CN110137535B - 一种车载加氢控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车载加氢控制方法及系统，氢系统控制器根据氢瓶的数量、氢瓶的温度、压力计算最高允许平均加氢速率，将最高允许平均加氢速率反馈至加氢机，加氢机根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率加氢，缩短了加氢时间，提高了加氢速率，且加氢速率计算准确；加氢机根据车载加氢控制系统反馈信息自适应启动加氢，提高了加氢操作效率，避免了操作人员繁复操作。同时，氢系统控制器还可以实时监测加氢过程中氢瓶的温度、压力，防止加氢过程中氢瓶超压或超温，保证了加氢的安全性。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，特别涉及一种车载加氢控制方法及系统。
背景技术
在能源与环境的双重压力下，燃料电池汽车成为未来汽车工业发展的方向，也是汽车领域研究的重点。燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置，这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。燃料电池只需通入燃料和氧化剂就可以连续输出电能，具有能量转换效率高、清洁环保的优点，因此，燃料电池汽车因其高效率，零排放等优势，已成为新能源汽车发展的重要方向。
燃料电池汽车目前氢气储存方式为采用高压氢瓶储存，为使其续驶里程与传统车辆相当，车载储氢技术正向70MPa发展。燃料电池汽车需要在专门的加氢站充装氢气，因此，加氢站是为燃料电池汽车提供高压氢气加注服务的氢基础设施，一旦燃料电池汽车行驶过程中出现氢气短缺，将需要移动加氢车进行救援补充氢气。目前国内车载高压氢瓶主要为III型氢瓶(铝合金内胆碳纤维缠绕)，当氢瓶温度超过85℃时，碳纤维复合层中的树脂开始融化，碳纤维将剥离失效，氢瓶耐压强度降低，影响车载氢系统安全。而且由于氢气的焦汤效应，高压氢气加注氢瓶后膨胀发热，氢瓶温度上升，加注速率越快，氢瓶温度上升越快，若氢瓶不能及时将瓶内的热量散发出去，加氢速率过快将会导致氢瓶温度超过其最高工作温度，制约了加氢速率的进一步提高，因此加氢机在为燃料电池汽车加注氢气时，需要实时采集燃料电池汽车车载储氢瓶内的温度。针对上述缺陷，公开号为“CN103944634A”，名称为“一种加氢机与燃料电池汽车之间的实时通信系统”的中国专利，该系统包括安装在燃料电池汽车上的数据采集发送子系统和安装在加氢机上的数据接收子系统，实现了燃料电池汽车在氢气加注时储氢瓶内的温度、数据信号与加氢机的实时、无线传输应用，通信效率高、可靠性强和安全性好。而且该专利的数据采集发送子系统可以将采集的储氢瓶的温度及压力数据传送至加氢机，加氢机根据加氢程序以控制加氢的速率及启停。由于不同的车辆可能所包含的储氢瓶的数量不同，所以针对不同的车辆需根据储氢瓶的数量选择合适的加氢速率。但是该专利在计算加氢的速率时仅考虑了储氢瓶的压力及温度，没有考虑储氢瓶的数量，这样可能会导致加氢速率计算的不够准确，不能根据储氢瓶的数量调整加氢速率，可能造成加氢时间比较长及加氢效率低。
此外，在为燃料电池汽车加注氢气时，将加氢枪插入车辆加氢口，如果此时加氢机不能正常为燃料电池汽车加氢，那么有可能是加氢枪与加氢口之间的连接不正常，为了检查加氢枪与加氢口之间的连接是否正常，加氢操作人员往往会通过插拔加氢枪来检测加氢枪与加氢口是否正确连接，长期这样操作会导致加氢口松动和由于过多的拉扯损坏加氢口。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载加氢控制方法及系统，用于解决现有技术中加氢速率计算不精确及加氢效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种车载加氢控制方法，包括以下技术方案：
方法方案一，一种车载加氢控制方法，包括如下步骤：
1)采集储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力及温度，并获取加氢机出口氢气温度；
2)根据所述储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力、温度以及加氢机出口氢气温度计算最高允许平均加氢速率；
3)根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率为各储氢瓶加氢。
方法方案二，在方法方案一的基础上，所述最高允许平均加氢速率的计算公式为：
其中，Z表示车载加氢控制系统平均加氢速率修正系数，n表示车载加氢控制系统氢瓶数量；V瓶表示单个氢瓶在标准工况下允许的最高允许平均充装速率；Δt表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与273K的差值；Δt1表示加氢机出口氢气温度与环境温度的差值差，单位K；Δt2表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与环境温度的差值，单位K；P高表示车载加氢控制系统设定的氢瓶最高允许工作压力；P瓶表示氢瓶内现有压力，单位MPa；P标表示标况下大气压力，单位MPa。
方法方案三，在方法方案二的基础上，将最高允许平均加氢速率在加氢机的仪表面板上显示，根据所述仪表面板上显示的最高允许平均加氢速率选择合适的加氢速率为各储氢瓶加氢。
方法方案四，在方法方案三的基础上，为各储氢瓶加氢之前，需检测加氢枪与加氢口是否连接正常。
方法方案五，在方法方案四的基础上，通过检测接近开关的状态判断加氢枪与加氢口是否连接正常。
方法方案六，在方法方案五的基础上，加氢口设置在加氢面板上。
方法方案七，在方法方案六的基础上，为各储氢瓶加氢之前，需将加氢面板上的静电通过接地电阻转移到大地。
方法方案八，在方法方案七的基础上，为各储氢瓶加氢的过程中，还需通过设置在加氢面板上的压力表检测加氢枪的氢气出口压力。
方法方案九，在方法方案八的基础上，加氢过程中，实时对储氢瓶的压力和温度进行监测，当储氢瓶的温度大于第二设定值或储氢瓶的压力大于第三设定值时，停止加氢。
方法方案十，在方法方案三的基础上，将最高允许平均加氢速率通过红外线通信发送给加氢机，并在加氢机的仪表面板上显示。
本发明还提供了一种车载加氢控制系统，包括以下技术方案：
系统方案一，一种车载加氢控制系统，包括氢系统控制器、至少两个并联的储氢瓶，各储氢瓶上设置有压力传感器与温度传感器，所述压力传感器及温度传感器均与所述氢系统控制器连接，各储氢瓶通过加氢口用于与加氢机的加氢枪连接，所述氢系统控制器用于通过通信装置与加氢机连接；所述氢系统控制器用于获取储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力及温度，并获取加氢机出口氢气温度；且根据所述储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力、温度以及加氢机出口氢气温度计算最高允许平均加氢速率；并将所述最高允许平均加氢速率发送给加氢机，供加氢机根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率为各储氢瓶加氢。
系统方案二，在系统方案一的基础上，所述最高允许平均加氢速率的计算公式为：
其中，Z表示车载加氢控制系统平均加氢速率修正系数，n表示车载加氢控制系统氢瓶数量；V瓶表示单个氢瓶在标准工况下允许的最高允许平均充装速率；Δt表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与273K的差值；Δt1表示加氢机出口氢气温度与环境温度的差值差，单位K；Δt2表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与环境温度的差值，单位K；P高表示车载加氢控制系统设定的氢瓶最高允许工作压力；P瓶表示氢瓶内现有压力，单位MPa；P标表示标况下大气压力，单位MPa。
系统方案三，在系统方案二的基础上，所述加氢口处设置有用于检测加氢枪与加氢口是否正常连接的接近开关，所述氢系统控制器与所述接近开关的信号输出端连接。
系统方案四，在系统方案三的基础上，所述加氢口设置在加氢面板上。
系统方案五，在系统方案四的基础上，还包括接地电阻，接地电阻的第一端与加氢面板连接，接地电阻的第二端用于与车架连接，为各储氢瓶加氢之前，需将加氢面板上的静电通过接地电阻转移到大地。
系统方案六，在系统方案五的基础上，所述加氢面板上设置有压力表，所述压力表用于检测加氢枪的氢气出口压力。
系统方案七，在系统方案六的基础上，各储氢瓶上设置有压力传感器及温度传感器，加氢过程中，实时对储氢瓶的压力和温度进行监测，当储氢瓶的温度大于第二设定值或储氢瓶的压力大于第三设定值时，停止加氢。
系统方案八，在系统方案一的基础上，所述通信装置为红外线。
本发明的有益效果是：
本发明的氢系统控制器根据氢瓶的数量、氢瓶的温度、压力计算最高允许平均加氢速率，将最高允许平均加氢速率反馈至加氢机，加氢机根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率加氢，缩短了加氢时间，提高了加氢速率，且加氢速率计算准确；加氢机根据车载加氢控制系统反馈信息自适应启动加氢，提高了加氢操作效率，避免了操作人员繁复操作。同时，氢系统控制器还可以实时监测加氢过程中氢瓶的温度、压力，防止加氢过程中氢瓶超压或超温，保证了加氢的安全性。
本发明在车载加氢控制系统的加氢口处设置接近开关，接近开关用于检测加氢口与加氢机的加氢枪之间的连接是否正常，使加氢操作人员不用通过插拔加氢枪来检测加氢枪与加氢口之间的连接是否是正常，因此不会导致加氢口松动，也不会由于过多的拉扯损坏加氢口。
接地电阻的第一端与加氢面板连接，接地电阻的第二端用于与车架连接，接地电阻的阻值信号输出端与氢系统控制器连接，为各储氢瓶加氢之前，需将加氢面板上的静电通过接地电阻转移到车架，进一步转移到大地，加氢面板与车架之间设置静电连接导线，省去了加氢机与加氢面板之间静电电线连接操作，减少了加氢操作步骤。
附图说明
图1为本发明的车载加氢控制系统与加氢机之间的加氢控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
本发明提供了一种车载加氢控制系统，包括氢系统控制器、至少两个并联的储氢瓶，各储氢瓶上设置有压力传感器与温度传感器，压力传感器及温度传感器均与氢系统控制器连接，各储氢瓶通过加氢口用于与加氢机的加氢枪连接，氢系统控制器用于通过通信装置与加氢机连接；氢系统控制器用于获取储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力及温度，并获取加氢机出口氢气温度；且根据储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力、温度以及加氢机出口氢气温度计算最高允许平均加氢速率；并将最高允许平均加氢速率发送给加氢机，供加氢机根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率为各储氢瓶加氢。
具体而言，如图1所示，加氢机与车载加氢控制系统通过红外线通信装置连接，作为其他实施方式，通信装置还可以采用GPRS等其他通信方式，红外线通信装置使氢系统控制器与加氢机之间实现信息互换；各氢瓶上设置有温度传感器及压力温度传感器，温度传感器及压力传感器用于检测储氢瓶的压力及温度，并将检测到的储氢瓶的温度值及压力值发送给氢系统控制器，氢系统控制器将接收到的储氢瓶的温度值及压力值储存；加氢口处设置有用于检测加氢枪与加氢口是否正常连接的接近开关，氢系统控制器与接近开关的信号输出端连接；其中加氢口设置在加氢面板上。
在为车辆加氢的过程中，需释放加氢面板上的静电，防止加氢过程中产生火花，出现氢气燃烧爆炸危险，目前在加氢前将加氢机上的静电连接导线与加氢面板连接，但是这样增加了氢操作步骤，比较麻烦。但是目前车载加氢控制系统与车架支撑点处设置有橡胶缓冲垫，无法通过车身释放加氢面板生的静电，因此本发明在加氢面板上设置接地电阻，接地电阻的第一端与加氢面板连接，接地电阻的第二端用于与车架连接，接地电阻的阻值信号输出端与氢系统控制器连接，为各储氢瓶加氢之前，需将加氢面板上的静电通过接地电阻转移到大地；车载加氢控制系统加氢面板与车架之间设置静电连接导线，省去了加氢机与加氢面板之间的静电电线连接操作，减少了加氢操作步骤；加氢面板上还设置有压力表，压力表用于检测加氢枪的氢气出口压力。
利用上述加氢控制系统对各储氢瓶加氢的控制方法，包括如下步骤：
1)当车载加氢控制系统在加氢机附近约5m范围之内时，车载加氢控制系统与加氢机自动连接，车载加氢控制系统与加氢机的距离可根据红外通信装置的通信能力确定。然后氢系统控制器获取氢瓶的数量、各氢瓶的温度、各氢瓶的压力，且氢系统控制器获取加氢机出口的氢气温度，计算车载加氢控制系统最高允许平均加氢速率，计算公式为：
其中，n表示车载加氢控制系统氢瓶数量；V瓶表示单个氢瓶在标准工况下允许的最高允许平均充装速率，由试验测试得；Δt表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度减去273K；Δt1表示加注氢气温度与环境温度之差，单位K；Δt2表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与环境温度之差，单位K；P高表示车载加氢控制系统设定的氢瓶最高允许工作压力，一般为35MPa和70MPa；P瓶表示氢瓶内现有压力，单位MPa；P标表示标况下大气压力，单位MPa；Z表示基于环境温度、氢瓶初始压力、加注氢气温度变化，通过模拟仿真及试验验证所得的车载加氢控制系统平均加氢速率修正系数。
2)车载加氢控制系统将所计算得到的最高允许平均加氢速率、氢瓶压力和温度、最高允许工作压力、允许工作温度反馈至加氢机，并在仪表面板上显示，语音提示匹配成功。
3)操作人员将加氢枪与加氢口连接，加氢口处接近开关检测到加氢枪已连接到位，加氢枪与设置在加氢口或设置在加氢口附近的接近开关接触，并检测到加氢面板处接地电阻小于第一设定值，本实施例中第一设定值为10Ω后，检测到接地电阻的阻值，说明加氢面板与车架之间连接完好，加氢面板上的静电能够通过静电连接导线传输到车架，通过车架进一步传输到大地。氢系统控制器通过红外线通信装置将以上信息反馈给加氢机，加氢机检测加氢条件符合要求后自动启动加氢。
4)加氢过程中，车载加氢控制系统对氢瓶压力、温度实时监测，并将信息反馈至加氢机，当氢瓶压力或温度达到对应的第二设定值或第三设定值时，加氢机停止加氢，本实施例中第二设定值为压力的最高允许工作值，第三设定值为温度的最高允许工作值。
本发明与现有技术相比，加氢过程操作更佳简单便捷，更佳自动化。且加氢机可根据车载加氢控制系统储氢瓶数量及储氢瓶最大允许平均加氢速率等参数，合理选择加氢速率，使加氢速率更快但又不超过安全值，并加氢过程中可对氢瓶压力和温度进行监控，保证加氢安全。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (16)
1.一种车载加氢控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采集储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力及温度，并获取加氢机出口氢气温度；
2)根据所述储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力、温度以及加氢机出口氢气温度计算最高允许平均加氢速率；
3)根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率为各储氢瓶加氢；所述最高允许平均加氢速率的计算公式为：
其中，Z表示车载加氢控制系统平均加氢速率修正系数，n表示车载加氢控制系统氢瓶数量；V瓶表示单个氢瓶在标准工况下允许的最高允许平均充装速率；Δt表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与273K的差值；Δt1表示加氢机出口氢气温度与环境温度的差值差，单位K；Δt2表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与环境温度的差值，单位K；P高表示车载加氢控制系统设定的氢瓶最高允许工作压力；P瓶表示氢瓶内现有压力，单位MPa；P标表示标况下大气压力，单位MPa。
2.根据权利要求1所述的车载加氢控制方法，其特征在于，将最高允许平均加氢速率在加氢机的仪表面板上显示，根据所述仪表面板上显示的最高允许平均加氢速率选择合适的加氢速率为各储氢瓶加氢。
3.根据权利要求2所述的车载加氢控制方法，其特征在于，为各储氢瓶加氢之前，需检测加氢枪与加氢口是否连接正常。
4.根据权利要求3所述的车载加氢控制方法，其特征在于，通过检测接近开关的状态判断加氢枪与加氢口是否连接正常。
5.根据权利要求4所述的车载加氢控制方法，其特征在于，加氢口设置在加氢面板上。
6.根据权利要求5所述的车载加氢控制方法，其特征在于，为各储氢瓶加氢之前，需将加氢面板上的静电通过接地电阻转移到大地。
7.根据权利要求6所述的车载加氢控制方法，其特征在于，为各储氢瓶加氢的过程中，还需通过设置在加氢面板上的压力表检测加氢枪的氢气出口压力。
8.根据权利要求7所述的车载加氢控制方法，其特征在于，加氢过程中，实时对储氢瓶的压力和温度进行监测，当储氢瓶的温度大于第二设定值或储氢瓶的压力大于第三设定值时，停止加氢。
9.根据权利要求2所述的车载加氢控制方法，其特征在于，将最高允许平均加氢速率通过红外线通信发送给加氢机，并在加氢机的仪表面板上显示。
10.一种车载加氢控制系统，其特征在于，包括氢系统控制器、至少两个并联的储氢瓶，各储氢瓶上设置有压力传感器与温度传感器，所述压力传感器及温度传感器均与所述氢系统控制器连接，各储氢瓶通过加氢口用于与加氢机的加氢枪连接，所述氢系统控制器用于通过通信装置与加氢机连接；所述氢系统控制器用于获取储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力及温度，并获取加氢机出口氢气温度；且根据所述储氢瓶的数量，各储氢瓶的压力、温度以及加氢机出口氢气温度计算最高允许平均加氢速率；并将所述最高允许平均加氢速率发送给加氢机，供加氢机根据最高允许平均加氢速率选择相应的加氢速率为各储氢瓶加氢；
所述最高允许平均加氢速率的计算公式为：
其中，Z表示车载加氢控制系统平均加氢速率修正系数，n表示车载加氢控制系统氢瓶数量；V瓶表示单个氢瓶在标准工况下允许的最高允许平均充装速率；Δt表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与273K的差值；Δt1表示加氢机出口氢气温度与环境温度的差值差，单位K；Δt2表示车载加氢控制系统设定的最高允许工作温度与环境温度的差值，单位K；P高表示车载加氢控制系统设定的氢瓶最高允许工作压力；P瓶表示氢瓶内现有压力，单位MPa；P标表示标况下大气压力，单位MPa。
11.根据权利要求10所述的车载加氢控制系统，其特征在于，所述加氢口处设置有用于检测加氢枪与加氢口是否正常连接的接近开关，所述氢系统控制器与所述接近开关的信号输出端连接。
12.根据权利要求11所述的车载加氢控制系统，其特征在于，还包括加氢面板，所述加氢口设置在加氢面板上。
13.根据权利要求12所述的车载加氢控制系统，其特征在于，还包括接地电阻，接地电阻的第一端与加氢面板连接，接地电阻的第二端用于与车架连接，接地电阻的阻值信号输出端与氢系统控制器连接，为各储氢瓶加氢之前，需将加氢面板上的静电通过接地电阻转移到大地。
14.根据权利要求13所述的车载加氢控制系统，其特征在于，所述加氢面板上设置有压力表，所述压力表用于检测加氢枪的氢气出口压力。
15.根据权利要求14所述的车载加氢控制系统，其特征在于，各储氢瓶上设置有压力传感器及温度传感器，加氢过程中，实时对储氢瓶的压力和温度进行监测，当储氢瓶的温度大于第二设定值或储氢瓶的压力大于第三设定值时，停止加氢。
16.根据权利要求10所述的车载加氢控制系统，其特征在于，所述通信装置为红外线。
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