CN114872588A - 一种燃料电池域控制***及其控制策略 - Google Patents

一种燃料电池域控制***及其控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池域控制***及其控制策略，属于燃料电池控制技术领域，将整车控制器VCU、燃料电池***控制器FCU、氢管理***控制器HMS、整车综合热管理***控制器ICS、数据传输控制器T‑Box五个部件功能集成于一个域控制器内，域控制器由域控制器从站和域控制器主站组成，域控制器从站仅与整车设备端进行物理连接，主要功能有IO信号采集、信号驱动、CAN网络通讯、车载远程数据传输等；域控制器主站采用标准化的软件创新平台，提供功能域通用的控制策略算法，实现燃料电池涉氢功能域内整车层级软件功能集中化，通过软件模块之间信号互相调用，可快速响应整车氢电使用安全、能量管理等需求，实现整车与燃料电池协同控制上下电与故障诊断等。

Description

一种燃料电池域控制***及其控制策略
技术领域
本发明涉及燃料电池控制技术领域，更为具体地说是指一种燃料电池域控制***及其控制策略。
背景技术
燃料电池电动汽车主要能量源来自燃料电池***与动力电池***，其中，燃料电池***是通过氢气与氧气(来自于空气)发生电化学反应产生电能的发电装置，通过燃料电池升压DC/DC调节电压达到整车动力电池***高电压平台(400-750VDC)。然而氢气是一种易燃易爆的危险气体，它与空气混合的***极限范围为4.0％～75.6％(体积浓度)。因此，燃料电池电动汽车用氢和用电安全显得尤其重要，特别是在整车安全控制与通讯机制。
当前燃料电池电动汽车一般采用分布式电子电气架构，普遍存在控制器计算能力不足、通讯带宽窄、软件升级不方便、控制器节点多、自带数个远程数据传输模块等，不能满足未来电子电气架构的发展需求，且从整车氢电控制安全方面并未是最佳方案，数据与信号传输实时性和鲁棒性较差。
公开号为CN 112060926A的中国发明专利提供一种动力域控制***，包括动力域控制器、燃料电池***、二次电池***(普遍使用锂离子电池)、电机和DCDC转换器等，动力域控制器还包括整车控制模块、电机控制模块、能量管理模块、传动控制模块等。该专利的整个动力域控制器与燃料电池***并非在同一个功能域，且氢***并未纳入动力域，无法满足燃料电池电动汽车氢电控制安全，仍存在CAN通讯及控制器滤波算法带来的延时，同时整车控制无法真正参与燃料电池用氢发电的控制需求，在发生紧急情况下，整车氢电安全无法快速、可靠的通讯与控制。同时，动力域控制器涉及控制算法很大，涉及部件过多，特别是电机控制模块算法占用内存较大，导致动力域控制器计算相对缓慢，程序升级较困难，对于燃料电池电动汽车域控制***并非适用，牺牲氢电安全控制的首要地位。为此，我们提供一种燃料电池域控制***及其控制策略。
发明内容
本发明提供一种燃料电池域控制***及其控制策略，以克服现有燃料电池域控制***存在延时，整车氢电安全无法快速、可靠的通讯与控制等缺点。
本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池域控制***，包括将燃料电池电动汽车整车控制器VCU、燃料电池***控制器FCU、氢管理***控制器HMS、整车综合热管理***控制器ICS、数据传输控制器T-Box五个部件功能集成于内部的域控制器，所述域控制器由域控制器从站和域控制器主站组成，所述域控制器从站的第一路CAN1与所述域控制器主站进行唯一通讯，域控制器从站的第二路CAN接入整车动力CAN网络，与整车设备端物理连接，该域控制器从站包括IO信号采集模块、IO信号驱动模块、CAN网络通讯模块、车载远程数据传输模块；所述域控制器主站包括整车上下电模块、能量管理模块、燃料电池控制模块、故障诊断模块，域控制器主站的各模块之间采用函数调用需求信号或直接采用模块信号，实现各个模块的控制策略独立运行。
一较佳实施方案中，上述IO信号采集模块用于采集燃料电池域控制***传感器的信号，所述燃料电池域控制***传感器包括油门踏板、制动踏板、钥匙开关、加氢信号、氢气压力、氢气温度、空气压力、空气流量、空气湿度、冷却液温度、冷却液压力、氢气浓度等。
一较佳实施方案中，上述IO信号驱动模块包括高边驱动电路模块和低边驱动电路模块，用于驱动燃料电池域控制***所含部件，包括电源继电器驱动、散热风扇PWM、氢气电磁阀、双级减压阀、排氮阀、排水阀、喷嘴阀、节气门、瓶口阀、主氢阀等。
一较佳实施方案中，上述车载远程数据传输模块负责将整车重要关键数据通过无线终端传输到数据监管平台，实现实时监控燃料电池电动汽车运行情况及历史数据回放。
一较佳实施方案中，上述整车上下电模块是在新能源电动汽车上下电策略基础上，综合燃料电池***、氢***、综合热管理***的上下电策略。
一较佳实施方案中，上述能量管理模块根据驾驶员意图计算整车需求功率，结合当前动力电池充放功率与燃料电池***输出功率，实时计算整车驱动电机需求扭矩，以及燃料电池输出需求功率，从而实现整车能量协调管理；所述燃料电池控制模块根据能量管理模块分配的功率需求控制燃料电池各子***，子***包括电控子***、水热子***、氢气子***、空气子***。
一较佳实施方案中，上述域控制器主站内还集成有一个主站CAN通讯模块，该主站CAN通讯模块负责燃料电池域控制***内部节点之间的通讯，包括燃料电池升压DCF、水泵控制器WP、空压机控制器ACP、氢循环泵HRB、加热器PTC、电压巡检CVM。
本发明还提供一种燃料电池控制策略，包括上述一种燃料电池域控制***，具体过程如下：
(1)域控制器主站低压上电唤醒，开启燃料电池域控制***进行全域自检功能；
(2)判断域控制***是否有故障信号，若没有则进入步骤(3)，否则域控制器从站将报***故障；
(3)整车闭合高压继电器，接通整车高压部件，完成纯电上高压；
(4)判断燃料电池是否满足开堆条件，若是燃料电池进入开机流程，实现燃料电池正常输出电能，提供整车驱动行驶；
(5)判断是否收到钥匙下电请求信号或严重故障，若是燃料电池进入整车关机流程；
(6)先后断开整车高压电源与域控制***低压电源，完成下电。
进一步地，上述燃料电池的整车关机流程如下：先控制燃料电池***功率降载；然后关机进行空气侧吹扫和氢气侧吹扫，吹扫时间持续2-10分钟；再逐步关闭燃料电池氢气电磁阀及水泵；最后断开燃料电池***的DCF继电器。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明在现有燃料电池电动汽车电子电气架构上，将整车控制器VCU、燃料电池***控制器FCU、氢管理***控制器HMS、整车综合热管理***控制器ICS、数据传输控制器T-Box五个单独控制器构建一个燃料电池特定功能域控制***，大量减少控制器数量和整车线束，降低整车成本，降低故障率。域控制器由域控制器从站和域控制器主站组成，域控制器从站仅仅与整车设备端进行物理连接，主要功能有IO信号采集、信号驱动、CAN网络通讯、车载远程数据传输等，不承担复杂的控制算法，极大提高信号处理速度与准确度；域控制器主站采用标准化的软件创新平台，提供功能域通用的控制策略算法和CAN网络通讯模块，实现燃料电池涉氢功能域内整车层级软件功能集中化，通过软件模块之间信号互相调用，信息交互的实时性和可靠性高，极大减少CAN信息的交互，快速响应整车氢电使用安全、能量管理等需求，实现整车与燃料电池协同控制上下电与故障诊断等，降低整车CAN通讯及控制器滤波算法带来的延时，提高整车控制***实时性、可靠性和安全性。
2、本发明的域控制器主站采用硬件与软件功能集中化方案，有利于整车软件统一集中升级管理，而且通过域控制器从站车载远程数据传输模块支持域控制器主站远程程序刷写。
附图说明
图1为本发明燃料电池域控制***的电子电气构架原理图。
图2为本发明燃料电池控制***的控制策略流程图。
图3为本发明燃料电池的开机流程图。
图4为本发明燃料电池的关机流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。对于公知的组件、方法及过程，以下不再详细描述。
本实施例提供一种燃料电池域控制***，包括将燃料电池电动汽车整车控制器VCU、燃料电池***控制器FCU、氢管理***控制器HMS、整车综合热管理***控制器ICS、数据传输控制器T-Box五个部件功能集成于内部的域控制器，实现整车涉氢***之间高度联动。
参照图1，域控制器主要由域控制器从站和域控制器主站组成。其中，域控制器从站的第一路CAN1与域控制器主站进行唯一通讯，数据传输速率为500kpbs。域控制器从站的第二路CAN接入整车动力CAN网络，与整车设备端物理连接，该域控制器从站包括IO信号采集模块、IO信号驱动模块、CAN网络通讯模块、车载远程数据传输模块，数据传输速度为250kpbs。
域控制器从站具有IO信号采集模块、IO信号驱动模块、CAN网络通讯模块、车载远程数据传输模块等功能。
IO信号采集模块主要采集开关量、模拟量、PWM等燃料电池域控制***传感器的信号，具体包括油门踏板、制动踏板、钥匙开关、加氢信号、氢气压力、氢气温度、空气压力、空气流量、空气湿度、冷却液温度、冷却液压力、氢气浓度等。
IO信号驱动模块包含高边驱动电路模块和低边驱动电路模块，驱动燃料电池域控制***所含部件包括电源继电器驱动、散热风扇PWM、氢气电磁阀、双级减压阀、排氮阀、排水阀、喷嘴阀、节气门、瓶口阀、主氢阀等。
CAN网络通讯模块负责与整车动力CAN网络及域控制器主站的通讯。
车载远程数据传输模块负责将整车重要关键数据通过无线终端传输到数据监管平台，实现实时监控燃料电池电动汽车运行情况及历史数据回放等功能。
域控制主站采用标准化的软件创新平台，提供功能域通用的控制策略算法，实现燃料电池涉氢功能域内整车层级软件功能集中化，通过软件模块之间信号互相调用，信息交互的实时性和可靠性高，快速响应整车氢电使用安全、能量管理等需求，降低整车CAN通讯及控制器滤波算法带来的延时。
域控制器主站控制策略模块包括整车上下电模块、能量管理模块、燃料电池控制模块及故障诊断模块等，各个模块之间采用函数调用需求信号或直接采用模块信号，实现各个模块的控制策略独立运行，同时满足模块之间按设定的时序进行联动控制。
整车上下电模块在新能源电动汽车上下电策略基础上，综合燃料电池***、氢***、综合热管理***等部件的上下电。
能量管理模块，根据驾驶员意图计算整车需求功率，结合当前动力电池充放功率与燃料电池***输出功率，实时计算整车驱动电机需求扭矩，以及燃料电池输出需求功率，从而实现整车能量协调管理。
燃料电池控制模块，根据能量管理模块分配的功率需求控制燃料电池各子***，子***包括电控子***、水热子***、氢气子***、空气子***等。
电控子***主要包括燃料电池升压DC/DC、降压DCL、水泵控制器WP、空压机控制器ACP、氢循环泵HRB、加热器PTC、电压巡检CVM等，主要协调控制各部件高压电源的分配管理。
水热子***主要包括散热风扇、水泵、冷却液进出口温度传感器、冷却液压力传感器、节温器、加热器PTC等，主要协调控制冷却液温度、温差和压力达到设定值。
氢气子***主要包括氢气瓶瓶口电磁阀、一级减压阀、二级减压、喷嘴阀、氢循环泵、排气阀、排水阀、氢气浓度传感器、氢气压力传感器等，主要协调控制氢气各级压力、电堆进出口压差达到设定值。
空气子***主要包括空气流量计、空压机、中冷器出口温度、加湿器湿度、电堆空气压力和温度、节气门等，主要协调控制氢气压力、温度达到设定值。
故障诊断模块，根据域控制器从控CAN通讯获取整车部件故障等级以及整车自身制定的故障诊断等级，采用仪表声光报警、限制电机输出功率或燃料电池输出功率、整车下高压等保护措施，实现整车使用安全。比如：域控制器主站检测到氢气瓶舱氢气浓度严重过高，将迅速触发燃料电池应急关机和整车下高压策略，同时仪表显示氢气浓度过高严重故障及声音报警，从而实现整车断气断电，确保车辆使用安全。
域控制器主站内还集成有一个主站CAN通讯模块硬件，该主站CAN通讯模块负责燃料电池域控制***内部节点之间的通讯，包括燃料电池升压DCF、水泵控制器WP、空压机控制器ACP、氢循环泵HRB、加热器PTC、电压巡检CVM。
域控制器主站采用硬件与软件功能集中化方案，有利于整车软件统一集中升级管理，而且通过域控制器从站车载远程数据传输模块支持域控制器主站远程程序刷写。
因数据通道与配置需求，本发明的域控制器从站可拓展数量大于1个，但域控制器主站数量只有1个，各域控制器从站均与域控制器主站进行点对点通讯，数据传输速率为500kpbs。
本发明还提供一种燃料电池控制策略，参照图2，包括上述一种燃料电池域控制***，具体过程如下：
(1)域控制器主站低压上电唤醒，开启燃料电池域控制***进行全域自检功能。
(2)判断域控制***是否有故障信号，若有故障，域控制器从站将报***故障；若没有故障则进入步骤(3)。
(3)整车闭合高压继电器，接通整车高压部件，完成纯电上高压。
(4)判断燃料电池是否满足开堆条件，若是燃料电池进入开机流程，实现燃料电池正常输出电能，提供整车驱动行驶。
(5)判断是否收到钥匙下电请求信号或严重故障，若是燃料电池进入整车关机流程。
(6)先后断开整车高压电源与域控制***低压电源，完成下电。
其中：
参照图3，上述步骤(4)燃料电池的开机流程如下：打开氢气电磁阀，闭合DCF继电器，启动水泵，对氢气侧吹扫，启动空压机，启动DCF拉载电流，使燃料电池正常拉变电载荷，实现燃料电池正常输出电能，从而提供整车驱动行驶。
参照图4，步骤(5)燃料电池的整车关机流程如下：先控制燃料电池***功率降载；然后关机进行空气侧吹扫和氢气侧吹扫，吹扫时间持续2-10分钟；再逐步关闭燃料电池的氢气电磁阀及水泵，最后断开燃料电池***的DCF继电器。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种燃料电池域控制***，其特征在于：包括将燃料电池电动汽车整车控制器VCU、燃料电池***控制器FCU、氢管理***控制器HMS、整车综合热管理***控制器ICS、数据传输控制器T-Box五个部件功能集成于内部的域控制器，所述域控制器由域控制器从站和域控制器主站组成，所述域控制器从站的第一路CAN1与所述域控制器主站进行唯一通讯，域控制器从站的第二路CAN接入整车动力CAN网络，与整车设备端物理连接，该域控制器从站包括IO信号采集模块、IO信号驱动模块、CAN网络通讯模块、车载远程数据传输模块；所述域控制器主站包括整车上下电模块、能量管理模块、燃料电池控制模块、故障诊断模块，域控制器主站的各模块之间采用函数调用需求信号或直接采用模块信号，实现各个模块的控制策略独立运行。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述IO信号采集模块用于采集燃料电池域控制***传感器的信号，所述燃料电池域控制***传感器包括油门踏板、制动踏板、钥匙开关、加氢信号、氢气压力、氢气温度、空气压力、空气流量、空气湿度、冷却液温度、冷却液压力、氢气浓度。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述IO信号驱动模块包括高边驱动电路模块和低边驱动电路模块，用于驱动燃料电池域控制***所含部件，包括电源继电器驱动、散热风扇PWM、氢气电磁阀、双级减压阀、排氮阀、排水阀、喷嘴阀、节气门、瓶口阀、主氢阀。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述车载远程数据传输模块负责将整车重要关键数据通过无线终端传输到数据监管平台，实现实时监控燃料电池电动汽车运行情况及历史数据回放。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述整车上下电模块在新能源电动汽车上下电策略基础上，综合燃料电池***、氢***、综合热管理***的上下电策略。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述能量管理模块根据驾驶员意图计算整车需求功率，结合当前动力电池充放功率与燃料电池***输出功率，实时计算整车驱动电机需求扭矩，以及燃料电池输出需求功率，从而实现整车能量协调管理；所述燃料电池控制模块根据能量管理模块分配的功率需求控制燃料电池各子***，子***包括电控子***、水热子***、氢气子***、空气子***。
7.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述故障诊断模块根据与域控制器从站通讯获取整车部件故障等级以及整车自身制定的故障诊断等级，采用仪表声光报警、限制电机输出功率或燃料电池输出功率、整车下高压保护措施，实现整车使用安全。
8.如权利要求1所述的一种燃料电池域控制***，其特征在于：所述域控制器主站内还集成有一个主站CAN通讯模块，该主站CAN通讯模块负责燃料电池域控制***内部节点之间的通讯，包括燃料电池升压DCF、水泵控制器WP、空压机控制器ACP、氢循环泵HRB、加热器PTC、电压巡检CVM。
9.一种燃料电池控制策略，其特征在于，包括如权利要求1至8任一所述的一种燃料电池域控制***，具体过程如下：
(1)域控制器主站低压上电唤醒，开启燃料电池域控制***进行全域自检功能；
(2)判断域控制***是否有故障信号，若没有则进入步骤(3)，否则域控制器从站将报***故障；
(3)整车闭合高压继电器，接通整车高压部件，完成纯电上高压；
(4)判断燃料电池是否满足开堆条件，若是燃料电池进入开机流程，实现燃料电池正常输出电能，提供整车驱动行驶；
(5)判断是否收到钥匙下电请求信号或严重故障，若是燃料电池进入整车关机流程；
(6)先后断开整车高压电源与域控制***低压电源。
10.如权利要求9所述的一种燃料电池控制策略，其特征在于：所述燃料电池的整车关机流程如下：先控制燃料电池***功率降载；然后关机进行空气侧吹扫和氢气侧吹扫，吹扫时间持续2-10分钟；再逐步关闭燃料电池氢气电磁阀及水泵；最后断开燃料电池***的DCF继电器。
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