一种基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统的制作方法

本发明涉及阀门控制领域，特别是涉及一种基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统。

背景技术：

1、在燃料电池的组成系统中，为快速、准确的控制电堆进氢压力等参数，越来越多的单比例阀引射器都改成双比例阀系统组成的引射器，所以，双引射器中的两个比例阀的控制就尤为重要。

2、现有燃料电池的双引射器中的两个比例阀控制一般都采用pwm信号进行驱动控制，通过调节占空比来控制比例阀的开度，实现双比例阀系统输出压力、流量等参数的控制。

3、但是，现有控制方式存在以下不足之处：

4、1、现有的双比例阀系统受fcu控制，若是系统在运行状态，fcu遇到干扰复位，或者线束松动导致复位的情况下，双比例阀系统会完全关闭，导致燃料电池系统严重故障。

5、2、比例阀控制输入的电源来自小电瓶电压，与其直连，若遇到振动、系统干扰或者线束脱落等干扰到小电瓶电压瞬时下降或者瞬时峰值电压干扰时，比例阀的开度会有很大的影响，导致系统工作发生故障，且也会导致软件pi闭环控制或者pid闭环控制速度、精度都会降低。

6、3、比例阀中的弹簧在温度影响下，会导致弹簧自身的弹性系数发生变化，导致比例阀的开度受到影响，软件pi闭环控制或者使用pid闭环控制比较复杂，且会导致比例阀开度控制精度降低，控制速度降低，导致燃料电池系统寿命受到影响。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种带有复位保持功能、温度检测功能和宽输入电压范围的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统。

2、本发明的技术方案，一种基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，包括boost模块、保持功能模块、emc滤波器、buck模块、欠压保护模块、温度检测模块，以及与boost模块、保持功能模块、buck模块、欠压保护模块和温度检测模块分别电性连接的mcu模块；

3、boost模块：当供电电压在16-32v内，boost模块待机不启动，当供电电压小于16v时，boost模块启动工作，补充电压到24v左右，维持控制系统正常工作直到供电电压恢复正常；

4、保持功能模块：为控制系统提供稳定的5v供电，当车载电平电压掉电，导致电压过低时，保持功能模块检测到输入电压过低，通过boost模块将电压升到16v以上；

5、emc滤波器：其与boost模块和保持功能模块分别电性连接，采用共模电感，为π型滤波电路，包括多个x滤波电容和y滤波电容；

6、buck模块：输出电流通过buck模块内部运放放大后，反馈给mcu模块，mcu模块通过pwm方式调节buck输出电流，为闭环设计；

7、欠压保护模块：当供电电压过低，导致boost电路升压功能不足以满足系统所需电压时，欠压保护模块工作，反馈给mcu模块，控制系统有序安全掉电；

8、温度检测模块：检测弹簧的温度反馈以用来精确控制双比例阀开度；

9、mcu模块：控制及监控整个控制系统，并与燃料电池系统fcu进行通信。

10、优选地，保持功能模块在唤醒状态时即使唤醒信号丢失，还能保持工作状态，直到收到mcu模块发送的下电指令，屏蔽了来自唤醒线路的干扰信号。

11、优选地，温度检测模块包括ntc-1模块和ntc-2模块，检测比例阀弹簧温度，根据温度反馈，结合弹簧弹性系数与温度的关系、恒流控制电流与占空比的关系、占空比与开度的关系，使比例阀在极端天气，极端工况下，能够准确保证比例阀的开度。

12、优选地，弹簧弹性系数公式：

13、

14、g为剪切弹性模量，d为弹簧线径，d0为弹簧外径，dm为弹簧中心径，dm＝d0-d，n为弹簧总圈数，nc为弹簧有效圈数，nc＝n-2。

15、优选地，具有以下闭环温度反馈过程：

16、m1、弹簧工作环境的温度通过温度检测模块将温度物理量转换成ad模拟量，实时进行检测；

17、m2、通过温度检测模块将ad信号传入mcu模块进行控制；

18、m3、mcu模块通过判断、计算和修正，将比例阀所需的驱动电流值给到比例阀；

19、m4、驱动电流给到比例阀线圈，产生驱动弹簧的力，驱动电流的大小和占空比的对应关系，对应着比例阀开度，最大驱动电流对应1占空比，对应百分百开度；

20、m5、比例阀的开度反向对应着弹簧驱动力的大小，弹簧本身受温度影响。

21、优选地，随着弹簧工作温度的升高，弹簧弹性系数降低，导致在控制比例阀开度过程中，恒流控制相同电流源条件下，处于温度较高的环境下的比例阀开度会比处于温度较低的环境下的比例阀开度小。

22、优选地，设比例阀正常工作温度区间为ti～t0，在此温度区间内，弹簧弹性系数变化极小，忽略为弹簧弹性系数不变，为k0；

23、当弹簧工作温度超过t0或低于ti时，设此时的弹簧弹性系数为kα，软件修正后，设弹簧弹性系数随温度变化的变化系数为β；则当比例阀弹簧工作温度不在正常工作温度区间时：

24、弹簧弹性系数kα＝βk0；

25、设在接到fcu开度指令后，比例阀1恒流源驱动电流为a1，比例阀2恒流源驱动电流为a2，则比例阀1恒流源驱动电流a1α＝βa1，比例阀2恒流源驱动电流a2α＝βa2。

26、优选地，控制系统收到来自fcu的启动命令后，温度检测模块检测温度实时值，并传送到mcu模块，mcu模块软件检测温度；

27、若温度处于设定正常工作温度区间，则跳过软件检测计算阶段，直接进行pwm计算，根据报文中所设定的开度，计算两个比例阀占空比，计算出两个比例阀恒流源控制电流值a1和a2后进行pi控制两个比例阀开度；

28、若温度不在设定正常工作温度区间，则进入软件计算阶段，计算出两个比例阀恒流源驱动电流a1α和a2α后进行pi控制两个比例阀开度。

29、优选地，温度检测模块在启动后每隔t秒检测一次，mcu模块在与fcu通信异常时，会在t秒内保持比例阀开度，若t秒后仍未收到报文，则报故障代码，若t秒内收到报文，则按指令实施。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

31、本发明使用双比例阀控制系统控制双比例阀；增加温度检测模块检测弹簧温度，使比例阀开度更加精确，增加燃料电池寿命；采用恒流源驱动控制比例阀，屏蔽了电压等给比例阀线圈电流造成的干扰，简化了软件的pi控制策略，同时也提高了比例阀开度控制的速度和准确性；在fcu受到干扰或者线束松动等问题导致fcu复位时，比例阀开度具有保持功能；在供电回路上发生电压骤降，抛负载浪涌电压冲击等干扰的时候，不会对比例阀开度造成影响。

技术特征：

1.一种基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，包括boost模块、保持功能模块、emc滤波器、buck模块、欠压保护模块、温度检测模块，以及与boost模块、保持功能模块、buck模块、欠压保护模块和温度检测模块分别电性连接的mcu模块；

2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，保持功能模块在唤醒状态时即使唤醒信号丢失，还能保持工作状态，直到收到mcu模块发送的下电指令，屏蔽了来自唤醒线路的干扰信号。

3.根据权利要求1所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，温度检测模块包括ntc-1模块和ntc-2模块，用于检测比例阀弹簧温度，根据温度反馈，结合弹簧弹性系数与温度的关系、恒流控制电流与占空比的关系、占空比与开度的关系，使比例阀在极端天气，极端工况下，能够准确保证比例阀的开度。

4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，弹簧弹性系数公式：

5.根据权利要求4所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，具有以下闭环温度反馈过程：

6.根据权利要求5所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，随着弹簧工作温度的升高，弹簧弹性系数降低，导致在控制比例阀开度过程中，恒流控制相同电流源条件下，处于温度较高的环境下的比例阀开度会比处于温度较低的环境下的比例阀开度小。

7.根据权利要求6所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，设比例阀正常工作温度区间为ti～t0，在此温度区间内，弹簧弹性系数变化极小，忽略为弹簧弹性系数不变，为k0；

8.根据权利要求7所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，控制系统收到来自fcu的启动命令后，温度检测模块检测温度实时值，并传送到mcu模块，mcu模块软件检测温度；

9.根据权利要求8所述的基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统，其特征在于，温度检测模块在启动后每隔t秒检测一次，mcu模块在与fcu通信异常时，会在t秒内保持比例阀开度，若t秒后仍未收到报文，则报故障代码，若t秒内收到报文，则按指令实施。

技术总结
本发明涉及阀门控制领域，具体为一种基于燃料电池的双比例阀高精度控制系统。其包括BOOST模块、保持功能模块、EMC滤波器、BUCK模块、欠压保护模块、温度检测模块，以及与BOOST模块、保持功能模块、BUCK模块、欠压保护模块和温度检测模块分别电性连接的MCU模块；BUCK模块：输出电流通过BUCK模块内部运放放大后，反馈给MCU模块，MCU模块通过PWM方式调节BUCK输出电流，为闭环设计；温度检测模块：检测弹簧的温度反馈以用来精确控制双比例阀开度；MCU模块：与燃料电池系统FCU进行通信。本发明带有复位保持功能、温度检测功能和宽输入电压范围。

技术研发人员：史强,晁鹏翔
受保护的技术使用者：德创未来汽车科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20