CN100510650C - 具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，该仪表盘面板系统包括单或双仪表盘系统，其中至少一个仪表盘系统设有监控板和控制按钮；所述的监控板与燃料电池发动机的控制器和整车控制器实现CAN总线通讯，CAN总线的输入端连接选定各传感器和监控器接收选定的工作运行参数数据/信号，并将其处理、转换后传输到液晶显示屏驱动液晶显示屏正确显示在监控板上，所述的控制按钮为两个紧急控制按钮。本发明一种具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，驾驶员可以直观的监控燃料电池发动机大巴、轿车和船的整车工作的主要参数，一旦某些运行参数偏离正常范围，出现故障险情，可进行人工干预。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统。
背景技术
燃料电池是一种能够将燃料与氧化剂发生电化学反应时产生的化学能转变成电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极由一张质子交换膜和夹在膜两面的两张可导电多孔性扩散材料(如碳纸)组成，在质子交换膜与导电材料接触的两边界面上均匀分布有细小分散的可引发电化学反应的催化剂(如金属铂)。膜电极两边用导电物体将发生电化学反应过程中产生的电子通过外电路引出，就构成了电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(如碳纸)，并在催化剂表面发生电化学反应，失去电子形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端—阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体(如空气)，通过渗透穿过多孔性扩散材料(如碳纸)，并在催化剂表面发生电化学反应，得到电子形成负离子，该负离子进一步与从阳极端迁移过来的正离子结合，形成反应产物。
在以氢气为燃料、以含有氧气的空气为氧化剂(或以纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区发生失去电子的催化电化学反应，形成氢正离子(质子)，其电化学反应方程式为：
H2→2H++2e
氧气在阴极区发生得到电子的催化电化学反应，形成负离子，该负离子进一步与从阳极端迁移过来的氢正离子结合，形成反应产物水。其电化学反应方程式为：
1/2O2+2H++2e→H2O
燃料电池中的质子交换膜除了用于发生电化学反应以及迁移交换反应中产生的质子外，其作用还包括将含有燃料氢气的气流与含有氧化剂(氧气)的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆炸式反应。
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极一般放在两块导电的极板之间，两极板上均开设有导流槽，因此又称作导流极板。导流槽开设在与膜电极接触的表面上，通过压铸、冲压或机械铣刻形成，其数量在一条以上。导流极板可以由金属材料制成，也可以由石墨材料制成。导流极板上的导流槽的作用是将燃料或氧化剂分别导入膜电极两边的阳极区或阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极和两块导流极板，两块导流极板分设在膜电极两边，一个作为阳极燃料的导流极板，另一个作为阴极氧化剂的导流极板。这两块导流极板既作为电流集流板，也是膜电极两边的机械支撑。导流极板上的导流槽既是燃料或氧化剂进入阳极或阴极表面的通道，也是将电池运行过程中生成的水带走的出水通道。
为了增大质子交换膜燃料电池的功率，通常将两个或两个以上的单电池通过直叠的方式或平铺的方式连在一起组成电池组，或称作电池堆。这种电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。在电池组中，位于两质子交换膜之间的极板的两面都设有导流槽，称为双极板。双极板的其中一面作为一个膜电极的阳极导流面，另一面则作为另一个相邻膜电极的阴极导流面。一个典型的电池组通常还包括：1)、燃料及氧化剂气体的进口和导流通道。其作用是将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；2)、冷却流体(如水)的进、出口与导流通道。其作用是将冷却流体均匀地分布到各个电池组内的冷却通道中，吸收燃料电池内产生的反应热并将其带出电池组进行散热；3)、燃料与氧化剂气体的出口与导流通道。其作用是将没有参与反应的多余燃料气体和氧化剂排出，同时将反应生成的液态或气态的水带出。上述燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体的进出口通常都开设在燃料电池组的一个端板上或分别开设在两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可制作成移动式或固定式的发电系统。
燃料电池发电系统一般由以下几个部分组成：燃料电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制子系统和电能输出子系统。
图1是上海神力科技有限公司“一种带有动态控制装置的燃料电池”(发明专利申请号：200410016609.4，实用新型专利申请号：200420020471.0)中的一种由燃料电池发动机监控器来实现动态控制运行的燃料电池发电系统。该燃料电池发电系统包括燃料电池堆1，氢气瓶2，减压阀3，空气过滤器4，空气压缩供应装置5，水一汽分离器6，水箱7，水泵8，散热器9，氢气循环泵10，氢气路旋转式可以动态控制增湿度的增湿器11，空气路旋转式可以动态控制增湿度的增湿器12，旋转式增湿器可调速马达13，13’，氢气进口管路上的氢气相对湿度传感器14、氢气温度传感器15和压力传感器19，空气进口管路上的空气相对湿度传感器16、空气温度传感器17和压力传感器20，冷却流体进口管路上的冷却流体温度传感器18和压力传感器21，氢气出口管路上的氢气温度传感器22和氢气压力传感器23，冷却流体出口管路上的冷却流体温度传感器24和冷却流体压力传感器25，空气出口管路上的空气温度传感器26和空气压力传感器27，燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控器28，燃料电池堆工作电流监控器29，负载自动切断开关30，氢气自动切断电磁阀31。
上述燃料电池发电系统遵循以下原理与原则：
a.燃料电池堆1输出功率的允许值与冷却流体进口管路上的冷却流体温度传感器18的额定工作温度有关，一般可以找到一种功率允许输出值与传感器18值的关系，传感器18值越接近额定工作温度，则允许输出功率越大或越接近额定输出功率；
b.燃料电池堆1的输出功率与向燃料电池供应的燃料氢气流量以及空气流量的匹配关系，按氢气计量比1.2计算，空气计量比2.0计算；
c.氢气相对湿度传感器14与空气相对湿度传感器16分别与氢气温度传感器15、空气温度传感器17及氢气、空气的压力有关，可以找到该种气体流量在某种压力、温度条件下达到某种相对湿度的关系曲线，一般来说，该气体流量越大，温度越高，压力越低，越难达到该气体高相对湿度值；相反，该气体流量越小，温度越低，压力越高，该气体较易达到该气体高相对湿度值；
d.旋转式增湿器旋转速度越快，进燃料电池的氢气或空气的温度与相对湿度都越高。
按照上述燃料电池发电系统运行的原理或原则，采用燃料电池发电系统控制子系统，通过对燃料电池工作温度、输出功率需求及对传感器14、15、16、17、18值进行监控并计算，确定对旋转式增湿器的旋转电机的转速设定控制，并同时确定对氢气流量、空气流量的控制，使燃料电池堆在任何功率输出要求的功况下实现：1.输出功率与工作温度的关联控制；2.输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制(其中氢气流量与空气流量按输出功率要求计量比分别是1.2、2.0控制氢气循环泵电机转速及空气泵电机转速来实现)；3.氢气流量与空气流量分别与相应的可以实现动态增湿调解控制的增湿装置中的电机转速进行并联动态控制，使进入燃料电池堆中的任何流量下的氢气、空气都保持最佳相对湿度(70％～95％中间的某一数值)；4.根据外界天气温度与湿度的情况，调解与控制方法同第3点，并达到与第3点相同的目的。最终目的是使燃料电池堆在任何功率输出要求的功况下实现高效能运行与在最佳工作条件下运行，燃料电池堆不但可以有最佳的燃料效率，而且可以大大延长工作寿命。
所以整个燃料电池发动机或整个发电系统中的控制子系统对实现燃料电池发动机或发电系统的安全、高效能以及长寿命运行是至关重要的。
在安全保障方面，主要是当燃料电池发动机或发电系统中的控制子系统探测到某个工作参数，如温度、压力、湿度、电流、电压异常时可及时报警，并同时执行燃料电池发动机的自我保护，如切断负载，切断燃料氢气供应。
另一方面当燃料电池发电系统作为测试燃料电池堆性能的功能使用或对燃料电池整个发电系统的运行条件进行诊断时，燃料电池发电系统中的控制子系统必须同时监测并显示所有工作参数如温度、压力、湿度、电压、单电池电压等。为了优化燃料电池堆或整个燃料电池发电系统的运行条件，整个发电系统的子系统必须随时可以对运行工作中的任何一个温度、压力、湿度、电流、电压进行修正。
目前，对燃料电池发电系统运行的各种工作参数进行监测的技术主要有以下两种：一种是当燃料电池发电系统用作测试燃料电池堆性能的功能使用时，或对燃料电池整个发电系统的运行条件进行诊断时，用计算机系统进行监测与控制。例如：上海神力科技公司的专利技术(中国专利号：200410017449.5)可对燃料电池发电系统运行各种工作参数如温度、压力、湿度、电压、各个单电池电压等进行监测，并可以对运行工作条件中的某一个参数进行直接控制、修正。另一种是当燃料电池发电系统作为车载动力系统使用，或用作可移动式发电站时，直接由监控器实现监测与控制。
上述两种对燃料电池发电系统运行的各种工作参数进行监测的技术有以下不足之处：
1、用计算机系统监测燃料电池发电系统运行各种参数如：温度、压力、湿度、电压、燃料电池中的各个单电池电压，虽比较直观，但是计算机系统往往是比较笨重的设备，在燃料电池发电系统用作车载、船载等动力系统或作为经常移动的发电设备时，要求燃料电池发电系统不但要抗震动，而且要系统简便、轻量化，而计算机系统往往无法达到要求。
2、直接由监控器监测燃料电池发电系统运行各种工作参数，如：温度、压力、湿度、电压，燃料电池中各个单电池电压，没有直观感。燃料电池发电系统运行操作者无法随时对该系统是否处于正常状态进行直观地判断。监控器往往是在燃料电池发电系统运行工作参数中某个参数达到危险的极限时才报警、关机。这样，往往无法使运行操作者知道燃料单电池发电系统趋向非正常的过程，也失去了人为介入调整工作参数的机会。
为了克服上述不足之处，上海神力科技有限公司曾公开过“具有运行参数监视功能的燃料电池发电系统”(发明专利申请号：200410068064.1，实用新型专利申请号：200420109753.8)中的一种具有运行参数监视功能的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆和自动控制子系统，所述自动控制子系统包括设置在氢气进口管路上的氢气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在空气进口管路上的空气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体进口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在氢气出口管路上的氢气温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体出口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在空气出口管路上的空气温度传感器和压力传感器，以及燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控器和燃料电池堆工作电流监控器；所述自动控制子系统还包括一套如图2所示的运行参数监视机构，该运行参数监视机构包括CAN总线32、CAN接口单片机控制板33、液晶显示驱动板34和液晶显示屏35。CAN总线32的输入端连接选定的各传感器和监控器接收选定的工作运行参数数据/信号并将其传输到CAN接口单片机控制板33，CAN接口单片机控制板33采集CAN接口数据/信号并将数据/信号格式进行转换传输到液晶显示驱动板34，液晶显示驱动板34对各种工作运行参数进行数据/信号处理、转换后传输到液晶显示屏35驱动液晶显示屏进行正确显示。
这套系统虽然能实现对燃料电池发电系统各项选定的运行参数的直观监控，又可方便地用作车载、船载动力系统，或用作可移动式发电设备，但是驾驶员无法在运行途中直观观察与监控。而传统的燃油发动机大巴、轿车和船等，驾驶员仪表盘一般只显示车速、发动机转速、发动机工作温度和油箱储油量。采用燃料电池发动机的大巴、游览车、轿车和船，上述仪表盘已经不适用了。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供的一种具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，通过该系统，驾驶员可以直观的监控燃料电池发动机大巴、轿车和船的整车工作的主要参数，一旦某些运行参数偏离正常范围，可进行人工干预。
本发明的目的是这样实现的：具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，该仪表盘面板系统包括单或双仪表盘系统，其中至少一个仪表盘系统设有监控板和控制按钮；其特征在于：所述的仪表盘监控板与燃料电池发动机的控制器和整车控制器实现CAN总线通讯，CAN总线的输入端连接选定的包括设置在氢气进口管路上的氢气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在空气进口管路上的空气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体进口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在氢气出口管路上的氢气温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体出口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在空气出口管路上的空气温度传感器和压力传感器，以及燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控器和燃料电池堆工作电流监控器的工作运行参数数据/信号，设置氢气泄漏报警器，并将其传输到CAN接口单片机控制板，CAN接口单片机控制板采集CAN接口数据/信号并将数据/信号格式进行转换传输到液晶显示驱动板，液晶显示驱动板对各种工作运行参数进行数据/信号处理、转换后传输到液晶显示屏驱动液晶显示屏正确显示在仪表盘监控板上，所述的控制按钮为两个紧急控制按钮。
所述的面板系统直接置于驾驶员仪表盘上。
所述的液晶显示屏设置在仪表盘监控板上，液晶显示驱动板和液晶显示屏为市售产品。
所述的控制按钮包括切断燃料电池氢气供应电磁阀的紧急控制按钮和切断燃料电池向动力总线供电的电控断路器的紧急控制按钮。
所述的单片机芯片内设置有系统控制软件，选定所需显示的燃料电池发电系统的工作运行参数的数目、种类和特点进行数据分析和格式转换发送给液晶驱动板，对偏离正常状态的工作参数进行标色，并将主要工作参数显示到仪表盘监控板上。
所述的氢气报警范围为氢气浓度<1％。
本发明一种具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、燃料电池发动机在运行中整车工作的主要参数直接显示在仪表盘上，设计者可以根据需要确定仪表盘的显示内容，并可以对某些偏离正常状态的工作参数进行标色显示，当某些运行参数偏离正常范围，出现故障险情时，驾驶员可直观监控及时检出危险，保障安全。
2、驾驶员可随时知道氢气燃料还有多少，而且装有氢气传感器，在氢气临界爆炸浓度的1％～10％探测出并报警，面板上设有紧急处理按钮，可以人工干预也可以通过CAN总线的某些实行器件，切断燃料电池高压氢气供应电磁阀或切断动力总线供电的断路器。
附图说明
通过以下对本发明一种具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：
图1是现有技术带有动态控制装置的燃料电池的基本组成示意图；
图2是现有技术具有运行参数监视功能的燃料电池发电系统中运行参数监视机构的原理框图；
图3是本发明实施例的双仪表盘面板系统界面示意图；
图4是本发明实施例的单仪表盘面板系统界面示意图。
具体实施方式
本发明一种具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，该面板系统包括仪表盘监控板和控制按钮；所述的仪表盘监控板与燃料电池发动机的控制器和整车控制器实现CAN总线通讯，CAN总线的输入端连接选定的包括设置在氢气进口管路上的氢气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在空气进口管路上的空气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体进口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在氢气出口管路上的氢气温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体出口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在空气出口管路上的空气温度传感器和压力传感器，以及燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控器和燃料电池堆工作电流监控器(以上各传感器和监控器的安装位置均如图1所示)的工作运行参数数据/信号，并将其传输到CAN接口单片机控制板，CAN接口单片机控制板采集CAN接口数据/信号并将数据/信号格式进行转换传输到液晶显示驱动板，液晶显示驱动板对各种工作运行参数进行数据/信号处理、转换后传输到液晶显示屏驱动液晶显示屏正确显示在仪表盘监控板上。
以下通过一个具体实施例对本发明一种具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统作进一步说明。
一种100KW燃料电池发电系统，用作燃料电池大巴的动力系统。该燃料电池游览车的自动控制子系统采用一套运行参数监视机构控制整车的运行、停车、起动等所有状态。该运行参数监视机构中的液晶显示屏的长度为27cm、宽度为2.7cm、高度为19cm，重量为3公斤，放在游览车驾驶员的仪表盘面板上方便驾驶员直观监控，该仪表盘可以与普通仪表盘设计在同一面板上(如图3所示)，也可以分别设在两块仪表盘上(如图4所示)。
本实施例中，CAN接口单片机控制板中可自行编制控制软件，该控制软件根据燃料电池发电系统运行各种参数的多少及特点确定，显示屏显示的主要工作运行参数包括燃料电池电压、燃料电池电流、燃料电池堆水出口温度、空气出口温度、氢气工作压力、氢气瓶压力、冷却水压力及单电池工作电压等。这些工作参数由燃料电池发电机系统中的各传感器和监控器监测后，经过信号处理转化，以数据形式传输到CAN总线单片机控制板，再传输给LCD驱动板，并驱动LCD液晶显示屏显示，显示内容如图3所示，该液晶显示屏设置在驾驶员仪表盘面板上，该面板上还设有两个控制按钮36、37，一旦发生故障，可以通过控制按钮36切断高压氢气电磁阀，通过控制按钮37切断向动力总线供电的电控断路器。
Claims (5)
1.具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，该仪表盘面板系统包括单或双仪表盘系统，其中至少一个仪表盘系统设有监控板和控制按钮；其特征在于：所述的仪表盘监控板与燃料电池发动机的控制器和整车控制器实现CAN总线通讯，CAN总线的输入端连接选定的包括设置在氢气进口管路上的氢气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在空气进口管路上的空气相对湿度传感器、温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体进口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在氢气出口管路上的氢气温度传感器和压力传感器，设置在冷却流体出口管路上的冷却流体温度传感器和压力传感器，设置在空气出口管路上的空气温度传感器和压力传感器，以及燃料电池堆工作电压及各个单电池的工作电压监控器和燃料电池堆工作电流监控器的工作运行参数数据/信号，设置氢气泄漏报警器，并将其传输到CAN接口单片机控制板，CAN接口单片机控制板采集CAN接口数据/信号并将数据/信号格式进行转换传输到液晶显示驱动板，液晶显示驱动板对各种工作运行参数进行数据/信号处理、转换后传输到液晶显示屏驱动液晶显示屏正确显示在仪表盘监控板上，所述的控制按钮为两个紧急控制按钮；所述的面板系统直接置于驾驶员仪表盘上。
2.如权利要求1所述的具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，其特征在于：所述的液晶显示屏设置在仪表盘监控板上，液晶显示驱动板和液晶显示屏为市售产品。
3.如权利要求1所述的具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，其特征在于：所述的控制按钮包括切断燃料电池氢气供应电磁阀的紧急控制按钮和切断燃料电池向动力总线供电的电控断路器的紧急控制按钮。
4.如权利要求1所述的具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，其特征在于：所述的单片机芯片内设置有系统控制软件，选定所需显示的燃料电池发电系统的工作运行参数的数目、种类和特点进行数据分析和格式转换发送给液晶驱动板，对偏离正常状态的工作参数进行标色，并将主要工作参数显示到仪表盘监控板上。
5.如权利要求1所述的具有人性化的监控和控制功能的驾驶室仪表盘面板系统，其特征在于：所述的氢气报警范围为氢气浓度<1％。
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