CN113459810B - 基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法 - Google Patents

基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，包括正常停机下电流程、安全故障下电流程、自身故障紧急下电流程；所述正常停机下电流程包括如下步骤：S1、识别整车正常下电指令；S2、根据动力电池SOC判断是否下发FCS停机指令；S3、燃电系统开始降载到怠速功率；S4、燃电系统停机吹扫；S5、升压DCDC安全泄放并将燃料电池残余电量消耗完后停机；S6、利用泄放电阻再次进行泄放电；S7、判定燃电系统是否停机完成；S8、关闭氢瓶瓶阀，执行高压放电下电；S9、执行低压下电。本发明将下电分为三种模式，实现不同情景工况下的下电逻辑，避免因为逻辑不合理造成燃电系统损伤，影响燃料电池系统寿命。

Description

基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法
技术领域
本发明涉及全功率燃料电池车，特别是指一种基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法。
背景技术
新能源汽车高压上电控制策略是汽车控制的一个重要应用领域，随着新能源汽车的高速发展，新能源汽车高压上电策略基本趋于完善；但随着氢燃料汽车的兴起，原有的策略不适用于全功率燃料电池车型，由于增加了一个能量源，造成对继电器控制变得更加复杂。如果无法基于全功率燃料电池车型中燃电系统和动力系统工作特性去考虑整车各系统的上下电时序以及合理的跳转逻辑，会导致燃电系统和动力电池系统频繁启动，高压系统运行效率低下，增加整车上下电时间，同时也会缩短高压附件尤其是燃料电池与动力电池的寿命。
现有的增程式燃料电池车型的上下电流程，燃料电池系统(本发明中简称燃电系统)主要作用是为动力电池充电来提高续航里程，其下电流程对于燃料电池的保护明显不足。例如，中国专利CN110341504A公开了一种增程式电动车动力系统及其控制方法，其中电动车动力上电方法包括如下步骤：电动车在停车关机后，动力系统控制模块实时采集动力电池模块提供的剩余电量数据：当采集剩余电量数据小于动力系统控制模块内部设定的剩余电量阈值B时，则动力系统控制模块向燃料电池控制管理模块发出控制信号，控制燃料电池模块继续向外供电，为动力电池模块充电，直到将动力电池模块电量充满，然后动力系统控制模块控制燃料电池模块停止向外供电。
上述现有技术整个下电过程围绕动力电池为主，缺少对燃料电池寿命和安全性的考虑，不能保证燃电系统停机完成之前整车高压不切换，也没有充分考虑电堆的放电保护以及电堆内残余电量的消耗问题。这对于以燃料电池为主、动力电池为辅助的全功率电电混合燃料电池车型并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效保护燃料电池系统、提高其寿命的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法。
为实现上述目的，本发明所提供的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，包括正常停机下电流程、安全故障下电流程、自身故障紧急下电流程；
所述正常停机下电流程包括如下步骤：
S1、整车控制器VCU判断是否识别到整车正常下电指令；
S2、识别到整车正常下电指令后，整车控制器VCU根据动力电池电量SOC大小，判断是否下发FCS停机指令；
S3、收到FCS停机指令后，燃电系统FCS开始降载，从当前功率以设定的降载速率Pv降到怠速功率；所述降载速率优选为Pv＝10KW/s～20KW/s；
S4、降载至怠速功率后，燃电系统FCS进行停机吹扫；
S5、停机吹扫完成后，FCCU控制器执行关闭氢气子系统和空气子系统命令；同时利用升压DCDC进行安全泄放，泄放完毕后，升压DCDC进行停机过程；
S6、再次检测升压DCDC输入侧电压，如果升压DCDC输入侧电压＞设定电压U2，则利用泄放电阻对燃料电池进行泄放电，直至升压DCDC输入侧电压<设定电压U3、泄放电计时达到设定时间t1二者至少满足其一后停止泄放电；所述设定电压优选为U2＝100V，U3＝36V，设定时间优选为t1＝30s；同时，检测到燃料电池出堆温度小于设定值(本实施例设定为40℃)时，控制电堆水泵停止工作，并关闭燃料电池热管理系统；
S7、升压DCDC进入待机状态，FCS电堆输出电压小于设定电压U4并且输出电流＝0A(即无输出)，同时所有燃电系统FCS部件均停止工作后，判定燃电系统FCS停机完成；
S8、整车控制器VCU收到FCS系统停机完成信息后，控制氢瓶瓶阀关闭，同时控制整车完成高压下电和主动放电；
S9、高压放电下电完成后进行燃电系统FCS和整车低压下电操作；低压下电完成后，燃料电池控制器FCCU、整车所有控制器和升压DCDC均处于休眠状态。
优选地，所述步骤S2中，根据动力电池SOC值来判断电量是否充足；若动力电池SOC不小于设定SOC值，则判定电量充足；否则判定电量不足，此时由燃电系统FCS给动力电池充电直到电量满足停机下电和下一次顺利启动的需要后再下发燃电系统FCS停机指令。该方案通过设置合适的SOC值，确保电量满足停机下电和下一次顺利启动的需要，避免因电量不足影响燃电系统的停机和下次启动。
优选地，所述步骤S5中，安全泄放包括如下步骤：以设定的输入侧泄放电流I1对升压DCDC进行安全泄放，并利用氧耗氢策略将燃料电池中残余的电量消耗完，此时整车负载和DCDC一起参与泄放；根据DCDC输入侧电压判断残余电量是否泄放完毕，若DCDC输入侧电压<设定电压U1，则判断泄放完毕。该方案中，氧耗氢策略具体是指：在关闭储氢瓶瓶阀后，燃料电池内部(电堆+管路)中的氢气含量是一定的，那么此时不断通入氧气，让剩余的氢气和氧气进行化学反应，直到氢气消耗完。
优选地，所述步骤S5中，升压DCDC停机过程包括：升压DCDC收到停机指令后进行降载、降流，降载到设定的输入侧电流值I2以下后，切断输入侧主正继电器和主负继电器，并将状态反馈给燃料电池控制器FCCU。
进一步地，所述输入侧泄放电流I1＝8～10A，I2＝0～5A；所述设定电压U1＝60V。
优选地，所述步骤S7中，所述设定电压U4＝36V；当升压DCDC中所有继电器都处于断开状态且设定时间t6内(优选为2～3s)未有数据交互，则使升压DCDC进入待机状态。
优选地，该方法还包括在发生危害人身安全故障时采用的安全故障下电流程，包括如下步骤：
SS1、整车控制器VCU向燃电系统发送紧急停机指令，并向储氢系统控制器发送氢瓶关闭指令关闭瓶阀，同时整车进行降载、降速，进入纯电模式运行，随后在规定时间内完成整车高压下电操作；
SS2、燃料电池控制器FCCU接收到紧急停机指令后，向升压DCDC发送紧急停机指令，升压DCDC快速降载后进行放电，放电完毕后关闭升压DCDC输入侧主正继电器和主负继电器，将燃料电池与整车负载断开，同时关闭燃电系统FCS的氢气系统和空气系统；
SS3、燃料电池控制器FCCU收到主正继电器、主负继电器断开状态后，利用泄放电阻对燃料电池中残余电量进行泄放；
SS4、燃料电池开始卸放后，断开PTC继电器，待升压DCDC内所有继电器均处于断开状态且设定时间t7(优选2～3s)内无信息交互后，升压DCDC进入待机模式，并将其待机状态反馈给燃料电池控制器FCCU；
SS5、燃料电池控制器FCCU收到DCDC待机状态后，让燃料电池系统中所有部件均停止工作；此时完成燃料电池系统紧急停机流程，并向整车控制器VCU反馈FCS停机完成状态；随后利用升压DCDC输出侧放电电阻对燃电系统高压附件(包括空压机控制器、水泵控制器、氢泵控制器等)、升压DCDC输出端进行放电；
SS6、燃电系统FCS停机完成后进行燃电系统和整车低压下电操作；低压下电完成后，燃料电池控制器FCCU、整车所有控制器和升压DCDC均处于休眠状态。
优选地，所述步骤SS2中，升压DCDC则以设定速率Iv1＝1000A/s(1000A/s)进行降载，并利用升压DCDC内部以及燃电系统负载进行放电。
优选地，所述步骤SS2中，在燃料电池与整车负载断开过程中，升压DCDC实时检测输出端电压，如果超过设定的保护值Umax(商用车优选为720～1000V，乘用车优选为420～750V)，则接通PTC进行放电，保护燃电系统高压附件防止因为过压出现烧毁问题。
优选地，所述步骤SS3中，利用泄放电阻对燃料电池中残余电量进行泄放的具体步骤包括：向升压DCDC发送泄放继电器闭合指令，利用泄放电阻对燃料电池中残余电量进行泄放，泄放继电器闭合后开启计时器，当计时达到设定时间t2＝30s后，切断泄放继电器。
优选地，该方法还包括在发生燃电系统FCS自身三级故障需要紧急下电时采用的自身故障紧急下电流程，包括如下步骤：
SF1、整车控制器VCU收到燃电系统三级故障信息后，发送FCS系统紧急停机指令给FCCU，同时整车进行减速、降载直到怠速状态；
SF2、FCCU接收到紧急停机指令后，首先向升压DCDC发送主动泄放指令，进行系统降载降功；升压DCDC收到主动泄放指令后进行主动泄放；与此同时，燃电系统进行快速吹扫程序，将电堆中水分吹出，对电堆进行保护；
SF3、FCCU发送主动泄放指令后，在设定时间t4后，向升压DCDC发送紧急停机指令，升压DCDC将主正继电器、主负继电器切断并停止工作，同时将相应的关闭状态反馈给燃料电池控制器FCCU；所述设定时间优选为t4＝5s；
SF4、当FCCU收到主正继电器、主负继电器的关闭状态后，对升压DCDC输入侧电压进行检测，当检测电压大于设定电压U5时，则向升压DCDC发送泄放继电器闭合指令，升压DCDC收到指令后执行泄放电操作；所述设定电压优选为U5＝100±10V；
SF5、当升压DCDC输入侧电压<设定电压U6、泄放电计时达到设定时间t5二者满足其一后，断开泄放电继电器；所述设定电压优选为U6＝36V，设定时间优选为t5＝30s；
SF6、泄放继电器断开后，FCCU再向升压DCDC发送PTC继电器断开指令，升压DCDC接收到指令后断开PTC继电器；升压DCDC所有继电器均处于闭合状态，且设定时间t8(优选2～3s)内无通讯后，升压DCDC进入到待机状态，并将待机状态反馈给FCCU；判断燃料电堆出水温度小于设定温度(优选40℃)时，控制水泵停止工作，关闭燃料电池热管理系统；
SF7、FCCU接收到升压DCDC待机状态后，且燃电系统FCS所有部件均停止工作情况下，向整车控制器VCU发送FCS停机完成信息；整车控制器VCU收到FCS系统停机完成信息后，控制氢瓶瓶阀关闭，然后判断整车档位信息、动力电池状态信息、驱动电机信息以及整车高压负载状态信息后，再控制整车高压附件、燃电系统高压附件、升压DCDC和驱动电机执行高压放电下电操作；
SF8、高压放电下电完成后进行燃电系统FCS和整车低压下电操作；低压下电完成后，燃料电池控制器FCCU、整车所有控制器和升压DCDC均处于休眠状态。
优选地，所述步骤SF2中，升压DCDC的主动泄放具体包括如下步骤：首先闭合泄放继电器，然后升压DCDC以设定速率Iv2进行降载，同时利用DCDC内部和负载进行消耗放电，要求在设定时间t3内完成；所述设定速率优选为Iv2＝10～100A/s，所述设定时间优选为t3＝5s；
优选地，所述步骤S8、SF7中，高压放电下电操作包括如下步骤：首先断开多合一控制器中燃电系统主正继电器，燃电系统高压附件利用升压DCDC输出侧放电电阻进行放电，再断开多合一控制器中整车负载主继电器，随后断开驱动电机主继电器，驱动电机利用放电电阻进行主动放电，最后断开动力电池主负继电器，此时整车高压下电完成。
优选地，所述步骤S9、SS6和步骤SF8中，燃电系统低压下电操作具体包括：首先VCU给燃料电池控制器FCCU发送FCS失能指令，燃电系统FCS接收到失能指令后，进行燃电系统低压下电操作；如果燃料电池控制器FCCU超时没有收到FCS失能信号，则自动进入到燃电系统低压下电操作；最后燃料电池控制器FCCU进入休眠状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明将下电分为三种模式，实现不同情景工况下的下电逻辑，充分考虑全功率燃电电池系统和动力电池系统工作模式和特性，合理优化下电时序和下电逻辑，避免因为逻辑不合理造成燃电系统损伤，影响燃料电池系统寿命，产生高压电安全风险。
2)正常停机下电流程采用两级安全泄放策略，提升燃料电池寿命和安全性，第一级：将升压DCDC以设定的输入侧泄放电流进行安全泄放，此时整车负载和DCDC一起参与泄放。第二级：由于电堆中氢气和氧气反应不充分有残留，燃料电池电压可能还会继续上升，此时再次检测升压DCDC输入侧电压，如果电压大于设定值，则利用泄放电阻对燃料电堆进行放电。
3)对于全功率电电混合燃料电池车型，动力电池容量一般选取在2KWh左右，动力电池主要起到辅助作用，整车下电时动力电池为燃电系统停机提供动力，满足燃电电池系统停机吹扫等停机所需电量，充分考虑了电堆的放电保护以及电堆内残余电量的消耗问题，可以提升电堆使用寿命。
附图说明
图1、图2为本发明实施例1所提供的全功率电电混合燃料电池汽车的整车高压系统结构图。由于附图过大拆分成两幅，跨图连接处以相同带圈编号①～④标出。
图3为本发明实施例1中燃料电池系统内部低压系统的电气原理图。
图4～6分别为本发明实施例2所提供的正常停机下电流程、安全故障下电流程、自身故障紧急下电流程的流程简图。
其中：整车控制器VCU 1、燃电系统FCS 2、燃料电池控制器FCCU 2.1、升压DCDC2.2、FCS空压机2.3、FCS水泵2.4、FCS氢泵2.5、FCS PTC 2.6、FCS风扇2.7、储氢系统HMS 3、储氢系统控制器3.1、氢瓶瓶阀3.2、氢气浓度传感器3.3、动力电池系统4、动力电池管理系统BMS 4.1、驱动电机5、整车多合一控制器6、12V DCDC 6.1、24V DCDC 6.2、驱动电机控制器MCU 6.3、除霜除雾PTC 7、电空调ACS 8、12V低压蓄电池10。
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。
实施例1
如图1～3所示，本实施例所设计的全功率电电混合燃料电池车包括整车控制器VCU 1、燃电系统FCS 2、储氢系统HMS 3、动力电池系统4、驱动电机5、整车多合一控制器6、除霜除雾PTC(电除霜)7、电空调ACS 8、12V低压蓄电池10(整车低压系统)。
燃电系统FCS 2包含燃料电池控制器FCCU 2.1、升压DCDC 2.2、FCS空压机2.3、FCS水泵2.4、FCS氢泵2.5、FCS PTC 2.6、FCS风扇2.7、温控阀、背压阀、传感器等。
整车多合一控制器6集成12V DCDC 6.1、24V DCDC 6.2、驱动电机控制器MCU 6.3，以及高压配电模块、预充电路、继电器(见图中KM3、KM5、KM6、KM8～10)等。
动力电池系统4包含动力电池管理系统BMS 4.1、模组以及高压配电单元。
储氢系统HMS 3包含储氢系统控制器3.1、氢瓶瓶阀3.2，以及氢气浓度传感器3.3。
升压DCDC 2.2有1个输入端和5个输出端口，升压DCDC 2.2输入侧正负极接有泄放继电器K3和泄放电阻R2串联电路，升压DCDC 2.2输入侧还具有预充电路由预充继电器K1和预充电阻R1串联组成，同时输入侧设有主正继电器K2和主负继电器K4。升压DCDC 2.2的4个输出端，分别经过熔断器接到FCS空压机控制器，经过熔断器接到水泵控制器，经过熔断器接到FCS氢泵控制器，经过继电器和熔断器接到FCS PTC 2.6。
整车多合一控制器6有2个输入/输出双向端和5个输出端：整车多合一控制器6的第一输入输出双向端接到升压DCDC 2.2的另一个输出端(出上文中的4个输出端外的输出端)，整车多合一控制器6的第二输入输出双向端接到动力电池系统4高压接口。第一输入输出双向端和第二输入输出双向端之间设有第一预充回路(第一预充回路由预充继电器KM10、预充电阻R1和二极管D1串联组成)和燃电系统主正继电器KM6并联回路，第一输入输出双向端通过F8熔断器与第一预充回路相连。第二输入输出双向端同时接有第二预充回路(第二预充回路由预充继电器KM9、预充电阻R2和二极管D2串联组成)和整车负载继电器KM3并联回路。整车负载继电器KM3负载输出端通过熔断器F2接到整车多合一控制器6第一输出端，整车负载继电器KM3负载输出端通过熔断器F3连接到12V DCDC 6.1输入端，12V DCDC6.1输出端接到整车多合一控制器6第二输出端，整车负载继电器KM3负载输出端通过熔断器F4连接到24V DCDC 6.2输入端，12V DCDC 6.1输出端接到整车多合一控制器6的第三输出端，整车负载继电器KM3负载输出端通过熔断器F5接到整车多合一控制器6第四输出端。第二输入输出双向端还同时接有第三预充回路(第三预充回路由预充继电器KM8、预充电阻R3和二极管D3串联组成)和驱动电机主继电器KM5并联回路，驱动电机主继电器KM5输出端和负极中间接有放电电阻以及母线电容，同时也接到整车多合一控制器6的第五输出端。
整车多合一控制器6第一输出端接到整车电空调压缩机，为其提供电能；其第二输出端连接到12V整车低压系统以及12V蓄电池；其第三输出端连接到FCS风扇控制器，为燃料电堆风扇提供动力；其第四输出端连接到除霜除雾PTC 7，主要用于整车除霜除雾；其第五输出端为交流三相线连接到驱动电机5，为驱动电机5提供动力。
燃电系统FCS 2内部低压电气原理按照图3进行电连接，燃料电池控制器FCCU 2.1与背压阀、空压机控制器、氢泵控制器、水泵控制器、升压DCDC 2.2、FCS PTC 2.6、温控阀以及电堆CVM电压巡检仪通过CAN总线进行通讯和数据交互，FCCU 2.1同时控制燃电系统FCS2各种控制阀工作以及传感器数据采集。燃电系统FCS 2低压供电设有主继电器，主继电器拥有四个接口：两个信号控制端，两个负载端。第一控制端接地，第二控制端接到FCCU 2.1高边驱动引脚，第一负载端通过保险丝接到12V BAT常电，第二负载接到背压阀、空压机控制器、氢泵控制器、水泵控制器、升压DCDC 2.2、FCS PTC 2.6、温控阀以及电堆CVM电压巡检仪电源供电端。
整车控制器VCU 1与整车多合一控制器6、燃电系统控制器FCCU 2.1、动力电池管理系统BMS 4.1、储氢系统控制器3.1之间利用CAN总线进行通讯，共同完成整车上电时序逻辑。
整车上下电控制策略以整车控制器VCU为核心，实现各系统之前的信号通讯，处理与逻辑控制，具体见实施例2。
实施例2
本实施例在实施例1提供的全功率电电混合燃料电池汽车的基础上，提供了一种基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法。该下电控制方法包括正常停机下电流程、安全故障下电流程、常规故障下电流程，以下分别进行具体说明。
如图4所示，正常停机下电流程包括如下步骤：
S1：整车正常下电指令通过驾驶员驾驶意图来进行判断，整车控制器VCU 1通过接收无钥匙系统PEPS信号以及档位信号识别整车是否下电，当驾驶员按下启动按钮进入off档，开始进行燃电系统停机流程(步骤S3～S7)和整车系统下电流程(动力电池系统4、驱动电机5、整车高压附件，步骤S8、S9)。
S2：由于燃电系统停机需要消耗一定动力电池能量，同时为了保证下一次启动车辆，动力电池中应有足够电量保证燃电系统FCS 2能顺利启动，会先判断动力电池SOC；
如果SOC小于70％，则燃电系统FCS 2会首先给动力电池进行充电直到SOC满足下电和下一次启动需求，在燃电系统停机完成之前，整车需要保证高压不能下电；
当动力电池SOC达到70％后，整车控制器VCU 1会给燃电系统FCS 2下发停机指令，燃料电池控制器FCCU 2.1接收到停机指令后，向VCU 1反馈“FCS停机中”状态，燃电系统FCS2开始执行燃电系统停机流程。
S3：燃电系统FCS 2会快速实现降载从当前功率降到怠速功率，本实施例中降载速率设定为Pv＝10KW/s(不同系统降载速率不同，可以标定)。
S4：燃电系统FCS 2降载至怠速功率后，燃电系统FCS 2进行停机吹扫，空气子系统和氢气子系统以一定的流量和压力进行吹扫，将燃料电池中水份吹扫出去。
S5：吹扫完成后，关闭氢气供应，FCS空压机2.3和背压阀继续工作，将升压DCDC2.2输入电流设置为I1＝10A(可以标定)进行安全泄放，利用氧耗氢策略将燃料电池中残余的电量消耗完，此时整车负载和DCDC一起参与泄放。判断DCDC输入侧电压(即燃料电池输出电压)是否小于设定电压U1(本实施例设定为U1＝60V)，如果电压小于60V，可以认为残余电量基本泄放完毕，那么燃料电池控制器FCCU 2.1会给升压DCDC 2.2下放停机指令，升压DCDC 2.2会进行降载，降流到I2＝0A后，升压DCDC 2.2切断输入侧主正继电器K2和主负继电器K4，同时将主正和主负继电器断开状态反馈给燃料电池控制器FCCU 2.1。
S6：由于电堆中氢气和氧气反应不充分有残留，燃料电池电压可能还会继续上升，此时再次检测升压DCDC 2.2输入侧电压，如果电压＞设定电压U2(本实施例设定为U2＝100V，可根据实际情况调整)，那么FCCU 2.1向升压DCDC 2.2下放泄放继电器K3闭合指令，泄放继电器K3闭合后利用泄放电阻对燃料电池进行放电，此时开启计时器，判断计时器T是否达到设定时间t1(本实施例设定为30s)，如果没有到达t1，则继续判断燃料电堆输出电压，如果燃料电堆输出电压大于U3(本实施例设定为36V)，会一直利用泄放电阻进行泄放，如果带电压小于U3则会发送泄放继电器闭合指令，然后断开PTC继电器；如果计时器计时到达t1，但是燃料电堆输出电压还未到达U3，那么直接发送泄放继电器断开指令后再将PTC继电器断开；
另一方面，判断燃料电池出堆温度小于设定温度(本实施例设定为40℃)时，控制电堆水泵停止工作，并关闭燃料电池热管理系统。
S7：当升压DCDC 2.2中所有继电器都处于断开状态且设定时间t6(2～3s)未有数据交互，则使升压DCDC 2.2进入待机状态，并将状态信号反馈给燃料电池控制器FCCU 2.1，燃料电池控制器FCCU 2.1在检测到电堆输出电压小于U4(本实施例设定为36V)并且输出电流为0A，同时确认所有燃电系统FCS 2部件均停止工作后，判定燃电系统FCS 2停机完成，并将FCS系统停机完成状态反馈给整车控制器VCU 1。
S8：整车控制器VCU 1收到FCS系统停机完成信息号后首先控制储氢系统控制器关闭氢瓶瓶阀3.2，然后判断整车档位信息、动力电池状态信息、驱动电机信息以及整车高压负载状态信息(作为高压下电的依据，下电要求档位P档，无车速，动力电池无输出，驱动电机5不工作)后进行整车高压下电操作，首先断开整车多合一控制器6中燃电系统主正继电器KM6，燃电系统高压附件利用升压DCDC 2.2输出侧放电电阻R3进行放电，然后断开整车多合一控制器6中整车负载主继电器KM3，最后断开驱动电机主继电器KM5，驱动电机5利用放电电阻Rf进行主动放电，最后断开动力电池主负继电器，此时整车高压下电完成。
S9：高压下电完成后进行低压下电操作，首先整车控制器VCU 1给燃料电池控制器FCCU 2.1发送“FCS失能”指令，燃电系统FCS 2接收到失能指令后，进行燃电系统低压下电操作，切断低压主继电器R1，使燃电系统零部件控制单元(与FCCU 2.1通过CAN总线连接的设备对应的控制单元，见图3)下电，如果超时没有收到FCS失能信号，则延时3s后自动进入到燃电系统低压下电操作，最后燃料电池控制器FCCU 2.1进入休眠状态。同时整车低压下电后，整车所有控制器均处于休眠状态。
以上正常停机下电流程采用两级安全泄放策略，提升燃料电池寿命。第一级：将升压DCDC 2.2输入电流设置为10A(可以标定，本实施例为10A)进行安全泄放，利用氧耗氢策略将燃料电池中残余的电量消耗完，此时整车负载和DCDC一起参与泄放。判断DCDC输入电压(即燃料电池输出电压)是否小于60V，如果电压小于60V，可以认为残余电量基本泄放完毕。第二级：由于电堆中氢气和氧气反应不充分有残留，燃料电池电压可能还会继续上升，此时再次检测升压DCDC 2.2输入侧电压，如果电压大于100V，那么FCCU 2.1向升压DCDC2.2下放泄放继电器K3闭合指令，泄放继电器K3闭合后利用泄放电阻对燃料电堆进行放电，如果在30s时间内，DCDC输入侧电压低于36V，那么断开泄放继电器K3停止放电，否则持续放电直到30s结束。
如图5所示，当发生危害人身安全的故障，比如氢泄露或者严重碰撞等故障就会进行紧急下电，则整车进入紧急下电模式1，执行如下的安全故障紧急下电流程：
SS1：整车控制器VCU 1向燃电系统发送紧急停机指令，随后向储氢系统控制器发送氢瓶关闭指令关闭瓶阀，同时整车进行降载、降速，进入纯电模式运行；随后在规定时间内(本实施例中为5s)完成整车高压下电操作，整车高压下电无需等待燃电系统停机完成；
SS2：燃料电池控制器FCCU 2.1接收到紧急停机指令后，马上向升压DCDC 2.2发送紧急停机指令，升压DCDC 2.2则以Iv1＝1000A/s(速率可标定)速率进行降载，同时利用升压DCDC 2.2内部以及燃电系统负载进行放电，放电完毕后关闭升压DCDC 2.2输入侧主正继电器K2和主负继电器K4，将燃料电池与整车负载断开，同时关闭燃电系统FCS 2的氢气系统和空气系统。
与此同时升压DCDC 2.2一直检测输出端的电压，如果超过设定的保护值Umax(商用车优选为720～1000V，乘用车优选为420～750V)，则闭合PTC继电器K6，延时5s(时间可以标定)断开。用于DCDC输出侧放电起到稳压作用，保护燃电系统高压附件防止因为过压出现烧毁问题。
SS3：燃料电池控制器FCCU 2.1收到主正、主负继电器断开状态后，向升压DCDC2.2发送泄放继电器K3闭合指令，利用泄放电阻R2对燃料电池中残余电量进行泄放，泄放继电器K3闭合后开启计时器T，当计时器T＝t2(时间可以标定，本实施例为30s)后，自动切断泄放继电器K3。
SS4：燃料电池控制器FCCU 2.1发送泄放继电器闭合指令后，再发送PTC继电器K6断开指令，等待所有继电器均处于断开状态后且设定时间t7＝2～3s内无信息交互后，升压DCDC 2.2进入待机模式，将DCDC待机状态反馈给燃料电池控制器FCCU 2.1。
SS5：燃料电池控制器FCCU 2.1收到DCDC待机状态，且燃电系统所有部件均停止工作后，燃电系统FCS 2紧急停机流程完成，并向整车控制器VCU 1反馈FCS停机完成状态。整车高压下电过程中，FCS空压机2.3、DCDC输出端、水泵控制器、氢泵控制器负载利用升压DCDC 2.2输出侧放电电阻R3进行放电；
SS6：燃电系统FCS 2停机完成后进行低压下电操作，首先整车控制器VCU 1给燃料电池控制器FCCU 2.1发送“FCS失能”指令，燃电系统FCS 2接收到失能指令后，进行燃电系统低压下电操作，切断低压主继电器R1，使燃电系统零部件控制单元下电，如果超时没有收到FCS失能信号，则延时3s后自动进入到燃电系统低压下电操作，最后燃料电池控制器FCCU2.1进入休眠状态。同时整车低压下电后，整车所有控制器均处于休眠状态。
以上安全故障紧急下电流程中，燃料电池控制器FCCU 2.1收到整车控制器VCU 1发出的紧急停机指令后，升压DCDC 2.2会以1000A/s速率进行降载，要求在5s内完成降载。然后会断开升压DCDC 2.2输入侧主正和主负继电器，使得燃料电与整车负载快速切断，为了防止快速切换整车负载导致的整车母线电压急剧上升问题，升压DCDC 2.2一直检测输出端的电压，如果超过设定的保护值Umax，则闭合PTC继电器K6，延时5s断开，对DCDC输出侧放电起到稳压作用，保护燃电系统高压附件因为过压出现烧毁问题。然后DCDC进入待机状态。同时整车控制器VCU 1还会控制储氢系统控制器直接关闭氢瓶瓶阀3.2，该情况下可以直接进行整车高压下电操作，无需等到燃电系统停机完成，为了保护电堆，会对电堆残余电量进行泄放，最后进行高压下电以及低压下电。即利用预充和主正继电器同时控制该过程实现的方案以及参数的设置能提升电池寿命。
如图6所示，当发生燃电系统FCS 2自身三级故障导致需要紧急下电时，整车进入紧急下电模式2，执行如下的自身故障紧急下电流程。
SF1：燃电系统FCS 2自身三级故障触发整车紧急下电，首先燃料电池控制器FCCU2.1将FCS系统故障等级和故障类型反馈给整车控制器VCU 1，整车控制器VCU 1收到燃电系统三级故障信息后，发送FCS系统紧急停机指令给FCCU 2.1，同时整车进行减速、降载直到怠速状态。
SF2：FCCU 2.1接收到整车控制器VCU 1发送紧急停机指令后，首先向升压DCDC2.2发送主动泄放指令，进行系统降载降功。然后升压DCDC 2.2收到主动泄放指令后，首先闭合泄放继电器K3，然后DCDC以最大Iv2(本实施例设置为100A/s)速率进行降载，同时利用DCDC内部和负载进行消耗放电，要求T＝t3(本实施例采用5s)完成。与此同时，燃电系统进行快速吹扫程序，将电堆中水分吹出，对电堆进行保护。
SF3：FCCU 2.1向升压DCDC 2.2发送主动泄放指令后，开启计时器T＝t4(本实施例中t4＝5s)后，再向升压DCDC 2.2发送紧急停机指令，升压DCDC 2.2将主正、主负继电器切断并停止工作，同时将主正主负继电器的状态反馈给燃料电池控制器FCCU 2.1。
SF4：当FCCU 2.1收到主正继电器K2、主负继电器K4关闭状态后，对燃料电池输出电压进行检测，当燃料电池输出电压(即升压DCDC 2.2输入侧电压)大于U5(本实施例中U5＝100V)，则向升压DCDC 2.2发送泄放继电器K3闭合指令，升压DCDC 2.2判断是否接收到泄放继电器闭合指令，如果收到则闭合泄放继电器，如果没有则再判断是否接到PTC继电器断开指令。
SF5：泄放继电器K3闭合后，FCCU 2.1开启计时器T，同时不停判断升压DCDC 2.2输入侧电压，若计时器T＝t5(本实施例中t5＝30s)，DCDC输入侧电压没有小于U6(本实施例中U6＝36V)，则会发送泄放继电器K3断开指令，如果计时器T计时小于t5，且DCDC输入侧电压小于U6，则也会发送泄放继电器K3断开指令，DCDC接收泄放继电器断开指令后断开泄放继电器
SF6：泄放继电器断开后，FCCU 2.1再向升压DCDC 2.2发送PTC继电器断开指令，DCDC判断是否接收到PTC继电器断开指令，如果接收到则断开PTC继电器，如果没有接收到，则跳转至继电器状态位判断模块，如此循环检测DCDC内部继电器状态直到所有继电器均处于断开状态，且设定时间t8(优选2～3s)内无任何通讯后，DCDC进入到待机状态，并将升压DCDC 2.2待机状态反馈给FCCU2.1；判断燃料电堆出口温度小于设定温度(优选40℃)时，让FCS水泵2.4停止工作，关闭燃料电池热管理系统。
SF7：FCCU 2.1接收到升压DCDC 2.2待机状态后，且系统所有部件均停止工作情况下，向整车控制器VCU 1发送FCS停机完成状态，整车控制器VCU 1收到FCS系统停机完成信息号后首先控制储氢系统控制器关闭氢瓶瓶阀3.2，然后判断整车档位信息、动力电池状态信息、驱动电机信息以及整车高压负载状态信息后进行整车高压下电操作。
首先断开整车多合一控制器6中燃电系统主正继电器KM6，燃电系统高压附件利用升压DCDC 2.2中放电电阻R3进行放电，然后断开整车多合一控制器6中整车负载主继电器KM3，最后断开驱动电机主继电器KM5，驱动电机5利用放电电阻Rf进行主动放电，最后断开动力电池主负继电器，此时整车高压下电完成。
SF8：高压下电完成后进行低压下电操作，首先整车控制器VCU 1给燃料电池控制器FCCU 2.1发送“FCS失能”指令，燃电系统FCS 2接收到失能指令后，进行燃电系统低压下电操作，切断低压主继电器R1，使燃电系统零部件控制单元下电，如果超时没有收到FCS失能信号，则延时3s后自动进入到燃电系统低压下电操作，最后燃料电池控制器FCCU 2.1进入休眠状态。同时整车低压下电后，整车所有控制器均处于休眠状态。
上述自身故障紧急下电流程中，燃料电池控制器FCCU 2.1将故障信息反馈给整车控制器VCU 1，整车控制器收到故障级别和故障类型信息后，根据整车当前状态(车速、档位以及故障信息)进行判断是否需要进行紧急停机操作，如果需要则向燃电系统发送紧急停机指令，将进入紧急下电模式2，燃料电池控制器FCCU 2.1收到整车控制器VCU 1发出的紧急停机指令后，首先下放升压DCDC 2.2主动放电指令，FCS系统以最大100A/速率(速度可标定)进行降载，要求5s完成降载，同时燃电系统进行电堆的快速吹扫程序。然后发送升压DCDC 2.2紧急停机指令，DCDC输入电流Iset＝0A，DCDC断开输入侧主正和主负继电器，为了保护电堆，会对电堆残余电量进行泄放，燃电系统停机完成后，整车进行高压下电以及低压下电操作。上述处理方法及设置的具体参数能提高整车下电过程中电池的寿命。

Claims (10)

1.一种基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：
该全功率电电混合燃料电池汽车包括：整车控制器VCU、燃电系统FCS、储氢系统HMS、动力电池系统、驱动电机、整车多合一控制器；所述燃电系统FCS包含燃料电池控制器FCCU、升压DCDC；所述储氢系统HMS包含储氢系统控制器、氢瓶瓶阀；所述动力电池系统包含动力电池管理系统BMS；所述整车控制器VCU与整车多合一控制器、燃电系统控制器FCCU、动力电池管理系统BMS、储氢系统控制器之间利用CAN总线进行通讯；
该方法包括正常停机下电流程、安全故障下电流程、自身故障紧急下电流程；
所述正常停机下电流程包括如下步骤：
S1、整车控制器VCU判断是否识别到整车正常下电指令；
S2、识别到整车正常下电指令后，整车控制器VCU根据动力电池电量SOC大小，判断是否下发FCS停机指令；
S3、收到FCS停机指令后，燃电系统FCS开始降载，从当前功率以设定的降载速率Pv降到怠速功率；
S4、降载至怠速功率后，燃电系统FCS进行停机吹扫；
S5、停机吹扫完成后，FCCU控制器执行关闭氢气子系统和空气子系统命令；同时利用升压DCDC进行安全泄放，泄放完毕后，升压DCDC进行停机过程；
S6、再次检测升压DCDC输入侧电压，如果升压DCDC输入侧电压＞设定电压U2，则利用泄放电阻对燃料电池进行泄放电，直至升压DCDC输入侧电压<设定电压U3、泄放电计时达到设定时间t1二者至少满足其一后停止泄放电；同时，检测到燃料电池出堆温度小于设定温度时，电堆水泵停止工作，关闭燃料电池热管理系统；
S7、升压DCDC进入待机状态，FCS电堆输出电压小于设定电压U4并且输出电流＝0A，同时所有燃电系统FCS部件均停止工作后，判定燃电系统FCS停机完成；
S8、整车控制器VCU收到FCS系统停机完成信息后，控制氢瓶瓶阀关闭，同时控制整车完成高压下电和主动放电；
S9、高压放电下电完成后进行燃电系统FCS和整车低压下电操作；低压下电完成后，燃料电池控制器FCCU、整车所有控制器和升压DCDC均处于休眠状态。
2.根据权利要求1所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据动力电池SOC值来判断电量是否充足；若动力电池SOC不小于设定SOC值，则判定电量充足；否则判定电量不足，此时由燃电系统FCS给动力电池充电直到电量满足停机下电和下一次顺利启动的需要后再下发燃电系统FCS停机指令。
3.根据权利要求1所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：
所述步骤S3中，降载速率Pv＝10KW/s～20KW/s；
所述步骤S5中：
安全泄放包括如下步骤：以设定的输入侧泄放电流I1对升压DCDC进行安全泄放，并利用氧耗氢策略将燃料电池中残余的电量消耗完，此时整车负载和DCDC一起参与泄放；根据DCDC输入侧电压判断残余电量是否泄放完毕，若DCDC输入侧电压<设定电压U1，则判断泄放完毕；
升压DCDC停机过程包括如下步骤：升压DCDC收到停机指令后进行降载、降流，降载到设定的输入侧电流值I2以下后，切断输入侧主正继电器和主负继电器，并将状态反馈给燃料电池控制器FCCU；
所述输入侧泄放电流I1＝8～10A，I2＝0～5A；所述设定电压U1＝60V；
所述步骤S6中，设定电压U2＝100V，U3＝36V，设定时间t1＝30s；
所述步骤S7中，所述设定电压U4＝36V；当升压DCDC中所有继电器都处于断开状态且设定时间t6内未有数据交互，则使升压DCDC进入待机状态。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：还包括在发生危害人身安全故障时采用的安全故障下电流程，包括如下步骤：
SS1、整车控制器VCU向燃电系统发送紧急停机指令，并向储氢系统控制器发送氢瓶关闭指令关闭瓶阀，同时整车进行降载、降速，进入纯电模式运行，随后在规定时间内完成整车高压下电操作；
SS2、燃料电池控制器FCCU接收到紧急停机指令后，向升压DCDC发送紧急停机指令，升压DCDC快速降载后进行放电，放电完毕后关闭升压DCDC输入侧主正继电器和主负继电器，将燃料电池与整车负载断开，同时关闭燃电系统FCS的氢气系统和空气系统；
SS3、燃料电池控制器FCCU收到主正继电器、主负继电器断开状态后，利用泄放电阻对燃料电池中残余电量进行泄放；
SS4、燃料电池开始卸放后，断开PTC继电器，待升压DCDC内所有继电器均处于断开状态且设定时间t7内无信息交互后，升压DCDC进入待机模式，并将其待机状态反馈给燃料电池控制器FCCU；
SS5、燃料电池控制器FCCU收到DCDC待机状态，且燃料电池系统中所有部件均停止工作后，燃电系统FCS紧急停机流程完成，并向整车控制器VCU反馈FCS停机完成状态；随后利用升压DCDC输出侧放电电阻对燃电系统高压附件、升压DCDC输出端进行放电；
SS6、燃电系统FCS停机完成后进行燃电系统和整车低压下电操作；低压下电完成后，燃料电池控制器FCCU、整车所有控制器和升压DCDC均处于休眠状态。
5.根据权利要求4所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：所述步骤SS2中，升压DCDC则以设定速率Iv1＝1000A/s进行降载，并利用升压DCDC内部以及燃电系统负载进行放电；在燃料电池与整车负载断开过程中，升压DCDC实时检测输出端电压，如果超过设定的保护值Umax，则接通PTC进行放电。
6.根据权利要求4所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：所述步骤SS3中，利用泄放电阻对燃料电池中残余电量进行泄放的具体步骤包括：向升压DCDC发送泄放继电器闭合指令，利用泄放电阻对燃料电池中残余电量进行泄放，泄放继电器闭合后开启计时器，当计时达到设定时间t2＝30s后，切断泄放继电器。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：还包括在发生燃电系统FCS自身三级故障需要紧急下电时采用的自身故障紧急下电流程，包括如下步骤：
SF1、整车控制器VCU收到燃电系统三级故障信息后，发送FCS系统紧急停机指令给FCCU，同时整车进行减速、降载直到怠速状态；
SF2、FCCU接收到紧急停机指令后，首先向升压DCDC发送主动泄放指令，进行系统降载降功；升压DCDC收到主动泄放指令后进行主动泄放；与此同时，燃电系统进行快速吹扫程序；
SF3、FCCU发送主动泄放指令后，在设定时间t4后，向升压DCDC发送紧急停机指令，升压DCDC将主正继电器、主负继电器切断并停止工作，同时将相应的关闭状态反馈给燃料电池控制器FCCU；
SF4、当FCCU收到主正继电器、主负继电器的关闭状态后，对升压DCDC输入侧电压进行检测，当检测电压大于设定电压U5时，则向升压DCDC发送泄放继电器闭合指令，升压DCDC收到指令后执行泄放电操作；
SF5、当升压DCDC输入侧电压<设定电压U6、泄放电计时达到设定时间t5二者满足其一后，断开泄放电继电器；
SF6、泄放继电器断开后，FCCU再向升压DCDC发送PTC继电器断开指令，升压DCDC接收到指令后断开PTC继电器；升压DCDC所有继电器均处于断开状态，且设定时间t8内无通讯后，升压DCDC进入到待机状态，并将待机状态反馈给FCCU；判断燃料电堆出水温度小于设定温度时，控制水泵停止工作，关闭燃料电池热管理系统；
SF7、FCCU接收到升压DCDC待机状态后，且燃电系统FCS所有部件均停止工作情况下，向整车控制器VCU发送燃电系统FCS停机完成信息；整车控制器VCU收到FCS系统停机完成信息后，控制氢瓶瓶阀关闭，然后判断整车档位信息、动力电池状态信息、驱动电机信息以及整车高压负载状态信息后，再控制整车高压附件、燃电系统高压附件、升压DCDC和驱动电机执行高压放电下电操作；
SF8、高压放电下电完成后进行燃电系统FCS和整车低压下电操作；低压下电完成后，燃料电池控制器FCCU、整车所有控制器和升压DCDC均处于休眠状态。
8.根据权利要求7所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：
所述步骤SF2中，升压DCDC的主动泄放具体包括如下步骤：首先闭合泄放继电器，然后升压DCDC以设定速率Iv2进行降载，同时利用DCDC内部和负载进行消耗放电，要求在设定时间t3内完成；所述设定速率Iv2＝10～100A/s，所述设定时间t3＝5s；
所述步骤SF3中，设定时间t4＝5s；
所述步骤SF4中，设定电压U5＝100±10V；
所述步骤SF5中，设定电压U6＝36V，设定时间t5＝30s。
9.根据权利要求7所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：所述步骤S8、SF7中，高压放电下电操作包括如下步骤：首先断开多合一控制器中燃电系统主正继电器，燃电系统高压附件利用升压DCDC输出侧放电电阻进行放电，再断开多合一控制器中整车负载主继电器，随后断开驱动电机主继电器，驱动电机利用放电电阻进行主动放电，最后断开动力电池主负继电器，此时整车高压下电完成。
10.根据权利要求7所述的基于全功率电电混合燃料电池汽车的下电控制方法，其特征在于：所述步骤S9和步骤SF8中，燃电系统FCS低压下电操作具体包括：首先VCU给燃料电池控制器FCCU发送燃电系统FCS失能指令，燃电系统FCS接收到失能指令后，进行燃电系统低压下电操作；如果燃料电池控制器FCCU超时没有收到FCS失能信号，则自动进入到燃电系统低压下电操作；最后燃料电池控制器FCCU进入休眠状态。
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