CN111703336A - 一种燃料电池车的下电控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池车的下电控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池车技术领域，具体涉及一种燃料电池车的下电控制系统及其控制方法。包括VCU、FCU、PDU模块、动力电池、电堆电源模块、降压DC/DC模块、高压负载、低压负载、整车低压蓄电瓶、延时继电器，整车低压蓄电瓶的电源输出端通过延时继电器与FCU、BMS的唤醒信号输入端连接，VCU的延时下电信号输出端与延时继电器的控制端连接，动力电池的电源输出端与降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过高压负载继电器与高压负载的电源输入端连接，降压DC/DC模块的电源输出端与低压负载的电源输入端连接，VCU的控制信号输出端与升压DC/DC继电器、高压负载继电器、主负继电器的控制端连接。负载电源可由整车动力电池提供，有效防止低压蓄电瓶亏电。

Description

一种燃料电池车的下电控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池车技术领域，具体涉及一种燃料电池车的下电控制系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池电动汽车中，燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经过燃烧直接转化为电能，即通过电化学反应将化学能转化为电能，实际上就是电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。
由于燃料电池的反应不经过热机过程，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；它的排放主要是水非常清洁，不产生任何有害物质。因此，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪的洁净、高效的发电技术之一。
目前，氢燃料电池车燃料电系统有独立的高压PDU、降压DC/DC和单独的低压蓄电瓶，降压DC/DC是独立于整车纯电系统的降压设备，用于将高压电源的高压转低压，并给氢燃料电池系统中的低压蓄电瓶和低压负载供电。
由于现有氢燃料电池车辆的高压电源由整车的动力电池提供，整车钥匙下电后，除燃料电池系统设备继续工作外，其他设备均已关机，燃料电池系统的高、低压设备的电源由电堆剩余氢氧反应产生的剩余电能和低压蓄电瓶提供。剩余电能在不断减少，对于负载的需求提出了更高的控制要求，增加了控制难度，当剩余电能小于燃料电池系统负载需求时，容易造成低压蓄电瓶过放电导致的亏电，也会延长燃料电池系统的关机时间。
此外，氢燃料电池系统独立的高压箱、降压DC/DC、低压蓄电瓶以及相关的高压电缆和低压线束，占用了更多的整车空间，增加了整车的整备质量，减少了载货质量，增加的电气连接点和电气附件(高压接触器、保险)，导致故障点和故障风险增加，还增加了后期的维护费用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种燃料电池车的下电控制系统及其控制方法，其能降低负载控制难度，有效防止低压蓄电瓶亏电，且能节约车内空间。
本发明一种燃料电池车的下电控制系统，其技术方案为：
包括VCU、FCU、PDU模块、动力电池、电堆电源模块、降压DC/DC模块、高压负载、低压负载和整车低压蓄电瓶，所述电堆电源模块包括燃料电堆和升压DC/DC模块，所述动力电池内集成有BMS，还包括延时继电器，所述整车低压蓄电瓶的电源输出端与VCU和低压负载的电源输入端连接，以及通过延时继电器与FCU、BMS的唤醒信号输入端连接，所述VCU的延时下电信号输出端与延时继电器的控制端连接，所述PDU模块内设有升压DC/DC继电器和高压负载继电器，所述电堆电源模块的电源输出端与高压负载、降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过升压DC/DC继电器与动力电池的电源输入端连接，所述动力电池的电源输出端与降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过高压负载继电器与高压负载的电源输入端连接，所述降压DC/DC模块的电源输出端与低压负载的电源输入端连接，所述VCU的第一控制信号输出端与升压DC/DC继电器的控制端连接，第二控制信号输出端与高压负载继电器的控制端连接，所述FCU的控制信号输出端与低压负载的控制信号输入端连接。
较为优选的，所述高压负载包括燃料电池系统的空压机和水泵，所述高压负载继电器包括空压机继电器和水泵继电器，所述VCU的第二控制信号输出端包括空压机继电器控制信号输出端和水泵继电器控制信号输出端，所述空压机继电器控制信号输出端与空压机继电器的控制端连接，所述水泵继电器控制信号输出端与水泵继电器的控制端连接；
所述低压负载包括氢气回流泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵，所述FCU通过三个控制信号输出端分别控制氢气回流泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵的启停。
较为优选的，还包括主负继电器和熔断器，所述动力电池与电堆电源模块、高压负载和降压DC/DC模块之间均设有熔断器；
所述主负继电器一端与高压负载的负极连接，另一端与动力电池的负极连接，所述主负继电器的控制端与VCU的第三控制信号输出端或BMS的控制信号输出端连接。
较为优选的，所述升压DC/DC继电器上还并联有预充保护电路，所述预充保护电路包括预充电阻和预充继电器，所述预充继电器的控制端与VCU的预充继电器控制信号输出端连接。
本发明一种燃料电池车的下电控制方法，其技术方案为：包括
接收下电指令；
判断是否收到下高压电请求，以及是否满足下高压电条件，如均满足，则VCU持续输出延时下电信号；
依次关闭空压机、氢气回流泵和氢气瓶阀门；
同时关闭电堆冷却风扇、水泵和系统附件水泵；
同时关闭升压DC/DC模块和降压DC/DC模块；
断开主负继电器，VCU停止输出延时下电信号，BMS、FCU和VCU进入休眠。
较为优选的，所述关闭空压机前，需执行以下操作：
VCU向FCU发送关机指令；
FCU接收到关机指令后，控制燃料电池系统降载运行至停机；
进行阴极吹扫，所述阴极吹扫结束后关闭空压机；
所述关闭空压机的过程依次包括控制空压机停机、FCU向VCU反馈空压机停机状态信号、VCU接收到所述空压机停机状态信号后，控制空压机继电器关断。
较为优选的，所述关闭氢气回流泵和氢气瓶阀门包括
进行阳极吹扫，并在结束后控制氢气回流泵停机；
FCU向VCU反馈氢气回流泵停机状态信号；
VCU接收到所述空压机停机状态信号后，控制氢气瓶口阀和进气阀关闭。
较为优选的，所述同时关闭电堆冷却风扇、水泵和系统附件水泵包括
FCU检测燃料电堆和燃料电池系统附件的温度，当温度降低至设定阈值时，FCU控制水泵和和系统附件水泵降速直至停机；
FCU控制电堆冷却风扇降速直至停机；
FCU向VCU发送电堆冷却风扇停机状态信号；
FCU向VCU发送水泵停机状态信号，VCU控制水泵继电器断开；
FCU控制系统附件水泵降速直至停机；
在燃料电池系统完全停机后，FCU向VCU发送燃料电池系统停机状态信号。
较为优选的，所述关闭升压DC/DC模块包括
FCU向VCU反馈燃料电池系统停机状态信号，并向VCU发送升压DC/DC模块关机请求；
VCU控制升压DC/DC模块关机；
FCU检测到升压DC/DC模块输出端电流为0A时，向VCU反馈升压DC/DC模块关机状态信号；
VCU控制升压DC/DC继电器断开。
较为优选的，当车辆的燃料电池模式关闭时，车辆按照纯电动车下电流程进行下电。
本发明的有益效果为：
1、利用动力电池为燃料电池系统的高、低压负载提供稳定充足的电源，燃料电池系统关机过程的剩余电能不受燃料电池系统附件(空压机、氢泵、水泵、风扇)需求的影响，只需要控制升压DC/DC的输入输出电源参数，既能保证了燃料电池系统稳定的降载直至关机。
2、对燃料电池系统和整车系统的高、低压设备进行整合，负载电源可由整车动力电池提供，实现了燃料电池装置以及整车高、低压装置协同运行并关闭，避免了氢燃料电池电堆停止输出后，氢燃料电池系统低压附件(水泵、风扇)继续运行，对低压蓄电瓶造成过放亏电。
3、将整车和燃料电池系统的高低压设备进行整合，通过动力电池供电，并通过PDU集中控制，可以使整车和燃料电池系统共用低压蓄电瓶和降压DC/DC模块，减少了重复的配置，节约了成本，减少了安装控件，降低了整车重量。
4、利用VCU通过延时下电信号实现各个高、低压设备的下电延时控制，保证所有负载下电过程的精确控制。
5、在PDU内集成预充保护电路，使该系统能够适配自带预充保护和不带预充保护功能的升压DC/DC模块，极大的提高了系统的适配性。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池车的下电控制系统的控制原理示意图；
图2为本发明一种燃料电池车的下电控制系统的电路连接示意图；
图3为本发明一种燃料电池车的下电控制方法的流程示意图。
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1和2所示，一种燃料电池车的下电控制系统包括VCU、FCU、PDU模块、动力电池、电堆电源模块、降压DC/DC模块、高压负载、低压负载和整车低压蓄电瓶，所述电堆电源模块包括燃料电堆和升压DC/DC模块，所述动力电池内集成有BMS，还包括延时继电器、主负继电器和熔断器，所述整车低压蓄电瓶的电源输出端与VCU和低压负载的电源输入端连接，以及通过延时继电器与FCU、BMS的唤醒信号输入端连接，所述VCU的延时下电信号输出端与延时继电器的控制端连接，所述PDU模块内设有升压DC/DC继电器和高压负载继电器，所述电堆电源模块的电源输出端与高压负载、降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过升压DC/DC继电器与动力电池的电源输入端连接，所述动力电池的电源输出端与降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过高压负载继电器与高压负载的电源输入端连接，所述降压DC/DC模块的电源输出端与低压负载的电源输入端连接，所述VCU的第一控制信号输出端与升压DC/DC继电器的控制端连接，第二控制信号输出端与高压负载继电器的控制端连接，所述FCU的控制信号输出端与低压负载的控制信号输入端连接。
动力电池与电堆电源模块、高压负载和降压DC/DC模块之间均设有熔断器；主负继电器一端与高压负载的负极连接，另一端与动力电池的负极连接，所述主负继电器的控制端与VCU的第三控制信号输出端或BMS的控制信号输出端连接。
本实施例中，高压负载包括燃料电池系统的空压机和水泵，所述高压负载继电器包括空压机继电器和水泵继电器，所述VCU的第二控制信号输出端包括空压机继电器控制信号输出端和水泵继电器控制信号输出端，所述空压机继电器控制信号输出端与空压机继电器的控制端连接，所述水泵继电器控制信号输出端与水泵继电器的控制端连接；
低压负载包括氢气回流泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵，所述FCU通过三个控制信号输出端分别控制氢气回流泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵的启停。
较为优选的，所述升压DC/DC继电器上还并联有预充保护电路，所述预充保护电路包括预充电阻和预充继电器，所述预充继电器的控制端与VCU的预充继电器控制信号输出端连接。
该系统的工作原理如下：
下电过程中燃料电池系统产生的电能经过升压DC/DC输出给锂电池(即动力电池)。燃料电池系统产生的电能和锂电池的高压电能共同输出给PDU，由BMS和VCU控制，输出给空压机控制器、水泵、降压DC/DC等设备。降压DC/DC的输入电能由VCU和FCU控制，输出给氢气回流泵、电堆冷却风扇、系统附件水泵。FCU通过VCU控制瓶口阀和进气阀的开闭控制氢气源。VCU为所有控制器提供延时下电信号电源，VCU与FCU通过CAN通讯指令或延时下电信号电源，控制FCU、BMS、降压DC/DC、升压DC/DC、电堆冷却风扇、电堆水泵、系统附件水泵等设备关机，最终完成整车下电。
如图3所示，本系统基于以上工作原理，实现下电控制的方法如下：
步骤1，接收下电指令。
步骤2，判断燃料电池模式开关是否开启，如开启，则执行步骤3，如关闭，则按照纯电动车下电流程完成下电。纯电动车下电流程即VCU输出的延时下电信号跟随钥匙ON档开关信号状态停止输出，燃料电池系统所有设备均处于关机状态。
步骤3，判断是否收到下高压电请求，以及是否满足下高压电条件，如均满足，则VCU持续输出延时下电信号。
其中，满足下高压电条件包括唤醒源丢失或整车有需要下高压的故障或有插枪信号。
唤醒源丢失包括钥匙ON档唤醒信号失电和/或燃料电池模式开关信号丢失。需要下高压的故障包括VCU、FCU、BMS、PDU、升压DC/DC等发送的故障列表中定义的需要下高压的故障。
步骤4，关闭空压机。其具体过程如下：
VCU向FCU发送关机指令；
FCU接收到关机指令后，控制燃料电池系统降载运行至停机；
进行阴极吹扫，阴极吹扫结束后控制空压机停机；
FCU向VCU反馈空压机停机状态信号，VCU接收到空压机停机状态信号后，控制PDU中的空压机继电器关断。
步骤5，关闭氢气回流泵。燃料电池系统开始阳极吹扫，结束后氢气回流泵停机，FCU将回流泵停机状态反馈给VCU。
步骤6，关闭燃料进料端。VCU控制氢气瓶口阀关闭、进气阀关闭。
步骤7，同时关闭水泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵，其具体过程如下：
FCU检测燃料电堆和燃料电池系统附件的温度，当温度降低至设定阈值时，FCU控制水泵和和系统附件水泵降速直至停机；
FCU控制电堆冷却风扇降速直至停机；
FCU向VCU发送电堆冷却风扇停机状态信号；
FCU向VCU发送水泵停机状态信号，VCU控制水泵继电器断开；
FCU控制系统附件水泵降速直至停机；
在燃料电池系统完全停机后，FCU向VCU发送燃料电池系统停机状态信号。
步骤8，同时关闭升压DC/DC模块和降压DC/DC模块，其具体过程包括：
FCU向VCU发送升压DC/DC模块关机请求；
VCU控制升压DC/DC模块关机；
FCU检测到PDU中的升压DC/DC预充继电器处于断开状态，且升压DC/DC模块输出端电流为0A时，向VCU反馈升压DC/DC模块关机状态信号；
VCU控制升压DC/DC继电器断开，并在燃料电池系统所有电器附件都处于停机状态、整车低压电压值正常的情况下，控制降压DC/DC停机。
步骤9，断开主负继电器，VCU停止输出延时下电信号，BMS、FCU和VCU进入休眠。其具体过程如下：
所有高压设备停机断电后，VCU或者BMS控制高压主负接触器断开，最后VCU延时下电信号电源停止输出并开始休眠，延时继电器常开触点断开，FCU、BMS等控制器开始休眠并关机，至此整车正常下电完成。
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)

1.一种燃料电池车的下电控制系统，包括VCU、FCU、PDU模块、动力电池、电堆电源模块、降压DC/DC模块、高压负载、低压负载和整车低压蓄电瓶，所述电堆电源模块包括燃料电堆和升压DC/DC模块，所述动力电池内集成有BMS，其特征在于：还包括延时继电器，所述整车低压蓄电瓶的电源输出端与VCU和低压负载的电源输入端连接，以及通过延时继电器与FCU、BMS的唤醒信号输入端连接，所述VCU的延时下电信号输出端与延时继电器的控制端连接，所述PDU模块内设有升压DC/DC继电器和高压负载继电器，所述电堆电源模块的电源输出端与高压负载、降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过升压DC/DC继电器与动力电池的电源输入端连接，所述动力电池的电源输出端与降压DC/DC模块的电源输入端连接，以及通过高压负载继电器与高压负载的电源输入端连接，所述降压DC/DC模块的电源输出端与低压负载的电源输入端连接，所述VCU的第一控制信号输出端与升压DC/DC继电器的控制端连接，第二控制信号输出端与高压负载继电器的控制端连接，所述FCU的控制信号输出端与低压负载的控制信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车的下电控制系统，其特征在于：所述高压负载包括燃料电池系统的空压机和水泵，所述高压负载继电器包括空压机继电器和水泵继电器，所述VCU的第二控制信号输出端包括空压机继电器控制信号输出端和水泵继电器控制信号输出端，所述空压机继电器控制信号输出端与空压机继电器的控制端连接，所述水泵继电器控制信号输出端与水泵继电器的控制端连接；
所述低压负载包括氢气回流泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵，所述FCU通过三个控制信号输出端分别控制氢气回流泵、电堆冷却风扇和系统附件水泵的启停。
3.根据权利要求1所述的燃料电池车的下电控制系统，其特征在于：还包括主负继电器和熔断器，所述动力电池与电堆电源模块、高压负载和降压DC/DC模块之间均设有熔断器；
所述主负继电器一端与高压负载的负极连接，另一端与动力电池的负极连接，所述主负继电器的控制端与VCU的第三控制信号输出端或BMS的控制信号输出端连接。
4.根据权利要求1所述的燃料电池车的下电控制系统，其特征在于：所述升压DC/DC继电器上还并联有预充保护电路，所述预充保护电路包括预充电阻和预充继电器，所述预充继电器的控制端与VCU的预充继电器控制信号输出端连接。
5.一种燃料电池车的下电控制方法，用于对如权利要求1所述的燃料电池车的下电控制系统进行下电控制，其特征在于：包括
接收下电指令；
判断是否收到下高压电请求，以及是否满足下高压电条件，如均满足，则VCU持续输出延时下电信号；
依次关闭空压机、氢气回流泵和氢气瓶阀门；
同时关闭电堆冷却风扇、水泵和系统附件水泵；
同时关闭升压DC/DC模块和降压DC/DC模块；
断开主负继电器，VCU停止输出延时下电信号，BMS、FCU和VCU进入休眠。
6.如权利要求5所述的燃料电池车的下电控制方法，其特征在于：所述关闭空压机前，需执行以下操作：
VCU向FCU发送关机指令；
FCU接收到关机指令后，控制燃料电池系统降载运行至停机；
进行阴极吹扫，所述阴极吹扫结束后关闭空压机；
所述关闭空压机的过程依次包括控制空压机停机、FCU向VCU反馈空压机停机状态信号、VCU接收到所述空压机停机状态信号后，控制空压机继电器关断。
7.如权利要求5所述的燃料电池车的下电控制方法，其特征在于：所述关闭氢气回流泵和氢气瓶阀门包括
进行阳极吹扫，并在结束后控制氢气回流泵停机；
FCU向VCU反馈氢气回流泵停机状态信号；
VCU接收到所述空压机停机状态信号后，控制氢气瓶口阀和进气阀关闭。
8.如权利要求5所述的燃料电池车的下电控制方法，其特征在于：所述同时关闭电堆冷却风扇、水泵和系统附件水泵包括
FCU检测燃料电堆和燃料电池系统附件的温度，当温度降低至设定阈值时，FCU控制水泵和和系统附件水泵降速直至停机；
FCU控制电堆冷却风扇降速直至停机；
FCU向VCU发送电堆冷却风扇停机状态信号；
FCU向VCU发送水泵停机状态信号，VCU控制水泵继电器断开；
FCU控制系统附件水泵降速直至停机；
在燃料电池系统完全停机后，FCU向VCU发送燃料电池系统停机状态信号。
9.如权利要求5所述的燃料电池车的下电控制方法，其特征在于：所述关闭升压DC/DC模块包括
FCU向VCU反馈燃料电池系统停机状态信号，并向VCU发送升压DC/DC模块关机请求；
VCU控制升压DC/DC模块关机；
FCU检测到升压DC/DC模块输出端电流为0A时，向VCU反馈升压DC/DC模块关机状态信号；
VCU控制升压DC/DC继电器断开。
10.如权利要求5所述的燃料电池车的下电控制方法，其特征在于：当车辆的燃料电池模式关闭时，车辆按照纯电动车下电流程进行下电。
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