CN207683372U - 车载燃料电池电气系统功率分配装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，包括用于执行功率分配的执行器件，还包括高压回路部分和与执行器连接的低压回路部分，以及直流升压电路和直流降压电路。高压回路部分包括电堆接口和分配电路，直流升压电路的输入端通过电堆接口与电堆连接，输出端与分配电路的输入端连接，分配电路的输出端分别与直流降压电路的输入端，以及车载高压负载连接，直流降压电路的输出端与低压回路部分连接。与现有技术相比，本实用新型在功率分配单元中加入控制单元，使其成为独立的模块，提高了功率分配单元的通用性和移植性，加快了燃料电池动力系统的集成开发速度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池技术，尤其是涉及一种车载燃料电池电气系统功率分配装置。
背景技术
燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转换为电能。根据电解质的不同，可以分为质子交换膜燃料电池，碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。质子交换膜燃料电池工作温度低，电流密度大，响应速度快，性能稳定。而且反应生成物只有水，不存在腐蚀性。因此，质子交换膜燃料电池在车辆交通和备用电源等领域具有广阔的市场前景。
但是燃料电池的电气系统复杂，其主要由电气部件组成，因此电气系统的设计水平将直接影响燃料电池系统的性能和安全性。系统输出的高电压与大电流可能会对乘客安全造成隐患，在发生故障时也可能会影响低压电器件的稳定性与正常工作。车辆上高低压用电器繁多，若各自分别与其能量源直接相连，会造成线束杂乱，增加成本的同时占用过多的整车空间，且存在较大安全隐患。因此需要功率分配单元对整个电气架构中的能量进行分配与管理。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载燃料电池电气系统功率分配装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，包括用于执行功率分配的执行器件，还包括高压回路部分和与执行器连接的低压回路部分，以及直流升压电路和直流降压电路，所述高压回路部分包括电堆接口和分配电路，所述直流升压电路的输入端通过电堆接口与电堆连接，输出端与分配电路的输入端连接，所述分配电路的输出端分别与直流降压电路的输入端，以及车载高压负载连接，所述直流降压电路的输出端与低压回路部分连接。
所述分配电路还与车载储能电源连接，用于在电堆输出富余时为车载储能电源充电，并在电堆输出不足时接收车载储能电源的电能补充。
所述电堆接口通过接插件与电堆连接。
所述低压回路部分包括控制器和传感器接口，所述控制器通过传感器接口与温度传感器、电压传感器、电流传感器、绝缘检测装置和故障诊断回路连接。
所述低压回路部分还包括车载总线通信功能，用于控制器与整车进行总线通讯。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1)在功率分配单元中加入控制单元，使其成为独立的模块，提高了功率分配单元的通用性和移植性，加快了燃料电池动力系统的集成开发速度。
2)针对功率分配单元的空间浪费问题，采用高低压混合配电的架构，结构紧凑，提高整车空间利用率。
3)由于整车的配电几乎由本功率分配单元完成，所以相关负载只需接在本功率分配单元上相应接插件即可完成供电，方便操作的同时简化线束走线。
4)加入多种传感器进行状态监督，同时具备故障诊断与储存功能，提高系统安全性。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意；
图2为本实用新型低压回路部分的结构示意图；
图3为本实用新型高压回路部分的结构示意图；
其中：1、高压回路部分，2、低压回路部分，3、直流降压电路，4、电堆，5、执行器件，6、车载储能单元，7、高压负载，8、低压负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，如图1～图3所示，包括用于执行功率分配的执行器件，还包括高压回路部分和与执行器连接的低压回路部分，以及直流升压电路和直流降压电路，高压回路部分包括电堆接口和分配电路，直流升压电路的输入端通过电堆接口与电堆连接，输出端与分配电路的输入端连接，分配电路的输出端分别与直流降压电路的输入端，以及车载高压负载连接，直流降压电路的输出端与地压控制部分连接。其中执行器件包括接触器和继电器等，分配电路还与车载储能电源连接，用于在电堆输出富余时为车载储能电源充电，并在电堆输出不足时接收车载储能电源的电能补充。具体的，电堆接口通过接插件与电堆连接。
低压回路部分包括控制器和传感器接口，控制器通过传感器接口与，温度传感器、电压传感器、电流传感器、绝缘检测装置和故障诊断回路连接，低压回路部分还包括车载总线通信功能，用于控制器与整车进行总线通讯。
本申请包含执行与保护功能，具体的执行器件和保护器件包括接触器、继电器、温度传感器、电压电流传感器、熔断器、功率电阻、接插件等；同时控制单元的主要作用是操作上述执行器进行功率分配、系统保护、故障诊断、与外部通信等。本申请还包括上下电保护部分，该上下电保护部分包括：燃料电池至直流升压电路(即DC/DC升压，后文简称为DC/DC)之间、直流升压电路至直流降压电路(降压DC/DC，后文称DCL)之间、各直流电路与容性负载之间的预充电电路和放电电路。
电堆与DC/DC之间设置浮动高压，DC/DC与DCL及高压负载之间设置配电和保护电路，本申请从安全功能上划分包括断电保护、高压互锁监测、高压连接监测、绝缘监测、CAN通讯、用户自定义参数、故障诊断和历史故障存储等。
如图2和图3所示，低压回路部分接口定义包括(101)传感器信号传输(即传感器接口)、(102)数字信号的输入、(103)低压电的输入、(104)数字信号的输出、(105)CAN通讯信号的输入与输出、(106)低压电的输出，同时，控制单元从属于低压回路，控制单元的子模块包括控制器、数据采集、通讯、存储、计算与判断等。高压回路部分接口定义包括(107)电堆输出，(108)车载储能电源输入与输出，(109)DC/DC输出，(110)DC/DC输入，(111)DCL输入，(102)高压负载输出。
控制单元使得本功率分配单元成为一个独立的模块。控制单元能独立完成架构所定义的数据采集与转换、故障检测、历史故障存储、高压互锁检测、高压绝缘检测、负载预充电、负载放电、功率检测、用户自定义参数、整车通信等功能。
高低压混合架构及控制单元使得本功率分配单元成为一个通用的模块。由于申请功能齐全，对于不同类型的车载燃料电池系统都能兼容。兼容时仅需要更换部分熔断器或接触器，上述的用户自定义参数功能，修改诸如预充电时间、预充电完成判定电压、绝缘检测报警参数值等。因此本功率分配单元对于加速燃料电池系统的应用和推广具有重要意义。
配电单元能够极大提升系统乃至整车的安全性。新能源汽车的起火事件层出不穷，一大重要原因就是其功率分配单元在安全方面存在重大缺陷。现阶段新能源汽车上的功率分配单元主要是汇流排式配电盒，由于缺少各种传感器的数据采集以及状态监督，或者状态监督的不全面，造成系统在发生故障前无法被用户感知，进而恶化造成不可逆的损失。本申请设置了诸如温度传感器、电压、电流传感器、绝缘检测装置、故障诊断回路等，通过内部控制单元的实时分析，能有效防止恶性电气事故的发生。
配电电路能够极大简化整车线束，由相关负载只需接在配电电路上相应接插件即可完成供电，方便操作的同时简化线束走线。同时，配电过程在功率分配单元内主要依靠汇流排的形式进行，因此极大减小了配电的线束质量。此外，与其他功率分配单元高低压分离配电不同，本功率分配单元高低压混合配电，简化整车布置，提高整车空间利用率的同时缩短配电路径，各种复杂回路如电堆输出经保护电路后输入DC/DC，DC/DC升压稳压之后再经过保护电路进行后端的电压调节与功率分配，都在内部完成(电流路径：(107)→(110)→(109))。综上三点，整车线束质量与复杂程度得以大大减小。
燃料电池发动机输出的浮动高压无需经过任何处理，经(107)直接进入功率分配单元。因此燃料电池发动机与整车电气架构之间只是简单的点对点连接，更换发动机时仅需拔下原电堆接插件再接上新的发动机即可。
电堆输出的浮动高压在功率分配单元内进行处理与保护，经预充电后经(110)向DC/DC输入，DC/DC升压稳压之后电能经(109)再次进入功率分配单元。
经DC/DC升压稳压之后再次进入功率分配单元的电能有三向去处，一是在控制单元控制和保护电路保护下经(112)向高压负载进行能量传输；二是经(108)，在控制单元控制和保护电路保护下与车载储能电源协同作用，车载储能电源在燃料电池正常运行后对系统功率需求起到“削峰填谷”的作用，在燃料电池系统正常输出前对整车进行供电；三是在控制单元控制和保护电路保护下向DCL传递能量，DCL降压稳压之后经保护电路对整车进行低压供电，包括功率分配单元自身低压用电。
控制单元通过(101)及功率分配单元内传感器采集到的信号在系统运行过程中实时监测电气系统的安全状态(如局部温度、高压连接及部分器件功率等)并进行在线故障诊断功能(如绝缘检测等)，同时存储相关数据。
控制单元通过(105)与整车进行通信并按需要，通过控制内部执行器执行相应操作，如上高压电前的自检、下电后的放电等；通过(102)与(104)进行某些特殊数字信号的输入输出。
控制单元通过(103)作为运行时的低压电来源。在燃料电池发动机处于非正常工作状态下通过(108)、(111)或车载备用低压电源取电，在燃料电池正常工作状态下通过(107)、(110)、(109)、(111)从燃料电池取电。
本申请通用性体现在除了更换部分接触器与熔断器之外，还通过调整的用户自定义参数，如预充电时间、预充电完成判定电压差、绝缘报警值、通信频率、通信协议等加以实现。
Claims (6)
1.一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，包括用于执行功率分配的执行器件，其特征在于，还包括高压回路部分和与执行器连接的低压回路部分，以及直流升压电路和直流降压电路，所述高压回路部分包括电堆接口和分配电路，所述直流升压电路的输入端通过电堆接口与电堆连接，输出端与分配电路的输入端连接，所述分配电路的输出端分别与直流降压电路的输入端，以及车载高压负载连接，所述直流降压电路的输出端与低压回路部分连接。
2.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，其特征在于，所述分配电路还与车载储能电源连接。
3.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，其特征在于，所述电堆接口通过接插件与电堆连接。
4.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，其特征在于，所述低压回路部分包括控制器和传感器接口，所述控制器通过传感器接口与温度传感器、电压传感器、电流传感器、绝缘检测装置和故障诊断回路连接。
5.根据权利要求4所述的一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，其特征在于，所述低压回路部分还包括车载总线通信器，该车载总线通信器与控制器连接。
6.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池电气系统功率分配装置，其特征在于，所述执行器件包括接触器和继电器。
Priority Applications (1)
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| CN201721762615.3U CN207683372U (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 车载燃料电池电气系统功率分配装置 |
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| CN201721762615.3U CN207683372U (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 车载燃料电池电气系统功率分配装置 |
Publications (1)
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| CN207683372U true CN207683372U (zh) | 2018-08-03 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107962971A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-04-27 | 同济大学 | 车载燃料电池电气系统功率分配装置 |
| CN110293847A (zh) * | 2019-06-29 | 2019-10-01 | 潍柴动力股份有限公司 | 燃料电池汽车下电控制方法及装置 |
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2017
- 2017-12-15 CN CN201721762615.3U patent/CN207683372U/zh active Active
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