一种用于燃料电池车的集成散热器及其控制方法与流程

1.本发明涉及车辆热管理技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池车的集成散热器及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池汽车目前成为国家政策支持的重点方向之一，其中的燃料电池发动机的散热器是燃料电池整车的重要部件之一。
3.燃料电池发动机的散热器主要作用是将燃料电池运行过程中产生的废热从水中传递到空气中。目前该散热器一般采用数个风扇同时工作，以保证足够的散热能力。随着燃料电池发动机的功率增加，对散热风扇的数量也会增加。如何在保证水温稳定的前提下，尽可能地减少对发动机控制器资源的索取，同时又能降低散热器的成本，成为重要的研究主题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种用于燃料电池车的集成散热器及其控制方法，主要解决传统散热器集成度低，成本高、控制精度低、无法进行模块化拓展、寿命低不节能的问题。
5.为了解决上述技术问题，本技术的实施例首先提供了一种用于燃料电池车的集成散热器，该集成散热器包括：冷却系统，其具备冷却总控制器、多个冷却模块和多条冷却流路，其中，冷却模块的数量和冷却模块中冷却装置的数量可根据燃料电池车内部实际回路进行灵活配置；整车控制器，其与所述冷却总控制器连接，向所述冷却总控制器发送每条冷却流路中冷却介质的目标温度；多个温度传感器，其采集所述每条冷却流路中冷却介质的实际温度；其中，所述冷却总控制器，其将采集的冷却介质的实际温度与对应的目标温度进行比较，基于特定算法计算出控制各个冷却模块的控制量，使每个冷却模块根据接收到的控制量对相应的冷却流路进行散热。
6.在一个实施例中，所述冷却总控制器，其通过执行如下步骤来生成控制量：选取控制模式，所述控制模式包括输出控制量为pwm信号的第一模式和输出控制量为启停信号的第二模式，其中，在第一模式下，根据采用pid算法计算出的总占空比来确定冷却装置的运转数量，并计算各待运转冷却装置的pwm信号；在第二模式下，根据采用pid算法计算出的总占空比来确定每次轮流运转的冷却装置的数量，计算各待运转的冷却装置之间的死区时间。
7.在一个实施例中，在冷却模块由n个冷却装置组成时，所述冷却总控制器，其在第一模式下，确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置发送pwm信号，这n个冷却装置的pwm信号的占空比均为总占空比*n/n；所述冷却总控制器，其在第二模式下，确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置轮流发送pwm信号，在切换冷却装置时，留有1-总占空比*n/n的死区时间。
8.在一个实施例中，在冷却模块由四个冷却装置组成时，所述冷却总控制器，其在第一模式下执行如下步骤之一：当总占空比小于第一设定占空比时，向一个冷却装置发送pwm信号，其占空比为总占空比*4；当总占空比大于或等于第一设定占空比且小于第二设定占空比时，向两个冷却装置发送相同占空比的pwm信号，该占空比为总占空比*2；当总占空比大于或等于第二预设占空比且小于第三预设占空比时，向三个冷却装置发送相同占空比的pwm信号，该占空比为总占空比*1.333；当总占空比大于等于第三预设占空比且小于100％时，向四个冷却装置发送相同占空比的pwm信号，该占空比为总占空比*1。
9.在一个实施例中，在冷却模块由四个冷却装置组成时，所述冷却总控制器，其在第二模式下执行如下步骤之一：当总占空比小于第一预设占空比时，每次只运转一个冷却装置，死区时间为1-总占空比*4；当总占空比大于或等于第一预设占空比且小于第二预设占空比时，每次运转两个冷却装置，死区时间为1-总占空比*2；当总占空比大于或等于第二预设占空比且小于第三预设占空比时，每次运转三个冷却装置，死区时间为1-总占空比*1.333；当总占空比大于或等于第三预设占空比且小于100％时，每次运转四个冷却装置，死区时间为1-总占空比*1。
10.在一个实施例中，所述冷却总控制器集成有控制器和与冷却装置数量相同的驱动器。
11.在一个实施例中，所述驱动器包括由四个开关管组成的h桥驱动电路，相邻两个驱动器的h桥驱动电路共用同一桥臂，每个h桥驱动电路导通后驱动与之连接的冷却装置运转。
12.在一个实施例中，所述开关管为三极管、igbt、mosfet或二极管。
13.根据本发明的另一方面，还提供了一种如上所述集成散热器的控制方法，该方法包括：整车控制器向冷却总控制器发送每条冷却流路中冷却介质的目标温度；冷却总控制器将温度传感器采集的冷却介质的实际温度与对应的目标温度进行比较，基于特定算法计算出控制各个冷却模块的控制量，使每个冷却模块根据接收到的控制量对相应的冷却流路进行散热。
14.在一个实施例中，在所述冷却总控制器生成控制量的步骤中，包括：选取控制模式，所述控制模式包括输出控制量为pwm信号的第一模式和输出控制量为启停信号的第二模式，其中，在第一模式下，根据采用pid算法计算出的总占空比来确定冷却装置的运转数量，计算各待运转冷却装置的pwm信号；在第二模式下，根据采用pid算法计算出的总占空比来确定轮流运转的冷却装置的数量，计算各待运转的冷却装置之间的死区时间。
15.在一个实施例中，在冷却模块由n个冷却装置组成时，所述冷却总控制器，其在第一模式下，确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置发送pwm信号，这n个冷却装置的pwm信号的占空比均为总占空比*n/n；所述冷却总控制器，其在第二模式下，确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置轮流发送pwm信号，在切换冷却装置时，留有1-总占空比*n/n的死区时间。
16.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
17.本技术实施例的集成散热器中的ccu集成了所有的风扇电机驱动，改变了原有的每个风扇自带驱动的状况，提高了硬件复用，减少了成本。而且，通过将风扇及其电机进行
灵活编组形成模块，以控制不同的冷却回路，这种方式相比传统方案更加灵活。由于单独控制每个风扇，控制精度更高，更加节能，避免了传统方案在低占空比情况下一次启动多个风扇的情况。
18.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
19.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
20.图1为本技术实施例的用于燃料电池车的集成散热器的结构示意图。
21.图2为本技术实施例的ccu的内部电路图(图中的电机不属于ccu部件)。
22.图3为本技术实施例的ccu内部的风扇电机驱动器的电路结构图。
23.图4为本技术实施例的用于燃料电池车的集成散热器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
24.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本技术实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
25.另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
26.当前主流的燃料电池发动机散热器主要包括风扇、固定支架、保险盒、金属散热片或管等，其中风扇包括驱动、电机、叶片与骨架等，几个风扇作为一组，通过统一的pwm波进行控制。但是上述主流技术方案的有如下缺陷：1)集成度低，每个风扇都带有独立的驱动，增加了成本；2)通过分组的方式来控制风扇，一定程度上减少了对控制器io的需求，但该方法无法实现精确控制，且功耗较高；3)不方便进行灵活的编组，无法进行模块化拓展；4)采用分组控制，降低了风扇寿命。
27.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于燃料电池车的集成散热器，为燃料电池整车的散热提供便利。
28.图1为本技术实施例的用于燃料电池车的集成散热器的结构示意图。下面参考图1来说明该装置的构成和功能。如图1所示，该集成散热器10包括冷却系统12和整车控制器vcu 14。冷却系统12，其具备冷却总控制器ccu 122、多个冷却模块(本例中为2个，标号为124a和124b)和多条冷却流路(未图示)。在本例中，每个冷却模块由多个冷却装置组成，如冷却模块124a由四个冷却装置组成，冷却模块124b由两个冷却装置组成，其中，冷却模块的数量和冷却模块中冷却装置的数量可根据燃料电池车内部实际回路进行灵活配置。在下面的说明中，冷却装置以主流散热装置——风扇为例，该装置包括风扇、风扇电机及散热片。
29.在本实施例中，多个温度传感器(本例为两个，标号为126a、126b)，其采集每条冷却流路中冷却介质(如冷却水、空气、冷却油等)的实际温度。整车控制器vcu 14，其与冷却总控制器ccu 122通过can总线连接，通过can通信进行信息交互，主要向冷却总控制器ccu 122发送每条冷却流路中冷却介质的目标温度。冷却总控制器ccu 122，其将温度传感器126a、126b采集的冷却介质的实际温度与对应的目标温度进行比较，基于特定算法计算出控制各个冷却模块124a、124b的控制量s1、s2，使每个冷却模块124a、124b根据接收到的控制量s1、s2对相应的冷却流路进行散热，从而使冷却介质的实际温度达到目标温度。
30.在冷却总控制器ccu 122中集成有控制器和与冷却装置(如风扇)数量相同的驱动器。图2所示的ccu的内部电路为本技术的一个例子，在该例子中，由于风扇电机m的数量为6个，那么冷却总控制器ccu 122也对应包含6个驱动器122a。如图3所示，该驱动器122a包括由四个开关管t1～t4组成的h桥驱动电路，用于驱动风扇内电机m1，t3～t6构成另一h桥驱动电路，用于驱动风扇内电机m2。这两个相邻的驱动器的h桥驱动电路共用同一桥臂(t3和t4所在桥臂)。通过驱动开关管t1和t4可使电机m1转动，当切换到电机m2转动时，只需要关断开关管t1，驱动开关管t5即可。由于在传统方案中电机m1和m2有各自独立的驱动电路，且各驱动电路彼此并不关联，电机m1和m2的开启和关断都需要打开和关闭两个开关，而通过本例的h桥桥臂的复用，开关次数相比传统方案更少，也更加节省成本。
31.在一个实施例中，图2或图3中的t1～t6为开关管为三极管、igbt、mosfet等。在风扇没有反转的场合，也可将图2中t2、t3和t6更换为二极管，变换后的电路功能不变，将进一步节省成本。
32.ccu 122通过控制内部的开关管来改变电机的供电长短，从而控制风扇的启停或转速。风扇的转动能够带走所在冷却系统中的热量，使冷却介质的温度降下来。
33.具体地，冷却总控制器ccu 122，其通过执行如下步骤来生成控制量：选取控制模式，该控制模式包括输出控制量为pwm信号的第一模式和输出控制量为启停信号的第二模式，其中，在第一模式下，根据采用pid算法计算出的总占空比来确定冷却装置的运转数量，并计算各待运转冷却装置的pwm信号；在第二模式下，根据采用pid算法计算出的总占空比来确定每次轮流运转的冷却装置的数量，计算各待运转的冷却装置之间的死区时间。
34.更具体地，在冷却模块由n个冷却装置组成时，冷却总控制器，其在第一模式下，确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置发送pwm信号，这n个冷却装置的pwm信号的占空比均为总占空比*n/n；冷却总控制器，其在第二模式下，确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置轮流发送pwm信号，在切换冷却装置时，留有1-总占空比*n/n的死区时间。
35.如图1所示的例子，冷却模块124a由四个风扇内部电机m1、m2、m3、m4组成时，冷却总控制器ccu 122，其在第一模式下执行如下步骤之一：当总占空比小于第一设定占空比(如25％)时，只向其中一个电机发送pwm信号，其占空比为总占空比乘以4；当总占空比大于或等于第一设定占空比(如25％)且小于第二设定占空比(如50％)时，只向两个电机发送相同占空比的pwm信号，该占空比为总占空比乘以2；当总占空比大于或等于第二预设占空比(如50％)且小于第三预设占空比(如75％)时，只向三个电机发送相同占空比的pwm信号，该占空比为总占空比乘以1.333；当总占空比大于等于第三预设占空比(如75％)且小于100％时，向四个冷却装置发送相同占空比的pwm信号，该占空比为总占空比乘以1。
36.接着，还是以图1所示的冷却模块124a为例，冷却总控制器ccu 122，其在第二模式下，根据pid计算出的占空比轮流运转四个风扇电机m1、m2、m3、m4(在切换风扇时，留有死区，死区长度取决于占空比)。具体地，执行如下步骤之一：当总占空比小于第一预设占空比(如25％)时，每次只运转一个风扇(发送的pwm信号的占空比为100％，下面发送的pwm信号的占空比也都为100％，每个风扇实现全电压运转)，死区时间为1-总占空比*4；当总占空比大于或等于第一预设占空比(如25％)且小于第二预设占空比(如50％)时，每次运转两个风扇，死区时间为1-总占空比*2；当总占空比大于或等于第二预设占空比(如50％)且小于第三预设占空比(如75％)时，每次运转三个风扇，死区时间为1-总占空比*1.333；当总占空比大于或等于第三预设占空比(如75％)且小于100％时，每次运转四个冷却装置(同时停同时转)，四个风扇占空比都为总占空比*1，相当于死区时间为1-总占空比*1。
37.上述这两种控制模式可根据风扇需求进行选择，总体来说第二模式由于在某些条件下转动的风扇数量更少，表现得更节能。而且，通过单独控制每个风扇，控制精度更高，更加节能，避免了传统方案在低占空比情况下一次启动多个风扇的情况。
38.由于现有技术中，在对燃料电池汽车进行散热时，每个需要散热的部件(如发动机、某些控制器等)都利用各自对应的集成后的散热模块(包括一个风扇控制器和一个风扇驱动器)来实现，这样的话，一方面每个散热模块的风扇都带有独立的驱动，成本较高，另一方面，不方便进行灵活编组，无法进行模块化拓展。由于本技术实施例中的ccu内部集成了一个控制器和多个驱动器，在对多个风扇进行控制时，只需要利用该一个控制器即可实现，节省了成本。且在ccu内部可以设置与冷却装置数量相同的输出线路，可以在ccu硬件不改变的情况下，通过改变接线来灵活配置冷却模块的数量及冷却模块内包含电机的数量，从而实现ccu硬件的复用。也就是说，风扇及其电机可以进行灵活编组形成模块，以控制不同的冷却回路，这种方式相比传统方案更加灵活。
39.图4为本技术实施例的用于燃料电池车的集成散热器的控制方法的流程示意图。下面参考图4来说明该控制方法的具体步骤。
40.在步骤s410中，冷却总控制器接收来自整车控制器发送的每条冷却流路中冷却介质的目标温度。
41.在步骤s420中，冷却总控制器将温度传感器采集的冷却介质的实际温度与对应的目标温度进行比较获取总占空比。在本例中采用pid算法来计算总占空比。
42.在步骤s430中，冷却总控制器选取控制模式。
43.在步骤s440中，在第一模式下，冷却总控制器确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置发送pwm信号，这n个冷却装置的pwm信号的占空比均为总占空比*n/n。
44.在步骤s450中，在第二模式下，冷却总控制器确定计算得到的总占空比所在的预设占空比范围，选择对应n个数量的冷却装置轮流发送pwm信号，在切换冷却装置时，留有1-总占空比*n/n的死区时间。
45.具体有关上面s440～s450的步骤，可参考上述冷却总控制器的功能描述，此处不再赘述。
46.综上所述，本技术实施例的集成散热器中的ccu集成了所有的风扇电机驱动，改变了原有的每个风扇自带驱动的状况，提高了硬件复用，减少了成本。而且，通过将风扇及其
电机进行灵活编组形成模块，以控制不同的冷却回路，这种方式相比传统方案更加灵活。由于单独控制每个风扇，控制精度更高，更加节能，避免了传统方案在低占空比情况下一次启动多个风扇的情况。
47.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
48.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
49.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。