CN219360864U - 一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,涉及一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的技术领域,其包括:燃料电池DC‑DC模块及其预充电路、空压机控制模块、辅助降压DC‑DC模块、高压配电模块、电流、电压传感器、总负接触器K1及放电电阻R1。
Description
技术领域
本申请涉及氢燃料电池系统控制器的技术领域,尤其是涉及一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路。
背景技术
为了实现碳达峰及碳中和目标,我国正积极推进氢能行业的发展。
氢燃料电池汽车作为该行业的重要环节。未来几年,公路客车及重型卡车将成为氢燃料电池系统的主要终端客户,对氢燃料电池的功率需求将越来越大。考虑到整车安装空间的限制和经济性要求,氢燃料电池系统的集成度及功率密度是重点考虑的指标。
目前150KW以上的大功率氢燃料电池系统已逐渐进入市场,但燃料电池系统多合一控制器作为关键零部件,技术相对落后。因此,需要加大燃料电池系统多合一控制器的研发力度,以满足市场需求。
提高氢燃料电池电堆功率的两个途径,一是提高工作点的电流密度,二是增加串联的单片数量。当前技术条件下,单靠提高电流密度已经无法满足大功率燃料电池系统的需求,必须增加串联的单片数量。单片数量越多,氢燃料电池电堆的总电压越高。为了实现氢燃料电池电堆与整车动力电池高压平台的耦合匹配,需要采用升降压DC-DC方案。其一:现阶段市场上批量使用的燃料电池DC-DC方案主要为升压方案,已经无法满足大功率氢燃料电池系统高输出电压的要求。其二:面向大功率氢燃料电池系统的高度集成化的多合一控制器未投入使用,氢燃料电池系统面临着布置空间需求大,装配复杂,成本高,使用不便,功率密度低的问题。
实用新型内容
为了至少部分解决上述技术问题,本申请提供了一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路。
一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,包括:
燃料电池DC-DC模块;所述燃料电池DC-DC模块用于与氢燃料电池电堆连接;所述燃料电池DC-DC模块用于对氢燃料电池电堆输出电压进行升压及降压变换以匹配动力电池电压;
预充电路;所述预充电路用于燃料电池DC-DC模块、辅助降压DC-DC模块、空压机控制模块的内部连接端电容器的预充电;
空压机控制模块;所述空压机控制模块的输出端用于与空压机连接;所述空压机控制模块用于控制空压机启停、转速控制及故障诊断
辅助降压DC-DC模块;所述辅助降压DC-DC模块用于将动力电池电压降至27.5V,作为燃料电池系统低压电源;
高压配电模块;所述高压配电模块用于氢燃料电池系统的高压电源分配、高压预充电及过载短路保护;
若干电流传感器;用于检测控制电路中的电流;
若干电压传感器;用于检测控制电路中的电压;
总负接触器K1;所述总负接触器K1串联在氢燃料电池电堆负极输出与燃料电池DC-DC模块负极输入之间,用于氢燃料电池电堆与燃料电池DC-DC模块的负极通断控制;
放电电阻R1;放电电阻R1并联在燃料电池DC-DC模块输出正负极之间,用于多合一控制器停止工作后,高压母线上残余电压的泄放。
可选的,所述燃料电池DC-DC模块包括:输入共模电感L1、输入滤波电容C1、功率开关管Q1、二极管D1、储能电感L2、功率开关管Q2、二极管D2及输出储能电容C;
其中,所述输入共模电感L1输入端分别与电流传感器I1及总负接触器K1输出触点连接;
所述输入滤波电容C1一端与输入共模电感L1正极输出端及功率开关管Q1漏极连接;
所述输入滤波电容C1另一端与共模电感L1负极输出端及二极管D1阳极连接;
所述功率开关管Q1的源极与储能电感L2的一端及二极管D1阴极连接;
所述储能电感L2的另一端与二极管D2阳极及功率开关管Q2漏极连接;
所述功率开关管Q2源极与二极管D1阳极及输出储能电容C2的一端连接;
所述储能电容C2的另一端与二极管D2阴极连接。
可选的,所述燃料电池DC-DC模块包括:正极接触器K2、预充电阻R2及预充继电器K3;
其中,所述充电阻R2与预充继电器K3串联连接;所述预充电阻R2与预充继电器K3并联在正极接触器K2两端。
可选的,所述高压配电模块包括:熔断器F1、熔断器F2、熔断器F3、熔断器F4、熔断器F5、熔断器F6、正极接触器K4、预充接触器K5、预充电阻R3;
其中,熔断器F1一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与辅助降压DC-DC模块正极输入连接;
熔断器F2一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与空压机控制模块正极输入连接;
熔断器F3一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与水泵正极输入连接;
熔断器F4一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与氢气循环泵正极输入连接;
熔断器F5一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与散热系统DC-DC正极输入连接;
熔断器F6一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与正极接触器K4输入触点及预充接触器K5输入触点连接;
正极接触器K4输出触点用于与PTC电加热器输入正极及预充电阻R3一端连接;
预充接触器K5输出触点与预充电阻R3另一端连接。
可选的,若干电流传感器包括电流传感器I1、电流传感器I2及电流传感器I3;
其中,电流传感器I1,串联在氢燃料电池电堆正极输出与燃料电池DC-DC模块正极输入之间,用于燃料电池DC-DC模块输入总电流的测量;
电流传感器I2串联在燃料电池DC-DC模块正极输出与正极分支点之间,用于燃料电池DC-DC模块输出总电流的测量;
电流传感器I3串联在正极分支点与正极接触器K2输入触点之间,用于燃料电池系统净输出电流的测量。
可选的,若干电压传感器包括:电压传感器U1、电压传感器U2及电压传感器U3;
电压传感器U1并联在燃料电池DC-DC模块输入正负极之间,用于燃料电池DC-DC模块输入电压的测量;
电压传感器U2并联在燃料电池DC-DC模块输出正负极之间,用于燃料电池DC-DC模块输出端电压的测量;
电压传感器U3并联在动力电池组正负极之间,用于整车母线电压的测量。
附图说明
图1是本申请实施例一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本申请作进一步说明:
首先,这里需要说明的是:在本申请的描述中,如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等方位词,其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制;此外,如出现术语“第一”、“第二”、“第三”等数字量词仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外,在本申请中,除非另有明确的规定和限定,如出现术语“安装”“、相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接、过盈配合、过渡配合等限位连接,或一体连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连;因此对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请实施例公开一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路。参照图1,作为一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的一种实施方式,一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路包括:
燃料电池DC-DC模块;燃料电池DC-DC模块用于与氢燃料电池电堆连接;燃料电池DC-DC模块用于对氢燃料电池电堆输出电压进行升压及降压变换以匹配动力电池电压;
预充电路;预充电路用于燃料电池DC-DC模块、辅助降压DC-DC模块、空压机控制模块的内部连接端电容器的预充电;
空压机控制模块;空压机控制模块的输出端用于与空压机连接;空压机控制模块用于控制空压机启停、转速控制及故障诊断
辅助降压DC-DC模块;辅助降压DC-DC模块用于将动力电池电压降至27.5V,作为燃料电池系统低压电源;
高压配电模块;高压配电模块用于氢燃料电池系统的高压电源分配、高压预充电及过载短路保护;
若干电流传感器;用于检测控制电路中的电流;
若干电压传感器;用于检测控制电路中的电压;
总负接触器K1;总负接触器K1串联在氢燃料电池电堆负极输出与燃料电池DC-DC模块负极输入之间,用于氢燃料电池电堆与燃料电池DC-DC模块的负极通断控制;
放电电阻R1;放电电阻R1并联在燃料电池DC-DC模块输出正负极之间,用于多合一控制器停止工作后,高压母线上残余电压的泄放。
具体地,总负接触器是一种用来接通或断开带负载的交直流主电路或大容量控制电路的自动化切换器,主要控制对象是电动机,此外也用于其他电力负载,接触器不仅能接通和切断电路,而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大。适用于频繁操作和远距离控制,是自动控制系统中的重要元件之一。
本申请中的“用于”指代能够与其它部件连接,其它部件如水泵及氢气循环泵等并且本电路的一部分,仅仅是本电路结构在使用时能够与其它部件进行连接。
作为一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的一种具体实施方式,燃料电池DC-DC模块包括:输入共模电感L1、输入滤波电容C1、功率开关管Q1、二极管D1、储能电感L2、功率开关管Q2、二极管D2及输出储能电容C;
输入共模电感L1输入端分别与电流传感器I1及总负接触器K1输出触点连接;
输入滤波电容C1一端与输入共模电感L1正极输出端及功率开关管Q1漏极连接;
输入滤波电容C1另一端与共模电感L1负极输出端及二极管D1阳极连接;
功率开关管Q1的源极与储能电感L2的一端及二极管D1阴极连接;
储能电感L2的另一端与二极管D2阳极及功率开关管Q2漏极连接;
功率开关管Q2源极与二极管D1阳极及输出储能电容C2的一端连接;
储能电容C2的另一端与二极管D2阴极连接。
具体地,在升压变换过程,功率开关管Q1闭合,通过控制调节功率开关管Q2的开关时间占比,实现输出端电压升压变换,且输出电压与输入电压同相。在降压变换过程,功率开关管Q2断开,通过控制调节功率开关管Q1的开关时间占比,实现输出端电压降压变换,且输出电压与输入电压同相;燃料电池DC-DC模块控制实现采用输入端电流或者电压闭环控制方式,通过控制输入电流或者输入电压值,来动态调节功率开关管Q1和Q2的通断及开关时间占比,实现升压及降压稳定输出功能。为了满足输入大电流应用场景,可以拓展成多级并联的拓扑,功率开关管周期性交替控制,也可以改善电流及电压纹波,提供控制精度及稳定性。燃料电池DC-DC模块的能够对氢燃料电池电堆输出电压进行升压及降压变换以匹配动力电池电压,控制氢燃料电池电堆功率输出及故障诊断。
作为一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的一种具体实施方式,燃料电池DC-DC模块包括:正极接触器K2、预充电阻R2及预充继电器K3;
其中,充电阻R2与预充继电器K3串联连接;预充电阻R2与预充继电器K3并联在正极接触器K2两端。
作为一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的一种具体实施方式,高压配电模块包括:熔断器F1、熔断器F2、熔断器F3、熔断器F4、熔断器F5、熔断器F6、正极接触器K4、预充接触器K5、预充电阻R3;
其中,熔断器F1一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与辅助降压DC-DC模块正极输入连接;
熔断器F2一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与空压机控制模块正极输入连接;
熔断器F3一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与水泵正极输入连接;
熔断器F4一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与氢气循环泵正极输入连接;
熔断器F5一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与散热系统DC-DC正极输入连接;
熔断器F6一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与正极接触器K4输入触点及预充接触器K5输入触点连接;
正极接触器K4输出触点用于与PTC电加热器输入正极及预充电阻R3一端连接;
预充接触器K5输出触点与预充电阻R3另一端连接。
作为一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的其中一种实施方式,若干电流传感器包括电流传感器I1、电流传感器I2及电流传感器I3;
其中,电流传感器I1,串联在氢燃料电池电堆正极输出与燃料电池DC-DC模块正极输入之间,用于燃料电池DC-DC模块输入总电流的测量;
电流传感器I2串联在燃料电池DC-DC模块正极输出与正极分支点之间,用于燃料电池DC-DC模块输出总电流的测量;
电流传感器I3串联在正极分支点与正极接触器K2输入触点之间,用于燃料电池系统净输出电流的测量。
作为一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路的其中一种实施方式,若干电压传感器包括:电压传感器U1、电压传感器U2及电压传感器U3;
电压传感器U1并联在燃料电池DC-DC模块输入正负极之间,用于燃料电池DC-DC模块输入电压的测量;
电压传感器U2并联在燃料电池DC-DC模块输出正负极之间,用于燃料电池DC-DC模块输出端电压的测量;
电压传感器U3并联在动力电池组正负极之间,用于整车母线电压的测量。
下面以其中一种实现方式的电路结构进行实施方法的举例说明。
燃料电池系统多合一控制器开机流程:
整车具备燃料电池系统开机条件后,向燃料电池控制器发送开机指令;燃料电池控制器对多合一控制器发送输出端预充电指令,预充电具体过程如下:多合一控制器首先判断电压传感器U3检测到的母线电压值,确定在设定范围内后,接着闭合预充接触器K3,接着判断电压传感器U2与电压传感器U3检测到的电压差值在规定时间内符合设定电压范围内后,接着闭合正极接触器K2,接着断开预充接触器K3,预充电过程完成;此时,辅助降压DC-DC模块,空压机控制模块,水泵,氢气循环泵,散热系统DC-DC高压输入端均已上电,燃料电池系统进入高压待机状态。接着判断是否需要执行低温启动流程,如需执行,进行PTC电加热器高压上电流程,具体过程如下:首先闭合预充接触器K5,判断PTC电加热器采集的电压与电压传感器U2检测到的电压差值在规定时间内符合设定电压范围内后,接着闭合正极接触器K4,接着断开预充接触器K5,预充电过程完成,PTC电加热器高压输入端上电完成;接着闭合总负接触器K1,氢燃料电池电堆与燃料电池DC-DC模块高压回路连通;接着辅助降压DC-DC模块工作,氢燃料电池系统低压供电由整车低压电瓶切换到辅助降压DC-DC模块;接着进入燃料电池系统开机流程:空压机控制模块工作,控制空压机运行供给空气,燃料电池系统其他BOP均正常运行,供给氢气及进行水、热、气、电管理;同时燃料电池DC-DC模块运行,工作在恒压模式,对燃料电池电堆电压进行开机钳位;燃料电池系统开机完成后,燃料电池DC-DC模块立即切换到恒流模式,响应整车的功率需求,进行正常的功率输出;
燃料电池系统多合一控制器停机流程:
燃料电池控制器接收到关机指令后,控制燃料电池DC-DC模块进行输入电流降载,电流降载到目标值后,空压机控制模块停止工作,同时燃料电池DC-DC模块切换到恒压模式进行氢燃料电池电堆电压泄放,泄放到目标值后,燃料电池DC-DC模块停止工作,接着辅助降压DC-DC模块停止工作,氢燃料电池系统低压供电切换到整车低压电瓶;接着断开正极接触器K2,切断燃料电池系统高压供电;接着放电电阻R1进行残余电压泄放,泄放至安全电压后,接着断开总负接触器K1,多合一控制器停机完成。
本申请的技术方案具有以下技术效果:
1.燃料电池DC-DC模块具备升降压功能,满足所有大功率燃料电池电堆与整车动力电池高压电平台的匹配耦合,通用性强;
2.集成后省去了大量线束及管路连接及多个壳体,降低了成本低,减少了燃料电池系统的结构布置空间需求,提高了燃料电池系统装配效率,提升了系统的功率密度;
3.集成了燃料电池DC-DC控制模块,空压机控制模块,高压配电模块,辅助降压DC-DC模块,功能强大;
4.集成了辅助降压DC-DC模块,能够实现燃料电池系统低压自供电。集成了散热系统DC-DC接口,便于整车扩展增加辅助降压DC-DC。以上均为整车应用提供了便捷性。
需要说明的是:以上实施例仅用于说明本申请而并非限制本申请所描述的技术方案,尽管本说明书参照上述的实施例对本申请已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,所属技术领域的技术人员仍然可以对本申请进行修改或者等同替换,而一切不脱离本申请的精神和范围的技术方案及其改进,均应涵盖在本申请的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,其特征在于,包括:
燃料电池DC-DC模块;所述燃料电池DC-DC模块用于与氢燃料电池电堆连接;所述燃料电池DC-DC模块用于对氢燃料电池电堆输出电压进行升压及降压变换以匹配动力电池电压;
预充电路;所述预充电路用于燃料电池DC-DC模块、辅助降压DC-DC模块、空压机控制模块的内部连接端电容器的预充电;
空压机控制模块;所述空压机控制模块的输出端用于与空压机连接;所述空压机控制模块用于控制空压机启停、转速控制及故障诊断
辅助降压DC-DC模块;所述辅助降压DC-DC模块用于将动力电池电压降至27.5V,作为燃料电池系统低压电源;
高压配电模块;所述高压配电模块用于氢燃料电池系统的高压电源分配、高压预充电及过载短路保护;
若干电流传感器;用于检测控制电路中的电流;
若干电压传感器;用于检测控制电路中的电压;
总负接触器K1;所述总负接触器K1串联在氢燃料电池电堆负极输出与燃料电池DC-DC模块负极输入之间,用于氢燃料电池电堆与燃料电池DC-DC模块的负极通断控制;
放电电阻R1;放电电阻R1并联在燃料电池DC-DC模块输出正负极之间,用于多合一控制器停止工作后,高压母线上残余电压的泄放。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,其特征在于,所述燃料电池DC-DC模块包括:输入共模电感L1、输入滤波电容C1、功率开关管Q1、二极管D1、储能电感L2、功率开关管Q2、二极管D2及输出储能电容C;
其中,所述输入共模电感L1输入端分别与电流传感器I1及总负接触器K1输出触点连接;
所述输入滤波电容C1一端与输入共模电感L1正极输出端及功率开关管Q1漏极连接;
所述输入滤波电容C1另一端与共模电感L1负极输出端及二极管D1阳极连接;
所述功率开关管Q1的源极与储能电感L2的一端及二极管D1阴极连接;
所述储能电感L2的另一端与二极管D2阳极及功率开关管Q2漏极连接;
所述功率开关管Q2源极与二极管D1阳极及输出储能电容C2的一端连接;
所述储能电容C2的另一端与二极管D2阴极连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,其特征在于,所述燃料电池DC-DC模块包括:正极接触器K2、预充电阻R2及预充继电器K3;
其中,所述充电阻R2与预充继电器K3串联连接;所述预充电阻R2与预充继电器K3并联在正极接触器K2两端。
4.根据权利要求3所述的一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,其特征在于,所述高压配电模块包括:熔断器F1、熔断器F2、熔断器F3、熔断器F4、熔断器F5、熔断器F6、正极接触器K4、预充接触器K5、预充电阻R3;
其中,熔断器F1一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与辅助降压DC-DC模块正极输入连接;
熔断器F2一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与空压机控制模块正极输入连接;
熔断器F3一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与水泵正极输入连接;
熔断器F4一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与氢气循环泵正极输入连接;
熔断器F5一端与高压配电模块正极输入连接,另一端用于与散热系统DC-DC正极输入连接;
熔断器F6一端与高压配电模块正极输入连接,另一端与正极接触器K4输入触点及预充接触器K5输入触点连接;
正极接触器K4输出触点用于与PTC电加热器输入正极及预充电阻R3一端连接;
预充接触器K5输出触点与预充电阻R3另一端连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,其特征在于,若干电流传感器包括电流传感器I1、电流传感器I2及电流传感器I3;
其中,电流传感器I1,串联在氢燃料电池电堆正极输出与燃料电池DC-DC模块正极输入之间,用于燃料电池DC-DC模块输入总电流的测量;
电流传感器I2串联在燃料电池DC-DC模块正极输出与正极分支点之间,用于燃料电池DC-DC模块输出总电流的测量;
电流传感器I3串联在正极分支点与正极接触器K2输入触点之间,用于燃料电池系统净输出电流的测量。
6.根据权利要求5所述的一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路,其特征在于,若干电压传感器包括:电压传感器U1、电压传感器U2及电压传感器U3;
电压传感器U1并联在燃料电池DC-DC模块输入正负极之间,用于燃料电池DC-DC模块输入电压的测量;
电压传感器U2并联在燃料电池DC-DC模块输出正负极之间,用于燃料电池DC-DC模块输出端电压的测量;
电压传感器U3并联在动力电池组正负极之间,用于整车母线电压的测量。
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CN202320760663.8U CN219360864U (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路 |
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CN202320760663.8U Active CN219360864U (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 一种用于氢燃料电池系统的多合一控制器电路 |
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