CN106876749A - 一种车载燃料电池氢气管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车载燃料电池氢气管理系统，包括氢气控制单元(15)以及分别与所述的氢气控制单元(15)连接的氢瓶电磁阀(4)、氢瓶压力传感器(2)、温度传感器(5)和氢气浓度传感器(16)，所述的氢瓶电磁阀(4)、氢瓶压力传感器(2)和温度传感器(5)分别与车载的高压氢气瓶(1)连接，所述的氢气浓度传感器(16)的探头设置在高压氢气瓶(1)上方环境中，所述的氢气控制单元(15)通过CAN与车载燃料电池控制器通信连接。与现有技术相比，本发明可实现车载储氢系统加氢控制、供氢控制以及安全监测等功能，减少了系统间线缆连接，降低了信号传输过程中丢失和易受干扰的风险。

Description

一种车载燃料电池氢气管理系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种车载燃料电池氢气管理系统。
背景技术
燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转换为电能。根据电解质的不同，可以分为质子交换膜燃料电池，碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。质子交换膜燃料电池工作温度低，电流密度大，响应速度快，性能稳定。而且反应生成物只有水，不存在腐蚀性。因此，质子交换膜燃料电池在车辆交通和备用电源等领域具有广阔的市场前景。
目前车用燃料电池氢气系统大多采用35MPa或70MPa高压储氢，再经二级或多级减压至合适的压力范围供给电堆。氢气系统在燃料电池工作过程中需要为电堆提供足够流量和压力的燃料，并实时监测氢气的剩余量，为了安全考虑，还需实时监测环境中氢气的泄露量，氢瓶温度等，在出现紧急情况时采取必要措施保证系统安全。
氢气系统在轿车或者客车上集成布置的位置与燃料电池控制器存在一定的距离，而瓶阀、传感器等需要供电并回传信号给控制器，若氢气系统零部件采用分立电气连接方式受控制器驱动，无疑增加了电气连接数量和复杂度，遗留大量故障点，且增加了燃料电池控制器负担。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载燃料电池氢气管理系统，集成氢气系统驱动和监测功能于一体，提高氢气控制系统稳定性和安全性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车载燃料电池氢气管理系统，包括氢气控制单元以及分别与所述的氢气控制单元连接的氢瓶电磁阀、氢瓶压力传感器、温度传感器和氢气浓度传感器，所述的氢瓶电磁阀、氢瓶压力传感器和温度传感器分别与车载的高压氢气瓶连接，所述的氢气浓度传感器的探头设置在高压氢气瓶上方环境中，所述的氢气控制单元通过CAN与车载燃料电池控制器通信连接，传输数据并接收控制指令。
所述的氢瓶电磁阀、氢瓶压力传感器、温度传感器和氢气浓度传感器分别由氢气控制单元通过电缆连接供电。
所述的氢气控制单元是氢气管理系统的核心，用于采集温度、压力、氢气浓度信号传输给燃料电池控制器，并接收控制信号驱动瓶阀开启和关闭，包括：
电源处理电路，分别与氢瓶电磁阀、氢瓶压力传感器、温度传感器和氢气浓度传感器连接；
模拟信号采集电路，分别与电源处理电路、氢瓶压力传感器、温度传感器和氢气浓度传感器连接；
驱动电路，分别与电源处理电路和氢瓶电磁阀连接；
通信电路，分别与电源处理电路和车载燃料电池控制器连接。
所述的氢气管理系统还包括中压压力传感器，所述的中压压力传感器设置在氢瓶电磁阀与燃料电池之间的管路上，与氢气控制单元连接，相对于储氢瓶中350bar或700bar高压而言，经过一级减压后管路压力大约10-30bar，称为中压段。
所述的中压压力传感器与氢瓶电磁阀之间设有溢流阀。
所述的氢气管理系统还包括与高压氢气瓶瓶口连接的放空口，所述的高压氢气瓶瓶口与放空口之间设有易熔栓。
所述的放空口与易熔栓之间设有阻火器。
所述的氢气管理系统还包括氢气加注口，所述的氢气加注口设置在氢瓶电磁阀与燃料电池之间的管路上。
所述的氢气加注口与燃料电池之间的管路上设有减压阀。
所述的氢气加注口与燃料电池之间的管路上设有过滤器和单向阀。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)氢瓶电磁阀、氢瓶压力传感器和温度传感器分别与氢气控制单元连接，可实现车载储氢系统加氢控制、供氢控制以及安全监测等功能，实现了车载氢气系统的集中管理控制，氢气控制单元承担车载氢气系统控制任务，只需通过CAN通信向燃料电池控制器传输状态信息，接收控制指令，减少了系统间线缆连接，降低了信号传输过程中丢失和易受干扰的风险。
(2)氢气管理系统可独立进行前期气密性测试和传感器标定工作，以及后期故障诊断工作，不需要燃料电池控制器时刻保持在线控制。
(3)氢气浓度传感器安装在氢气易积聚的储氢瓶上方，实时监测环境中氢气浓度，由氢气控制单元供电并采集信号，可靠性高。
(4)氢瓶电磁阀、氢瓶压力传感器、温度传感器和氢气浓度传感器分别由氢气控制单元供电，无须外部电源，减少布线。
(5)氢气控制单元可以集中完成氢气管理系统内传感器供电、信号采集和处理、驱动执行器、与燃料电池控制器通信等功能，结构简单，硬件成本较低，稳定可靠。
(6)中压压力传感器检测中压段氢气压力，一旦减压阀失效，造成中压段压力过高，氢气管理单元可立即关闭氢气电磁阀，并向燃料电池控制器发出报警信息，保证向燃料电池输送的氢气压力在正常范围，保证供氢安全。
(7)中压压力传感器与氢瓶电磁阀之间设有溢流阀，在中压段压力过高、氢气电磁阀未关闭时，起到保护作用。
(8)高压氢气瓶连接有放空口，瓶口与放空口之间设有易熔栓，保证储氢安全。
(9)放空口与易熔栓之间设有阻火器，在温度超限，氢气通过放空口紧急排空时，可防止外部火源侵入。
(10)氢气加注口与燃料电池之间的管路上设有减压阀、过滤器和单向阀，在氢气加注过程中通过压力传感器及温度传感器实时反馈氢瓶内气体压力和温度，氢气控制单元与加氢机通信控制加氢过程的开始和结束，以及加氢速度，防止加氢过快造成温升过高引起安全问题，过滤器可防止杂物进入氢气加注管路，单向阀起到防止气体通过加注管道向外泄露作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种车载燃料电池氢气管理系统，包括氢气控制单元15以及分别与氢气控制单元15连接的氢瓶电磁阀4、氢瓶压力传感器2、温度传感器5和氢气浓度传感器16，氢瓶电磁阀4、氢瓶压力传感器2和温度传感器5分别与车载的高压氢气瓶1连接，氢气浓度传感器16的探头设置在高压氢气瓶1上方环境中，氢气控制单元15通过CAN与车载燃料电池控制器通信连接。图中虚线表示电气连接。
氢瓶电磁阀4、氢瓶压力传感器2、温度传感器5和氢气浓度传感器16分别由氢气控制单元15通过电缆连接供电。
氢气控制单元15包括：
电源处理电路，分别与氢瓶电磁阀4、氢瓶压力传感器2、温度传感器5和氢气浓度传感器16连接；
模拟信号采集电路，分别与电源处理电路、氢瓶压力传感器2、温度传感器5和氢气浓度传感器16连接；
驱动电路，分别与电源处理电路和氢瓶电磁阀4连接；
通信电路，分别与电源处理电路和车载燃料电池控制器连接。
氢气管理系统还包括中压压力传感器11，中压压力传感器11设置在氢瓶电磁阀4与燃料电池之间的管路上，与氢气控制单元15连接，中压压力传感器11与氢瓶电磁阀4之间设有溢流阀7。
氢气管理系统还包括与高压氢气瓶1瓶口连接的放空口9，高压氢气瓶1瓶口与放空口9之间设有易熔栓3，放空口9与易熔栓3之间设有阻火器8。
氢气管理系统还包括氢气加注口12，氢气加注口12设置在氢瓶电磁阀4与燃料电池之间的管路上，氢气加注口12与燃料电池之间的管路上设有减压阀10、过滤器13和单向阀14。
本发明可实现车载储氢系统加氢控制、供氢控制以及安全监测等功能。
氢气管理系统加氢控制主要包括氢气不足提醒和加氢过程控制。氢气不足提醒是通过压力传感器2检测氢瓶内剩余氢气压力，判断是否低于设定压力值，若低于设定值，氢气控制单元15与加氢机通讯，提醒需要加氢。加氢过程控制主要是在氢气加注过程中通过压力传感器2及温度传感器5实时反馈氢瓶内气体压力和温度，与加氢机通信控制加氢过程的开始和结束，以及加氢速度，防止加氢过快造成温升过高引起安全问题。
氢气管理系统供氢控制主要是氢气控制单元15控制氢瓶电磁阀4开启为燃料电池电堆提供氢气，燃料电池系统停机时控制氢瓶电磁阀4及时关闭。氢气控制单元15与燃料电池控制器通信，接收控制器发送的指令，并向控制器反馈瓶阀开启状态。
氢气管理系统的安全监测功能包括储氢系统安全、供氢安全和氢气泄漏安全。储氢系统安全主要是氢气控制单元15通过压力传感器2及温度传感器5实时采集氢瓶压力和温度，一旦温度超限，易熔栓3熔断，氢气通过放空口9紧急排空，且阻火器8可防止外部火源侵入，同时氢气控制单元15向燃料电池控制器发送报警信息。供氢安全主要是氢气控制单元15通过中压压力传感器11检测中压段氢气压力，一旦减压阀10失效，造成中压段压力过高，氢气管理单元15立即关闭氢气电磁阀4，并向燃料电池控制器发出报警信息。氢气泄漏安全主要是通过氢气浓度传感器16实时监测环境中氢气浓度，根据氢气浓度制定分级报警策略，严重时采取紧急关闭氢气电磁阀4向燃料电池控制器发出报警信息等措施，保证设备和乘员安全。

Claims (10)

1.一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，包括氢气控制单元(15)以及分别与所述的氢气控制单元(15)连接的氢瓶电磁阀(4)、氢瓶压力传感器(2)、温度传感器(5)和氢气浓度传感器(16)，所述的氢瓶电磁阀(4)、氢瓶压力传感器(2)和温度传感器(5)分别与车载的高压氢气瓶(1)连接，所述的氢气浓度传感器(16)的探头设置在高压氢气瓶(1)上方环境中，所述的氢气控制单元(15)通过CAN与车载燃料电池控制器通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，所述的氢瓶电磁阀(4)、氢瓶压力传感器(2)、温度传感器(5)和氢气浓度传感器(16)分别由氢气控制单元(15)通过电缆连接供电。
3.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，所述的氢气控制单元(15)包括：
电源处理电路，分别与氢瓶电磁阀(4)、氢瓶压力传感器(2)、温度传感器(5)和氢气浓度传感器(16)连接；
模拟信号采集电路，分别与电源处理电路、氢瓶压力传感器(2)、温度传感器(5)和氢气浓度传感器(16)连接；
驱动电路，分别与电源处理电路和氢瓶电磁阀(4)连接；
通信电路，分别与电源处理电路和车载燃料电池控制器连接。
4.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，还包括中压压力传感器(11)，所述的中压压力传感器(11)设置在氢瓶电磁阀(4)与燃料电池之间的管路上，与氢气控制单元(15)连接。
5.根据权利要求4所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，所述的中压压力传感器(11)与氢瓶电磁阀(4)之间设有溢流阀(7)。
6.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，还包括与高压氢气瓶(1)瓶口连接的放空口(9)，所述的高压氢气瓶(1)瓶口与放空口(9)之间设有易熔栓(3)。
7.根据权利要求6所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，所述的放空口(9)与易熔栓(3)之间设有阻火器(8)。
8.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，还包括氢气加注口(12)，所述的氢气加注口(12)设置在氢瓶电磁阀(4)与燃料电池之间的管路上。
9.根据权利要求8所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，所述的氢气加注口(12)与燃料电池之间的管路上设有减压阀(10)。
10.根据权利要求8所述的一种车载燃料电池氢气管理系统，其特征在于，所述的氢气加注口(12)与燃料电池之间的管路上设有过滤器(13)和单向阀(14)。
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