CN105465350B - 一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置及其监测方法，所述的装置包括燃料电池控制单元单元、焓轮电机驱动单元和焓轮主轴转速测试单元，其中各个单元的通讯方式采用的是CAN总线通讯。本发明采用燃料电池控制单元通过CAN总线通讯对焓轮电机驱动单元、焓轮主轴转速测试单元所测量数据进行对比分析，并做出焓轮扭矩故障等级输出，从而为整车管理系统VMS提供可靠的判断依据。本发明根据数据分析采用故障分级报警，提高燃料电池系统运行的安全可靠性。本发明根据车用燃料电池焓轮的自身特点，在焓轮主轴和驱动焓轮的电机处分别测量转速，即两点测速，避免误判，提高了算法的可靠性。

Description

一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置及其监测方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别涉及车载燃料电池系统的焓轮监测技术。

背景技术

随着经济的发展，人们愈加关注能源与环境的问题，燃料电池作为新型能源也随之越来越受到关注，尤其是车载燃料电池的使用寿命与可靠性问题。目前车载燃料电池系统广泛应用的焓轮增湿装置，由于焓轮自身的材质、结构、内部工作的高温湿热环境等因素导致燃料电池车辆运行中焓轮转动扭矩时常会出现增大现象，由此引起燃料电池在车辆运行中焓轮驱动电机堵死、联轴器轴键断裂、焓轮停转等现象，这一现象导致焓轮增湿效果差并最终引起燃料电池堆性能下降、使用寿命减短。因此，如何监测焓轮的扭矩并采取相应的应对措施是提高燃料电池系统的可行性并增长使用寿命的关键。为确定焓轮的扭矩，中国专利200610160448.5公开了通用汽车公司的一种估算传动输入扭矩的方法。

但现有的技术中，测量焓轮的扭矩多采用扭矩传感器，由于扭矩传感器的体积大，其测原理是需要将扭矩传感器串入传动轴之间，由于车用燃料电池系统设计存在空间性和部件集成的严格要求，并且在燃料电池系统实际使用中存在震动性的要求，这三点都是现有技术无法满足的。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置及其监测方法，既要通过监测车用燃料电池系统焓轮扭矩的变化、并作出响应处理、最终提升燃料电池系统的使用寿命和可靠性，又要缩小监测装置的体积、满足燃料电池系统的空间小及集成设计的要求、并具有抗震性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置，包括燃料电池控制单元、焓轮电机驱动单元和焓轮主轴转速测试单元，其中各个单元的通讯方式采用的是CAN总线通讯，焓轮电机驱动单元与驱动电机之间采用车用防水接插件连接，所述的焓轮电机驱动单元用于测量电机电流、电机转速、焓轮入口压力与焓轮出口压力。焓轮电机驱动单元和焓轮主轴转速测试单元将采集的数据通过CAN总线发至燃料电池控制单元，燃料电池控制单元通过其内部的预置程序对电机电流、电机转速、焓轮主轴转速、焓轮入口压力与焓轮出口压力的分析对比，发出相关报警，确定燃料电池系统焓轮是否正常工作。所述的焓轮电机驱动单元包括霍尔传感器，霍尔传感器用于电机转速测量；所述的焓轮主轴转速测试单元包括磁电式传感器，用于焓轮主轴转速测量，所述的燃料电池控制单元、焓轮电机驱动单元和焓轮主轴转速测试单元采用集成电路集成为一体。

本发明所述的车用防水接插件为81针车用防水接插件。

一种车用燃料电池系统焓轮扭矩监测装置的监测方法，包括以下步骤：

A、在实验室中，给定不同焓轮入口压力p1值的条件下，设置不同电机转速n，测得对应输入的电机电流即常态电流I0及焓轮出口压力p2的值；

B、燃料电池控制单元对焓轮电机驱动单元和焓轮主轴转速测试单元所采集的电机实测电流I、电机转速n1、焓轮主轴转速n2、焓轮入口压力p1、焓轮出口压力p2及实验室所得常态电流I0这些参数进行分析比较；

C、根据燃料电池控制单元内部的预置程序进行判断，并做出报警判断，并发送至整车管理系统VMS，保证燃料电池系统运行的可靠性。

所述的预置程序是：对电机设置转速n、常态电流I0、电机实测电流I、电机转速n1、焓轮主轴转速n2、焓轮入口压力p1、焓轮出口压力p2、故障出现时间Tn、故障出现后至向整车管理系统VMS发出报警前的时间t0、t1、t2、t3进行对比分析，并按故障级别做出异常报警；所述的故障级别分为轻微故障、中级故障、高级故障和严重故障四个等级，整车管理系统VMS根据不同故障级别对燃料电池做出相应的处理措施。

所述的故障级别的确定方法如下：在整车运行中焓轮电机设置转速n是一恒定值，即电机设置转速n是个常量，根据扭矩公式T＝9550*P/N，其中P＝U*I，式中：T为扭矩值，P为功率值，N为电机实际转速即电机转速n1，U为电机供电电压，I为电机实测电流，由上述公式可知，当N值固定，I值增大，则T值增大；具体方法如下：

当电机转速n1＝焓轮主轴转速n2＝电机设置转速n时，如果电机实测电流I值>I0，且p1>p2，其中p1与p2为实测值，记录该时刻为故障出现时间Tn，如实测电流持续增大，当Tn≥t0时发出轻微故障报警，此时焓轮内部转动阻力增加导致焓轮扭矩有增大趋势；

若电机设置转速n固定不变，电机转速n1与焓轮主轴转速n2同时减小，电机实测电流I>I0，并且I值继续增大，p1>p2，记录此时刻为故障出现时间Tn，当Tn>t1时发出中级故障警告，此时焓轮的扭矩进一步增大；

若焓轮电机转速n1＝电机设置转速n，焓轮主轴转速n2<n,且电机实测电流I>I0，p1>p2，记录该时刻为故障出现时间Tn，若Tn>t2立即发出高级故障报警，此时焓轮扭矩过大导致电机输出传动部分出现严重故障，导致焓轮转速降低甚至停转；

当电机转速n1＝焓轮主轴转速n2等于零时，且电机实测电流I>I0，p1＝p2，记录该时刻为故障出现时间Tn，若Tn>t3立即发出严重故障报警，此时由于焓轮转动阻力过大，焓轮扭矩过大导致电机堵死、停转。

所述的常态电流I0，为电机设置转速n为某个固定值时，在固定p1与p2值条件下，对应正常运行电流值，通过实验测得。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用燃料电池控制单元通过CAN总线通讯对焓轮电机驱动单元、焓轮主轴转速测试单元所测量数据进行对比分析，并做出焓轮扭矩故障等级输出，从而为整车管理系统(VMS)提供可靠的判断依据。

2、本发明根据数据分析采用故障分级报警，提高燃料电池系统运行的安全可靠性。

3、本发明的燃料电池控制单元、焓轮电机驱动单元和焓轮主轴转速测试单元采用集成电路集成为一体，极大的节省了空间。

4、本发明各测量单元与测量点间均采用车用防水接插件，结构简单，方便拆卸。

5、本发明根据燃料电池系统对空间设计的严格要求，并且实际使用存在较大的震动性，结合车用燃料电池焓轮系统的自身特点，将各单元集成为一体，具有更好的抗震性能，保证了燃料电池系统的安全可靠。

6、本发明根据车用燃料电池焓轮的自身特点，在焓轮主轴和驱动焓轮的电机处分别测量转速，即两点测速，避免误判，提高了算法的可靠性。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1是扭矩分析预置程序流程图。

图2是燃料电池系统测试单元组成图。

图3是焓轮扭矩测试系统示意图。

图中：101、整车管理系统VMS，102、燃料电池控制单元，103、焓轮电机驱动单元，104、焓轮主轴转速测试单元，105、焓轮，106、燃料电池堆，107、驱动电机，108、联轴器，201、电机电流测量点，202、电机转速测量点，203、焓轮入口压力测量点，204、焓轮出口压力测量点。

具体实施方式

下面结合附图给出的实施例对本发明作进一步说明。

以40KW燃料电池客车所用焓轮105为例(焓轮105的作用主要是对通过它的空气进行增湿作用，使燃料电池阴极侧达到适中的工作条件)，图2所示是燃料电池系统的测试单元组成图，首先按照该图进行燃料电池系统的连接，主要包括：整车管理系统VMS 101与燃料电池控制单元102和焓轮电机驱动单元103之间采用CAN通讯电缆连接，焓轮主轴转速测速单元104与燃料电池控制单元102采用车用防水插件连接；焓轮电机驱动单元103与电机电流测量点201、电机转速测量点202、焓轮入口压力测量点203、焓轮出口压力测量点204，采用车用防水插件连接；焓轮105与燃料电池堆106之间采用钢丝软管连接。图3所示为焓轮扭矩监测装置示意图，电机转速n1是测量驱动电机107与联轴器108之间的转速，焓轮主轴转速n2是测量联轴器108与焓轮105本体之间的转速，p1与p2则是分别测量焓轮105入口和出口的空气压力，根据实验室所得：将焓轮105通入空气，测得p1＝40KPA，p2＝34KPA，此时电机设置转速n＝9时对应常态电流I0＝1.8A,客车运行时，按照图1所示流程，根据燃料电池控制单元102内的预置程序，当焓轮105扭矩发生变化时，燃料电池控制单元102根据具体情况向整车管理系统VMS 101发出异常报警，整车管理系统VMS 101根据具体情况做出相应的处理措施，避免焓轮105失效导致燃料电池寿命受损，提高燃料电池系统运行稳定性，实际应用表明本发明的方法安全可靠。

Claims (3)

1.一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置，其特征在于：包括燃料电池控制单元(102)、焓轮电机驱动单元(103)和焓轮主轴转速测试单元(104)，其中各个单元的通讯方式采用的是CAN总线通讯，焓轮电机驱动单元(103)与驱动电机之间采用车用防水接插件连接，所述的焓轮电机驱动单元(103)用于测量电机电流、电机转速、焓轮入口压力与焓轮出口压力；焓轮电机驱动单元(103)和焓轮主轴转速测试单元(104)将采集的数据通过CAN总线发至燃料电池控制单元(102)，燃料电池控制单元(102)通过其内部的预置程序对电机电流、电机转速、焓轮主轴转速、焓轮入口压力与焓轮出口压力的分析对比，发出相关报警，确定燃料电池系统焓轮(105)是否正常工作；所述的焓轮电机驱动单元(103)包括霍尔传感器，霍尔传感器用于电机转速测量；所述的焓轮主轴转速测试单元(104)包括磁电式传感器，用于焓轮主轴转速测量，所述的燃料电池控制单元(102)、焓轮电机驱动单元(103)和焓轮主轴转速测试单元(104)采用集成电路集成为一体。

2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池系统的焓轮扭矩监测装置，其特征在于：所述的车用防水接插件为81针车用防水接插件。

3.一种车用燃料电池系统焓轮扭矩监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、在实验室中，给定不同焓轮入口压力p1值的条件下，设置不同电机转速n，测得对应输入的电机电流即常态电流I0及焓轮出口压力p2的值；

B、燃料电池控制单元(102)对焓轮电机驱动单元(103)和焓轮主轴转速测试单元(104)所采集的电机实测电流I、电机转速n1、焓轮主轴转速n2、焓轮入口压力p1、焓轮出口压力p2及实验室所得常态电流I0这些参数进行分析比较；

C、根据燃料电池控制单元(102)内部的预置程序进行判断，并做出报警判断，并发送至整车管理系统VMS(101)，保证燃料电池系统运行的可靠性；

所述的预置程序是：对电机设置转速n、常态电流I0、电机实测电流I、电机转速n1、焓轮主轴转速n2、焓轮入口压力p1、焓轮出口压力p2、故障出现时间Tn、故障出现后至向整车管理系统VMS(101)发出报警前的时间t0、t1、t2、t3进行对比分析，并按故障级别做出异常报警；所述的故障级别分为轻微故障、中级故障、高级故障和严重故障四个等级，整车管理系统VMS(101)根据不同故障级别对燃料电池做出相应的处理措施；

所述的故障级别的确定方法如下：在整车运行中焓轮电机设置转速n是一恒定值，即电机设置转速n是个常量，根据扭矩公式T＝9550*P/N，其中P＝U*I，式中：T为扭矩值，P为功率值，N为电机实际转速即电机转速n1，U为电机供电电压，I为电机实测电流，由上述公式可知，当N值固定，I值增大，则T值增大；具体方法如下：

当电机转速n1＝焓轮主轴转速n2＝电机设置转速n时，如果电机实测电流I值>I0，且p1>p2，其中p1与p2为实测值，记录该时刻为故障出现时间Tn，如实测电流持续增大，当Tn≥t0时发出轻微故障报警，此时焓轮(105)内部转动阻力增加导致焓轮扭矩有增大趋势；

若电机设置转速n固定不变，电机转速n1与焓轮主轴转速n2同时减小，电机实测电流I>I0，并且I值继续增大，p1>p2，记录此时刻为故障出现时间Tn，当Tn>t1时发出中级故障警告，此时焓轮(105)的扭矩进一步增大；

若焓轮电机转速n1＝电机设置转速n，焓轮主轴转速n2<n,且电机实测电流I>I0，p1>p2，记录该时刻为故障出现时间Tn，若Tn>t2立即发出高级故障报警，此时焓轮扭矩过大导致电机输出传动部分出现严重故障，导致焓轮(105)转速降低甚至停转；

当电机转速n1＝焓轮主轴转速n2等于零时，且电机实测电流I>I0，p1＝p2，记录该时刻为故障出现时间Tn，若Tn>t3立即发出严重故障报警，此时由于焓轮转动阻力过大，焓轮扭矩过大导致电机堵死、停转；

所述的常态电流I0，为电机设置转速n为某个固定值时，在固定p1与p2值条件下，对应正常运行电流值，通过实验测得。