阅读说明：本技术 燃料电池系统的高压箱 (High-pressure tank of fuel cell system ) 是由 陈建平 林业发 吴炎花 季文姣 徐吉林 李然 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃料电池系统的高压箱,包括箱体和内部电路,内部电路包括高压正极铜排、高压负极铜排、燃料电池正极铜排、燃料电池负极铜排、高压输出回路、高压上电预充回路、空压机供电回路、水泵供电回路、升压DC-DC模块、燃料电池主接触器、燃料电池放电回路和绝缘监测模块；箱体上设置有燃料电池连接器、动力电池连接器、低压控制回路连接器、水泵电源连接器、空压机电源连接器以及冷却水进出接口。本发明提供的高压箱减少了线束的使用及误连接,减少了对燃料电池控制器的资源的占用,让整个燃料电池系统更加紧凑；快速拨插的连接器方便与系统零部件对接,降低了燃料电池汽车整车装配难度,提高了动力系统部件的集成度和可靠性。(The invention discloses a high-voltage box of a fuel cell system, which comprises a box body and an internal circuit, wherein the internal circuit comprises a high-voltage positive electrode copper bar, a high-voltage negative electrode copper bar, a fuel cell positive electrode copper bar, a fuel cell negative electrode copper bar, a high-voltage output circuit, a high-voltage power-on pre-charging circuit, an air compressor power supply circuit, a water pump power supply circuit, a boosting DC-DC module, a fuel cell main contactor, a fuel cell discharging circuit and an insulation monitoring module; the box body is provided with a fuel cell connector, a power cell connector, a low-voltage control loop connector, a water pump power connector, an air compressor power connector and a cooling water inlet and outlet interface. The high-voltage box provided by the invention reduces the use and the misconnection of the wiring harness, reduces the occupation of resources of the fuel cell controller, and makes the whole fuel cell system more compact; the quick-pull-plug connector is convenient to be in butt joint with system parts, the whole assembly difficulty of the fuel cell automobile is reduced, and the integration level and the reliability of power system parts are improved.)

燃料电池系统的高压箱

技术领域

本发明涉及高压箱领域，特别涉及一种燃料电池系统的高压箱。

背景技术

装载燃料电池系统的电动汽车以其排放污染少、能量转换效率高及运行噪声低著称，目前在日韩已经推出量产版的燃料电池乘用车，欧美的燃料电池商用车也在持续示范运行。在国内，近几年燃料电池汽车的发展，在商用车市场燃料电池汽车相比纯电动路线有极大的优势，发展燃料电池汽车也是大势所趋。

虽然燃料电池商用车有优势，但正向开发的燃料电池商用车却很少，大部分燃料电池商用车都从发展较早的纯电动商用车中改造过来。在燃料电池汽车改造集成的过程中，会碰到诸多问题。具体包括：燃料电池系统运行时系统的多个附件都需要用到电源，这些电源的供给及布线不便；同时燃料电池特性较软的电能升压后需要提供电能输出通道，但整车提供的高压输出接口一般只有一个，这使得由纯电动商用车改造的燃料电池商用车供电不便。另外，由于现有的燃料电池系统中分立部件较多，燃料电池控制器需要分别和每个分立部件通信以实现控制，因此占用了较多的燃料电池控制器的资源且涉及的线束过多，导致了安装时难度大、容易造成误连接影响系统可靠性，还有分立部件分散管理且连接线束过多使得整个燃料电池系统占用的空间较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中由纯电动商用车改造的燃料电池商用车中燃料电池系统中电源供给不便，占用了较多的燃料电池控制器的资源且涉及的线束过多，导致安装时难度大、容易造成误连接影响可靠性且占用空间大的缺陷，提供一种结构简单、占用资源少、让整个系统更加紧凑、装配难度低、集成度和可靠性高的燃料电池系统的高压箱。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种燃料电池系统的高压箱，包括箱体和内部电路，所述内部电路设置于所述箱体内；

所述内部电路包括高压正极铜排、高压负极铜排、燃料电池正极铜排、燃料电池负极铜排、高压输出回路、高压上电预充回路、空压机供电回路、水泵供电回路、升压DC-DC(电源变换器)模块、燃料电池主接触器、燃料电池放电回路和绝缘监测模块；

所述箱体上设置有燃料电池连接器、动力电池连接器、低压控制回路连接器、水泵电源连接器、空压机电源连接器以及冷却水进出接口；

所述低压控制回路连接器用于接入24V(伏特)控制电源及由燃料电池控制器控制的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线；

所述升压DC-DC模块包括低压侧正极、低压侧负极、高压侧正极、高压侧负极；

所述高压输出回路包括第一保险及第二接触器，所述第一保险的第一端与所述动力电池连接器的正极连接，所述第一保险的第二端与所述第二接触器的第一端连接，所述第二接触器的第二端与所述高压正极铜排连接，所述动力电池连接器的负极与所述高压负极铜排连接；

所述高压上电预充回路包括第一接触器和第一功率电阻，所述第一接触器的第一端与所述高压正极铜排连接，所述第一接触器的第二端与所述第一功率电阻的第一端连接，所述第一功率电阻的第二端与所述第一保险的第二端连接；

所述水泵供电回路包括第三保险，所述第三保险的第一端与所述高压正极铜排连接，所述第三保险的第二端与所述水泵电源连接器的正极连接，所述水泵电源连接器的负极与所述高压负极铜排连接；

所述空压机供电回路包括第四保险，所述第四保险的第一端与所述高压正极铜排连接，所述第四保险的第二端与所述空压机电源连接器的正极连接，所述空压机电源连接器的负极与所述高压负极铜排连接；

所述燃料电池放电回路包括第四接触器和第二功率电阻，所述第四接触器的第一端与所述燃料电池负极铜排连接，所述第四接触器的第二端与所述第二功率电阻的第一端连接，所述第二功率电阻的第二端与所述燃料电池正极铜排连接；

所述绝缘监测模块的第一端与所述燃料电池负极铜排连接，所述绝缘监测模块的第二端与所述燃料电池正极铜排连接；

所述升压DC-DC模块还包括四个开关量输出口，所述升压DC-DC模块通过所述四个开关量输出口输出四个分合控制信号分别至所述第一接触器、所述第二接触器、所述第四接触器以及所述燃料电池主接触器以实现对每个接触器的分合控制；

所述高压侧正极与所述高压正极铜排连接，所述高压侧负极与所述高压负极铜排连接；所述低压侧正极与所述燃料电池主接触器的第一端连接，所述燃料电池主接触器的第二端与所述燃料电池正极铜排连接，所述燃料电池正极铜排还与所述燃料电池连接器的正极连接；所述低压侧负极与所述燃料电池负极铜排连接，所述燃料电池负极铜排还与所述燃料电池连接器的负极连接；

所述24V控制电源为所述升压DC-DC模块、所述绝缘监测模块、所述第一接触器、所述第二接触器、所述第四接触器以及所述燃料电池主接触器供电；

所述升压DC-DC模块、所述绝缘监测模块与所述CAN总线连接。

较佳地，所述箱体上还设置有加热器电源连接器；所述内部电路还包括加热器供电回路；

所述加热器供电回路包括第三接触器和第二保险，所述第三接触器的第一端与所述高压正极铜排连接，所述第三接触器的第二端与所述第二保险的第一端连接，所述第二保险的第二端与所述加热器电源连接器的正极连接，所述加热器电源连接器的负极与所述高压负极铜排连接；

所述升压DC-DC模块还包括第五开关量输出口，所述升压DC-DC模块通过所述第五开关量输出口输出第五分合控制信号至所述第三接触器以实现分合控制；

所述24V控制电源还为所述第三接触器供电。

较佳地，所述箱体上还设置有24V电源连接器；所述内部电路还包括24V电源输出模块；

所述24V电源输出模块包括第五保险和24V电源模块；所述24V控制电源还为所述24V电源模块供电；所述24V电源模块与所述CAN总线连接；所述第五保险的第一端与所述高压正极铜排连接，所述第五保险的第二端与所述24V电源模块的高压侧输入正极连接，所述24电源模块的高压侧输入负极与所述高压负极铜排相连，所述24V电源模块的低压侧输出正极与所述24V电源连接器的正极连接，所述24V电源模块的低压侧输出负极与所述24V电源连接器的负极连接。

较佳地，所述高压箱还包括水冷板，所述升压DC-DC模块和所述24V 电源模块均安装在所述水冷板上。

较佳地，所述第二接触器和所述燃料电池主接触器均带有辅助触点，所述升压DC-DC模块还包括第一开关量输入口和第二开关量输入口，所述升压DC-DC模块还通过所述第一开关量输入口采集所述第二接触器的辅助触点上的信号，所述升压DC-DC模块还通过所述第二开关量输入口采集所述燃料电池主接触器的辅助触点上的信号。

较佳地，所述箱体为IP67(一种防护安全级别)等级的箱体，所述高压箱包括的所有连接器均为IP67等级的快速可插拔连接器。

较佳地，所述箱体为带气体平衡阀的密封箱体。

较佳地，所述低压控制回路连接器为低压连接器，所述高压箱包括的其它连接器均为带有互锁信号输出端的高压连接器；

所述升压DC-DC模块还包括若干个扩展的开关量输入口，所述扩展的开关量输入口的数量与所述高压连接器的数量相同；每个所述扩展的开关量输入口与一个所述高压连接器的互锁信号输出端连接；

所述升压DC-DC模块还通过所述扩展的开关量输入口采集对应的所述高压连接器的互锁信号输出端上的信号。

较佳地，所述绝缘监测模块包括绝缘监测仪。

较佳地，所述24V控制电源包括24V+端口和24V-端口；所述CAN总线包括CANL端口和CANH端口。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的燃料电池系统的高压箱在箱体内集成了高压输出回路、高压上电预充回路、加热器电源供电回路、水泵电源供电回路、空压机供电回路、24V电源模块、升压DC-DC模块、燃料电池主接触器、燃料电池放电回路、绝缘监测模块。将燃料电池系统需要使用的现有技术中一般分立摆放的各种电气件统一集成到一个箱体中，其结构简单，制作方便，让整个燃料电池系统更加紧凑。高压箱内的低压控制回路仅有四根线，分别是24V控制电源两根、CAN总线两根，极大减少线束的使用及误连接，通过CAN总线通信即能控制高压箱的运行，减少占用燃料电池控制器的资源，非常有利于燃料电池系统的运行及能量输出，两边设有快速拨插的连接器，方便与系统零部件对接，降低了燃料电池汽车整车装配难度，提高了动力系统部件的集成度和可靠性。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的燃料电池系统的高压箱的外形示意图。

图2为本发明一较佳实施例的燃料电池系统的高压箱内部原理图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种燃料电池系统的高压箱，包括箱体、水冷板(图中未示出)和设置于箱体内的内部电路。箱体上设置有燃料电池连接器、动力电池连接器、低压控制回路连接器、水泵电源连接器、空压机电源连接器、加热器电源连接器、24V电源连接器以及冷却水进出接口。其中，箱体为IP67等级的带气体平衡阀的密封箱体。高压箱包括的所有连接器均为IP67等级的快速可插拔连接器，能够方便地与燃料电池系统的各零部件对接。低压控制回路连接器为低压连接器，高压箱包括的其它连接器均为带有互锁信号输出端的高压连接器。

本实施例中内部电路包括高压正极铜排、高压负极铜排、燃料电池正极铜排、燃料电池负极铜排、高压输出回路、高压上电预充回路、空压机供电回路、水泵供电回路、加热器供电回路、24V电源输出模块、升压DC-DC模块、燃料电池主接触器K5、燃料电池放电回路和绝缘监测模块。其中，绝缘监测模块采用绝缘监测仪实现，用于解决燃料电池系统的绝缘监测，保证系统的安全。

本实施例中，低压控制回路连接器用于接入24V控制电源及由燃料电池控制器控制的CAN总线。24V控制电源及CAN总线构成低压控制回路。 24V控制电源包括24V+端口和24V-端口，CAN总线包括CANL端口和 CANH端口。其中24V控制电源和燃料电池控制器都处于高压箱外，24V控制电源为车载电源，燃料电池控制器为燃料电池系统的一部分。其中，低压控制回路仅有四根线，分别是24V控制电源的两根线以及CAN总线的两根线，由此极大减少燃料电池系统中线束的使用及误连接，方便故障诊断，能够减少对燃料电池控制器的资源占用。

本实施例中，升压DC-DC模块包括低压侧正极、低压侧负极、高压侧正极、高压侧负极。具体的，升压DC-DC模块包括三部分电源接口，第一部分是接入24V控制电源，以使得升压DC-DC模块能够正常运行，第二部分是低压侧正极、低压侧负极，其用于接入由燃料电池提供的电源，第三部分是高压侧正极、高压侧负极，其为升压DC-DC模块将燃料电池提供的电源升压后输出的高压电源的接口。

本实施例中，高压输出回路包括第一保险FU1及第二接触器K2，第一保险FU1的第一端与动力电池连接器的正极连接，第一保险FU1的第二端与第二接触器K2的第一端连接，第二接触器K2的第二端与高压正极铜排连接，动力电池连接器的负极与高压负极铜排连接。

本实施例中，高压上电预充回路包括第一接触器K1和第一功率电阻R1，第一接触器K1的第一端与高压正极铜排连接，第一接触器K1的第二端与第一功率电阻R1的第一端连接，第一功率电阻R1的第二端与第一保险FU1 的第二端连接。

本实施例中，加热器供电回路包括第三接触器K3和第二保险FU2，第三接触器K3的第一端与高压正极铜排连接，第三接触器K3的第二端与第二保险FU2的第一端连接，第二保险FU2的第二端与加热器电源连接器的正极连接，加热器电源连接器的负极与高压负极铜排连接。当燃料电池系统冷启动实现无外部辅热启动时，加热器供电回路用作备用回路，为后续需要高压电源的设备供电。

本实施例中，水泵供电回路包括第三保险FU3，第三保险FU3的第一端与高压正极铜排连接，第三保险FU3的第二端与水泵电源连接器的正极连接，水泵电源连接器的负极与高压负极铜排连接。其中，水泵电源为燃料电池系统必用电源，高压上电时需要预充。

本实施例中，空压机供电回路包括第四保险FU4，第四保险FU4的第一端与高压正极铜排连接，第四保险FU4的第二端与空压机电源连接器的正极连接，空压机电源连接器的负极与高压负极铜排连接。其中，空压机电源为燃料电池系统必用电源，高压上电时需要预充。

本实施例中，24V电源输出模块包括第五保险FU5和24V电源模块。 24V电源模块为降压DC-DC模块，用于把高压降成24V的低压后输出至高压箱外为燃料电池系统供电，以解决燃料电池系统24V电源功率需求较大，而整车又无法提供足够功率的问题。第五保险FU5的第一端与高压正极铜排连接，第五保险FU5的第二端与24V电源模块的高压侧输入正极连接，24电源模块的高压侧输入负极与高压负极铜排相连，24V电源模块的低压侧输出正极与24V电源连接器的正极连接，24V电源模块的低压侧输出负极与 24V电源连接器的负极连接。

本实施例中，燃料电池放电回路包括第四接触器K4和第二功率电阻R2，第四接触器K4的第一端与燃料电池负极铜排连接，第四接触器K4的第二端与第二功率电阻R2的第一端连接，第二功率电阻R2的第二端与燃料电池正极铜排连接。其中，第二功率电阻R2为放电电阻，通过放电电阻放电，解决燃料电池系统关机时通过升压DC-DC模块放电时电流纹波大，对燃料电池的电堆不利的问题。

本实施例中，升压DC-DC模块集成安装在箱体内的水冷板上。升压DC- DC模块内部包括控制板，该控制板在现有的控制板的基础上对驱动资源进行了扩展，具体包括扩展了开关量输出口和开关量输入口，该控制板除了对本升压DC-DC模块的控制外，还能通过CAN通信指令分合控制本高压箱内的所有的接触器。具体为通过五个开关量输出口输出五个分合控制信号分别至第一接触器K1、第二接触器K2、第三接触器K3、第四接触器K4以及燃料电池主接触器K5，即一个开关量输出口与一个接触器连接，以实现对每个接触器的分合控制。通过若干个扩展的开关量输入口分别采集每个高压连接器的互锁信号，即一个扩展的开关量输入口与一个高压连接器的互锁信号输出端连接，以做出连接器是否存在松脱的故障诊断。

本实施例中，高压侧正极与高压正极铜排连接，高压侧负极与高压负极铜排连接；低压侧正极与燃料电池主接触器K5的第一端连接，燃料电池主接触器K5的第二端与燃料电池正极铜排连接，燃料电池正极铜排还与燃料电池连接器的正极连接；低压侧负极与燃料电池负极铜排连接，燃料电池负极铜排还与燃料电池连接器的负极连接。燃料电池主接触器K5集成在高压箱内，用于在极端情况下及时断开燃料电池与燃料电池系统的连接，保证系统的运行安全，同时能够减小因为集成到燃料电池内部造成燃料电池体积较大的问题。

本实施例中，绝缘监测模块的第一端与燃料电池负极铜排连接，绝缘监测模块的第二端与燃料电池正极铜排连接。

本实施例中，所有的接触器与保险的容量大小是根据燃料电池系统的功率大小、附件负载消耗计算确定的，在此不做限定。

本实施例中，24V控制电源为升压DC-DC模块、24V电源模块、绝缘监测模块、第一接触器K1、第二接触器K2、第三接触器K3、第四接触器 K4以及燃料电池主接触器K5供电。升压DC-DC模块、绝缘监测模块、24V 电源模块与CAN总线连接，燃料电池控制器通过CAN总线实现对这些模块的运行进行控制及监测。

本实施例中，升压DC-DC模块和24V电源模块均集成安装在箱体内的水冷板上，以保证较好的散热效果。

本实施例中，第二接触器K2和燃料电池主接触器K5均带有辅助触点，升压DC-DC模块还包括第一开关量输入口和第二开关量输入口，升压DC- DC模块还通过第一开关量输入口和第二开关量输入口分别采集第二接触器 K2和燃料电池主接触器K5的辅助触点上的信号，以诊断对应接触器的粘连情况。

为了更好的理解本发明，现就本实施例提供的燃料电池系统的高压箱在具体使用过程中的运行原理说明如下：

当燃料电池系统准备运行时，先连接好燃料电池连接器、动力电池连接器、低压控制回路连接器、加热器电源连接器、水泵电源连接器、空压机电源连接器、24V电源连接器以及冷却水进出接口；然后整车上24V控制电源，24V控制电源通过低压控制回路连接器提供给高压箱，升压DC-DC模块、24V电源模块、绝缘监测仪、所有接触器获得控制电；这些模块获得控制电后将开始工作并通过CAN总线向燃料电池控制器反馈包括高压互锁在内的各种状态，当整车向燃料电池控制器发送启动燃料电池系统的指令时，燃料电池控制器将判断高压箱上电初始化状态是否可以运行，如无故障上报则通过CAN总线发送启动高压箱指令。首先是高压上电预充，闭合第一接触器K1，升压DC-DC模块、水泵、空压机、24V电源模块开始预充，燃料电池控制器实时接收升压DC-DC模块的高压侧电压及动力电池电压，当升压DC-DC模块的高压侧电压达到动力电池电压的百分之九十时，闭合第二接触器K2，分开第一接触器K1，预充完成。如需要加热器电源，则发送CAN 指令闭合第三接触器K3；燃料电池控制器发送使能24V电源模块指令，24V 电源模块开始工作；当绝缘监测仪返回的绝缘值符合燃料电池启动的条件时，闭合第五接触器K5，燃料电池系统启动前高压箱状态准备完成。在燃料电池启动前，电能从动力电池往高压箱流动，在燃料电池启动后电能先从燃料电池往高压箱流动，再由高压箱往动力电池流动。当燃料电池吹扫完成停机时，第二接触器K2、燃料电池主接触器K5断开，此时升压DC-DC模块内部自带的小功率放电电阻自动为高压箱的高压正极铜排以及高压负极铜排放电，同时闭合第四接触器K4，燃料电池开始放电，放电完成后再断开第四接触器K4，高压箱停机。

本实施例提供的燃料电池系统的高压箱克服了现有燃料电池系统分立部件多处摆放，供电不便的不足，提供了一种燃料电池系统多合一高压箱，在这高压箱中集成高压输出回路、高压上电预充回路、空压机供电回路、水泵供电回路、加热器供电回路、24V电源模块、升压DC-DC模块、燃料电池主接触器、燃料电池放电回路、绝缘监测模块等功能，将多个系统需用的功能模块集成在一个多合一高压箱内，方便燃料电池系统的使用，提高系统电气部件的集成度并降低燃料电池系统整车装配难度。解决了燃料电池系统电能分配、附件取电不便的问题以及燃料电池空压机、水泵、升压DC-DC模块需要高压上电预充的问题。多个分立电气件统一集成到一个多合一高压箱中，内部高压件的连接通过少量的铜排，解决电气件多处摆放占用空间大，通过线束连接时使用大量高压线束的问题。高压箱内的零器件与燃料电池控制器的交互通过CAN总线，避免现有的实现方式中使能设备与分合接接触器时需要利用燃料电池控制器的资源的情况。

本实施例提供的燃料电池系统的高压箱实现了燃料电池系统电气部件供电的高度集成及高压安全的统一管理，解决了燃料电池系统各电气件多处摆放、高压零部件取电不便的难题，大幅减少线束的使用，非常方便燃料电池汽车的整车集成与装配。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。