CN111605494B - 燃料电池集成式多合一动力系统控制装置及系统 - Google Patents

Abstract

发明公开一种燃料电池集成式多合一动力系统控制装置及系统，它包括第一壳体，第一壳体内设有控制板，功率板；控制板上设有CPU，控制板上设有存储单元；第一壳体内设有还设有数据采集模块，数据采集模块包括动力系统控制装置的内部数据采集模块，外部数据采集模块；功率板上设有由CPU控制的各功率模块；第一壳体内设有还设有升压转换模块。本发明装置采用一个处理器(CPU)运行多个控制器的控制逻辑和/或算法；数据传输结构清晰，有利于提高数据传输效率以及数据处理效率；装置中将高压部分以及低压部分分开设置，其中控制板上只有低压部分，有利于控制板的器件优化布置，保证安全，避免高压对控制板上的器件的干扰。

Description

燃料电池集成式多合一动力系统控制装置及系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术，具体涉及燃料电池系统控制器设置技术。

背景技术

目前氢燃料电池车型氢燃料电池控制器FCU，电机MCU控制器、燃料电堆、燃料电池高压水泵逆变器、燃料电池高压氢气循环泵逆变器、燃料电池空气增压器控制器以及燃料电池升压DCDC都是单独控制器，都有一个主控制芯片，在进行布置时，多采用分散式布置的方式，这种布置方式需要更大的布置空间，同时会导致高低压线束在整车上来回走，布置杂乱。不仅增加了燃料电池系统的重量和成本，同时降低了燃料电池系统的功率体积密度。由于体积较大燃料电池系统以及前驱电机同时集成到空间有限的乘用车中，如何提高燃料电池系统在整车中集成度以及可布置性是氢燃料电池汽车面临的巨大挑战之一。

CN109334430A乘用车燃料电池发动机集成动力系统，虽然是所谓的集成动力系统，其实质就是将个分布式设置的动力单元，包括燃料电池系统控制器FCU，动力电池管理器SCMS，镍氢电池管理器BMS等通过统一配电的低压配电箱，电源分配单元PDU实现集成的。各控制器依旧是分散式设置。

CN110525359A一种氢燃料汽车车用集成七合一系统，虽然其控制板上设有电堆空气压缩电机控制器，驱动电机控制器，空调压缩电机控制器，其实质是将各种控制器的硬件设在同一个控制板上，这样控制板的结构复杂，集成度不高。另外由于其高压部分的输入也在控制板上，高压和低压均设在控制板上，导致控制板上的器件布置困难，同时存在安全隐患。

CN110834569A一种氢燃料电池汽车用集成四合一系统，高压和低压均设在控制板上，导致控制板上的器件布置困难，同时存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全可靠，结构清晰的燃料电池集成式多合一动力系统控制装置及系统。

实现本发明的技术方案之一是：燃料电池集成式多合一动力系统控制装置，它包括第一壳体，第一壳体内设有控制板，功率板，

控制板上设有CPU，用于运行燃料电池系统内各控制器控制逻辑和/或算法，与数据采集模块交互，与各功率模块实现交互；与通信模块交互；

控制板上设有存储单元，用于存储信息与数据，与CPU交互；

第一壳体内设有还设有数据采集模块，数据采集模块包括动力系统控制装置的内部数据采集模块，用于获取动力系统控制装置的内部数据；外部数据采集模块，用于获取动力系统控制装置之外的数据；内部数据采集模块与CPU交互，外部数据采集模块与CPU交互；

第一壳体内设有还设有通信模块，通信模块包括燃料电池系统内部通信模块，用于与燃料电池系统内部部件的通信交互；燃料电池系统外部通信模块，用于与燃料电池系统外部的部件通信交互；

功率板上设有由CPU控制的各功率模块；用于CPU交互，输出控制信息；

第一壳体内设有还设有升压转换模块，用于与燃料电堆电连接，为各功率模块提供提供电源，特别是高压直流电源。

动力系统控制装置的内部数据，指的是动力系统控制装置内部包括但不限于各功率模块以及由各功率模块驱动的电机的数据，升压转换模块的数据，动力系统控制装置内部温度数据、电流、电压等；

动力系统控制装置之外的数据，指的是包括但不限于燃料电池供氢系统，燃料电池空气系统，燃料电池热管理系统的数据，如但不限于上述中的温度，压力、流量、电压，电流，阀门开度，电池阀的状态等。

本发明装置采用一个处理器(CPU)运行多个控制器的控制逻辑和/或算法，简化了硬件器件；将数据采集模块分为内部数据采集模块和外部数据采集模块，数据传输结构清晰，有利于提高数据传输效率以及数据处理效率；装置中将高压部分以及低压部分分开设置，其中控制板上只有低压部分，有利于控制板的器件优化布置，保证安全，避免高压对控制板上的器件的干扰。

本发明具有的优选技术方案是：所述内部数据采集模块和/或外部数据采集模块设在控制板。

本发明具有的优选技术方案是：燃料电池系统内部通信模块和/或燃料电池系统外部通信模块设在控制板。

将数据采集模块及通信模块集成在控制板上，可以减少装置内的连接部件。

本发明具有的优选技术方案是：升压转换模块设在功率板上。

功率板上不仅设置各功率模块，还集成升压转换模块，一方面可以减少装置内的连接部件，另一方面利于简化升压转换模块与各功率模块之间的线束设置。

本发明具有的优选技术方案是：升压转换模块与各功率模块之间电连接有光耦合隔离装置或变压器驱动电路。

本发明具有的优选技术方案是：升压转换模块的输入连接输入铜排。

本发明具有的优选技术方案是：输入铜排设置在第一壳体壁上。

升压转换模块的输入端采用铜排，实现布线清晰，提高布线及连接安全性。

本发明具有的优选技术方案是：各控制器控制逻辑和/或算法包括燃料电池系统控制器FCU控制逻辑和/或算法，升压DCDC控制控制逻辑和/或算法，燃料电池空气增压器控制器控制逻辑和/或算法，氢气循环泵控制器控制逻辑和/或算法，电堆高压水泵控制器控制逻辑和/或算法，燃料电池PTC加热控制器控制逻辑和/或算法和整车驱动电机MCU控制器控制逻辑和/或算法中至少三种组合。

本发明具有的优选技术方案是：各功率模块包括燃料电池空气增压器控制功率模块，氢气循环泵控制功率模块，电堆高压水泵控制功率模块，燃料电池PTC加热控制功率模块和整车驱动电机MCU控制功率模块中至少三种组合。

上述可以实现三合一，四合一，五合一，六合一等多种安全性高，数据传输结构清晰，有利于提高数据传输效率以及数据处理效率的燃料电池集成式控制器。

实现本发明技术方案之二是：燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，它包括第二壳体，与第二壳体连接有第一壳体，第一壳体内设有上述述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置；第一壳体内的升压转换模块的输入线穿入第二壳体，第二壳体用于容置第二部件。

上述方案将多合一控制器与其他装置集成为一体，提高燃料电池系统在整车中集成度。

本发明具有的优选技术方案是：所述第二壳体内设燃料电池，燃料电池的输出与升压转换模块连接。

上述方案将多合一控制器与设燃料电池(电堆)集成在一起，有利于燃料电池高压输出线束的布置，缩短燃料电池高压输出线束与升压转换模块长度，有助于提高安全性。

本发明具有的优选技术方案是：第二壳体与第一壳体为一整体部件，所述整体部件包括壳体壁，壳体壁内设隔板，隔板将壳体分为第一腔室，第二腔室，隔板上开设有通孔。

将第二壳体与第一壳体集成为一个部件，可以减少两个壳体之间的连接部件，降低两个壳体之间的连接安装难度。

本发明具有的优选技术方案是：控制板设置在第第一壳体的内侧，功率板设置在第一壳体的外侧。

本发明具有的优选技术方案是：控制板固定在第二壳体与第一壳体相邻的壳体壁上，功率板设在第一壳体内，远离第二壳体与第一壳体相邻的壳体壁。

本发明具有的优选技术方案是：控制板设在第一腔室内，固定在隔板上，功率板设在第一腔室内，远离隔板。

由于本发明有至少两个壳体相邻设置或形成两个相邻的腔室，控制板设置在第第一壳体(第一腔室)的内侧，功率板设置在第一壳体(第一腔室)的外侧，功率板的输出端口在第一壳体(壳体壁)上的设置及布局。

本发明具有的优选技术方案是：隔板上设冷却装置。

本发明具有的优选技术方案是：功率板设在冷却装置上。

本发明具有的优选技术方案是：第一壳体内的升压转换模块的输入线为铜排。

本发明具有的优选技术方案是：铜排沿第一壳体壁和/或第二壳体壁设置。

本发明具有的优选技术方案是：功率板和/或控制板竖向设置。

上述的竖向指的是系统安装在车辆上后，功率板和/或控制板相对于车辆的水平方向是竖直的。这里的竖直不仅仅指的是功率板和/或控制板垂直与水平面，包括基于车辆的空间布置，功率板和/或控制板相对水平方向具有一定的倾斜夹角。

附图说明

图1燃料电池集成式多合一动力系统控制装置电路示意图。

图2燃料电池集成式多合一动力系统控制系统示意图。

具体实施方式

下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。

本发明的燃料电池集成式多合一动力系统控制装置，也可以称之为多合一动力系统控制器。

第一壳体形成可开闭的腔室，当然可以包括形成开放腔体的主体部分，以及与主体部分之间形成开闭的盖体部分，盖体与主体部分可以采用多种形式的结构实现开闭，诸如螺纹连接，铰接连接等。

第一壳体内设有控制板100，功率板200实质是电路板。

控制板100上设有一个处理器CPU芯片101，与处理器CPU芯片交互的存储单元102，存储单元102选择但不限于Flash存储芯片，用于存储信息与数据。

第一壳体内的数据采集模块，包括动力系统控制装置的内部数据采集模块103和外部数据采集模块104，可以分别采用两个采样芯片，分别与处理器CPU交互。

外部数据采集模块104，用于获取动力系统控制装置之外的数据；包括动力系统控制装置之外的数据，指的是包括但不限于燃料电池供氢系统300，燃料电池空气系统400，燃料电池热管理系统500的数据，如但不限于上述中的温度，压力、流量、电压，电流，阀门开度，电池阀的状态等模拟量数据，数字量数据的获取；对于外部数据采集模块而言，它可以包括一部分低压驱动部分，如电磁阀的驱动，H桥的驱动等。

内部数据采集模块103获取的数据包括但不限于各功率模块以及由各功率模块驱动的电机的数据，升压转换模块的数据，动力系统控制装置内部温度、电流、电压数据等。

在一个实施例中，内部数据采集模块103和外部数据采集模块104均设在控制板100上。

第一壳体内设有还设有通信模块，通信模块包括燃料电池系统内部通信模块106，用于与燃料电池系统内部部件的通信交互；与包括但不限于与燃料电池供氢系统300，燃料电池空气系统400，燃料电池热管理系统500，电堆等交互，

燃料电池系统外部通信模块107，用于与燃料电池系统外部的部件通信交互，包括但不限于与整车控制器VCU、动力电池BMS、整车PDU、12V降压DCDC等交互。

在一个实施例中燃料电池系统内部通信模块106与燃料电池系统外部通信模块107设在控制板上。

第一壳体内还设有供电模块105，用于低压供电，包括对CPU，存储单元，数据采集模块，通信模块以及功率板上的功率元器件等供电，在一个实施例中，供电模块105设在控制板上。

控制板100上的一个处理器CPU芯片101，用于运行燃料电池系统内各控制器控制逻辑和/或算法，

各控制器控制逻辑和/或算法包括燃料电池系统控制器FCU控制逻辑和/或算法，升压DCDC控制控制逻辑和/或算法，燃料电池空气增压器控制器控制逻辑和/或算法，氢气循环泵控制器控制逻辑和/或算法，电堆高压水泵控制器控制逻辑和/或算法，燃料电池PTC加热控制器控制逻辑和/或算法和整车驱动电机MCU控制器控制逻辑和/或算法中至少三种组合。

一个实施例中各控制器控制逻辑和/或算法包括燃料电池系统控制器FCU控制逻辑和/或算法，升压DCDC控制控制逻辑和/或算法，燃料电池空气增压器控制器控制逻辑和/或算法，氢气循环泵控制器控制逻辑和/或算法，电堆高压水泵控制器控制逻辑和/或算法，燃料电池PTC加热控制器控制逻辑和/或算法和整车驱动电机MCU控制器控制逻辑和/或算法，形成六合一控制器。

第一壳体内设有功率板200，功率板200上设有由CPU控制的各功率模块；各功率模块包括燃料电池空气增压器控制功率模块201，氢气循环泵控制功率模块202，电堆高压水泵控制功率模块203，燃料电池PTC加热控制功率模块204和整车驱动电机MCU控制功率模块205中至少三种组合。

上述功率板200的变化形式为，在第一壳体体内设置的多块电路板(PCB板)，每块电路板上设置至少一个功率模块。这样设置多个独立的电路板可以在壳体内灵活布置，适于不同的布置空间。

第一壳体内设有升压转换模块600，一个实施例中升压转换模块为升压DCDC模块。

升压转换模块600的高压输入端连接铜排601；铜排601的另一端用于与电堆的高压输出连接。铜排601设置在第一壳体壁上。

在一个实施例中，升压转换模块600设在功率板200上；升压转换模块600的输出分别通过光耦合隔离装置602与各功率模块之间电连接。光耦合隔离装置602可以是一个总的光耦合驱动电路输出分别与各功率模块连接，也可以多个光耦合驱动电路分别输出与各自功率模块连接。

升压转换模块600的输出分别通过变压器驱动装置603与PTC功率模块之间电连接

壳体内设有功率控制器对外功率输出接口220，外功率输出接口220与各自的功率模块对应。实施例中外功率输出接口220包括6个高压接插件接口，分别对应高压燃料电池空气增压器控制功率模块201，氢气循环泵控制功率模块202，电堆高压水泵控制功率模块203，燃料电池PTC加热控制功率模块204和整车驱动电机MCU控制功率模块205的输出以及整车负载输出

实施例中低压输出接口120为一个低压接插件，分别对应燃料电池供氢系统300，燃料电池空气系统400，燃料电池热管理系统500，以及CAN通讯接口。

如图2所示，第一壳700与第二壳体800连接，第一壳700与第二壳体800连接相互连接的壁体，第一壳体和第二壳体分别形成两个可开闭的腔室，形成两个可开闭开放腔体的各自的主体部分，以及与主体部分之间形成开闭的盖体部分，盖体与主体部分可以采用多种形式的结构实现开闭，诸如螺纹连接，铰接连接等。第二壳体用于容置第二部件。

一个优选的方案是：第一壳700与第二壳体800为一整体部件，所述整体部件包括具有围成开放的空腔的壳体壁，壳体壁内设隔板701，隔板将开放的空腔分为第一腔室702，第二腔室802，第一腔室702，第二腔室802分别各自的盖体连接形成封闭的空间。隔板701上开设有通孔703。

第二壳体(第二腔室802)内设燃料电池，

第一壳体(第一腔室702)内设有如图1所示的控制板100，功率板200及其上述结构

燃料电池的输出与升压转换模块连接，具体的铜排601穿过隔板701上的通孔703分别与燃料电池的输出端及升压转换模块的输入端连接。

上述的实施例是将电堆与多合一控制器集成，形成系统。

控制板100设置在第第一壳体的内侧，功率板200设置在第一壳体的外侧。一个实施例中控制板固定在第二壳体与第一壳体相邻的壳体壁上，功率板设在第一壳体内，远离第二壳体与第一壳体相邻的壳体壁。

另一个实施例中控制板100设在第一腔室内，固定在隔板701上，功率板200设在第一腔室内，远离隔板。

在一个实施例中，隔板上设冷却装置。冷却装置为水冷板状结构；隔板上设冷却装置的一个相同的技术方案是在第二壳体与第一壳体相邻的壁体上设冷却装置；这样可以同时对第二壳体与第一壳体或第一腔室和第二腔室进行冷却。

在如图2所示的实施例中，功率板200设在冷却装置900上。

在一个实施例中铜排601沿第一壳体壁和/或第二壳体壁设置，可以是铜排601是固定在第一壳体壁(第一腔室)内或外。

功率板和/或控制板竖向设置。

上述的竖向指的是系统安装在车辆上后，功率板和/或控制板相对于车辆的水平方向是竖直的。这里的竖直不仅仅指的是功率板和/或控制板垂直与水平面，包括基于车辆的空间布置，功率板和/或控制板相对水平方向具有一定的倾斜夹角。

在一个实施例中，第二壳体(第二腔室)内部电堆采用竖直结构的电堆，电堆竖直排放布置在一侧，功率板布置在另一侧，控制板布置在中间位置。

第一壳体外侧壁(第一腔室外侧壁)设有一个低压插件接口704和6个高压接插件接口705。一个低压接插件接口分别实现控制板上的燃料电池供氢系统300，燃料电池空气系统400，燃料电池热管理系统500以及通讯模块的交互接口，6个高压接插件接口分别为功率模块上的高压燃料电池空气增压器控制功率模块201，氢气循环泵控制功率模块202，电堆高压水泵控制功率模块203，燃料电池PTC加热控制功率模块204和整车驱动电机MCU控制功率模块205的输出以及整车负载输出。将多合一控制器对外功率模块上高压接插件均布置到腔体一靠近下边缘位置，目的在于，对于燃料电池系统空气增压器压缩机、水泵电机、氢泵电机、PTC以及整车驱动电机均布置在电堆和多合一功率控制器的下方，因此将多合一控制器对外功率模块上高压接插件布置在下边缘可以减短外部高压线束长度，节省装配空间。

(1)燃料电堆和多合一功率控制器外壳一体化成型，高压输出直接与功率板上DCDC升压SIC采用铜排连接，省去大功率高压线束布置，节省装配空间，减小系统的功率体积比。

(2)将电堆、功率板、控制器竖直摆放目的：既可以将功率板上连接的所有高压输出接插件尽量在外壳下边缘布置，使得内部铜排走向最短。接插件布置在下方原因是因为空气增压器电机、水泵电机、氢泵电机、驱动电机以及PTC等执行机构都在电堆和多合一功率板控制器下方，可以减短线束路径，节约装配空间同时减小高压EMC干扰。同时功率板布置在最外侧，可以便于开盖维护内部继电器和保险丝。

(3)各个模块相互关联，燃料电池控制器FCU和燃料电池系统零部件控制器集成一体后，可以由主CPU统一采集各个系统数据，同时统一发送控制指令减少了ECU数量以及ECU之间通讯时间，提高了实时性。避免传统方案中分散式控制器之间相互通讯延时或者通讯故障造成的风险，使得燃料电池系统中各部件响应速率提升，从而提高燃料电池功率输出响应速度。

(4)多合一功率控制器中集成驱动电机模块，燃料电池电能可以直接最快最短传递给驱动电机，提升了整车动力分配可靠性。

Claims (13)

1.一种燃料电池集成式多合一动力系统控制装置，它包括第一壳体，第一壳体内设有控制板，功率板，其特征是：

控制板上设有一个CPU，用于运行燃料电池系统内各控制器控制逻辑和/或算法，与数据采集模块交互，与各功率模块实现交互；与通信模块交互；各控制器控制逻辑和/或算法包括燃料电池系统控制器FCU控制逻辑和/或算法，燃料电池空气增压器控制器控制逻辑和/或算法，氢气循环泵控制器控制逻辑和/或算法，电堆高压水泵控制器控制逻辑和/或算法，燃料电池PTC加热控制器控制逻辑和/或算法和整车驱动电机MCU控制器控制逻辑和/或算法中至少三种组合；

控制板上设有存储单元，用于存储信息与数据，与CPU交互；

第一壳体内还设有数据采集模块，数据采集模块包括动力系统控制装置的内部数据采集模块，用于获取动力系统控制装置的内部数据；外部数据采集模块，用于获取动力系统控制装置之外的数据；内部数据采集模块与CPU交互，外部数据采集模块与CPU交互；

第一壳体内还设有通信模块，通信模块包括燃料电池系统内部通信模块，用于与燃料电池系统内部部件的通信交互；燃料电池系统外部通信模块，用于与燃料电池系统外部的部件通信交互；

功率板上设有由CPU控制的各功率模块；用于与CPU交互，输出控制信息；

第一壳体内还设有升压转换模块，用于与燃料电堆电连接，为各功率模块提供电源；

所述内部数据采集模块和外部数据采集模块设在控制板；

燃料电池系统内部通信模块和燃料电池系统外部通信模块设在控制板；升压转换模块设在功率板上；

升压转换模块的高压输入端连接铜排；铜排的另一端用于与电堆的高压输出连接。

2.如权利要求1所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置，其特征是：升压转换模块与各功率模块之间电连接有光耦合隔离装置或变压器驱动装置。

3.如权利要求1所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置，其特征是：输入铜排设置在第一壳体壁上。

4.如权利要求1所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置，其特征是：各功率模块包括燃料电池空气增压器控制功率模块，氢气循环泵控制功率模块，电堆高压水泵控制功率模块，燃料电池PTC加热控制功率模块和整车驱动电机MCU控制功率模块中至少三种组合。

5.一种燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是：它包括第二壳体，与第二壳体连接有第一壳体，第一壳体内设有权利要求1-3 任一一项所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置；第一壳体内的升压转换模块的输入线穿入第二壳体，所述第二壳体内设燃料电池，铜排分别与燃料电池的输出端及升压转换模块的输入端连接。

6.如权利要求5所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，第二壳体与第一壳体为一整体部件，所述整体部件包括壳体壁，壳体壁内设隔板，隔板将壳体分为第一腔室，第二腔室，隔板上开设有通孔。

7.如权利要求5或6所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，控制板设置在第一壳体的内侧，功率板设置在第一壳体的外侧。

8.如权利要求5所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，控制板固定在第二壳体与第一壳体相邻的壳体壁上，功率板设在第一壳体内，远离第二壳体与第一壳体相邻的壳体壁。

9.如权利要求6所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，控制板设在第一腔室内，固定在隔板上，功率板设在第一腔室内，远离隔板。

10.如权利要求6或9所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，隔板上设冷却装置。

11.如权利要求5或8或9所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，功率板设在冷却装置上。

12.如权利要求5所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，铜排沿第一壳体壁和/或第二壳体壁设置。

13.如权利要求5所述燃料电池集成式多合一动力系统控制装置系统，其特征是，功率板和/或控制板竖向设置。

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