CN112622704A - 燃料电池汽车、氢燃料电池系统的控制装置和设计方法 - Google Patents

燃料电池汽车、氢燃料电池系统的控制装置和设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池系统的控制装置设计方法，包括：获取氢燃料电池系统的控制装置的功能模块的种类和数量。其中，每个功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点。数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层。通过每个所述功能模块的数据节点和能量节点建立连接，以完成控制装置的设计。由于每个功能模块都是从能量节点和数据节点的角度进行设计，并依据能量节点和数据节点建立功能模块的连接，使得氢燃料电池系统的控制装置功能拓扑设计更简单、易于集成化和标准化管理。

Description

燃料电池汽车、氢燃料电池系统的控制装置和设计方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车、氢燃料电池系统的控制装置和设计方法。
背景技术
新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其它的能源汽车。包括纯电动汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车。氢燃料电池汽车是使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机运行的车辆。使用氢为能源的好处是跟空气中的氧气进行反应，仅产生水蒸气排出。氢燃料电池汽车是汽车产业技术变革的重要方向，已成为国际研究热点。氢燃料电池在汽车及物流车领域的应用越来越广，涉及控制的核心部件比较多，比如驱动车轮运行的主电机、电机驱动器、DC/DC、高压配电盒以及绝缘检测仪等。氢燃料电池系统电路比较复杂，电路集成度方式方案较多，整车匹配接口较多，结构庞大，系列联调协同性差。目前关于氢燃料电池系统及关联部件的设计和控制方案比较多，有一部分的发明专注于氢燃料电池本身设计和控制，涉及燃料电池的结构设计及功率输出控制，一部分只专注于功率总线的配电连接和使用方法，另一部分结合车辆控制器进行的整车能量及控制管理方法。特别是在氢燃料电池系统中设计添加新的功率器件或配件时都需要对整个氢燃料电池系统中的硬件连接接口、控制信号传输、功率监测信号和功率输入输出匹配等进行重新设计，每多增加一个配件就多增加一套与该配件适配的控制监测信号传输线路，不但增加氢燃料电池系统的设计难度，也增加了氢燃料电池系统的复杂程度。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是如何设计氢燃料电池系统的控制装置。
根据第一方面，一种实施例中提供一种氢燃料电池系统的控制装置，包括至少一个功能模块，每个所述功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点；所述数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层；
所述数据节点的基础物理层包括底层硬件和底层软件；所述数据节点的基础物理层用于对所述控制装置进行监测，以获取监测数据；和/或，所述数据节点的基础物理层还用于所述控制装置的控制命令的传输及所述监测数据的传输和存储；所述数据节点的控制服务层包括通讯协议和/或数据处理，所述数据节点的平台层用于对获取的所述控制装置的数据建立查询和控制平台，以对所述氢燃料电池系统进行数据监控；
所述能量节点的基础物理层包括能量传输通道，所述能量节点的控制服务层用于功率管开关控制和/或电机控制，所述能量节点的平台层用于对所述控制装置的能量相关的监控数据和/或氢燃料电池充氢规划建立远程监控平台。
一实施例中，所述功能模块包括电堆、升压DC/DC变换器、配电单元模块、空压机电机控制器、电驱系统、动力电池、电堆交流阻抗信号采集装置和/或电堆功率输出功率监测装置。
一实施例中，每个所述数据节点的通讯协议相同；
和/或，每个所述数据节点共用一个数据传输通道。
一实施例中，所述数据节点采用CAN总线。
一实施例中，所述数据节点和能量节点的基础物理层都还用于担负所述功能模块的动作执行、通道和/或载荷选择执行；
和/或，数据节点和能量节点的平台层都包括互联互通接口，用于与不同操作系统的控制装置监控系统进行数据交互。
根据第二方面，一种实施例中提供一种燃料电池汽车，包括如第一方面所述的控制装置。
根据第三方面，一种实施例中提供一种氢燃料电池系统的控制装置设计方法，包括：
获取至少一个所述氢燃料电池系统的控制装置的功能模块；每个所述功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点；所述数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层；
所述数据节点的基础物理层包括底层硬件和底层软件，所述数据节点的基础物理层用于对所述控制装置进行监测，以获取监测数据；和/或，所述数据节点的基础物理层还用于所述控制装置的控制命令的传输及所述监测数据的传输和存储；所述数据节点的控制服务层包括通讯协议和/或数据处理，所述数据节点的平台层用于对获取的所述控制装置的数据建立查询和控制平台，以对所述氢燃料电池系统进行数据监控；
所述能量节点的基础物理层包括能量传输通道，所述能量节点的控制服务层用于功率管开关控制和/或电机控制，所述能量节点的平台层用于对所述控制装置的能量相关的监控数据和/或氢燃料电池充氢规划建立远程监控平台；
通过每个所述功能模块的数据节点和能量节点建立连接。
一实施例中，每个所述数据节点采用相同的传输协议；
和/或，每个所述数据节点共用数据传输通道。
一实施例中，所述数据节点采用CAN总线。
一实施例中，所述功能模块包括电堆、升压DC/DC变换器、配电单元模块、空压机电机控制器、电驱系统、动力电池、电堆交流阻抗信号采集装置和/或电堆功率输出功率监测装置。
依据上述实施例的控制装置设计方法，包括：获取氢燃料电池系统的控制装置的功能模块的种类和数量。其中，每个功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点。数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层。通过每个所述功能模块的数据节点和能量节点建立连接，以完成控制装置的设计。由于每个功能模块都是从能量节点和数据节点的角度进行设计，并依据能量节点和数据节点建立功能模块的连接，使得氢燃料电池系统的控制装置功能拓扑设计更简单、易于集成化和标准化管理。
附图说明
图1为一种实施例中氢燃料电池系统的控制装置结构示意图；
图2为另一种实施例中氢燃料电池系统的控制装置设计方法流程示意图；
图3为一种实施例中氢燃料电池系统的控制装置结构示意图；
图4为另一种实施例中氢燃料电池系统的设计规划图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
从上个世纪80年代汽车控制器出现开始，汽车的电子控制系统一直在高速发展，面临的挑战也越来越多。汽车行业里有众多的整车厂（OEM）和供应商。一般来说，每一家OEM会生产不止一种车型，每一家OEM对不同子系统和零部件会选择不止一个供应商，每个供应商也会向不止一家OEM供货。减少开发成本最有效的办法就是，尽可能让产品可重复利用，用数量来分摊开发成本。OEM希望可以让同一套系统和部件用在不同的车型上；同一辆车上来自不同供应商的的各个系统和部件可以相互兼容；而供应商希望开发出来的部件和算法可以通过简单的软件调整就供给不同的OEM。另一方面，各个供应商的开发进度往往是不同步的。人们希望可以在供应商开发的过程中就可以测试该部件能否与整车上的其它系统正确配合。因此需要一种统一的、标准化的系统描述方法。尤其，在燃料电池汽车设计领域，都是将产品细化分别研发，再最后组装。然而每个细化后的部件在组装时都会因适配和兼容性的问题无法完成组装，而需重新设计研发。打个简单的比方。整车和零部件就好比是电脑和外设的关系，它们之间通过标准的USB接口来连接。无论是什么样得到鼠标，它们都互相可以即插即用。电脑厂家可以专注做自己的电脑，而无需考虑会外接什么样的鼠标键盘；相应的，外设厂可以专注做自己的鼠标键盘，而无需考虑会用在什么样的电脑上。它们之间的接口和交换格式，已经由USB标准规定了。
在氢燃料电池系统的控制装置设计过程中也会遇到上面的问题，设计不规范、系统部件兼容控制差和通讯及服务控制等功能不易兼容等技术问题，当在氢燃料电池系统添加新的功能模块时，就需要重新布置数据传输路径、空间物理位置，数据传输协议和监控系统管理接口等，不但存在功能模块设计受限，还会对以设计完成的系统带来不可预估的影响，因此需要设定一种统一的接口模式，让与控制装置的连接的功能模块都适配统一的接口类型，只需适配对应接口类型的参数配置要求，就能在原有设计完成的系统中扩展功能。
在本申请实施例中，公开了一种氢燃料电池系统的控制装置设计方法，由于每个功能模块都是从能量节点和数据节点的角度进行设计，并依据能量节点和数据节点建立功能模块的连接，使得氢燃料电池系统的控制装置功能模块拓扑设计更简单、易于集成化和标准化管理。
实施例一：
请参考图1，为一种实施例中氢燃料电池系统的控制装置结构示意图，氢燃料电池系统的控制装置包括控制流和功率流两条拓扑线，控制流主要用于控制命令信息和监测数据信息的传输，功率流用于监控能量转换的路径控制。控制装置1包括至少一个功能模块，每个功能模块包括至少一个数据节点10和/或至少一个能量节点11。数据节点10和能量节点11都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层。数据节点10的基础物理层包括底层硬件和底层软件，用于对控制装置1进行监测，以获取监测数据，和/或，还用于控制装置1的控制命令的传输及监测数据的传输和存储。数据节点10的控制服务层包括通讯协议和/或数据处理，数据节点10的平台层用于对获取的控制装置1的数据建立查询和控制平台，以对氢燃料电池系统进行数据监控。一实施例中，每个数据节点10的通讯协议相同。一实施例中，每个数据节点10共用一个数据传输通道。一实施例中，数据节点采用CAN总线。能量节点11的基础物理层包括能量传输通道，能量节点11的控制服务层用于对氢燃料电池系统的功率管开关控制和/或电机控制，能量节点11的平台层用于对控制装置的能量相关的监控数据和/或氢燃料电池充氢规划建立远程监控平台。一实施例中，氢燃料电池系统的功能模块包括电堆、升压DC/DC变换器、配电单元模块、空压机电机控制器、电驱系统、动力电池、电堆交流阻抗信号采集装置和/或电堆功率输出功率监测装置。一实施例中，数据节点10和能量节点11的基础物理层都还用于担负功能模块的动作执行、通道和/或载荷选择执行。一实施例中，数据节点10和能量节点11的平台层都包括互联互通接口，用于与不同操作系统的控制装置监控系统进行数据交互。
请参考图2，为另一种实施例中氢燃料电池系统的控制装置设计方法流程示意图，包括：
步骤100，获取功能模块。
获取至少一个氢燃料电池系统的控制装置的功能模块，每个功能模块实现控制装置的至少一项控制功能。控制功能包括监测数据的获取、能量转换、开关功能实现和控制命令的执行等。
步骤200，获取数据节点和能量节点。
每个功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点。数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层。数据节点的基础物理层包括底层硬件和底层软件，数据节点的基础物理层用于对控制装置进行监测，以获取监测数据。一实施例中，数据节点的基础物理层还用于控制装置的控制命令的传输及监测数据的传输和存储。数据节点的控制服务层包括通讯协议和/或数据处理，数据节点的平台层用于对获取的控制装置的数据建立查询和控制平台，以对氢燃料电池系统进行数据监控。能量节点的基础物理层包括能量传输通道，能量节点的控制服务层用于功率管开关控制和电机控制。能量节点的平台层用于对控制装置的能量相关的监控数据和氢燃料电池充氢规划建立远程监控平台。一实施例中，每个数据节点采用相同的传输协议。一实施例中，每个数据节点共用数据传输通道。一实施例中，数据节点采用CAN总线。一实施例中，功能模块包括电堆、升压DC/DC变换器、配电单元模块、空压机电机控制器、电驱系统、动力电池、电堆交流阻抗信号采集装置和/或电堆功率输出功率监测装置。
数据节点和能量节点分别是氢燃料电池系统中具有突出的数据流或功率流特征的功能模块。一实施例中，一个功能模块可以包括多个能量节点和或多个数据节点。一实施例中，一个数据节点或能量节点也可以由多个功能模块。
数据节点和能量节点的设计都需要进行三层设计，分别是基础物理层、控制服务层和平台层。具体的，基础物理层设计包括功能模块的电气硬件设计、结构设计、散热设计、防护设计、底层驱动、配电等设计。控制服务层设计包括部件的控制算法、控制逻辑、数据采集、CAN通讯等设计。平台层设计包括互联网通讯、监控、调度、数据存储、服务等设计。
步骤300，连接功能模块。
通过每个功能模块的数据节点和能量节点建立连接。分别连接数据节点和能量节点，实现控制装置的每个功能模块的连接，以构成控制装置。
请参考图3，为一种实施例中氢燃料电池系统的控制装置结构示意图，氢燃料电池系统的功能模块包括电堆2、电驱系统3、动力电池4、电堆交流阻抗检测装置14、升压DC/DC变换器12、空压机电机控制器15、配电单元模块13、电堆交流阻抗信号采集装置21和电堆功率输出功率监测装置22。氢燃料电池系统的每一个功能模块都是通过功能模块的数据节点和能量节点连接，每个数据节点采用相同的传输协议。一实施例中，数据节点采用CAN总线连接。氢燃料电池系统的控制装置1、电堆2、电驱系统3和动力电池4通过CAN总线与燃料电池汽车的整车控制装置5连接。
一实施例中，氢燃料电池系统的控制装置通过数据流和功率流实现控制拓扑，依据数据流和功率流进行设计氢燃料电池系统的各个功能模块，数据流和功率流的实现就是逐个实现每一个数据节点及能量节点的设计。比如某一功能模块，即有数据节点又有能量节点。有的功能模块只包括数据节点，有的功能模块只包括能量节点。比如电堆交流阻抗信号采集装置21只包括数据节点，升压DC/DC变换器12即包括数据节点又包括能量节点。例如，在升压DC/DC变换器12的设计过程中，即包括数据流也包括功率流，数据流考虑用于控制的电压、电流信号，用于保护的温度等信号，还要用于上报的状态等信号，在数据节点的基础物理层需要考虑这些信号的产生方案，数据节点的控制服务层需要考虑这些信号的控制逻辑等。平台层设计需要考虑数据的上报类型等。功率流就是实现氢燃料能量输出到锂电池能量输入充电的能量变换。能量节点的基础物理层设计需要考虑功率拓扑、器件选型等，能量节点的控制服务层设计需要考虑功率流的变换方法、电压和电流运行曲线等。能量节点的平台层设计需要考虑转换的能量总量等。其它部件比如电堆交流阻抗信号采集装置21、空压机电机控制器15、配电单元模块13等部件作为其它能量节点和数据节点依据三层设计方法进行设计，完成所有能量节点和数据节点的数据流、功率流设计，最终形成氢燃料电池系统的控制装置。其中，配电单元模块13为多路双向并联电路，用于连接燃料电池汽车的其它输出负载。
请参考图4，为另一种实施例中氢燃料电池系统的设计规划图，氢燃料电池系统的设计具体涉及软件模块化设计61、硬件模块化设计62、结构模块化设计63、模块服用设计平台64、集控设计平台65、总线设计66和配电柔性控制策略67。其中，在模块服用设计平台64和集控设计平台65对氢燃料电池系统的控制装置1进行设计优化时，针对多种氢燃料电池系统控制器需求只需在数据流、功率流上进行对应设计就能满足不同的需求。对每个能量节点和数据节点在设计中均需要考虑三层设计方法，详细的硬、软件设计过程中具备每一层的设计考虑，比如在CAN通信设计中，需要考虑CAN通讯的基本运行参数，比如速度、电压等。同时考虑CAN通讯的数据节点和实现的通信协议，针对不同的数据节点实现不同的数据通信要求，根据控制装置拓扑需求设计氢燃料电池系统的控制装置易实现集成度高、易于控制集成和网联互通。
在本申请实施例中，氢燃料电池系统的控制装置设计方法，包括：获取氢燃料电池系统的控制装置的功能模块的种类和数量。其中，每个功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点。数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层。通过每个所述功能模块的数据节点和能量节点建立连接，以完成控制装置的设计。由于每个功能模块都是从能量节点和数据节点的角度进行设计，并依据能量节点和数据节点建立功能模块的连接，使得氢燃料电池系统的控制装置功能拓扑设计更简单、易于集成化和标准化管理。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池系统的控制装置，其特征在于，包括至少一个功能模块，每个所述功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点；所述数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层；
所述数据节点的基础物理层包括底层硬件和底层软件，用于对所述控制装置进行监测，以获取监测数据，和/或，还用于所述控制装置的控制命令的传输及所述监测数据的传输和存储；所述数据节点的控制服务层包括通讯协议和/或数据处理，所述数据节点的平台层用于对获取的所述控制装置的数据建立查询和控制平台，以对所述氢燃料电池系统进行数据监控；
所述能量节点的基础物理层包括能量传输通道，所述能量节点的控制服务层用于功率管开关控制和/或电机控制，所述能量节点的平台层用于对所述控制装置的能量相关的监控数据和/或氢燃料电池充氢规划建立远程监控平台。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述功能模块包括电堆、升压DC/DC变换器、配电单元模块、空压机电机控制器、电驱系统、动力电池、电堆交流阻抗信号采集装置和/或电堆功率输出功率监测装置。
3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，每个所述数据节点的通讯协议相同；
和/或，每个所述数据节点共用一个数据传输通道。
4.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述数据节点采用CAN总线。
5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述数据节点和能量节点的基础物理层都还用于担负所述功能模块的动作执行、通道和/或载荷选择执行；
和/或，数据节点和能量节点的平台层都包括互联互通接口，用于与不同操作系统的控制装置监控系统进行数据交互。
6.一种燃料电池汽车，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的控制装置。
7.一种氢燃料电池系统的控制装置设计方法，其特征在于，包括：
获取至少一个所述氢燃料电池系统的控制装置的功能模块；每个所述功能模块包括至少一个数据节点和/或至少一个能量节点；所述数据节点和能量节点都包括基础物理层、控制服务层和/或平台层；
所述数据节点的基础物理层包括底层硬件和底层软件；所述数据节点的基础物理层用于对所述控制装置进行监测，以获取监测数据；和/或，所述数据节点的基础物理层还用于所述控制装置的控制命令的传输及所述监测数据的传输和存储；所述数据节点的控制服务层包括通讯协议和/或数据处理，所述数据节点的平台层用于对获取的所述控制装置的数据建立查询和控制平台，以对所述氢燃料电池系统进行数据监控；
所述能量节点的基础物理层包括能量传输通道，所述能量节点的控制服务层用于功率管开关控制和/或电机控制，所述能量节点的平台层用于对所述控制装置的能量相关的监控数据和/或氢燃料电池充氢规划建立远程监控平台；
通过每个所述功能模块的数据节点和能量节点建立连接。
8.如权利要求7所述的控制装置设计方法，其特征在于，每个所述数据节点采用相同的传输协议；
和/或，每个所述数据节点共用数据传输通道。
9.如权利要求8所述的控制装置设计方法，其特征在于，所述数据节点采用CAN总线。
10.如权利要求7所述的控制装置设计方法，其特征在于，所述功能模块包括电堆、升压DC/DC变换器、配电单元模块、空压机电机控制器、电驱系统、动力电池、电堆交流阻抗信号采集装置和/或电堆功率输出功率监测装置。
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