CN112659980B - 一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法 - Google Patents

一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法，其中氢系统包括氢燃料电池及燃料电池控制器、储氢系统及储氢控制器和升压DC‑DC变换器；制定整车CAN通讯网络拓扑，分别编制燃料电池控制器、储氢控制器、升压DC‑DC变换器与整车控制器的通讯协议和电气接口；为整车控制器制定控制策略，整车控制器根据控制策略分别直接控制燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC‑DC变换器。本发明中的整车控制器直接对燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC‑DC变换器进行控制，提高了整车对各系统控制的灵活性和控制的动态响应时间；氢燃料电池由燃料电池控制器独立控制，避免整车控制器兼容燃料电池控制器功能而带来的功能复杂。

Description

一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是涉及一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法。
背景技术
新能源氢燃料电池汽车是新能源汽车的重要发展方向。新能源氢燃料电池汽车的氢系统主要包括氢燃料电池及燃料电池控制器(Fuel-Cell EngineControl Unit，FCU)、储氢系统及储氢控制器(Hydrogen control unit，HCU)、升压DC-DC变换器等系统和零部件。根据控制对象不同，现有的新能源氢燃料电池汽车有各种不同的氢系统控制方法，目前主要的控制方法有以下几种：
(1)控制方案一：储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器由氢燃料电池系统供应商集成，HCU和升压DC-DC变换器由FCU控制，具体参见图1。这种控制方案的优点是，HCU和升压DC-DC变换器由FCU控制，整车控制相对容易，整车控制器(Vehicle control unit，VCU)工作量小。这种控制方案的缺点是，储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器由氢燃料电池系统供应商集成，不利于主机厂自主选型储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器；VCU不能直接控制HCU和升压DC-DC变换器，必须经过FCU才能控制，影响HCU和升压DC-DC变换器控制的动态响应。
目前，大部分主机厂缺乏集成控制HCU和升压DC-DC变换器的能力，多选用此控制方案。
(2)控制方案二：升压DC-DC变换器由氢燃料电池系统供应商集成，FCU控制升压DC-DC变换器，具体参见图2。储氢系统及HCU作为独立系统，由主机厂集成和采购，HCU由VCU控制。这种控制方案的优点是，FCU控制升压DC-DC变换器，减少了VCU的工作量。储氢系统及HCU由主机厂选型配套，提高主机厂选型的灵活性。这种控制方案的缺点是，升压DC-DC变换器由FCU集成，不利于主机厂自主选型升压DC-DC变换器；VCU不能直接控制升压DC-DC变换器，影响控制的动态响应。为了氢燃料电池系统的安全，部分氢燃料电池系统供应商将FCU和升压DC-DC变换器集成在一起出售。
(3)控制方案三：VCU集成FCU功能，氢燃料电池内部各系统直接由VCU负责控制。升压DC-DC变换器和HCU作为独立系统，由VCU控制，具体参见图3。该方案的优点是整车集成度高，氢系统全部都由主机厂选择。这种控制方案的缺点是，氢燃料电池控制专业性强，控制难度大，主机厂必须有专业的燃料电池控制人员。目前国内极少数技术实力很强的主机厂采用这种方案。
综合以上内容可知，控制方案一和控制方案二存在的主要问题是，因为主机厂缺乏HCU和升压DC-DC变换器控制技术，储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器由氢燃料电池系统供应商集成，主机厂不能对储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器自主选型，同时VCU不能直接控制HCU和升压DC-DC变换器，影响HCU和升压DC-DC变换器控制的动态响应时间。控制方案三存在的问题是，氢燃料电池内部各系统控制难度很大，必须有专业的研发团队和设备，同时VCU集成FCU功能，增加了VCU的软硬件配置，造成VCU软硬件复杂，控制难度大。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中氢系统控制方案存在的问题，提供一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法，氢系统包括氢燃料电池及燃料电池控制器、储氢系统及储氢控制器和升压DC-DC变换器；
步骤一：制定整车CAN通讯网络拓扑，分别编制所述燃料电池控制器、所述储氢控制器、所述升压DC-DC变换器与整车控制器的通讯协议和电气接口；
步骤二：为所述整车控制器制定控制策略，所述整车控制器根据所述控制策略分别直接控制所述燃料电池控制器、所述储氢控制器和所述升压DC-DC变换器；所述控制策略包括以下步骤：
(1)上电自检步骤
所述升压DC-DC变换器、所述燃料电池控制器和所述储氢控制器上电后分别进行自检，并判断自检是否成功，若否，则向所述整车控制器发送上报自检故障码；
所述整车控制器接收驾驶员输入的整车需要启动燃料电池指令后，判断所述升压DC-DC变换器、所述燃料电池控制器和所述储氢控制器是否自检成功，若否，则所述整车控制器上报自检故障；
(2)若所述整车控制器判断所述升压DC-DC变换器、所述燃料电池控制器和所述储氢控制器均自检成功，则发送开氢气瓶阀指令至所述储氢控制器；
所述储氢控制器响应所述开氢气瓶阀指令，开启氢气瓶阀，并实时检测储氢系统是否故障，若发生故障，则发送储氢控制器故障码至所述整车控制器；
(3)所述整车控制器发送开机指令至所述燃料电池控制器；
所述燃料电池控制器响应所述开机指令，进入待机状态，并将待机状态发送至所述整车控制器；
(4)所述整车控制器发送给定功率至所述燃料电池控制器；
所述燃料电池控制器响应所述给定功率，并发送预测功率至所述整车控制器；
所述燃料电池控制器实时检测是否故障，若发生故障，则发送燃料电池控制器故障码至所述整车控制器；若没有故障，则返回响应所述给定功率的步骤；
(5)所述整车控制器接收所述预测功率，并将所述预测功率转发至所述升压DC-DC变换器；
所述升压DC-DC变换器响应所述预测功率；
所述升压DC-DC变换器实时检测是否故障，若发生故障，则发送升压DC-DC变换器故障码至所述整车控制器；若没有故障，则返回响应所述预测功率的步骤；
(6)所述整车控制器实时判断是否接收到所述升压DC-DC变换器故障码、所述燃料电池控制器故障码和所述储氢控制器故障码中的任意一种或者多种，若是，则上报故障，并向故障码对应的设备发出关闭指令；
(7)接收到所述关闭指令的设备响应所述关闭指令，完成关闭动作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中的燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC-DC变换器分别独立设置，可实现主机厂自主选型和集成，减少主机厂对氢燃料电池供应商的依赖；
(2)本发明中的整车控制器直接对燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC-DC变换器进行控制，提高了整车对各系统控制的灵活性和控制的动态响应时间；
(3)本发明中的氢燃料电池由燃料电池控制器独立控制，避免整车控制器兼容燃料电池控制器功能而带来的整车控制器功能复杂，减少主机厂对氢燃料电池控制所需要的人员和设备的需求。
附图说明
图1为现有技术中控制方案一的示意图；
图2为现有技术中控制方案二的示意图；
图3为现有技术中控制方案三的示意图；
图4为本发明实施例中氢系统的示意图；
图5为本发明实施例中控制策略的流程图。
具体实施方式
本发明针对现有技术中氢系统的各种控制方案的优缺点，对新能源氢燃料电池汽车氢系统控制方法进行了优化，并在实车进行验证，不断优化控制方案和技术参数，最终形成了本发明所述的一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法。本发明解决了现有新能源氢燃料电池汽车氢系统控制方法存在的问题，达到以下目的：实现VCU控制HCU、升压DC-DC变换器、FCU，主机厂能够对储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器、FCU进行自主集成和选型。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，本发明提供一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法，本实施例中的氢系统包括氢燃料电池及燃料电池控制器(FCU)、储氢系统及储氢控制器(HCU)和升压DC-DC变换器，如图1所示，本实施例中的氢系统采用独立的氢燃料电池及FCU、储氢系统及HCU和升压DC-DC变换器。
步骤一：制定整车CAN通讯网络拓扑，分别编制FCU、HCU、升压DC-DC变换器与VCU的通讯协议和电气接口。在本实施例中，主机厂可以对氢燃料电池及FCU、储氢系统及HCU、升压DC-DC变换器进行自主集成、匹配选型。
步骤二：为整车控制器制定控制策略，整车控制器(VCU)根据控制策略分别直接控制燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC-DC变换器。本步骤指定的控制策略要同时满足整车需求和FCU控制的需求。控制策略制定完成后，通过VCU实施。
进一步地，如图5所示，步骤二中制定的控制策略包括以下步骤：
(1)上电自检步骤
升压DC-DC变换器、FCU和HCU上电后分别进行自检，并判断自检是否成功，若否，则向VCU发送上报自检故障码；
VCU接收驾驶员输入的整车需要启动燃料电池指令后，判断升压DC-DC变换器、FCU和HCU是否自检成功，若否，则VCU上报自检故障；
(2)若VCU判断升压DC-DC变换器、FCU和HCU均自检成功，则发送开氢气瓶阀指令至HCU；
HCU响应开氢气瓶阀指令，开启氢气瓶阀，并实时检测储氢系统是否故障，若发生故障，则发送HCU故障码至VCU；
(3)VCU发送开机指令至FCU；
FCU响应开机指令，进入待机状态，并将待机状态发送至VCU；
(4)VCU发送给定功率至FCU；
FCU响应给定功率，并发送预测功率至VCU；
FCU实时检测是否故障，若发生故障，则发送FCU故障码至VCU；若没有故障，则返回响应给定功率的步骤；
(5)VCU接收预测功率，并将预测功率转发至升压DC-DC变换器；
升压DC-DC变换器响应预测功率；
升压DC-DC变换器实时检测是否故障，若发生故障，则发送升压DC-DC变换器故障码至VCU；若没有故障，则返回响应预测功率的步骤；
(6)VCU实时判断是否接收到升压DC-DC变换器故障码、FCU故障码和HCU故障码中的任意一种或者多种，若是，则上报故障，并向故障码对应的设备发出关闭指令；
(7)接收到关闭指令的设备响应关闭指令，完成关闭动作，例如，HCU响应VCU的关瓶阀指令，关闭瓶阀。
本发明所提出的一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法具有以下有益效果：
(1)本发明中的燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC-DC变换器分别独立设置，可实现主机厂自主选型和集成，减少主机厂对氢燃料电池供应商的依赖；
(2)本发明中的整车控制器直接对燃料电池控制器、储氢控制器和升压DC-DC变换器进行控制，提高了整车对各系统控制的灵活性和控制的动态响应时间；
(3)本发明中的氢燃料电池由燃料电池控制器独立控制，避免整车控制器兼容燃料电池控制器功能而带来的整车控制器功能复杂，减少主机厂对氢燃料电池控制所需要的人员和设备的需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种适用于新能源氢燃料电池汽车的氢系统控制方法，其特征在于，氢系统包括氢燃料电池及燃料电池控制器、储氢系统及储氢控制器和升压DC-DC变换器；
步骤一：制定整车CAN通讯网络拓扑，分别编制所述燃料电池控制器、所述储氢控制器、所述升压DC-DC变换器与整车控制器的通讯协议和电气接口；
步骤二：为所述整车控制器制定控制策略，所述整车控制器根据所述控制策略分别直接控制所述燃料电池控制器、所述储氢控制器和所述升压DC-DC变换器；所述控制策略包括以下步骤：
(1)上电自检步骤
所述升压DC-DC变换器、所述燃料电池控制器和所述储氢控制器上电后分别进行自检，并判断自检是否成功，若否，则向所述整车控制器发送上报自检故障码；
所述整车控制器接收驾驶员输入的整车需要启动燃料电池指令后，判断所述升压DC-DC变换器、所述燃料电池控制器和所述储氢控制器是否自检成功，若否，则所述整车控制器上报自检故障；
(2)若所述整车控制器判断所述升压DC-DC变换器、所述燃料电池控制器和所述储氢控制器均自检成功，则发送开氢气瓶阀指令至所述储氢控制器；
所述储氢控制器响应所述开氢气瓶阀指令，开启氢气瓶阀，并实时检测储氢系统是否故障，若发生故障，则发送储氢控制器故障码至所述整车控制器；
(3)所述整车控制器发送开机指令至所述燃料电池控制器；
所述燃料电池控制器响应所述开机指令，进入待机状态，并将待机状态发送至所述整车控制器；
(4)所述整车控制器发送给定功率至所述燃料电池控制器；
所述燃料电池控制器响应所述给定功率，并发送预测功率至所述整车控制器；
所述燃料电池控制器实时检测是否故障，若发生故障，则发送燃料电池控制器故障码至所述整车控制器；若没有故障，则返回响应所述给定功率的步骤；
(5)所述整车控制器接收所述预测功率，并将所述预测功率转发至所述升压DC-DC变换器；
所述升压DC-DC变换器响应所述预测功率；
所述升压DC-DC变换器实时检测是否故障，若发生故障，则发送升压DC-DC变换器故障码至所述整车控制器；若没有故障，则返回响应所述预测功率的步骤；
(6)所述整车控制器实时判断是否接收到所述升压DC-DC变换器故障码、所述燃料电池控制器故障码和所述储氢控制器故障码中的任意一种或者多种，若是，则上报故障，并向故障码对应的设备发出关闭指令；
(7)接收到所述关闭指令的设备响应所述关闭指令，完成关闭动作。
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