CN115986165B - 一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源汽车技术领域，具体而言，涉及一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，包括：供氢控制器HCU、燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器，所述燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器分别与供氢控制器HCU连接，高压氢瓶设置有多路，且各路高压氢瓶分别对应设置有一个集成瓶阀；其中，燃料电池控制器FCU，将工况指令发送至供氢控制器HCU处，以及按重要分级接收供氢管路系统的当前状态和故障信息；高压氢瓶与集成瓶阀，获取供氢控制器HCU的控制指令，以及将高压氢瓶与集成瓶阀的状态信息传输至供氢控制器HCU处。

Description

一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，具体而言，涉及一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统。

背景技术

近年来，发展新能源汽车已经成为了趋势，使用清洁能源氢气作为燃料的新能源汽车应运而生。就目前而言，这种新能源汽车的控制逻辑仍然采用如下形式：根据燃料电池控制器FCU开启指令开启集成瓶阀，无法根据不同工况氢气供给需求开启设定的集成瓶阀；并且瓶阀诊断电路在设计之初就存在能耗高的问题，常常导致了不必要的能量损耗以及瓶阀寿命衰退；另外，现有的瓶阀诊断电路只能识别瓶阀的好坏，无法及时发现瓶阀衰退的迹象，从而导致在应用过程中瓶阀意外中断，而导致系统异常。基于此，为了克服上述问题，我们设计了一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，其用于解决上述技术问题。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，包括：供氢控制器HCU、燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器，所述燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器分别与供氢控制器HCU连接，高压氢瓶设置有多路，且各路高压氢瓶分别对应设置有一个集成瓶阀；

其中，燃料电池控制器FCU，将工况指令发送至供氢控制器HCU处，以及按预设分级接收供氢管路系统的当前状态和故障信息；

高压氢瓶与集成瓶阀，获取供氢控制器HCU的控制指令，以及将高压氢瓶与集成瓶阀的状态信息传输至供氢控制器HCU处。

可选的，所述燃料电池控制器FCU与供氢控制器HCU之间的信号传输，设置有如下预设分级策略：

获取燃料电池控制器FCU的工况指令；

供氢控制器HCU根据燃料电池控制器FCU的工况指令对供氢管路系统进行诊断，根据诊断结果判断供氢管路系统的实际状态，并划定预设分级为正常状态、异常衰减状态、故障状态，并传输至燃料电池控制器FCU处，其中，供氢管路系统包括各路高压氢瓶与集成瓶阀，对故障状态的高压氢瓶与集成瓶阀进行报警排除，对异常衰减状态的高压氢瓶与集成瓶阀进行使用优先级排后，对正常状态的高压氢瓶与集成瓶阀进行优先使用。

可选的，所述供氢控制器HCU与高压氢瓶与集成瓶阀之间，设置有如下气量优先级划分策略：

获取各路集成瓶阀处所设置的热敏电阻温度信号；

根据集成瓶阀处所设置的热敏电阻温度信号进行计算，得到高压氢瓶的当前气量，根据高压氢瓶的当前气量划分为气量阈值状态、低于气量阈值且大于气量设定值状态、低于气量设定值且大于零气量状态和零气量状态，并传输至供氢控制器HCU处，其中，零气量状态的高压氢瓶进行加气提示，气量阈值状态的高压氢瓶、低于气量阈值且大于气量设定值状态的高压氢瓶、低于气量设定值且大于零气量状态的高压氢瓶结合集成瓶阀的诊断结果和预设的工况负荷进行使用确定。

可选的，所述单路高压氢瓶与集成瓶阀的诊断，具体通过瓶阀诊断电路进行，瓶阀诊断电路包括：第一电源VGAS、电感L3、电阻R29、电阻R104、电容C108、电阻R163、第一二极管、第一带阻晶体管、MCU驱动口PB4、驱动电路；第一电源VGAS与电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与电阻R29的一端、驱动电路、电阻R163的一端连接，电阻R29的另一端分别与电阻R104的一端、电容C108的一端连接，电阻R104的另一端、电容C108的另一端分别接地，电阻R163的另一端与第一二极管的正极连接，第一二极管的负极与第一带阻晶体管的c极连接，第一带阻晶体管的b极与MCU驱动口PB4连接，第一带阻晶体管的e极接地。

可选的，所述驱动电路包括：电容C29、第一稳压二极管、第一场效应管、电阻R152、电阻R148、PT1、二极管D19、第二电源VGAS、第二二极管、第二场效应管、电阻R128、第二稳压二极管、电阻R124、第二带阻晶体管、PB2；电感L3的另一端分别与电阻R29的一端、电容C29的一端、第一稳压二极管的负极、第一场效应管的漏极、二极管D19的正极、电阻R163的一端连接，电容C29的另一端接地，第一场效应管的源极接地，第一场效应管的栅极分别与电阻R152的一端、电阻R148的一端连接，电阻R152的另一端接地，电阻R148的另一端与PT1连接，二极管D19的负极分别与第二电源VGAS、第二二极管的正极、第二场效应管的漏极、第二二极管的负极、第二场效应管的源极、第二稳压二极管的负极、电阻R128的一端连接，第二场效应管的栅极分别与第二稳压二极管的正极、电阻R128的另一端、电阻R124的一端连接，电阻R124的另一端与第二带阻晶体管的c极连接，第二带阻晶体管的b极与PB2连接，第二带阻晶体管的e极接地。

在上述技术方案中，PT1为瓶阀的MCU驱动信号，PB2为瓶阀内阻诊断的MCU使能信号。

可选的，所述瓶阀诊断电路内设置有采集点，以诊断集成瓶阀的线圈内阻数据，其数学表达式如下：

其中，RL为集成瓶阀的线圈内阻，VGAS为电源电压，VT为采集点电压，RD为电阻R163的阻值，电阻R163在瓶阀诊断电路中为诊断标准电阻阻值，VD为二极管压降。

可选的，多路瓶阀诊断电路在进行同时诊断时，还预设有设定个数的片选芯片NLVHCT4851ADTR2G，用于扩展多个采集通道以节省MCU端口资源。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本实施例优化了燃料电池供氢管路系统的供给策略，做到高效、安全、自动匹配控制。对氢瓶阀的控制采取低功耗控制电路，有效降低整体功耗提高瓶阀寿命。每一个缸的瓶阀实现自诊断逻辑，根据内阻的变化提前发现瓶阀的功能衰退；

本实施例可以有效的避免瓶阀故障导致异常供给中断以及氢阀气量不足在大负荷下多次切换瓶阀导致的燃量供给不稳定的故障问题；

本实施例通过PEEK-HOLD的控制方法和对应控制电路可以保证在常规一半的功耗使用下精准的对瓶阀进行控制，响应时间可以高达MS级别。并且氢瓶阀低功耗精准控制电路具备短电源和短地保护功能，可以在异常电性能负荷状态保证电路不被损坏。

附图说明

图1为本发明提供的一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统的架构示意图；

图2为本发明提供的高压氢瓶与集成瓶阀与供氢控制器HCU的连接关系示意图；

图3为本发明提供的单路瓶阀诊断电路的示意图；

图4为本发明提供的选通电路的示意图；

图5为本发明提供的瓶阀控制电路的示意图；

图6为本发明提供的主继电器驱动控制电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如图1所示，本发明提供了其中一种实施例：一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，包括：供氢控制器HCU、燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器，所述燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器分别与供氢控制器HCU连接，高压氢瓶设置有多路，且各路高压氢瓶分别对应设置有一个集成瓶阀。

供氢控制器HCU作为核心控制器件主要包括：

1、接收来自燃料电池控制器FCU工况指令，并将供氢管路系统当前状态和故障信息按重要分级发送给燃料电池控制器FCU；

2、控制阀门工作，包括集成瓶阀、减压器、燃料电池进气主阀开启和关闭；

3、监控系统状态，高压储气氢瓶内部温度进而换算为气瓶余量、管道压力信号、氢气泄露状态。

如图2所示，本实施例优化了燃料电池供氢管路系统的供给策略，做到高效、安全、自动匹配控制。对氢瓶阀的控制采取低功耗控制电路，有效降低整体功耗提高瓶阀寿命。每一个缸的瓶阀实现自诊断逻辑，根据内阻的变化提前发现瓶阀的功能衰退。

在本实施例中，在收到FCU的供氢指令后，以供氢控制器HCU为核心的供氢系统会进行全方位自检。供氢控制器通过对各路高压储气氢瓶瓶阀诊断有效的判断各路瓶阀的实际状态，根据诊断结果划定优先级分别为正常状态、异常衰减状态、故障状态，对故障状态缸瓶阀报警排除，对异常衰减缸提示使用优先级排后，对正常状态缸瓶阀优先使用。这样能有效的避免异常衰退缸在使用过程中突发中断导致的系统供给不稳定故障。

供氢控制器通过对集成瓶阀上的热敏电阻温度信号采集，换算为每一个高压储氢瓶的当前气量，对气量的状态也会进行优先级划分，满气量、高气量、低气量和空气量。空气量缸进行加气提示，满气量缸、高气量缸和低气量缸结合自身瓶阀的诊断结果和当前工况负荷确定使用。采用本实施例，可以有效的避免瓶阀故障导致异常供给中断以及氢阀气量不足在大负荷下多次切换瓶阀导致的燃量供给不稳定的故障问题。

如图3、图4、图5所示，在本实施例中，涉及到的瓶阀诊断电路可以在瓶阀关断和打开状态，分别对瓶阀内阻和工作电压的检测来诊断瓶阀的状态。

瓶阀关闭状态：上图右侧部分瓶阀驱动电路处于关闭状态，左侧诊断电路开始工作。PB4为MCU驱动口，间隔3S会提供一个200MS的瓶阀诊断使能信号。3S的间隔可以有效的减少系统功耗，同时保证了瓶阀诊断的响应时间为3S，最快限度的发现瓶阀状态异常。在200MS诊断使能周期内，Q116B三极管导通工装，形成一个电源VGAS-电感L3-诊断标准内阻R163-二极管U27B-三极管Q116B-地GND的一个通路，电阻R163和瓶阀电感L3之间会形成一个采集点，采集点的电压和瓶阀线圈内阻的大小相关。

诊断标准电阻R163的作用是和待测线圈内阻分压得到一个准确的采集点电压。阻值选取根据待测瓶阀线圈的内阻规格确定，选取的值在满足基本功率的前提下最大限度的保证线圈内阻检测的精度。二极管U27B的左右是防止多路瓶阀同时诊断的状态下，其它通路的诊断信号相互串扰影响。三极管Q116B保证在诊断200MS周期内形成一个导通的电流回路，确保采集点生成一个有效的电压。电阻R79和电阻R104以及电容C108构建一个RC滤波的采集电路。

采集点电压和待测瓶阀线圈内阻的关系,如下：

RL＝(VGAS-VT)*RD/(VT-VD)

注：RL瓶阀线圈内阻、VGAS电源电压、VT测试点电压、RD诊断标准电阻阻值、VD二极管压降。

瓶阀关闭阶段对瓶阀的状态检测依旧检测到的线圈内阻即上公式的RL值，根据线圈规格书线圈标称内阻VS偏移范围5％。当检测到的RL值超过VS标称值10％范围定为故障状态，超过VS门限5％定为异常衰减状态，在5％以内定为正常状态。同时检测到瓶阀内阻为0的时候，表示线路出现短电源故障。检测到的瓶阀内阻为最大值999的时候，表示线路出现短地或者开路的故障。

瓶阀工作状态：本专利对瓶阀驱动采用低功耗PRRK-HOLD驱动形式，即在开启状态施加电源电压保证快速开启。瓶阀开启后进入维持阶段，施加PWM电压具体的电压值依据PWM频率和占空比确定该工作电压在0-VGAS之间。瓶阀工作状态对瓶阀的诊断依据的就是该工作电压。在此阶段内，瓶阀内阻诊断通路关闭即三极管Q116B驱动关闭。电阻R79和电阻R104以及电容C108构建一个RC滤波的采集电路对瓶阀工作电压进行采集。当该电压为0V，表明线路出现开路或者短地故障。该电压为VGAS，表明线束出现短电源故障。

在本实施例中，由于同时会对12和瓶阀进行诊断检测，所以在诊断数据采集的时候引入了两个片选芯片NLVHCT4851ADTR2G,通过三路片选信号(PS5\PS6\PS7)可以让2路MCU AD采集口(AN02\AN10)扩展出最高14路的采集通道，极大地的节省MCU端口资源。

在本实施例中，通过PEEK-HOLD的控制方法和对应控制电路可以保证在常规一半的功耗使用下精准的对瓶阀进行控制，响应时间可以高达MS级别。并且氢瓶阀低功耗精准控制电路具备短电源和短地保护功能，可以在异常电性能负荷状态保证电路不被损坏。

如图6所示，瓶阀的供电电源由一个大功率继电器进行控制，减少系统的静态损耗同时避免了空闲状态由于检修异常搭地造成氢阀损耗。由继电器接管氢阀电源而不直接连接电瓶电源的设计也可以避免由于电源反接导致的氢阀损坏的故障问题。主继电器驱动电路串接保护电阻R12，可以有效的在异常输出短电源的状态下对电路进行有效保护。同时设计主机电器诊断策略，即在驱动PB1使能的状态下继电器后端VGAS电压值。当检测到的电压值和电源电压有差异的时候判断主机电器工作异常，强制关闭PB1驱动从而有效的保护驱动电路。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，其特征在于，包括：供氢控制器HCU、燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器，所述燃料电池控制器FCU、管道压力传感器、高压氢瓶与集成瓶阀、减压器分别与供氢控制器HCU连接，高压氢瓶设置有多路，且各路高压氢瓶分别对应设置有一个集成瓶阀；

其中，燃料电池控制器FCU，将工况指令发送至供氢控制器HCU处，以及按预设分级接收供氢管路系统的当前状态和故障信息；

高压氢瓶与集成瓶阀，获取供氢控制器HCU的控制指令，以及将高压氢瓶与集成瓶阀的状态信息传输至供氢控制器HCU处，

所述燃料电池控制器FCU与供氢控制器HCU之间的信号传输，设置有如下预设分级策略：

该供氢控制器HCU获取燃料电池控制器FCU的工况指令；

该供氢控制器HCU根据燃料电池控制器FCU的工况指令对供氢管路系统进行诊断，根据诊断结果判断供氢管路系统的实际状态，并划定预设分级为正常状态、异常衰减状态、故障状态，并传输至燃料电池控制器FCU处，依据瓶阀诊断电路内设的采集点所诊断的集成瓶阀的线圈内阻数据RL＝(VGAS-VT)*RD/(VT-VD)所确定所述供氢管路系统的实际状态，当检测到的RL值超过线圈标称内阻VS标称值10％范围定为故障状态，超过VS 5％定为异常衰减状态，在5％以内定为正常状态，其中，供氢管路系统包括各路高压氢瓶与集成瓶阀，对故障状态的高压氢瓶与集成瓶阀进行报警排除，对异常衰减状态的高压氢瓶与集成瓶阀进行使用优先级排后，对正常状态的高压氢瓶与集成瓶阀进行优先使用，单路高压氢瓶与集成瓶阀的诊断，具体通过上述瓶阀诊断电路进行，上述瓶阀诊断电路包括：第一电源VGAS、电感L3、电阻R29、电阻R104、电容C108、电阻R163、第一二极管、第一带阻晶体管、MCU驱动口PB4、驱动电路；第一电源VGAS与电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与电阻R29的一端、驱动电路、电阻R163的一端连接，电阻R29的另一端分别与电阻R104的一端、电容C108的一端连接，电阻R104的另一端、电容C108的另一端分别接地，电阻R163的另一端与第一二极管的正极连接，第一二极管的负极与第一带阻晶体管的c极连接，第一带阻晶体管的b极与MCU驱动口PB4连接，第一带阻晶体管的e极接地，

其中，RL为集成瓶阀的线圈内阻，VGAS为电源电压，VT为采集点电压，RD为电阻R163的阻值，电阻R163在瓶阀诊断电路中为诊断标准电阻阻值，VD为二极管压降。

2.根据权利要求1所述的新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，其特征在于，所述供氢控制器HCU与高压氢瓶与集成瓶阀之间，设置有如下气量优先级划分策略：

所述供氢控制器HCU获取各路集成瓶阀处所采集的热敏电阻的温度信号；

根据集成瓶阀处所采集的该热敏电阻的温度信号进行计算，得到高压氢瓶的当前气量，根据高压氢瓶的当前气量划分为气量阈值状态、低于气量阈值且大于气量设定值状态、低于气量设定值且大于零气量状态和零气量状态，并传输至供氢控制器HCU处，其中，零气量状态的高压氢瓶进行加气提示，气量阈值状态的高压氢瓶、低于气量阈值且大于气量设定值状态的高压氢瓶、低于气量设定值且大于零气量状态的高压氢瓶结合集成瓶阀的诊断结果和预设的工况负荷进行使用确定。

3.根据权利要求1所述的新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，其特征在于，所述驱动电路包括：电容C29、第一稳压二极管、第一场效应管、电阻R152、电阻R148、PT1、二极管D19、第二电源VGAS、第二二极管、第二场效应管、电阻R128、第二稳压二极管、电阻R124、第二带阻晶体管、PB2；电感L3的另一端分别与电阻R29的一端、电容C29的一端、第一稳压二极管的负极、第一场效应管的漏极、二极管D19的正极、电阻R163的一端连接，电容C29的另一端接地，第一场效应管的源极接地，第一场效应管的栅极分别与电阻R152的一端、电阻R148的一端连接，电阻R152的另一端接地，电阻R148的另一端与PT1连接，二极管D19的负极分别与第二电源VGAS、第二二极管的正极、第二场效应管的漏极、第二二极管的负极、第二场效应管的源极、第二稳压二极管的负极、电阻R128的一端连接，第二场效应管的栅极分别与第二稳压二极管的正极、电阻R128的另一端、电阻R124的一端连接，电阻R124的另一端与第二带阻晶体管的c极连接，第二带阻晶体管的b极与PB2连接，第二带阻晶体管的e极接地。

4.根据权利要求1所述的新型燃料电池氢气供给自动匹配系统，其特征在于，多路瓶阀诊断电路在进行同时诊断时，还预设有设定个数的片选芯片NLVHCT4851ADTR2G，用于扩展多个采集通道以节省MCU端口资源。