CN111391669A - 一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路及其控制方法 - Google Patents

一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氢燃料电池控制技术领域，具体涉及一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路及其控制方法。包括VCU、FCU、BMS、PDU和MCU，BMS和FCU的输出端均与PDU的输入端连接，PDU的输出端与MCU的供电输入端连接，BMS和FCU的输出端前分别设有第一接触器和第二接触器，PDU的输入端和输出端之间设有第三接触器，第一接触器、第二接触器和第三接触器的控制信号输入端均与VCU的控制信号输出端连接。设置基于整车控制器和接触器控制的氢燃料汽车电机异常失控控制电路，电路结构简单。基于该电路的控制策略在能确保电驱动系统失控时保护车辆安全和人身安全前提下，尽可能减少对FCU，BMS和PDU造成的损伤。

Description

一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池控制技术领域，具体涉及一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路及其控制方法。
背景技术
随着全世界大力提倡发展氢能源战略，国内外掀起了一阵氢燃料电池汽车的浪潮，大量氢燃料电池汽车已经逐步开发面市。
目前氢燃料电池汽车开发所使用的电驱动系统多沿用纯电动汽车的电机系统，直接装到整车上调试，且控制策略为纯电动汽车的电机控制模式，不能完美适用于燃料电池汽车的电机控制、电机异常判定及相应的控制处理措施。燃料电池汽车系统复杂，通过电堆系统和电池为电机提供电力输入，控制更为复杂，电机工控更为恶劣，产品的稳定性和安全性无法保证，给车辆的安全性带来很大的不确定性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路及其控制方法，其电路结构简单，基于该电路结构的控制策略简单高效，能有效的保障车辆安全性。
对本发明一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路，其技术方案为：
包括整车控制器VCU、氢燃料电池系统FCU、动力电池系统BMS、高压配电系统PDU和驱动电机控制器MCU，所述动力电池系统BMS和氢燃料电池系统FCU的输出端均与高压配电系统PDU的输入端连接，所述高压配电系统PDU的输出端与驱动电机控制器MCU的供电输入端连接，其特征在于，所述动力电池系统BMS和氢燃料电池系统FCU的输出端前分别设有第一接触器和第二接触器，所述高压配电系统PDU的输入端和输出端之间设有第三接触器，所述第一接触器、第二接触器和第三接触器的控制信号输入端均与整车控制器VCU的控制信号输出端连接。
较为优选的，所述整车控制器VCU、氢燃料电池系统FCU、动力电池系统BMS、高压配电系统PDU和驱动电机控制器MCU之间通过CAN通讯进行数据交互。
对本发明一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其技术方案为：整车高压状态下，判断是否进入电机失控处理模式；
若进入电机失控处理模式，则整车控制器VCU发送氢燃料电池系统FCU输出功率为0，并发送关闭氢燃料电池系统FCU指令；
控制第一接触器、第二接触器和第三接触器断开。
较为优选的，所述关闭氢燃料电池系统FCU指令发出后，首先延时t1时长关闭第三接触器，然后延时t2时长同时关闭第一接触器和第二接触器。
较为优选的，所述t1＝t2＝100ms。
较为优选的，所述判断是否进入电机失控处理模式的方法如下：
在VCU扭矩控制模式下，判断VCU发送目标扭矩是否为0；
若VCU发送目标扭矩为0，则依次判断电机转速的绝对值是否连续多帧均为递增状态、电机转速的变化率dv是否超过第一变化率阈值，当电机转速的绝对值连续多帧均为递增状态，且机转速的变化率dv超过第一变化率阈值，则判定进入电机失控处理模式；
若VCU发送目标扭矩不为0，则判断目标扭矩方向与电机转向是否相反；
若目标扭矩方向与电机转向相反，则依次判断电机转速的绝对值是否连续多帧均为递增状态、电机转速的变化率dv是否超过第二变化率阈值，当电机转速的绝对值连续多帧均为递增状态，且机转速的变化率dv超过第二变化率阈值，则判定进入电机失控处理模式；
若目标扭矩方向与电机转向相同，则判断电机输出扭矩的绝对值与目标扭矩的绝对值差值是否持续t3秒大于设定差值，若是，则判定进入电机失控处理模式。
较为优选的，所述第一变化率阈值为1000rpm/s，第二变化率阈值为200rpm/s。
较为优选的，所述t3秒为1秒，所述设定差值为3N.m。
本发明的有益效果为：
1、该系统基于整车控制器和接触器控制的氢燃料汽车电机异常失控控制电路之间独立控制，结构简单，可靠性高。各系统之间通过多继电器控制，有利于提高高压系统的安全性和可靠性。
2、该系统高压电相互独立，可以通过控制各个接触器的通断直接控制驱动电机的供电，在电驱动系统处于失控状态时，能及时且有效的进行相应控制，确保电驱动系统失控时保护车辆安全和人身安全。且控制简单，方便实现各高压系统独立运行，增加系统的节能性。同时，各系统之间结构简单，控制独立，使得维修及拆装方便。
3、利用扭矩、转速等数据信息进行复合判断，识别出车辆的状态，判断电驱动系统是否处于失控状态，该判断方式简单、高效、准确率高。
4、在失控断电控制时，充分考虑到控制系统和接触器的响应时间，减少能量集聚，保护氢燃料电池系统FCU，动力电池系统BMS和高压配电系统PDU等用电设备。
附图说明
图1为本发明一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路示意图；
图2为本发明一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路的数据交互示意图；
图3为本发明一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法流程示意图；
图4为本发明失控判断流程示意图。
图中：1-动力电池系统BMS，2-氢燃料电池系统FCU，3-整车控制器VCU，4-高压配电系统PDU，5-驱动电机控制器MCU，6-驱动电机，7、8、9-控制信号输出引脚。
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1所示，一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路包括整车控制器VCU 3、氢燃料电池系统FCU 2、动力电池系统BMS 1、高压配电系统PDU4和驱动电机控制器MCU 5。动力电池系统BMS 1和氢燃料电池系统FCU2的输出端均与高压配电系统PDU 4的输入端连接，高压配电系统PDU 4的输出端与驱动电机控制器MCU 5的供电输入端连接，所述驱动电机控制器MCU 5的输出端与驱动电机6连接。动力电池系统BMS 1和氢燃料电池系统FCU 2的输出端前分别设有第一接触器和第二接触器，高压配电系统PDU 4的输入端和输出端之间设有第三接触器，第一接触器、第二接触器和第三接触器的控制信号输入端均与整车控制器VCU 3的控制信号输出端连接。具体的，第一接触器的控制信号输入端与整车控制器VCU 3的控制信号输出引脚7连接，第二接触器的控制信号输入端与整车控制器VCU3的控制信号输出引脚8连接，第三接触器的控制信号输入端与整车控制器VCU 3的控制信号输出引脚9连接。
当VCU检测到电驱动系统处于失控状态时，VCU控制燃料电池系统输出功率为0，同时VCU控制PDU内接触器的控制引脚为高电平，断开PDU内接触器，然后同步控制FCU和BMS内接触器的控制引脚为高电平，断开FCU和BMS内接触器，确保电驱动系统失控时，切断驱动电机控制器MCU的高压供电电源，停止驱动电机Motor对外输出转矩，保护车辆安全和人身安全。
接触器工作原理：
当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，使得动铁芯被吸合，进而带动触头系统的动触片发生动作，主触点闭合，辅助常闭触点断开，辅助常开触点闭合，接通电源。
当线圈断电时，静铁芯的电磁吸力消失，弹簧的反作用力使得动铁芯与静铁芯分离，触头系统的动触片动作，使得主触头断开，辅助常闭触点闭合，辅助常开触点断开，切断电源。
如图2所示，整车控制器VCU 3，氢燃料电池系统FCU 2，动力电池系统BMS 1，高压配电系统PDU 4和驱动电机控制器MCU 5均是通过CAN通讯进行相关的信息传递和控制，VCU通过CAN信息获取电机的转速和扭矩信息，并通过CAN通讯发送控制指令给氢燃料电池系统FCU 2，控制氢燃料电池系统FCU 2的开启和关闭，当检测到电机失控时，进行相关控制指令的发送，最终实现在电驱动系统失控时保护车辆安全和人身安全。
如图3所示，一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制流程如下：
步骤1，整车处于高压状态下，判断是否进入电机失控处理模式；
步骤2，若是没有进入电机失控处理模式，则跳转至步骤1，重新开始判断；
步骤3，若是进入电机失控处理模式，则VCU发送氢燃料电池系统FCU输出功率为0，并发送关闭氢燃料电池系统FCU指令；
步骤4，计时100ms，当计时达到100ms时，VCU控制PDU高压配电系统接触器断开；计时100ms原因：留给氢燃料电池系统FCU响应VCU关闭指令的时间；
步骤5，计时100ms，当计时达到100ms时，VCU控制动力电池系统BMS接触器断开，同时VCU控制氢燃料电池系统FCU接触器断开，完成电机失控模式控制。计时100ms原因，由于接触器关断需要一定的时间，50ms内，故而计时100ms，待PDU高压配电系统接触器断开后，在进行下一步接触器关断。
如图4所示，判断是否进入电机失控处理模式的流程如下：
步骤101，在VCU扭矩控制模式下，判断VCU发送目标扭矩是否为0；
步骤102，若VCU发送目标扭矩为0，则判断电机转速的绝对值是否连续三帧均为递增状态；
步骤103，若电机转速的绝对值连续三帧不为递增状态，则跳转至步骤101，重新开始判断；
步骤104，若电机转速的绝对值连续三帧为递增状态，则进一步判断是否电机转速的变化率dv>1000rpm/s，若不是，则跳转至转至步骤101，重新开始判断；
步骤105，若电机转速的变化率dv>1000rpm/s，则判定此时为电机失控状态，进入电机失控处理模式；
步骤106，若VCU发送目标扭矩不为0，则判断目标扭矩方向与电机转向是否相反；
步骤107，若目标扭矩方向与电机转向相反，则判断连续三帧电机的转速Vm的绝对值是否递增，若不是则跳转至步骤106，重新开始判断；
步骤108，若连续三帧电机的转速Vm的绝对值为递增，则判断是否电机转速的变化率dv>200rpm/s，若不是则跳转至步骤106，重新开始判断；
步骤109，若电机转速的变化率dv>200rpm/s，则判定此时为电机失控状态，进入电机失控处理模式；
步骤110，若目标扭矩方向与电机转向不是相反，则判断是否持续1S电机输出扭矩的绝对值-目标扭矩的绝对值>3N.m，若不是则跳转至步骤101，重新开始判断；
步骤111，若持续1S电机输出扭矩的绝对值-目标扭矩的绝对值>3N.m，则判定此时为电机失控状态，进入电机失控处理模式。
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 (8)

1.一种氢燃料汽车电机异常失控控制电路，包括整车控制器VCU、氢燃料电池系统FCU、动力电池系统BMS、高压配电系统PDU和驱动电机控制器MCU，所述动力电池系统BMS和氢燃料电池系统FCU的输出端均与高压配电系统PDU的输入端连接，所述高压配电系统PDU的输出端与驱动电机控制器MCU的供电输入端连接，其特征在于，所述动力电池系统BMS和氢燃料电池系统FCU的输出端前分别设有第一接触器和第二接触器，所述高压配电系统PDU的输入端和输出端之间设有第三接触器，所述第一接触器、第二接触器和第三接触器的控制信号输入端均与整车控制器VCU的控制信号输出端连接。
2.如权利要求1所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于，所述整车控制器VCU、氢燃料电池系统FCU、动力电池系统BMS、高压配电系统PDU和驱动电机控制器MCU之间通过CAN通讯进行数据交互。
3.一种如权利要求1所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于：
整车高压状态下，判断是否进入电机失控处理模式；
若进入电机失控处理模式，则整车控制器VCU发送氢燃料电池系统FCU输出功率为0，并发送关闭氢燃料电池系统FCU指令；
控制第一接触器、第二接触器和第三接触器断开。
4.如权利要求3所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于：所述关闭氢燃料电池系统FCU指令发出后，首先延时t1时长关闭第三接触器，然后延时t2时长同时关闭第一接触器和第二接触器。
5.如权利要求4所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于：所述t1＝t2＝100ms。
6.如权利要求3所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于，所述判断是否进入电机失控处理模式的方法如下：
在VCU扭矩控制模式下，判断VCU发送目标扭矩是否为0；
若VCU发送目标扭矩为0，则依次判断电机转速的绝对值是否连续多帧均为递增状态、电机转速的变化率dv是否超过第一变化率阈值，当电机转速的绝对值连续多帧均为递增状态，且机转速的变化率dv超过第一变化率阈值，则判定进入电机失控处理模式；
若VCU发送目标扭矩不为0，则判断目标扭矩方向与电机转向是否相反；
若目标扭矩方向与电机转向相反，则依次判断电机转速的绝对值是否连续多帧均为递增状态、电机转速的变化率dv是否超过第二变化率阈值，当电机转速的绝对值连续多帧均为递增状态，且机转速的变化率dv超过第二变化率阈值，则判定进入电机失控处理模式；
若目标扭矩方向与电机转向相同，则判断电机输出扭矩的绝对值与目标扭矩的绝对值差值是否持续t3秒大于设定差值，若是，则判定进入电机失控处理模式。
7.如权利要求6所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于，所述第一变化率阈值为1000rpm/s，第二变化率阈值为200rpm/s。
8.如权利要求6所述的氢燃料汽车电机异常失控控制电路的控制方法，其特征在于，所述t3秒为1秒，所述设定差值为3N.m。
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