC供电继电器K7、整车高压配电盒PDU的主正继电器K11和主负继电器K12。
10.根据权利要求2所述的基于两级保护的燃料电池系统泄放电路，其特征在于：两级保护包括正常泄放保护和紧急泄放保护，其中，紧急泄放保护方法为：
断开整车高压配电盒PDU的主正继电器K11和主负继电器K12，下发紧急下电指令；
先断开继电器K6和PTC供电继电器K7，再断开DCDC输入侧主继电器K2和DCDC输出侧主继电器K5；
闭合放电继电器K3，进入待机模式；
监测燃料电堆的输出电压，并在所述输出电压低于设定值时完成泄放。
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