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CN111186301B - 一种燃料电池车用集成控制装置及过流保护控制方法 - Google Patents

一种燃料电池车用集成控制装置及过流保护控制方法 Download PDF

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CN111186301B CN202010040495.6A CN202010040495A CN111186301B CN 111186301 B CN111186301 B CN 111186301B CN 202010040495 A CN202010040495 A CN 202010040495A CN 111186301 B CN111186301 B CN 111186301B
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Abstract

本发明属于车用集成控制装置技术领域，具体涉及一种燃料电池车用集成控制装置及过流保护控制方法。具体地控制装置包括控制主板以及均与所述控制主板连接的第一回路和第二回路，所述第一回路用于控制整车上的空调输出及DC/DC配电输出，所述第二回路用于控制整车上其他高压器件配电输出。本发明用于解决传统四合一集成控制装置集成度不高且存在安全隐患和能源浪费的问题。通过与控制主板连接的第一回路和第二回路，满足燃料电池客车在行驶状态和充电状态的配电需求，高度集成化，降低成本，高效省电且安全，同时，通过与CPU连接的油泵温度采集模块和气泵电流采集模块，使得装置整体具有油泵电机过热保护、气泵电机过流保护，可靠省心。

Description

一种燃料电池车用集成控制装置及过流保护控制方法
技术领域
本发明属于车用集成控制装置技术领域，具体涉及一种燃料电池车用集成控制装置及过流保护控制方法。
背景技术
氢燃料汽车(FCV)正处于加速发展的时期，越来越多的氢燃料汽车将投入使用，但由于目前电动客车四合一集成控制器无法满足燃料电池客车高压配电、供电需求，且监测和保护功能不全面。目前燃料电池客车大多在电动客车四合一集成控制器基础上，额外增加PDU、DC/DC和高压连接线，存在着安全隐患，可靠性低，并且成本高。而且动力电池的性能对温度的变化比较敏感，为避免低温充电析锂造成短路和高温热失控，现动力电池采用水冷冷却；但受布置空间和成本限制，现都采用车载空调集成水冷型给动力电池冷却，但缺点是动力电池充电时需要四合一给车载空调和DC/DC配电工作，以前四合一内高压配电采用单回路，会导致给车载空调和DC/DC配电同时也给整车上其他高压电器配电，如果误操作或忘记关开关，还会导致其他高压电器工作，存在安全隐患和能源浪费，另外，传统四合一的过流保护策略通常由两个计时器分别计时，存在漏洞和风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池车用集成控制装置及过流保护控制方法，用于解决传统四合一集成控制装置集成度不高且存在安全隐患和能源浪费的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种燃料电池车用集成控制装置，包括控制主板以及均与所述控制主板连接的第一回路和第二回路，所述第一回路用于控制整车上的空调输出及DC/DC配电输出，所述第二回路用于控制整车上其他高压器件配电输出。
相较于现有技术，以上技术方案具有如下有益效果：
通过与控制主板连接的双回路，实现通过连接本技术方案提供的控制装置的动力电池在充电时，只给车载空调和DC/DC配电输出，不给其他高压设备配电避免其他设备带电由于误操作引起的事故和避免能源浪费。
进一步地，所述第一回路包括第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器、空调接口，所述第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器与所述控制主板连接，所述第一DC/DC转换器用于连接整车的低压配电系统，所述第二DC/DC转换器用于连接整车的燃料电池冷却系统。
根据上述技术方案，通过设置两路DC/DC转换器,相较于以往四合一控制装置的一路DC/DC转换输出，多提供一路DC/DC转换器，避免需要在外部增加DC/DC转换器的问题，提高集成程度；同时，在此回路中加入空调接口连接车载空调，在给动力电池充电时，通过运行整车集成水冷式空调系统，给动力电池进行冷却操作，保持动力电池充电温度恒定。
进一步地，所述第二回路包括油泵控制器、气泵控制器、燃料电池接口、电机控制接口、气泵冷却接口、电暖风接口和电除霜接口，所述油泵控制器和气泵控制器与所述控制主板连接。
根据上述技术方案，通过增加多种外部接口实现与外部设备的连接，满足燃料电池客车整车的配电要求，同时通过控制主板控制油泵控制器和气泵控制器的动作。
进一步地，所述控制主板包括CPU、以及均与所述CPU连接的电压采集模组，高压配电控制模组，油泵温度采集模块和气泵电流采集模块。
根据上述技术方案，通过油泵温度采集模块和气泵电流采集模块采集油泵温度和气泵电流实现对油泵和气泵的有效监控，出现故障情况及时报警及控制。
进一步地，所述控制主板还包括连接至所述CPU的粘连检测模块，用于检测所述高压配电控制模组的辅助触点的电平状态以判断通断是否到位。
根据上述技术方案，通过与CPU连接的粘连检测模块检测高压配电控制模组中的辅助触点的电平状态判断高压配电控制模组是否通断到位。
进一步地，所述电压采集模组包括第一电压采集模块、第二电压采集模块、第三电压采集模块和第四电压采集模块，所述第一电压采集模块采集所述第一回路的电压，所述第二电压采集模块采集所述第二回路的电压，所述第三电压采集模块采集所述第一DC/DC转换器的电压，所述第四电压采集模块采集所述第二DC/DC转换器的电压。
根据上述技术方案，通过设置的四路电压采集模块分别检测第一回路，第二回路，第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器的输入电压值来与电池电压比较，判断是否欠压，过欠。
进一步地，CPU还包括计时器T1和计时器T2。
本发明基于上述燃料电池车用集成控制装置，还公开一种燃料电池车用过流保护控制方法，包括以下步骤：
S1、预先设定第一电流阈值、第二电流阈值、第一时间阈值和第二时间阈值，其中所述第二电流阈值大于所述第一电流阈值；
S2、通过所述气泵电流采集模块采集外接负载电机的电流值，所述CPU判断所述电流值与所述第一电流阈值和所述第二电流阈值的大小关系，所述CPU控制所述计时器T1和计时器T2采取相应操作；
S3、所述CPU分别判断所述计时器T1和所述计时器T2的当前时间t与所述第一时间阈值和所述第二时间阈值的大小关系，确定所述CPU是否控制所述负载电机停机。
进一步地，步骤S2具体为：
若所述电流值小于等于所述第一电流阈值，所述CPU控制所述计时器T1自减计时、所述计时器T2自减计时；
若所述电流值大于所述第一电流阈值且小于等于所述第二电流阈值，所述CPU控制所述计时器T1自加计时、所述计时器T2自减计时；
若所述电流值大于所述第二电流阈值，所述CPU控制所述计时器T1和所述计时器T2自加计时；
其中，所述计时器T1和所述计时器T2自减最小至0。
进一步地，步骤S3具体为：
所述CPU判断所述计时器T1的当前时间t1是否大于所述第一时间阈值，或所述计时器T2的当前时间t2是否大于所述第二时间阈值，若是，所述CPU控制所述负载电机停机。
本发明的有益效果：
通过与控制主板连接的第一回路和第二回路，满足燃料电池客车在行驶状态和充电状态的配电需求，同时第一回路中包括第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器，无需另增加PDU、DC/DC和高压连接线，高度集成化，降低成本，高效省电，安全，通过与CPU连接的粘连检测模块，实时有效掌握接触器的触点状态，方便后期维护和调试，通过与CPU连接的油泵温度采集模块和气泵电流采集模块，使得装置整体具有油泵电机过热保护、气泵电机过流保护，可靠省心。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明具体实施例1所述的整体系统接口示意图；
图2为图1中内部模块结构示意图；
图3为本发明具体实施例2所述的控制过程流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
如图1所示，本发明所提供的一种燃料电池车用集成控制装置，以下简称控制装置，用于连接在车上的动力电池输出端，起到辅助控制动力电池的电能输出控制，并传输给整车上各个需要的用电接口，具体控制装置包括控制主板以及与控制主板连接的第一回路和第二回路，第一回路用于控制整车上的空调输出以及DC/DC配电输出，第二回路用于控制整车上其他高压器件配电输出，通过与控制主板连接的双回路，实现通过连接本控制装置的动力电池在充电时，只给车载空调和DC/DC配电输出，由于，目前的车载空调都集成有水冷冷却系统给动力电池进行冷却，保证了动力电池在充电时温度恒定，保证动力电池的充电运行稳定，另外,通过与控制主板连接的双回路，实现通过连接本控制装置的动力电池在充电时，只给车载空调和DC/DC配电输出，不给其他高压设备配电避免其他设备带电由于误操作引起的事故和避免能源浪费。
实施例2
在实施例1基础上，第一回路包括第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器、空调接口，其中，第一DC/DC转换器为3KW的DC/DC转换器，第二DC/DC转换器为6KW的DC/DC转换器，第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器与控制主板连接，通过控制主板传递控制信号至第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器，第一DC/DC转换器用于连接整车的低压配电系统，低压配电系统为蓄电池以及与蓄电池连接的整车上的低压器件，第二DC/DC转换器用于连接燃料电池冷却系统，通过设置两路DC/DC转换器,相较于以往四合一控制装置的一路DC/DC转换输出，多提供一路DC/DC转换器，避免需要在外部增加DC/DC转换器的问题，提高集成程度；同时，在此回路中加入空调接口连接车载空调，在给动力电池充电时，通过控制主板控制运行与空调接口连接的车载空调工作，给动力电池进行冷却控温，保持动力电池充电温度恒定，还不给其他高压设备配电，既满足充电时动力电池冷却需要，又保证其他高压电器不会配电和避免由于误操作或忘记关开关引发的安全事故，从而提高整车安全性和避免能源浪费，同时由于已经集成两路DC/DC转换器，无需额外增加，集成程度提高，降低成本。
本实施例中，第二回路包括油泵控制器、气泵控制器、燃料电池接口、电机控制接口、气泵冷却接口、电暖风接口和电除霜接口，油泵控制器和气泵控制器与控制主板连接，油泵控制器和气泵控制器接收来自控制主板的控制信号实现控制输出，通过增加多种外部接口实现与外部设备的连接，满足燃料电池客车整车的配电要求，无需额外增加PDU，且第二回路与第一回路独立开来，充电时只有第一回路接通，高效省电，安全。
如图2所示，控制主板包括CPU，以及均与CPU连接的电压采集模组、高压配电控制模组、油泵温度采集模块和气泵电流采集模块，其中，CPU采用型号为TMS320F28034PNT的微处理器，另外，气泵控制器、油泵控制器、第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器还连接控制主板中的CPU，CPU用于发出指令或通过CAN通讯实现控制第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器、油泵控制器和气泵控制器动作，另外，通过油泵温度采集模块和气泵电流采集模块采集油泵温度和气泵电流实现对油泵和气泵的有效监控，其中油泵温度采集模块可采用pt100等采集温度，通过CPU实时采集和判断油泵电机PT100阻值，当电机二级过温的时候，即油泵电机的温度达到120℃时，降功率运行，油泵控制器报文反馈二级故障；当电机一级过温的时候，即油泵电机的温度达到140℃时，进行停机处理，油泵控制器报文反馈一级故障，保护外接的油泵电机；另外气泵电流采集模块可采用霍尔式电流传感器采集气泵电流信号，通过CPU实时采集和判断气泵控制器输出电流，保护气泵电机；通过油泵温度采集模块和气泵电流采集模块采集的温度和电流信号判断是否出现故障情况另外及时报警及控制防止发生意外，其中，高压配电控制模组包括接在各回路支路上的接触器和熔断器等，通过CPU控制各接触器，进而实现控制各支路和回路的通断完成高压配电，减少整车上高压配电柜的使用。
其中，控制主板还包括连接至CPU的粘连检测模块，用于检测高压配电控制模组的通断是否到位。其中，粘连检测模块通过检测高压配电控制模组中的接触器的辅助触点的电平状态判断高压配电控制模组是否通断到位，便于后期维护调试，其中粘连检测模块可采用型号为lpc11c14的单片机及外围电路组成的电路板，简化电路，减少内部布置空间。
本实施例中，电压采集模组包括第一电压采集模块、第二电压采集模块、第三电压采集模块和第四电压采集模块，上述电压采集模块均采用型号为ACPL-C87B-000E的电压采集模块，第一电压采集模块采集第一回路的输入端电压，第二电压采集模块采集第二回路的输入端电压，第三电压采集模块采集第一DC/DC转换器的输入端电压，第四电压采集模块采集第二DC/DC转换器的输入端电压。通过设置的四路电压采集模块分别检测第一回路，第二回路，第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器的输入电压值来与电池电压比较，判断是否欠压，过欠，起到保护作用。
进一步地，动力电池主回路上还设置有电流传感器，电流传感器连接至CPU，电流传感器用于检测电池电流信号。通过设置在动力电池主回路上的电流传感器检测最大输出电流，若超出最大输出电流，则通过CPU发出报警信号且通过高压配电控制模组切断整个回路高压配电。
本实施例中，CPU还包括计时器T1和计时器T2。
实施例3
基于实施例2中的控制装置，本实施例还公开一种燃料电池车用过流保护控制方法，流程图如图3所示，通过与CPU连接的气泵电流采集模块实时采集外接负载电机的电流，本实施例中，负载电机为气泵电机，实现对外接气泵的过流保护控制，该气泵电流采集模块采用具体型号为FL-2的直流分流器，其采集周期为40ms，在一个采集周期内，具体执行以下步骤：
S1、预先设定第一电流阈值为气泵电机额定电流的150％、第二电流阈值为气泵电机额定电流的200％、第一时间阈值为30S和第二时间阈值为5S；
S2、通过气泵电流采集模块采集外接气泵电机的电流值，CPU判断电流值与第一电流阈值和第二电流阈值的大小关系，CPU控制计时器T1和计时器T2采取相应操作；
S3、CPU分别判断计时器T1和计时器T2的当前时间t与第一时间阈值和第二时间阈值的大小关系，确定CPU是否控制负载电机停机。
之后进入下个采集周期进行新一轮的上述控制步骤的执行，以此循环往复进行根据采集气泵电机的电流值的大小来保护电机正常工作防止过电流损坏气泵电机。
其中，步骤S2具体为：
若电流值小于等于额定电流的150％，CPU控制计时器T1自减计时、同时控制计时器T2自减计时；
若电流值大于额定电流的150％且小于等于额定电流的200％，CPU控制计时器T1自加计时、同时控制计时器T2自减计时；
若电流值大于额定电流的200％，CPU控制计时器T1和计时器T2自加计时；
其中，计时器T1和计时器T2自减最小至0，且计时器T1和计时器T2初始值为0。
另外，步骤S3具体为：
CPU判断计时器T1的当前时间t1是否大于30S，或计时器T2的当前时间t2是否大于5S，若是，CPU控制负载电机停机。
由于，同时执行电流值满足第一电流阈值、第二电流阈值的情况下，计时器T1和计时器T2分别计时的操作，且CPU分别判断计时器T1和计时器T2的当前时间t是否大于预设的时间阈值，只要计时器T1或T2二者有一个满足大于时间阈值的条件，则CPU控制气泵电机停机；另外，增加计时器在小于电流阈值时自减的操作，避免气泵电机的电流在第一电流阈值和第二电流阈值附近进行上下波动时无法产生应有的保护作用，以往的控制策略都会导致计时器根据采集电流值在预设的电流阈值上下波动时执行清零操作，进而导致计时器不停地在清零－计时的循环过程中重复工作，但电机长时间大电流工作温度会越来越高，最终导致电机损坏，起不到保护作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种燃料电池车用集成控制装置的过流保护控制方法，其特征在于：该集成控制装置包括：控制主板以及均与所述控制主板连接的第一回路和第二回路，所述第一回路用于控制整车上的空调输出及DC/DC配电输出，所述第二回路用于控制整车上其他高压器件配电输出；
所述第一回路包括第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器、空调接口，所述第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器与所述控制主板连接，所述第一DC/DC转换器用于连接整车的低压配电系统，所述第二DC/DC转换器用于连接整车的燃料电池冷却系统；
所述第二回路包括油泵控制器、气泵控制器、燃料电池接口、电机控制接口、气泵冷却接口、电暖风接口和电除霜接口，所述油泵控制器和气泵控制器与所述控制主板连接；
所述控制主板包括CPU，以及均与所述CPU连接的电压采集模组、高压配电控制模组、油泵温度采集模块和气泵电流采集模块；
所述控制主板还包括连接至所述CPU的粘连检测模块，用于检测所述高压配电控制模组的通断是否到位；
所述电压采集模组包括第一电压采集模块、第二电压采集模块、第三电压采集模块和第四电压采集模块，所述第一电压采集模块采集所述第一回路的电压，所述第二电压采集模块采集所述第二回路的电压，所述第三电压采集模块采集所述第一DC/DC转换器的电压，所述第四电压采集模块采集所述第二DC/DC转换器的电压；
所述CPU还包括计时器T1和计时器T2；
该过流保护控制方法包括以下步骤：
S1、预先设定第一电流阈值、第二电流阈值、第一时间阈值和第二时间阈值，其中所述第二电流阈值大于所述第一电流阈值；
S2、通过所述气泵电流采集模块采集外接负载电机的电流值，所述CPU判断所述电流值与所述第一电流阈值和所述第二电流阈值的大小关系，所述CPU控制所述计时器T1和计时器T2采取相应操作；
具体为：若所述电流值小于等于所述第一电流阈值，所述CPU控制所述计时器T1自减计时、所述计时器T2自减计时；
若所述电流值大于所述第一电流阈值且小于等于所述第二电流阈值，所述CPU控制所述计时器T1自加计时、所述计时器T2自减计时；
若所述电流值大于所述第二电流阈值，所述CPU控制所述计时器T1和所述计时器T2自加计时；
其中，所述计时器T1和所述计时器T2自减最小至0；
S3、所述CPU分别判断所述计时器T1和所述计时器T2的当前时间t与所述第一时间阈值和所述第二时间阈值的大小关系，确定所述CPU是否控制所述负载电机停机。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤S3具体为：
所述CPU判断所述计时器T1的当前时间t1是否大于所述第一时间阈值，或所述计时器T2的当前时间t2是否大于所述第二时间阈值，若是，所述CPU控制所述负载电机停机。
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