CN114006008A - 一种燃料电池系统控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统控制装置，装置包括升压电路、控制电路、开关电路和驱动电路，升压电路的输入端与燃料电池系统的输出端连接；开关电路与电加热器串联，串联后的输入端与升压电路的输出端连接，串联后的输出端与整车高压负载连接；控制电路分别与升压电路的输入端和驱动电路的输入端连接；驱动电路的输出端与开关电路的控制端连接。本申请可以更加灵活地控制电加热器的加热功率；本申请通过控制电路、驱动电路和开关电路，可以将燃料电池系统的母线电压钳位在安全范围内，且燃料电池系统可以实现自供电，实现循环冷却，避免电堆中的温度过高，损坏电堆，进而延长电堆的寿命。

Description

一种燃料电池系统控制装置
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统控制装置。
背景技术
燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。燃料电池汽车与通常的电动汽车比较，其动力方面的不同在于燃料电池汽车用的电力来自车载燃料电池装置，电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此，燃料电池汽车的关键是燃料电池。燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。因此，燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点，这确保了燃料电池汽车成为真正意义上的高效、清洁汽车。
然而，当燃料电池汽车发生故障并紧急停机时，由于整车大功率负载突然断开，会对电堆造成不可逆的损伤，导致电堆的寿命缩短。
发明内容
本申请实施例通过提供一种燃料电池系统控制装置，解决了现有技术中燃料电池汽车发生故障并紧急停机，会对电堆造成不可逆的损伤，导致电堆的寿命缩短的技术问题，实现了避免电堆在燃料电池汽车发生故障并紧急停机时被损伤，延长电堆的使用寿命的技术效果。
本申请提供了一种燃料电池系统控制装置，装置包括升压电路、控制电路、开关电路和驱动电路，
升压电路的输入端与燃料电池系统的输出端连接；
开关电路与电加热器串联，串联后的输入端与升压电路的输出端连接，串联后的输出端与整车高压负载连接；
控制电路分别与升压电路的输入端和驱动电路的输入端连接；
驱动电路的输出端与开关电路的控制端连接；
其中，升压电路用于将燃料电池系统的输出电压升高至目标电压；控制电路用于根据升压电路是否出现故障的当前状态，控制驱动电路的工作状态为目标状态；驱动电路用于控制开关电路的开关频率以调节电加热器的功率，使得燃料电池系统的母线电压小于等于目标电压。
进一步地，驱动电路包括脉冲宽度调制电路。
进一步地，开关电路包括开关管，开关管的控制端与驱动电路的输出端连接，开关管的输入端与升压电路的正极连接，开关管的输出端与电加热器连接。
进一步地，装置还包括高压附件。
进一步地，高压附件包括氢泵和空压机中的至少一个附件。
进一步地，装置还包括第一冷却循环组件，燃料电池系统还设置有第一冷却管道，电加热器设置有第二冷却管道，其中，第一冷却循环组件包括三通阀和水泵，三通阀的第一输出端与第二冷却管道的输入端连通，第二冷却管道的输出端与水泵的输入端连通，水泵的输出端与第二冷却管道的输入端连通，第二冷却管道的输出端与三通阀的输入端连通。
进一步地，装置还包括第二冷却循环组件，第二冷却循环组件包括水箱和散热器，三通阀的第二输出端与水箱的输出端分别与散热器的输入端连通，散热器的输出端分别与第二冷却管道的输出端和水箱的输入端连通。
进一步地，第一冷却循环组件还包括去离子器，去离子器与电加热器并联。
进一步地，升压电路包括升压电感、二极管和MOS管，升压电感的一端与燃料电池系统的正极连接，另一端分别与二极管的阳极和MOS管的源极连接；二极管的阴极与开关电路的正极连接；MOS管的漏极与燃料电池系统的负极连接，MOS管的栅极与控制电路连接。
进一步地，电加热器为纯电阻。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请提供的燃料电池系统控制装置以开关电路作为电加热器的控制开关，可以更加灵活地控制电加热器的加热功率；本实施例通过控制电路、驱动电路和开关电路，可以将燃料电池系统的母线电压钳位在安全范围内，泄放DCDC输出的能量，避免对高压部件造成损伤；在此基础上，燃料电池系统可以实现自供电，实现循环冷却，避免电堆中的温度过高，损坏电堆，进而延长电堆的寿命；还可以使用电堆内部残余的空气和氢气产生能量，避免电堆内部气压过高，避免损伤双极板；当汽车处于0℃以下的环境中时，实现对电堆的吹扫，避免电堆内部大量的残余水冻坏电堆，造成管路冰堵。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种燃料电池系统控制装置的结构示意图；
图2为本申请提供的一种燃料电池系统控制装置的电路示意图；
图3为本申请提供的冷却循环组件的结构示意图；
图4为图2所示电路的控制流程示意图。
附图标记：
1-燃料电池系统，2-升压DCDC组件，3-燃料电池系统高压部件，4-整车高压负载，201-升压电路，202-开关电路，203-控制电路，204-驱动电路，301-氢泵控制器，302-空压机控制器，311-三通阀，312-水箱，313-散热器，314-冷却风扇，315-去离子器，317-过滤器，K1-输入侧预充继电器，K2-输入主正继电器，K3-余氢放电继电器，K4-输出预充继电器，K5-输出主正继电器，K6-输出主负继电器，R1-输入预充电阻，R2-余氢放电电阻，R3-输出侧预充电阻，F1-PTC电加热器高压供电熔断器，F2-水泵高压供电熔断器，F3-氢泵高压供电熔断器，F4-空压机高压供电熔断器，L-升压电感，D-二极管，Q1-MOS管，Q2-开关管，M1-高压水泵，M2-高压氢泵，M3-高压空压机。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种燃料电池系统控制装置，解决了现有技术中燃料电池汽车发生故障并紧急停机，会对电堆造成不可逆的损伤，导致电堆的寿命缩短的技术问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种燃料电池系统控制装置，装置包括升压电路、控制电路、开关电路和驱动电路，升压电路的输入端与燃料电池系统的输出端连接；开关电路与电加热器串联，串联后的输入端与升压电路的输出端连接，串联后的输出端与整车高压负载连接；控制电路分别与升压电路的输入端和驱动电路的输入端连接；驱动电路的输出端与开关电路的控制端连接；其中，升压电路用于将燃料电池系统的输出电压升高至目标电压；控制电路用于根据升压电路是否出现故障的当前状态，控制驱动电路的工作状态为目标状态；驱动电路用于控制开关电路的开关频率以调节电加热器的功率，使得燃料电池系统的母线电压小于等于目标电压。
本实施例提供的燃料电池系统控制装置以开关电路作为电加热器的控制开关，可以更加灵活地控制电加热器的加热功率；本实施例通过控制电路、驱动电路和开关电路，可以将燃料电池系统的母线电压钳位在安全范围内，泄放DCDC输出的能量，避免对高压部件造成损伤；在此基础上，燃料电池系统可以实现自供电，实现循环冷却，避免电堆中的温度过高，损坏电堆，进而延长电堆的寿命；还可以使用电堆内部残余的空气和氢气产生能量，避免电堆内部气压过高，避免损伤双极板；当汽车处于0℃以下的环境中时，实现对电堆的吹扫，避免电堆内部大量的残余水冻坏电堆，造成管路冰堵。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在氢燃料电池汽车中，燃料电池系统发生紧急停机，可能是以下两个原因造成的。第一，燃料电池自身发生紧急故障，比如电堆过流，电堆单片电压低于0.4V，冷却液温度过高，燃料电池部件故障等。第二，整车发生故障，例如动力电池欠压(电池剩余电量过低)，过压(电池剩余电量过高或者车辆急刹车导致能量过充)，绝缘异常，其它紧急故障等。
当发生整车级别的紧急故障时，会在第一时间将动力电池的高压断掉，并且燃料电池系统自身也会紧急关机，也就意味着大功率负载均会急停。当大功率负载突然急停，会对电堆造成不可逆的损伤。
造成电堆损伤的原因如下：
第一，急停后电堆内部热量很多，且不能散热，造成电堆内部双极板温度很高，会出现冷却液沸腾现象。
第二，急停后整车负载断开，此时燃料电池系统自身大功率高压部件(例如空压机、水泵、氢泵)均急停，DCDC(指的是将某一电压等级的直流电源变换为其他电压等级直流电源的装置)输出的能量无法泄放掉，反电动势电压瞬间冲高到1000V以上，击穿燃料电池系统高压部件。
第三，急停也会造成堆内部空气和氢气的压力过高，损伤双极板。
第四，当燃料电池汽车处于0℃以下的环境中，急停后，如果不能及时对电堆进行吹扫，电堆内部大量的残余水会冻坏电堆，造成管路冰堵。
相关技术中常用的紧急故障处理方法是：增加泄放回路，将母线电压泄放，保护高压部件，但这并不能电堆不被损伤，当发生多次急停后，电堆会被损坏。
为了解决燃料电池系统急停中出现的上述问题，本实施例提供了如图1所示的一种燃料电池系统控制装置，装置包括升压电路、控制电路、开关电路和驱动电路。
升压电路的输入端与燃料电池系统的输出端连接；开关电路与电加热器(电加热器可以为纯电阻，阻值可以是10kW)串联，串联后的输入端与升压电路的输出端连接，串联后的输出端与整车高压负载连接；控制电路分别与升压电路的输入端和驱动电路的输入端连接；驱动电路的输出端与开关电路的控制端连接。
其中，升压电路用于将燃料电池系统的输出电压升高至目标电压；控制电路用于根据升压电路是否出现故障的当前状态，控制驱动电路的工作状态为目标状态；驱动电路用于控制开关电路的开关频率以调节电加热器的功率，使得燃料电池系统的母线电压小于等于目标电压。
具体地，开关电路包括开关管，开关管的控制端与驱动电路的输出端连接，开关管的输入端与升压电路的正极连接，开关管的输出端与电加热器连接。
驱动电路包括脉冲宽度调制电路。驱动电路控制开关电路的开关频率，可以通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，缩写PWM)电路控制开关电路的开关频率。PWM控制是开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比。
本实施例提供的燃料电池系统控制装置以开关电路作为电加热器的控制开关，可以更加灵活地控制电加热器的加热功率；本实施例通过控制电路、驱动电路和开关电路，可以将燃料电池系统的母线电压钳位在安全范围内，泄放DCDC输出的能量，避免对高压部件造成损伤；在此基础上，燃料电池系统可以实现自供电，实现循环冷却，避免电堆中的温度过高，损坏电堆，进而延长电堆的寿命；还可以使用电堆内部残余的空气和氢气产生能量，避免电堆内部气压过高，避免损伤双极板；当汽车处于0℃以下的环境中时，实现对电堆的吹扫，避免电堆内部大量的残余水冻坏电堆，造成管路冰堵。
现结合图2，提供一个更详细的电路图，以说明本实施例提供的一种燃料电池系统控制装置。在图2中，将电加热器的熔断保护F1、电加热器的开关电路、驱动电路均集成到升压DCDC组件内部，升压电路为驱动电加热器的执行器，升压电路的控制指令由控制电路(控制电路主要是指燃料电池系统控制器FCCU，Fuel Cell Controller Unit)通过CAN下发。
燃料电池系统高压输出接到升压DCDC，升压DCDC输出接到整车高压。其中，PTC电加热器，高压水泵，高压氢泵，高压空压机的高压配电单元集成到DCDC内部，开关管采用IGBT或者MOS-SiC管。开关管采用PWM波驱动，驱动程序和驱动电路也设计在DCDC内部，FCCU通过can通讯下发控制指令，由升压电路执行。
升压电路包括升压电感、二极管和MOS管，升压电感的一端与燃料电池系统的正极连接，另一端分别与二极管的阳极和MOS管的源极连接；二极管的阴极与开关电路的正极连接；MOS管的漏极与燃料电池系统的负极连接，MOS管的栅极与控制电路连接。
在燃料电池系统的输出端与升压电路之间还包括继电器K1、继电器K2、电阻R1、继电器K3、电阻R2。
开关电路中开关管可以使用IGBT或SiC-MOS管，为了保护开关管，还连接了熔断器F1。本实施例采用一个IGBT或SiC-MOS管来作为燃料电池系统PTC电加热器的控制开关，比采用接触器响应速度更快，接触器触点闭合的时间为20ms，IGBT或SiC-MOS可以实现20nS的开启速度，对于钳位电压更加出色，不会出现电压过冲。
燃料电池系统还包括高压附件，具体包括水泵M1、氢泵M2和空压机M3，并分别配置有熔断器F2、F3、F4。氢泵由氢泵控制器控制，空压机由空压机控制器控制。
在开关电路与整车高压电路之间还包括继电器K4、继电器K5、电阻R3、继电器K6。
当燃料电池系统在正常工作时，控制电路控制驱动电路，按照预先设定的开关频率及占空比来控制电加热器即可。电加热器设置有冷却循环组件，如图3所示。
燃料电池系统设置有第一冷却管道，电加热器设置有第二冷却管道，其中，第一冷却循环组件包括三通阀和水泵，三通阀的第一输出端与第二冷却管道的输入端连通，第二冷却管道的输出端与水泵的输入端连通，水泵的输出端与第二冷却管道的输入端连通，第二冷却管道的输出端与三通阀的输入端连通。第一冷却循环组件还包括去离子器和过滤器，去离子器与电加热器并联，过滤器串联在第一冷却管道上。
第二冷却循环组件包括水箱和散热器，三通阀的第二输出端与水箱的输出端分别与散热器的输入端连通，散热器的输出端分别与第二冷却管道的输出端和水箱的输入端连通。在散热器上还设置有冷却风扇。
其中，第一冷却管道、三通阀的第一输出端、第二冷却管道、水泵、过滤器形成小循环管路。第一冷却管道、三通阀的第二输出端、散热器、水箱、水泵、过滤器形成大循环管路。当发生紧急停机时，可以开启小循环(或者增大小循环管路的开度)，对电加热器进行降温。当未发生紧急停机时，可以使用大循环管路，为燃料电池系统降温。三通阀是个电子可调节阀，开度可以0-100％调节，通过调节三通阀，控制小循环和大循环的开度和流量。电加热器为纯电阻，可以在进出水口安装温度传感器，作为开启，关闭，保护的判断信号。
结合图4所示，对本实施例提供的一种燃料电池系统控制装置的控制过程进行说明。
整车VCU(即整车控制器)发出紧急停机指令，即断开动力电池(即除燃料电池以外的电池)，燃料电池系统紧急关机，此时燃电FCCU执行紧急关机。或者燃电DCDC输出过压/过流故障，此时燃电FCCU执行紧急关机。
当燃电FCCU开始执行紧急关机时，DCDC断开整车高压(即断开图2中的K5和K6)。燃电FCCU指定目标功率(例如8kW)，DCDC按照500A/s降到8kW。此时PTC开始加热，并控制IGBT的驱动电路，将母线电压压制在安全电压范围内(乘用车420V，商用车600V)。燃电FCCU控制氢泵控制器、空压机控制器按照对应的目标功率执行运转，进而可以避免水泵、氢泵、空压机急停，造成高压部件损坏。之后，燃电FCCU执行关机吹扫程序，当吹扫完毕则关机。
也就是说，当DCDC检测到输出母线过压或输出过流时，升压DCDC向燃电FCCU上报故障，强制断开K5和K6，闭合开关电路中的IGBT，在预设时间内(例如5s内)，DCDC会执行FCCU所有的指令，FCCU接收到故障信号，会下发8kW的功率指令，同时水冷循环切换到小循环，FCCU按照关机流程执行吹扫程序。当DCDC没有在预设时间内接收FCCU的指令，DCDC进入故障保护状态。
当FCCU自身检测到三级紧急停机故障或者整车控制器下发的紧急停机故障信号时，强制断开K5和K6，闭合开关电路中的IGBT，将母线电压钳位在设定电压以内。FCCU接收到故障信号，会下发8kW的功率指令，同时水冷循环切换到小循环，空气，水路，氢气等控制电路按照8KW的功率要求执行，待功率下降到8kW稳定后，FCCU按照关机流程执行吹扫程序。
本实施例提供的电路简单可靠，电加热器采用纯电阻模式，成本低，控制电路集成到DCDC内部，控制策略成熟，可以有效解决燃电紧急故障掉高压，整车三级故障掉高压，燃料电池系统硬停模式，避免硬停模式对高压部件和电堆的损伤，延长使用寿命。本实施例可以实现软停模式，在高压丢失的情况下，可以将燃电输出电压钳位在设定值，燃电自供自耗自平衡，按照整车停机执行吹扫程序。本实施例提供的策略安全可靠，充分考虑燃电的特性，理论上可以实现不限次数急停。
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本申请实施例中信息处理的方法所采用的电子设备，故而基于本申请实施例中所介绍的信息处理的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本申请实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本申请实施例中信息处理的方法所采用的电子设备，都属于本申请所欲保护的范围。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统控制装置，其特征在于，所述装置包括升压电路、控制电路、开关电路和驱动电路，
所述升压电路的输入端与燃料电池系统的输出端连接；
所述开关电路与电加热器串联，串联后的输入端与所述升压电路的输出端连接，串联后的输出端与整车高压负载连接；
所述控制电路分别与所述升压电路的输入端和所述驱动电路的输入端连接；
所述驱动电路的输出端与所述开关电路的控制端连接；
其中，所述升压电路用于将所述燃料电池系统的输出电压升高至目标电压；所述控制电路用于根据所述升压电路是否出现故障的当前状态，控制所述驱动电路的工作状态为目标状态；所述驱动电路用于控制所述开关电路的开关频率以调节所述电加热器的功率，使得所述燃料电池系统的母线电压小于等于目标电压。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动电路包括脉冲宽度调制电路。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关电路包括开关管，所述开关管的控制端与所述驱动电路的输出端连接，所述开关管的输入端与所述升压电路的正极连接，所述开关管的输出端与所述电加热器连接。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括高压附件。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述高压附件包括氢泵和空压机中的至少一个附件。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一冷却循环组件，所述燃料电池系统还设置有第一冷却管道，所述电加热器设置有第二冷却管道，其中，所述第一冷却循环组件包括三通阀和水泵，所述三通阀的第一输出端与所述第二冷却管道的输入端连通，所述第二冷却管道的输出端与所述水泵的输入端连通，所述水泵的输出端与所述第二冷却管道的输入端连通，所述第二冷却管道的输出端与所述三通阀的输入端连通。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二冷却循环组件，所述第二冷却循环组件包括水箱和散热器，所述三通阀的第二输出端与所述水箱的输出端分别与所述散热器的输入端连通，所述散热器的输出端分别与所述第二冷却管道的输出端和所述水箱的输入端连通。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一冷却循环组件还包括去离子器，所述去离子器与所述电加热器并联。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升压电路包括升压电感、二极管和MOS管，所述升压电感的一端与所述燃料电池系统的正极连接，另一端分别与所述二极管的阳极和所述MOS管的源极连接；所述二极管的阴极与所述开关电路的正极连接；所述MOS管的漏极与所述燃料电池系统的负极连接，所述MOS管的栅极与所述控制电路连接。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电加热器为纯电阻。
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