一种燃料电池控制器系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池控制器系统。


背景技术：

2.目前氢燃料电池车型，核心动力系统(燃料电池发动机系统、动力电池、电机)与整车集成时，将各电器系统进行单独设计，彼此间只能通过整车控制器进行交互。同时氢燃料电池控制器fcu、燃料电池高压氢气循环泵控制器、燃料电池空气增压控制器以及燃料电池升压dc/dc、降压dc/dc、智能配电盒等都是单独控制器，都有一个主控制芯片，在进行布置时，多采用分散式布置的方式。
3.这种布置方式需要更大的布置空间，同时会导致高低压线束在系统、整车上来回走，布置杂乱；每个控制器部件都需要单独设计开发，每个控制器部件算力均有剩余，造成运算资源浪费，增加了动力系统的重量、成本。


技术实现要素：

4.本发明提供一种燃料电池控制器系统，有效地解决了现有技术布置杂乱、占用空间大、成本高、资源浪费的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
6.一种燃料电池控制器系统，包括燃料电池模块、集成式多合一模块，通过螺栓连接，可拆卸设计；
7.所述燃料电池模块包括氢气子系统、氧气子系统、冷却子系统及电气子系统；
8.所述集成式多合一模块包括控制板、功率板、12v/24v高倍率电池系统、智能配电盒、对外高压接口、对外低压和通讯接口；
9.燃料电池模块各子系统执行控制板发送的指令，同时采集温度、压力、流量、电压、电流、阀门开度状态信息通过燃电系统信号交互接口给控制板，实现燃料电池模块与控制板的交互。
10.作为上述方案的优选，还包括加热/冷却模块，设有液冷介质入口，液冷介质出口，用于冷却水循环，保证系统处于正常工作温度范围。
11.作为上述方案的优选，所述氢气子系统包括通过管路及阀件相互连接的温度/压力传感器、氢气浓度传感器、氢气回流泵、引射器/或氢气喷射器；
12.氧气子系统包括通过管路及阀件相互连接的空压机、流量计、温度/压力传感器、阀件；
13.冷却子系统包括通过管路及阀件相互连接的高压水泵、温度/压力传感器、电导率测试传感器；
14.电气子系统包括巡检模块cvm、连接线束。
15.作为上述方案的优选，所述集成式多合一模块还包括集成的第一、第二、第三壳体，控制板设置在第一壳体内的一侧，功率板设置在第一壳体内的另一侧，中间通过隔板隔
离，控制板上信号线通过屏蔽插件穿过隔板到达功率板；12v/24v高倍率电池系统设置在第二壳体内，智能配电盒设置在第三壳体内，2v/24v高倍率电池系统与智能配电盒通过软铜排实现电气连接；12v/24v高倍率电池系统与功率板使用大功率铜排连接。
16.作为上述方案的优选，所述控制板上设有低压部分，包括控制模块cpu、数据采集模块、通信模块、存储单元，系统内控制器控制逻辑和/或算法，通过屏蔽插头到控制板，再通过低压电源输出给燃料电池模块；
17.数据采集模块用于采集燃料电池模块的温度，压力、流量、电压、电流、阀门开度的状态模拟量数据；采集继电器、部件工作状态数字量数据；采集控制板自身状态数据，包括电磁阀的驱动、h桥的驱动、过流过压、通讯状态数据；同时采集各功率模块以及由各功率模块驱动的电机的数据，升压转换模块的数据，动力系统控制装置内部温度、电流、电压数据，升降压转换模块的数据；
18.通信模块用于燃料电池模块与控制板通信交互、集成式多合一模块内部通讯与控制板通信交互、整车与控制板通信交互。
19.作为上述方案的优选，所述控制器控制逻辑和/或算法包括氢燃料电池控制器fcu控制逻辑和/或算法、燃料电池高压氢气循环泵控制器控制逻辑和/或算法、燃料电池空气增压控制器控制逻辑和/或算法、燃料电池升压dc/dc控制逻辑和/或算法、降压dc/dc控制逻辑和/或算法、智能配电盒控制逻辑和/或算法。
20.作为上述方案的优选，所述燃料电池模块与控制板通信交互包括与燃料电池热管理系统用水泵/ptc、阀件、电堆巡检cvm进行信息交互；
21.集成式多合一模块内部通讯与控制板通信交互包括与燃电升压dcf、燃料电池供氢系统高压氢气循环泵控制器、驱动电机控制器、燃料电池空气系统空气增压控制、双向dc/dc、12v/24v高倍率电池管理系统、智能配电盒进行信息交互；
22.整车与控制板通信交互包括与整车控制器vcu、整车pdu、动力电池bms等进行信息交互。
23.作为上述方案的优选，所述功率板上设置有各功率模块，包括燃电输入预充、燃电升压dcf、驱动电机控制器、空气增压控制器、高压氢气循环泵控制器、高压水泵供电、高压ptc供电、双向dc/dc，模块预留有外部动力电池输入手动维修开关msd接口、高压散热风扇输出模块。
24.作为上述方案的优选，所述12v/24v高倍率电池系统与双向dc/dc集成设计，通过连接铜排连接；
25.12v/24v高倍率电池系统中的电池采用磷酸铁锂电池、三元锂电池、镍氢电池、超级电容电池中的一种，由电池管理系统对电池进行能量安全管理，通过大容量保险和继电器对外输出电源。
26.作为上述方案的优选，所述集成式多合一模块上设有多个检修口。
27.由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
28.1、集成式控制器，将燃料电池系统的控制、各功率模块控制集成，提高单个控制器cpu运算能力同时，减少cpu总的数量，节约成本、降低系统功耗等。内部集成数据传输结构清晰，也有利于提高数据传输、处理效率。内部高低压隔离布置，可避免高压对控制板上的器件的干扰。将各控制器与其他装置系统为一体，内部采用铜排连接，螺栓固定，布线清晰，
提高布线及连接安全性；同时提高系统在整车中集成度，有利于高压输出线束的布置，缩短整个系统高压输出线束长度，有助于提高整车安全性。
29.2、12v/24v高倍率电池系统，通过智能配电盒为燃料电池系统各用电器供电，也可为系统大功率散热风扇预留预留电源接口，同时也可为整车提供低压电源，避免整车重复设计、布置。同时12v/24v高倍率电池系统与集成升压/降压转换模块共用，为燃料电池辅助高压供电，同时可通过电机控制器为整车提供动力，也可吸收电机回馈能量，亦可接受燃料电池提供的能量，实现自身能量补给。系统预留有动力电池输入接口，可增加高电压动力电池进行功率和能量拓展。
30.3、12v/24v高倍率电池系统升压到高压状态，多合一输出端无需再配置预充电路，降低成本、节约空间。
31.4、智能配电盒，可控制上下电时序，具有过流过压保护功能，高效、精确、安全；具有故障检测、存储功能，故障断开后可自恢复，无需人为拆卸更换保险；具有反向电流阻断功能，防止用电设备产生的反向电压对其他用电器和负载线路产生影响。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
33.图1为本发明的内部结构图；
34.图2为本发明的外形结构图；
35.图中：100-燃料电池模块，101-巡检模块，102-传感器模块，103-can通讯模块，140-阀件，105-模块低压电源输入，106-电池模块高压输入模块，200-集成式多合一模块，210-控制板，211-低压电源输出，220-功率板，221-燃电输入预充，222-燃电升压dcf，223-驱动电机控制器，224-空气增压控制器，225-高压氢气循环泵控制器，226-高压水泵供电，227-高压ptc供电，228-高压散热风扇接口，229-双向dc/dc，230-对外高压接口，300-多合一高压连接，240-12v/24v高倍率电池系统，241-电池管理系统，242-大容量保险和继电器，250-软铜排，260-智能配电盒，261-对外低压和通讯接口，280-电池系统与双向dc/dc加宽加厚连接铜排，290-预留手动维修开关msd，300-预留动力电池输入接口位置，301-驱动电机接口，302-空压机接口，303-高压氢泵接口，304-高压水泵接口，305-预留高压扇热风扇接口位置，306-高压ptc接口，307-集成式多合一模块铜排安装操作孔，308-燃料电池模块铜排安装操作孔，400-功率板检修口，401-控制板检修口，402-电池系统和智能配电盒维护检修口，403-大容量保险检修口，500-低压供电接口输出和通讯，501-系统大功率低压电源输出，502-燃电系统信号交互接口，600-液冷介质入口，601-液冷介质出口，701-高压水泵，702-空压机。
具体实施方式
36.下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.如图1、图2所示，本实施例提供一种燃料电池控制器系统，包括燃料电池模块100、
集成式多合一模块200，结构可拆分，使用螺纹连接。
38.其中：
39.所述燃料电池模块100包括氢气子系统、氧气子系统、冷却子系统与电气子系统，氢气子系统包括阀件、温度/压力传感器、氢气浓度传感器、氢气回流泵(简称氢泵)、比例阀、引射器(或氢气喷射器)及管路等；氧气子系统包括空压机702、流量计、温度/压力传感器、阀件及管路等；冷却子系统包括高压水泵701、温度/压力传感器、电导率测试传感器、阀件及管路等；电气子系统包括巡检模块(cvm)101、连接线束等。各部门可以采用多种形式的结构实现开闭，如螺纹连接，管箍、铰接连接，电气连接器等。燃料电池模块100各子系统执行控制板发送的指令，同时采集温度、压力、流量、电压、电流、阀门开度状态信息通过燃电系统信号交互接口给控制板，实现燃料电池模块100与控制板的交互。
40.所述燃料电池模块100与集成式多合一模块200大功率电气传输使用铜排，燃料电池模块100上设有燃料电池模块铜排安装操作孔308，集成式多合一模块200上设有集成式多合一模块铜排安装操作孔307；辅助高压器件，如高压ptc、高压水泵701、高压氢泵、空压机等，使用车规级高压导线连接；传感器线、通讯线使用汽车屏蔽绞线实现连接，防止设备遭到外部的干扰，也可防止设备向外辐射；电源线使用汽车导线连接，每路设备均设置有独立保险，由智能配电盒260提供，保险具有可恢复性，故障断开后可自恢复。
41.所述集成式多合一模块200包括壳体(集成的第一壳体、第二壳体、第三壳体)、控制板210、功率板220、12v/24v高倍率电池系统240、智能配电盒260、对外高压接口230、对外低压和通讯接口261，控制板210设置在第一壳体的内侧，功率板220设置在壳体的另一侧，中间有隔板隔离，将高压部分、低压部分分开设置，控制板210上信号线通过屏蔽插件穿过隔板到达功率板；12v/24v高倍率电池系统240设置在第二壳体内，智能配电盒260设置在第三壳体内，信号线、低压电源线通过屏蔽插件穿过隔板到达其他腔内；12v/24v高倍率电池系统240与功率板220使用大功率铜排连接。对外高压接口230，使用高压接插件，实现与燃料电池模块、整车的高压连接；12v/24v高倍率电池系统240与智能配电盒260通过软铜排250实现电气连接；对外低压和通讯接口261，实现为燃料电池散热冷却风扇供电及通讯，同时与整车连接，实现与整车的通讯及低压部件的供电。
42.控制板210上只有低压部分，有利于控制板的器件优化布置，保证安全，避免高压对控制板上的器件的干扰；设置有燃电系统信号交互接口502，实现为燃料电池模块100低压供电以及与燃料电池模块100的信息交互，同时在集成式多合一模块200上还设有便于控制板210检修的控制板检修口401。控制板210上有控制模块cpu、数据采集模块、通信模块/存储单元，系统内控制器控制逻辑和/或算法,实现燃电系统的控制、集成部件的控制，同时存储所需要的存储信息与数据。控制模块cpu和零部件控制器集成一体后，可以由主cpu统一采集各个系统数据，同时统一发送控制指令减少了ecu数量以及ecu之间通讯时间，提高了实时性。避免传统方案中分散式控制器之间相互通讯延时或者通讯故障造成的风险。控制器控制逻辑和/或算法包括氢燃料电池控制器fcu控制逻辑和/或算法、燃料电池高压氢气循环泵控制器控制逻辑和/或算法、燃料电池空气增压控制器控制逻辑和/或算法、燃料电池升压dc/dc控制逻辑和/或算法、降压dc/dc控制逻辑和/或算法、智能配电盒控制逻辑和/或算法等。数据采集模块，采集燃料电池模块100的数据，如温度，压力、流量、电压、电流、阀门开度的状态等模拟量数据，以及继电器、部件工作状态等数字量数据；采集控制板
自身状态，包括电磁阀的驱动、h桥的驱动、过流过压、通讯状态等；同时采集各功率模块以及由各功率模块驱动的电机的数据，升压转换模块的数据，动力系统控制装置内部温度、电流、电压数据，升降压转换模块的数据等。通信模块包括燃料电池模块100与控制板210通信交互、集成式多合一模块200内部通讯与控制板210通信交互、整车与控制板210通信交互。燃料电池模块与控制板210通信交互包括与燃料电池热管理系统用水泵/ptc，阀件，电堆巡检cvm等进行信息交互；集成式多合一模块200内部通讯与控制板210通信交互包括与燃电升压dcf222、燃料电池供氢系统高压氢气循环泵控制器225、驱动电机控制器223、燃料电池空气系统空气增压控制224、、双向dc/dc229、12v/24v高倍率电池管理系统241、智能配电盒260等进行信息交互；整车与控制板210通信交互包括与整车控制器vcu、整车pdu、动力电池bms等进行信息交互。
43.功率板220上设置有各功率模块，包括燃电输入预充221、燃电升压dcf222、驱动电机控制器223、空气增压控制器224、高压氢气循环泵控制器225、高压水泵供电226、高压ptc供电227、双向dc/dc229，模块预留有外部动力电池输入手动维修开关msd290、高压散热风扇接口228，一方面可以优化配置，另一方面利于减少装置内的连接部件，简化各功率模块之间的线束设置，采用铜排，提高布线及连接安全性，同时在集成式多合一模块200上还设有便于功率板220检修的功率板检修口400。
44.12v/24v高倍率电池(磷酸铁锂电池、三元锂电池、镍氢电池、超级电容电池中的一种)系统240，由电池管理系统241对电池进行能量安全管理，通过大容量保险和继电器242对外输出电源。与智能配电盒260通过软铜排250连接，为燃料电池系统各用电器供电，燃料电池系统各用电器低压供电在系统内部，通过屏蔽插头到控制板210，在通过低压电源输出211给燃料电池模块；同时对外低压和通讯接口261可为系统大功率散热风扇供电，也可为整车提供低压电源，避免整车重复设计、布置。同时12v/24v高倍率电池系统240与双向dc/dc229集成设计，通过电池系统与双向dc/dc加宽加厚连接铜排280连接，可实现超大电流传输，通过双向dc/dc229为燃料电池辅助高压供电，同时可通过电机控制器223为整车提供动力，也可吸收电机回馈能量，亦可接受燃料电池提供的能量，实现自身能量补给。系统预留有动力电池输入接口，可增加高电压动力电池进行功率和能量拓展。同时集成式多合一模块200上还设有便于电池管理系统241和智能配电盒260检修的电池系统和智能配电盒维护检修口402，还设置有便于大容量保险和继电器242维修的检修口403。系统起动时，12v/24v高倍率电池系统240升压到高压状态，电压变化过程是连续变化的，升压过程即可完成系统内部各零部件的预充，无需再配置零部件预充电路，降低成本、节约空间。
45.智能配电盒260，可控制上下电时序，每一路均有过流过压保护功能，高效、精确、安全；具有故障检测、存储功能，故障断开后可自恢复，无需人为拆卸更换保险；具有反向电流阻断功能，防止用电设备产生的反向电压对其他用电器和负载线路产生影响。同时对外低压和通讯接口261可为系统大功率散热风扇供电，也可为整车提供低压电源。
46.在本实施例中，系统还包括有加热/冷却装置，冷却装置为水冷板状结构,液冷介质入口600，液冷介质出口601，用于冷却水循环，保证电池、集成器件处于正常工作温度范围。
47.本技术对燃料电池动力系统的功能进行整合，将功能重合的部分合并，减少冗余，降低成本、重量，同时将复杂的控制算法集成到中央处理器上，减少cpu总的数量，整合控制
器算力，提高控制器利用率，避免运算资源浪费；同时集成化布置，减少重复性操作，提高装配效率。
48.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。