一种氢能燃料电池汽车的共预充PDU系统及其控制方法与流程

本发明涉及氢能燃料电池汽车技术领域，尤其涉及一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统及其控制方法。

背景技术：

随着氢能燃料电池汽车的推广和普及，越来越多的汽车企业开始关注于氢能燃料电池汽车的研发。由于氢能燃料电池汽车中较传统新能源汽车多了许多高压器件，比如电堆升压dc、超级电容升压dc、氢燃料电池空压机控制器等，会导致电路中高压负载较多，高压结构复杂，现有技术中的高压系统架构设计，将所有高压设计在同一高压回路上，需要安装安装多个预充电阻，导致高压配电系统的占用体积大、层次和逻辑感不强，成本高，并且存在高压系统匹配隐患。

因此，需要对现有技术中的高压配电架构进行改进，以提高高压配电系统的可靠性、稳定性、减少高压配电系统的占用体积、降低系统成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种结构层次性分明、稳定性高、控制逻辑性强、容错性好的氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统及其控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，包括动力电池、预充电阻和待预充模块；所述动力电池、预充电阻和待预充模块串联构成一个回路；所述待预充模块包括并联的第一预充模块、第二预充模块和第三预充模块；

所述第一预充模块包括空调ptc加热器、降压dc和压缩机；所述第一预充模块与所述预充电阻之间串联第一预充接触器，所述空调ptc加热器、降压dc、压缩机并联后与所述第一预充接触器、预充电阻、动力电池依次串联构成第一预充电路；所述第一预充模块与所述动力电池之间串联第一接触器，所述第一接触器与所述预充电阻、所述第一预充接触器并联；

所述第二预充模块包括超级电容升压dc和驱动电机系统，所述第二预充模块与所述预充电阻之间串联第二预充接触器；所述超级电容升压dc、驱动电机系统并联后与所述第二预充接触器、预充电阻、动力电池依次串联构成第二预充电路；所述第二预充模块与所述动力电池之间串联第二接触器，所述第二接触器与所述预充电阻、所述第二预充接触器并联；

所述第三预充模块包括电堆升压dc、电堆空气压缩系统和电堆ptc加热器；所述第三预充模块与所述预充电阻之间串联第三预充接触器；所述电堆升压dc、电堆空气压缩系统、电堆ptc加热器并联后与所述第三预充接触器、预充电阻、动力电池依次串联构成第三预充电路；所述第三预充模块与所述动力电池之间串联第三接触器，所述第三接触器与所述预充电阻、所述第三预充接触器并联。

优选的，所述动力电池与所述预充电阻之间串接有主接触器。

优选的，所述空调ptc加热器与所述第一预充接触器之间、所述降压dc与所述第一预充接触器之间、所述压缩机与所述第一预充接触器之间、所述超级电容升压dc与所述第二预充接触器之间、所述驱动电机系统与所述第二预充接触器之间、所述电堆升压dc与所述第三预充接触器之间、所述电堆空气压缩系统与所述第三预充接触器之间、所述电堆ptc加热器与所述第三预充接触器之间均串接有保险丝。

一种如上所述的氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统的控制方法，包括以下步骤：

s1.第一预充模块预充：当共预充pdu系统收到整车控制器发出的高压上电命令后，整车控制器控制主接触器和第一预充接触器吸合，第二预充接触器、第三预充接触器、第一接触器、第二接触器和第三接触器断开；

持续一段时间t1后，若动力电池母线电压与降压dc母线电压的差值的绝对值≥10v，则整车控制器控制第一预充接触器、主接触器断开，并且发送第一预充模块预充失败，进入等待下次高压上电命令；

若动力电池母线电压与降压dc母线电压的差值的绝对值＜10v，则整车控制器控制第一接触器吸合，间隔一段时间t2，断开第一预充接触器，第一预充模块预充完成；

s2.第二预充模块预充：第一预充接触器断开一段时间t2后，整车控制器控制第二预充接触器吸合，持续一段时间t1后，若动力电池母线电压与驱动电机系统母线电压的差值的绝对值≥10v，则整车控制器控制第二预充接触器、第一接触器、主接触器断开，并且发送第二预充模块预充失败，进入等待下次高压上电命令；

若动力电池母线电压与驱动电机系统母线电压的差值的绝对值＜10v，则整车控制器控制第二接触器吸合，一段时间t2后，断开第二预充接触器，第二预充模块预充完成；

s3.第三预充模块预充：第二预充接触器断开一段时间t2后，整车控制器控制第三预充接触器吸合，持续一段时间t1后，若动力电池母线电压与电堆空气压缩系统母线电压的差值的绝对值≥10v，则整车控制器控制第三预充接触器断开，并且发送第三预充模块预充失败，高压上电完成；

若动力电池母线电压与电堆空气压缩系统母线电压的差值的绝对值＜10v，则整车控制器控制第三接触器吸合一段时间t2后，断开第三预充接触器，第三预充模块预充完成，高压上电完成。

优选的，所述t1的取值为3s。

优选的，所述t2的取值为100ms。

本发明的一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统及其控制方法。一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，包括动力电池、预充电阻和待预充模块；动力电池、预充电阻和待预充模块串联成构一个回路；待预充模块包括并联的第一预充模块、第二预充模块和第三预充模块；第一预充模块包括空调ptc加热器、降压dc和压缩机；第一预充模块与预充电阻之间串联第一预充接触器，空调ptc加热器、降压dc、压缩机并联后与第一预充接触器、预充电阻、动力电池依次串联构成第一预充电路；第一预充模块与动力电池之间串联第一接触器，第一接触器与预充电阻、第一预充接触器并联；所述第二预充模块包括超级电容升压dc和驱动电机系统，第二预充模块与预充电阻之间串联第二预充接触器；超级电容升压dc、驱动电机系统并联后与第二预充接触器、预充电阻、动力电池依次串联构成第二预充电路；第二预充模块与动力电池之间串联第二接触器，第二接触器与预充电阻、第二预充接触器并联；第三预充模块包括电堆升压dc、电堆空气压缩系统和电堆ptc加热器；第三预充模块与预充电阻之间串联第三预充接触器；电堆升压dc、电堆空气压缩系统、电堆ptc加热器并联后与第三预充接触器、预充电阻、动力电池依次串联构成第三预充电路；第三预充模块与动力电池之间串联第三接触器，第三接触器与预充电阻、第三预充接触器并联。

本发明的氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，采用三个预充模块共用一个预充电阻电路的设计，能够降低pdu系统的成本，同时解决了安装多各预充电阻所带来的pdu系统体积增大问题。

本发明的氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，使得三个预充模块系统可以相互关联、相互影响，pdu系统具备结构层次性分明、稳定性高、控制逻辑性强等优点。

本发明的氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，设计了三个预充模块，即使在某一个预充模块预充失败的情况下也能正常上高压，保证车辆行驶功能，具有很强的容错性。

本发明提供氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，使得预充模块中的多个高压负载具备多个高压工作回路，使得各工作回路分得的电流远远小于一个总工作电路的总电流，能够减小铜排损耗。

附图说明

图1为本发明实施例的一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统的电路图；

图2为本发明实施例的一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统的控制方法的流程示意图。

图中标记说明：

1、动力电池；2、预充电阻；3、待预充模块；4、第一预充模块；5、第二预充模块；6、第三预充模块；7、空调ptc加热器；8、降压dc；9、压缩机；10、第一预充接触器；11、第一接触器；12、超级电容升压dc；13、驱动电机系统；14、第二预充接触器；15、第二接触器；16、电堆升压dc；17、电堆空气压缩系统；18、电堆ptc加热器；19、第三预充接触器；20、第三接触器；21、主接触器；22、保险丝。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例

如图1所示，本发明的实施例提供一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统，包括动力电池1、预充电阻2和待预充模块3，动力电池1、预充电阻2和待预充模块3串联成一个回路，待预充模块3包括第一预充模块4、第二预充模块5和第三预充模块6，第一预充模块4、第二预充模块5和第三预充模块6并联，预充电阻2能够限制三个预充模块中的预充电流大小，防止三个预充模块中的容性负载充电导致回路总电流过大而烧毁接触器；

第一预充模块4可以包括空调ptc加热器7、降压dc8和压缩机9；空调ptc加热器7、降压dc8、压缩机9与预充电阻2之间串联第一预充接触器10，空调ptc加热器7、降压dc8、压缩机9并联后与第一预充接触器10、预充电阻2、动力电池1依次串联构成第一预充电路，空调ptc加热器7、降压dc8和压缩机9的一端均与动力电池1的负极连接，其另一端均与第一预充接触器10的一端连接；通过闭合第一预充接触器10，使得第一预充模块4与动力电池1导通，实现对空调ptc加热器7、降压dc8和压缩机9的预充；空调ptc加热器7、降压dc8、压缩机9与动力电池1之间串联第一接触器11，第一接触器11与预充电阻2、第一预充接触器10并联；第一接触器11可以在第一预充模块4预充完成后主动闭合，从而可以将第一预充接触器10短路掉，使得第一预充模块4中的高压负载正常工作。

第二预充模块5可以包括超级电容升压dc12和驱动电机系统13；超级电容升压dc12、驱动电机系统13与预充电阻2之间串联第二预充接触器14，超级电容升压dc12、驱动电机系统13并联后与第二预充接触器14、预充电阻2、动力电池1依次串联构成第二预充电路，超级电容升压dc12和驱动电机系统13的一端均与动力电池1的负极连接，其另一端均与第二预充接触器14的一端连接；通过闭合第二预充接触器14，使得第二预充模块5与动力电池1导通，实现对超级电容升压dc12和驱动电机系统13的预充；超级电容升压dc12、驱动电机系统13与动力电池1之间串联第二接触器15，第二接触器15与第二预充接触器14、预充电阻2并联；第二接触器15可以在第二预充模块5预充完成后主动闭合，从而可以将第二预充接触器14短路掉，使得第二预充模块5中的高压负载正常工作。

第三预充模块6可以包括电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17和电堆ptc加热器18；电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17、电堆ptc加热器18和预充电阻2之间串联第三预充接触器19，电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17、电堆ptc加热器18并联后与第三预充接触器19、预充电阻2、动力电池1依次串联构成第三预充电路，电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17和电堆ptc加热器18的一端均与动力电池1的负极连接，其另一端均与第三预充接触器19的一端连接；通过闭合第三预充接触器19，使得第三预充模块6与动力电池1导通，实现对电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17、电堆ptc加热器18的预充；电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17、电堆ptc加热器18和动力电池1之间串联第三接触器20，第三接触器20与第三预充接触器19、预充电阻2并联；第三接触器20可以在第三预充模块6预充完成后主动闭合，从而可以将第三预充接触器19短路掉，使得第三预充模块6中的高压负载正常工作。

本发明的一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统及其控制方法。该共预充pdu系统，采用三个预充模块共用一个预充电阻2的设计，能够降低pdu系统的成本，同时解决了安装多个预充电阻所带来的pdu系统体积增大问题；该共预充pdu系统，使得三个预充模块可以相互关联、相互影响，pdu系统具备结构层次性分明、稳定性高、控制逻辑性强等优点；该共预充pdu系统，设计了三个预充模块，即使在某一个预充模块预充失败的情况下也能正常上高压，保证车辆行驶功能，具有很强的容错性；该共预充pdu系统，使得预充模块中的多个高压负载具备多个高压工作回路，使得各工作回路分得的电流远远小于一个总工作电路的总电流，能够减小铜排损耗。

动力电池1与预充电阻2之间可以串接有主接触器21，主接触器21可以防止动力电池1直接与外部连接，可以确保高压安全，从而降低人员触电风险。

空调ptc加热器7与第一预充接触器10之间、降压dc8与第一预充接触器10之间、压缩机9与第一预充接触器10之间、超级电容升压dc12与第二预充接触器14之间、驱动电机系统13与第二预充接触器14之间、电堆升压dc16与第三预充接触器19之间、电堆空气压缩系统17与第三预充接触器19之间、电堆ptc加热器18与第三预充接触器19之间均可以串接有保险丝22；保险丝22可以分别保护各个预充模块中的高压负载的电流不会过大，当电流过大时，可以通过熔断的方式切断电路，起到保护各个预充模块中的高压负载的作用。

空调ptc加热器7对空调系统进行加热，压缩机9为空调系统进行制冷，降压dc8能够利用氢能燃料电池汽车的高压电给低压蓄电池补充电量，由于空调ptc加热器7、压缩机9和降压dc8的功率较小，因此将这三者作为第一预充模块4；超级电容升压dc12能将超级电容的能量供给驱动电机系统13，同时能吸收驱动电机系统13回馈产生的电能，驱动电机系统13能为氢能汽车提供动力来源，同时回馈制动产生电能，超级电容升压dc12与驱动电机系统13相互关联，因此将驱动电机系统13与超级电容升压dc12作为第二预充模块5；电堆升压dc16能将电堆的较低电压升至动力电池1母线电压，将氢燃料电池产生的电能供给氢能汽车的高压回路，电堆空气压缩系统17为氢燃料电池电堆提供氧气供应，电堆ptc加热器18可以对氢燃料电池电堆冷却液进行加热；电堆升压dc16、电堆空气压缩系统17和电堆ptc加热器18三者作为第三预充模块6。

本系统设计高压上电顺序：先是第一预充模块4，再是第二预充模块5，最后是第三预充模块6；原因如下：第二预充模块5和第三预充模块6在启动时需要消耗蓄电池电量，可能会引起蓄电池馈电，由于降压dc8能够为蓄电池补充电量；所以在上高压时，先是对空调ptc加热器7、压缩机9和降压dc8进行预充上电；由于氢能燃料电池汽车有辅助能源，即使在氢燃料系统不能工作时，辅助能源可以为驱动电机系统13提供电能，使得驱动电机系统13能为氢能燃料电池汽车提供动力来源，进而可以满足汽车行驶一定距离；因此需要先对驱动电机系统13与超级电容升压dc12进行高压上电，满足汽车行驶需求后，再对第三预充模块6中的氢燃料回路进行高压上电，这样设置的目的可以提升高压上电的有效性。

预充原理：由于动力电池1的电源回路在整车端存在大量的容性负载，如果直接闭合电路中的接触器，就会因为外部容性负载产生大电流瞬态冲击，导致出现回路保险丝22烧毁的危险情况发生，因此设计预充电阻2和多个预充电路的目的是在高电压上电过程中需要对整个动力电池1的电源高压回路进行上电防瞬态冲击保护，又称为预充电保护。

如图2所示，一种氢能燃料电池汽车的共预充pdu系统的控制方法的流程示意图，包括以下步骤：

1.第一预充模块4预充：当共预充pdu系统收到整车控制器发出的高压上电命令后，整车控制器控制主接触器21和第一预充接触器10吸合，第二预充接触器14、第三预充接触器19、第一接触器11、第二接触器15和第三接触器20断开；

当持续3s时间后，若动力电池1母线电压与降压dc8母线电压的差值的绝对值≥10v，则整车控制器控制第一预充接触器10、主接触器21断开，并且发送第一预充模块4预充失败，进入等待下次高压上电命令；

若动力电池1母线电压与降压dc8母线电压的差值的绝对值＜10v，则整车控制器控制第一接触器11吸合，间隔100ms时间，断开第一预充接触器10，第一预充模块4预充完成；

2.第二预充模块5预充：第一预充接触器10断开100ms后，整车控制器控制第二预充接触器14吸合，持续3s时间后，若动力电池1母线电压与驱动电机系统13母线电压的差值的绝对值≥10v，则整车控制器控制第二预充接触器14、第一接触器11、主接触器21断开，并且发送第二预充模块5预充失败，进入等待下次高压上电命令；

若动力电池1母线电压与驱动电机系统13母线电压的差值的绝对值＜10v，则整车控制器控制第二接触器15吸合，间隔100ms后，断开第二预充接触器14，第二预充模块5预充完成；

3.第三预充模块6预充：第二预充接触器14断开100ms后，整车控制器控制第三预充接触器19吸合，持续3s时间后，若动力电池1母线电压与电堆空气压缩系统17母线电压的差值的绝对值≥10v，则整车控制器控制第三预充接触器19断开，并且发送第三预充模块6预充失败，高压上电完成；这里的高压上电是指无燃料电池介入的情况下的高压上电；

若动力电池1母线电压与电堆空气压缩系统17母线电压的差值的绝对值＜10v，则整车控制器控制第三接触器20吸合100ms后，断开第三预充接触器19，第三预充模块6预充完成，高压上电完成；这里的高压上电是指有燃料电池介入的情况下的高压上电。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。