CN114523883B - 一种燃料电池混合动力车辆及其安全监控方法 - Google Patents

一种燃料电池混合动力车辆及其安全监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池安全监控技术领域，具体涉及一种燃料电池混合动力车辆及其安全监控方法。本发明首先初次判断动力电池的绝缘值是否大于等于绝缘报警值，若大于等于则使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态，并再次判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于绝缘报警值；若再次判断动力电池绝缘性的结果为大于等于且冷却液的电导率小于等于电导率报警值，则使DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态；若此时动力电池的绝缘值大于等于绝缘报警值，则控制整车行驶。本发明对整个动力系统一步一步检测，在一个部件绝缘性满足要求的情况下，再将另一部件接入，可准确定位出现故障的部件，方便后期维护，保证了整车的安全可靠运行。

Description

一种燃料电池混合动力车辆及其安全监控方法
技术领域
本发明属于燃料电池安全监控技术领域，具体涉及一种燃料电池混合动力车辆及其安全监控方法。
背景技术
燃料电池是一类直接将燃料氧化产生的化学能转化为电能的发电装置。为了高效地消耗能量，燃料电池车辆一般使用混合动力系统，目前，燃料电池车辆主要以搭载燃料电池和动力电池作为电能来源的混合动力类型。燃料电池输出电压一般在200V左右，电压较低，需要通过升压DC/DC变换器将电压升高至与动力电池相同的电压，共同驱动车辆。
在通过高电压电池或燃料电池的高电压而工作的车辆中保持绝缘电阻免于降低非常重要。通常，绝缘电阻降低主要由高电压部件的故障导致，例如，高电压部件的内部短路或介电击穿、高电压电缆的介电击穿等。但是，在燃料电池车辆的情形中，即使在流经燃料电池组的冷却剂被污染时，电流也可以通过冷却剂中的离子流动，从而可以降低高电压端子的绝缘电阻。
申请公布号为CN110053519A的中国发明专利公开了一种燃料电池客车用绝缘监测控制系统，该系统包括两个绝缘检测模块，分别对升压DCDC输入前端和输出后端进行绝缘监测，以解决采用隔离升压DCDC的燃料电池车的绝缘监测标准不一致导致车辆运行异常问题。该系统中使用两个绝缘监测模块，一方面增加成本，另一方面两个绝缘监测模块同时工作时是相互干扰的，不同时工作时利用率较低，而且，除了DCDC外，燃料电池和动力电池均易出现绝缘故障，该系统无法定位出燃料电池和动力电池是否出现绝缘故障，不便于后期维护，无法保证整车安全。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池混合动力车辆及其安全监控方法，用以解决无法定位出燃料电池和动力电池是否出现绝缘故障导致的无法保证整车安全的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
本发明提供了一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法，所述燃料电池混合动力车辆包括动力系统和燃料电池冷却装置，所述动力系统包括燃料电池和动力电池，所述燃料电池和动力电池之间连接有DC/DC变换器，所述燃料电池冷却装置用于使用冷却液来冷却燃料电池；该方法包括如下步骤：
1)整车上电时，实时检测动力电池的绝缘值和冷却液的电导率；
2)初次判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于绝缘报警值，若动力电池的绝缘值大于或者等于绝缘报警值，则使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态，并再次判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于绝缘报警值；
3)判断冷却液的电导率是否小于或者等于电导率报警值；
4)若步骤2)中再次判断的结果为动力电池的绝缘值大于或者等于绝缘报警值且步骤3)的判断结果为冷却液的电导率小于或者等于电导率报警值，则使DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态；
5)再次判断动力电池绝缘值是否大于绝缘报警值，若动力电池的绝缘值大于或者等于绝缘报警值，则控制整车行驶。
上述技术方案的有益效果为：本发明先是分别对燃料电池和动力电池的绝缘性分别进行检测，然后在燃料电池和动力电池均绝缘正常的情况下，使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态，继续对动力电池绝缘性进行检测，如果此时绝缘也正常，那么便排除了DC/DC变换器出现绝缘故障的可能性，此时再在DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态下对动力电池绝缘性进行检测，此时若绝缘正常，说明整车动力系统绝缘正常，可控制整车行车。本发明对整个动力系统一步一步检测，在一个部件绝缘性满足要求的情况下，再将另一部件接入，保证接入高压的每个部件绝缘性都是满足要求的，可准确定位出现故障的部件，方便后期维护，保证了整车的安全可靠运行。
进一步的，为了保证整车安全，步骤2)中，若初次判断的结果为动力电池的绝缘值小于绝缘报警值，则禁止整车行车，并进行动力电池绝缘故障报警。
进一步的，为了便于后期维护且提醒驾驶员DC/DC变换器出现故障，步骤2)中，若再次判断的结果为动力电池的绝缘值小于绝缘报警值，则控制整车纯电动行驶，并进行DC/DC变换器绝缘故障报警。
进一步的，为了准确确认离子罐更换周期并对燃料电池绝缘性进行判断，步骤3)的判断结果为冷却液的电导率大于电导率报警值，则控制设置在燃料电池冷却循环管路中的离子罐工作设定时间以通过吸收冷却液中的离子来降低冷却液的电导率，若设定时间后冷却液的电导率仍旧大于电导率报警值，则更换离子罐。
进一步的，步骤5)中，若动力电池的绝缘值小于绝缘报警值，则使DC/DC变换器和燃料电池之间处于断开状态，并继续判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于电导率报警值，若动力电池的绝缘值大于或者等于电导率报警值，则控制整车纯电动行驶，并进行燃料电池绝缘故障报警。
进一步的，若继续判断的结果为动力电池的绝缘值小于电导率报警值，则使DC/DC变换器和动力电池之间处于断开状态，并最后判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于电导率报警值：若动力电池的绝缘值大于或者等于电导率报警值，则控制整车纯电动行驶，并进行DC/DC变换器绝缘故障报警；若动力电池的绝缘值小于电导率报警值，则禁止整车行车，并进行动力电池绝缘故障报警。
本发明还提供了一种燃料电池混合动力车辆，包括控制装置、混合动力系统、燃料电池冷却装置、绝缘检测仪以及电导率检测仪，所述混合动力系统包括燃料电池、动力电池以及DC/DC变换器；
所述DC/DC变换器设置在燃料电池和动力电池之间；
所述燃料电池冷却装置用于使用冷却液来冷却燃料电池；
所述绝缘检测仪用于检测动力电池绝缘值；
所述电导率检测仪用于检测所述冷却液的电导率；
所述控制装置包括存储和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的燃料电池混合动力车辆安全监控方法，并达到与该方法相同的效果。
进一步的，所述燃料电池和DC/DC变换器之间设置有第一高压正极预充单元和高压负极预充单元；所述第一高压正极预充单元包括第一正极预充开关、第一正极预充电阻以及第一控制开关，第一正极预充开关和第一正极预充电阻串联后与第一控制开关并联；所述高压负极预充单元包括负极预充开关、负极预充电阻以及第二控制开关，负极预充开关和负极预充电阻串联后与第二控制开关并联；通过控制第一正极预充开关和负极预充开关闭合来使DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态。
进一步的，所述动力电池和DC/DC变换器之间设置有第二高压正极预充单元，所述第二高压正极预充单元包括第二正极预充开关、第二正极预充电阻以及第三控制开关，第二正极预充开关和第二正极预充电阻串联后与第三控制开关并联；通过控制第二正极预充开关闭合来使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态。
进一步的，所述控制装置为整车控制器。
附图说明
图1是本发明的燃料电池混合动力车辆的结构图；
其中，1-燃料电池散热器，2-燃料电池，3-DC/DC变换器，4-动力电池，5-整车控制器，6-电导率检测仪，7-离子罐，8-水泵，9-绝缘检测仪，10-第一高压正极预充单元，11-高压负极预充单元，12-第二高压正极预充单元；
图2是本发明的燃料电池混合动力车辆安全监控方法的流程图。
具体实施方式
本发明采用电导率检测仪来间接检测燃料电池的绝缘性，采用绝缘检测仪直接检测动力电池的绝缘性，并采用一定的时序控制，对整个动力系统的绝缘性进行检测，以一一排除绝缘正常的对象，定位出绝缘故障的准确位置，确定到底是燃料电池、动力电池、还是DC/DC变换器出现了故障，方便后期维护。
下面结合附图及实施例，对本发明的一种燃料电池混合动力车辆和一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法进行详细说明。
车辆实施例：
本发明的一种燃料电池混合动力车辆实施例，如图1所示，包括混合动力系统、水泵8、燃料电池散热器1、离子罐7、第一高压正极预充单元10、第二高压正极预充单元12、高压负极预充单元11、电导率检测仪6、绝缘检测仪9以及整车控制器5。混合动力系统包括燃料电池2、动力电池4以及DC/DC变换器3。
燃料电池2为氢燃料电池，能够在氢气的供给下供电；动力电池4能够为整车提供动力。DC/DC变换器3设置在燃料电池2和动力电池4之间，用于对燃料电池2进行升压操作。燃料电池2和DC/DC变换器3之间连接有第一高压正极预充单元10和高压负极预充单元11，动力电池4和DC/DC变换器3之间连接有第二高压正极预充单元12。第一高压正极预充单元10包括第一正极预充开关K1、第一正极预充电阻R1以及第一控制开关K11，第一正极预充开关K1和第一正极预充电阻R1串联后与第一控制开关K11并联；高压负极预充单元11包括负极预充开关K2、负极预充电阻R2以及第二控制开关K22，负极预充开关K2和负极预充电阻R2串联后与第二控制开关K22并联；第二高压正极预充单元12包括第二正极预充开关K3、第二正极预充电阻R3以及第三控制开关K33，第二正极预充开关K3和第二正极预充电阻R3串联后与第三控制开关K33并联。
该燃料电池混合动力车辆还包括燃料电池散热器1、水泵8和离子罐7。水泵8设置在燃料电池散热器1和燃料电池2之间的冷却循环管路上，水泵8的出水口和燃料电池散热器1的入水口之间还设置有旁路管路，该旁路管路上设置有离子罐7。燃料电池散热器1能够使燃料电池2工作在合适的温度，同时会释放离子使冷却液电导率上升。离子罐7能够吸收冷却液中离子，使冷却液电导率降低。
该燃料电池混合动力车辆还包括电导率检测仪6、绝缘检测仪9和整车控制器5。电导率检测仪6用于采集冷却液中的电动率信息，且冷却液的电导率与燃料电池绝缘值呈正相关，存在一个临界电导率X(即电导率报警值)，对应燃料电池系统达到绝缘报警值Y(通过试验标定，为保障安全，略大于国标绝缘报警Z)。绝缘检测仪9用于检测高压正负极回路绝缘值(即动力电池绝缘值)。整车控制器5为整个燃料电池混合动力系统的核心控制器，通过控制线与电导率检测仪6、水泵8、燃料电池2、DC/DC变换器3、绝缘检测仪9、动力电池4均相连，以收集部分零部件的反馈信号，并通过控制线控制部分零部件。
其中，电阻的计算公式为：R＝σL/S；R为电阻，单位为Ω；σ为电导率，单位Ω.m；S为横截面积，单位m2；L为导体长度，单位m。依据该公式，便可得到与绝缘报警值Y对应的临界电导率X。
基于上述硬件结构，可以实现本发明的一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法，主要包含三个步骤，分别为：纯电动绝缘检测、燃料电池电导率检测、整车行驶检测。其中，整车上电后，同时开展纯电动绝缘检测(对应下述步骤一)和燃料电池电导率检测(对应下述步骤二)，这两步均完成后，才进行整车行驶检测(对应下述步骤三)。整车上电前，第一高压正极预充单元10、高压负极预充单元11、第二高压正极预充单元12中的各个开关均处于断开状态。整车上电后，下面结合图2，对该方法进行详细说明。
步骤一，整车上电后，绝缘检测仪9开始工作，周期性检测整个高压回路中的正负极绝缘电阻，即动力电池绝缘值：
若绝缘检测仪9检测的动力电池绝缘值小于Z，说明动力电池4(电池及整车纯电动部分)发生绝缘故障，此时应进行动力电池绝缘故障报警，禁止行车。
若绝缘检测仪9检测的动力电池绝缘值大于或者等于Z，说明动力电池4(电池及整车纯电动部分)绝缘正常，此时再控制闭合第二高压正极预充单元12中的第二正极预充开关K3，完成高压预充，再对绝缘检测仪9检测的结果进行分析：若绝缘检测仪9检测的动力电池绝缘值小于Z，由于动力电池4绝缘正常，故说明DC/DC变换器3发生绝缘故障，应保持第二高压正极预充单元12中的第三控制开关K33处于断开状态，使整车保持纯电动行驶，进行DC/DC变换器绝缘故障报警，到站后维护DC/DC变换器3即可；若绝缘检测仪9检测的动力电池绝缘值大于或者等于Z，说明DC/DC变换器绝缘正常。
步骤二，整车上电后，电导率检测仪6开始工作，周期性检测燃料电池冷却液的电导率：
若电导率小于或者等于X，电导率正常，说明燃料电池2绝缘正常。
若电导率大于X，电导率异常，说明燃料电池2发生绝缘故障，在低压水泵能够正常工作的情况下，控制水泵运转时间M，以利用离子罐7吸收冷却液中离子，若水泵运转时间M后：电导率仍大于X，则更换离子罐7，控制水泵8重新开始运行；电导率小于或者等于X，则电导率正常，说明燃料电池2绝缘正常。其中，对于图1中所示的燃料电池混合动力车辆，经过水泵后的冷却液具体有多少直接进入散热器、以及有多少先经过离子罐再进入散热器，取决于离子罐换和散热器两个部件的阻力，阻力越大，则相应进入该部件的冷却液便少一些。当然，也可在水泵9和离子罐7之间、或者水泵8和散热器1之间增加控制开关，通过控制控制开关的闭合与否来实现冷却液是否经过离子罐。
步骤三，在步骤二最终检测结果为燃料电池电导率小于或者等于X，且步骤一最终检测结果为动力电池绝缘值大于或者等于Z时，此时控制闭合第一高压正极预充单元10中的第一正极预充开关K1以及高压负极预充单元11中的负极预充开关K2，完成高压预充，绝缘检测仪9继续检测整个高压回路中的正负极绝缘电阻：
若绝缘检测仪9继续检测的结果为动力电池绝缘值大于或者等于Z，说明整个燃料电池混合动力系统绝缘正常，整车可正常行驶。
若绝缘检测仪9继续检测的结果为动力电池绝缘值小于Z，此时控制断开第一高压正极预充单元10中的第一正极预充开关K1以及高压负极预充单元11中的负极预充开关K2，再次对动力电池绝缘值进行检测：
若绝缘检测仪9再次检测的结果为动力电池绝缘值小于Z，则控制断开第二高压正极预充单元12中的第二正极预充开关K3，最后对绝缘检测仪9的检测结果进行判断：若最后检测结果为动力电池绝缘值依旧小于Z，说明DC/DC变换器3和动力电池4均出现绝缘故障，进行动力系统绝缘报警，应禁止行车；若最后检测结果为动力电池绝缘值大于或者等于Z，说明DC/DC变换器3出现绝缘故障，则进行DC/DC变换器绝缘故障报警，可先纯动力行车，到站后维护DC/DC变换器；
若绝缘检测仪9再次检测的结果为动力电池绝缘值大于或者等于Z，说明燃料电池发生绝缘故障，此时进行燃料电池绝缘故障报警，控制整车纯电动行驶，并在到站后维护燃料电池。
需说明的是，步骤一和步骤二是同时开展的。而且，步骤一和步骤二相当于正向的检测过程，先是分别对燃料电池和动力电池分别进行绝缘检测，然后在燃料电池和动力电池均绝缘正常的情况下，使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态，继续对动力电池绝缘性进行检测，如果此时出现绝缘故障，便排除了是动力电池绝缘发生故障的可能性，可定位到是DC/DC变换器出现了绝缘故障。若上述过程检测结果为动力电池、燃料电池以及DC/DC变换器绝缘均无问题，但是在DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态、且DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态时，动力电池绝缘性又出现了问题，此时再按照与上述过程相反的控制开关的顺序(即步骤三相当于反向的检测过程)，依次控制K1和K2、以及K3断开，再次补充查找绝缘性出现问题的地方，有效判断燃料电池、动力电池、或者DC/DC变换器的失效部位，方便后期维护，保证了燃料电池混合动力车辆的安全可靠运行。
而且，本发明在燃料电池系统冷却回路中增加电导率检测仪，检测冷却液电导率，根据电导率确定离子罐更换周期，同时利用燃料电池绝缘电阻与电导率正相关的数学关系，确定燃料电池系统绝缘临界值，以间接确定燃料电池的绝缘性。在燃料电池高压接通前，通过电导率的检测准确确定离子罐的更换周期，并对燃料电池的绝缘性进行判断，保证整车的绝缘安全。
控制装置包括存储器和处理器，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现本发明的一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法。本实施例中控制装置直接采用整车控制器，处理器和存储器均为整车控制器中的存储器和处理器。作为其他实施方式，处理器和存储器也可不为整车控制器，可为整车中的其他存储器和处理器，例如处理器可为微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等处理装置，存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，包括RAM、ROM等。
方法实施例：
本发明的一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法实施例，如系统实施例中介绍的一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其流程如图2所示，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其特征在于，所述燃料电池混合动力车辆包括动力系统和燃料电池冷却装置，所述动力系统包括燃料电池和动力电池，所述燃料电池和动力电池之间连接有DC/DC变换器，所述燃料电池冷却装置用于使用冷却液来冷却燃料电池；该方法包括如下步骤：
1)整车上电时，实时检测动力电池的绝缘值和冷却液的电导率；
2)初次判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于绝缘报警值，若动力电池的绝缘值大于或者等于绝缘报警值，则使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态，并再次判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于绝缘报警值；
3)判断冷却液的电导率是否小于或者等于电导率报警值；
4)若步骤2)中再次判断的结果为动力电池的绝缘值大于或者等于绝缘报警值且步骤3)的判断结果为冷却液的电导率小于或者等于电导率报警值，则使DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态；
5)再次判断动力电池绝缘值是否大于绝缘报警值，若动力电池的绝缘值大于或者等于绝缘报警值，则控制整车行驶。
2.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其特征在于，步骤2)中，若初次判断的结果为动力电池的绝缘值小于绝缘报警值，则禁止整车行车，并进行动力电池绝缘故障报警。
3.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其特征在于，步骤2)中，若再次判断的结果为动力电池的绝缘值小于绝缘报警值，则控制整车纯电动行驶，并进行DC/DC变换器绝缘故障报警。
4.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其特征在于，步骤3)的判断结果为冷却液的电导率大于电导率报警值，则控制设置在燃料电池冷却循环管路中的离子罐工作设定时间以通过吸收冷却液中的离子来降低冷却液的电导率，若设定时间后冷却液的电导率仍旧大于电导率报警值，则更换离子罐。
5.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其特征在于，步骤5)中，若动力电池的绝缘值小于绝缘报警值，则使DC/DC变换器和燃料电池之间处于断开状态，并继续判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于电导率报警值，若动力电池的绝缘值大于或者等于电导率报警值，则控制整车纯电动行驶，并进行燃料电池绝缘故障报警。
6.根据权利要求5所述的燃料电池混合动力车辆安全监控方法，其特征在于，若继续判断的结果为动力电池的绝缘值小于电导率报警值，则使DC/DC变换器和动力电池之间处于断开状态，并最后判断动力电池的绝缘值是否大于或者等于电导率报警值：若动力电池的绝缘值大于或者等于电导率报警值，则控制整车纯电动行驶，并进行DC/DC变换器绝缘故障报警；若动力电池的绝缘值小于电导率报警值，则禁止整车行车，并进行动力电池绝缘故障报警。
7.一种燃料电池混合动力车辆，其特征在于，包括控制装置、混合动力系统、燃料电池冷却装置、绝缘检测仪以及电导率检测仪，所述混合动力系统包括燃料电池、动力电池以及DC/DC变换器；
所述DC/DC变换器设置在燃料电池和动力电池之间；
所述燃料电池冷却装置用于使用冷却液来冷却燃料电池；
所述绝缘检测仪用于检测动力电池绝缘值；
所述电导率检测仪用于检测所述冷却液的电导率；
所述控制装置包括存储和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～6任一项所述的燃料电池混合动力车辆安全监控方法。
8.根据权利要求7所述的燃料电池混合动力车辆，其特征在于，所述燃料电池和DC/DC变换器之间设置有第一高压正极预充单元和高压负极预充单元；所述第一高压正极预充单元包括第一正极预充开关、第一正极预充电阻以及第一控制开关，第一正极预充开关和第一正极预充电阻串联后与第一控制开关并联；所述高压负极预充单元包括负极预充开关、负极预充电阻以及第二控制开关，负极预充开关和负极预充电阻串联后与第二控制开关并联；
通过控制第一正极预充开关和负极预充开关闭合来使DC/DC变换器和燃料电池之间处于连通状态。
9.根据权利要求7所述燃料电池混合动力车辆，其特征在于，所述动力电池和DC/DC变换器之间设置有第二高压正极预充单元，所述第二高压正极预充单元包括第二正极预充开关、第二正极预充电阻以及第三控制开关，第二正极预充开关和第二正极预充电阻串联后与第三控制开关并联；通过控制第二正极预充开关闭合来使DC/DC变换器和动力电池之间处于连通状态。
10.根据权利要求7～9任一项所述的燃料电池混合动力车辆，其特征在于，所述控制装置为整车控制器。
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