CN110864152B - 电动阀系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电动阀系统。一种电动阀系统包括：串联连接到电源的第一开关元件和第二开关元件；串联连接到电源的第三开关元件和第四开关元件；二极管；连接在第一中间点和第二中间点之间的线圈，该线圈被布线成使得当第二开关元件和第三开关元件被打开并且第一开关元件和第四开关元件被闭合时阀打开；切断开关，该切断开关被配置为切断第一开关元件的正电极和电源之间的路径；以及电容器，该电容器在电容器的一端连接在切断开关和第一开关元件之间并且在电容器的另一端连接到电源的负电极。

Description

电动阀系统
技术领域
由本说明书公开的技术涉及电动阀系统。
背景技术
存在通过使电流流过线圈来打开/闭合阀的电动阀系统。日本专利申请公开No.2006-74928(JP 2006-74928 A)公开了采用H桥电路的电动阀系统。H桥电路用于转换被使得流过线圈的电流的方向。当使电流在一个方向上流过线圈时，阀打开。当使电流在相反的方向上流过线圈时，阀闭合。H桥电路配备有第一至第四开关元件。第一开关元件和第二开关元件在电源的正电极和负电极之间彼此串联连接。第三开关元件和第四开关元件也在电源的正电极和负电极之间彼此串联连接。第二开关元件连接到第一开关元件的负电极侧，并且第四开关元件连接到第三开关元件的负电极侧。顺便提及，为了方便起见，使用第一至第四开关元件的名称，以简单地将四个开关元件彼此区分开。
线圈连接在第一开关元件和第二开关元件的中间点与第三开关元件和第四开关元件的中间点之间。当第二开关元件和第三开关元件被打开并且第一开关元件和第四开关元件被闭合时，电流依次流过第一开关元件、线圈和第四开关元件，并且阀打开。当第一开关元件和第四开关元件被打开并且第二开关元件和第三开关元件被闭合时，电流在相反的方向上流过线圈，并且阀闭合。
发明内容
在阀被用在低温环境等中的情况下，阀冻结并且可能无法被正常驱动力打开。可替代地，在施加到阀的负载(水压等)也变得过量的情况下，阀可能无法被正常驱动力打开。由本说明书公开的技术实现了一种电动阀系统，该电动阀系统通过向H电路的结构添加一些部件，可以使得用于阀的致动器产生比通常情况大的驱动力。
由本说明书公开的电动阀系统向H电路添加切断开关(shutoff switch)和电容器。存在配备有用于抑制电流脉冲的电容器的电动阀系统。在这种类型的情况下，添加切断开关是足够的。H电路的部分用作升压转换器，用于以等于或高于电源电压的电压对电容器充电。当电容器的电力被放电时，可以向线圈施加等于或高于电源电压的电压。即，可以使得包括线圈的致动器产生比由电源电压造成的正常驱动力大的驱动力。
根据由本说明书公开的方面的电动阀系统包括：在电源的正电极和负电极之间彼此串联连接的第一开关元件和第二开关元件；在正电极和负电极之间彼此串联连接的第三开关元件和第四开关元件；分别与第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件反并联连接的二极管；连接在第一中间点和第二中间点之间的线圈，第一中间点是第一开关元件和第二开关元件的串联连接点，第二中间点是第三开关元件和四开关元件的串联连接点，线圈被布线成使得当第二开关元件和第三开关元件被打开并且第一开关元件和第四开关元件被闭合时阀打开；被配置为切断第一开关元件的正电极和电源之间的路径的切断开关；以及电容器，该电容器在电容器的一端连接在切断开关和第一开关元件之间并且在电容器的另一端连接到电源的负电极。每个二极管形成旁路通道，该旁路通道使电流从开关元件中的对应一个开关元件的负电极侧流到其正电极侧。这种二极管可以被称为回流二极管(reflux diode)。由本说明书公开的技术可以采用包括开关元件和二极管并且利用诸如RC-IGBT等之类的一个芯片来实现的反并联电路。
打开/闭合阀的致动器的线圈连接在第一开关元件和第二开关元件的串联连接的中间点与第三开关元件和第四开关元件的串联连接的中间点之间。致动器的线圈以及第一至第四开关元件被布线成使得当第二开关元件和第三开关元件被打开并且第一开关元件和第四开关元件被闭合时阀打开。以切断第一开关元件的正电极和电源之间的路径这样的方式布置切断开关。电容器在其一端连接在切断开关和第一开关元件之间，并且在其另一端连接到电源的负电极。
电动阀系统的控制器重复地打开/闭合第二开关元件，同时保持切断开关、第一开关元件和第四开关元件打开(关断)并且保持第三开关元件闭合(接通)。当第二开关元件被闭合时，电流从电源流到线圈，并且电能存储在线圈中。电流在闭合阀这样的方向上流过线圈。但是，当阀保持闭合时，执行上面提到的处理。因此，即使当电流在闭合阀这样的方向上流动时，阀的状态也不改变。
当控制器打开第二开关元件时，线圈和电源的负电极之间的路径被切断。此时，由于线圈的感生电动势(induced electromotive force)，电流通过第一开关元件的回流二极管流过电容器。由于线圈的感生电动势，比电源的输出电压高的电压被施加到电容器。即，电源的输出电压逐步升高并且被施加到电容器。当第二开关元件被重复打开/闭合时，电容器两端的电压都超过电源的输出电压。当电容器的电压超过比电源的输出电压高的阈值电压时，控制器打开(关断)第二开关元件和第三开关元件，并且闭合(接通)第一开关元件和第四开关元件。顺便提及，切断开关保持打开。电容器的电力通过第一开关元件和第四开关元件流到线圈。此时，电流以比电源的输出电压高的电压流过线圈。如前所述，此时的电流在打开阀这样的方向上流动。电流以比电源电压高的电压在打开阀这样的方向上流动。即，可以使包括线圈的致动器产生比由电源电压造成的正常驱动力大的驱动力。
在上面提到的方面中，电动阀系统还可以包括控制器，该控制器被配置为控制第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件和切断开关。控制器可以被配置为在电容器的电压超过比电源的输出电压高的阈值电压之前，重复地打开和闭合第二开关元件，同时保持切断开关、第一开关元件和第四开关元件打开并且保持第三开关元件闭合，并且当电容器的电压超过阈值电压时，打开第二开关元件和第三开关元件并且闭合第一开关元件和第四开关元件。
在上面提到的方面中，控制器可以被配置为，在阀不能被电源的输出电压打开的情况下，在电容器的电压超过比电源的输出电压高的阈值电压之前，重复地打开和闭合第二开关元件，同时保持切断开关、第一开关元件、第四开关元件打开并且保持第三开关元件闭合，并且当电容器的电压超过阈值电压时，打开第二开关元件和第三开关元件并且闭合第一开关元件和第四开关元件。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，附图中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是根据实施例的阀系统的电路图；
图2是示出阀的结构的示意图(其中阀闭合)；
图3是示出阀的结构的示意图(其中阀打开)；
图4是升压阀驱动处理的流程图；
图5是示出(当第二开关元件闭合时)升压时的电流流动的电路图；
图6是示出(当第二开关元件打开时)升压时的电流流动的电路图；
图7是示出从电容器到线圈的电流流动的电路图；
图8是其中采用根据本实施例的阀系统的燃料电池系统的框图；以及
图9是由燃料电池系统中的控制器执行的处理的流程图。
具体实施方式
将参考附图描述根据实施例的电动阀系统2。图1是示出电动阀系统2的电路图。包括线圈5的马达6是打开/闭合阀的致动器。图1是电路图，因此未描绘阀体。稍后将参考图2和图3描述阀体。为了便于解释，电动阀系统2在下文中将被简称为阀系统2。
阀系统2配备有四个开关元件11至14、四个二极管21至24、切断开关4、电容器7、电压传感器8、控制器9以及包括线圈5的马达6。阀系统2连接到电源3。电源3是DC电源。
开关元件11至14通常是晶体管。第一开关元件11和第二开关元件12彼此串联连接。第三开关元件13和第四开关元件14也彼此串联连接。第一开关元件11连接到第二开关元件12的正电极侧，并且第三开关元件13连接到第四开关元件14的正电极侧。在n型晶体管的情况下，“开关元件的正电极侧”相当于集电极或漏极。
第一开关元件11和第二开关元件12在电源3的正电极3a和负电极3b之间彼此串联连接。第三开关元件13和第四开关元件14也在正电极3a和负电极3b之间彼此串联连接。切断开关4连接在第一开关元件11的正电极和电源3的正电极3a之间。切断开关4是使电源3的正电极3a和第一开关元件11彼此电断开的开关。可以采用晶体管作为切断开关4，但是期望这个晶体管是常闭型。常闭型开关在没有向其供应电力时使其两端彼此导通。即，期望切断开关4常闭。切断开关4的打开/闭合对电源3和第三开关元件13的连接没有任何影响。
马达6的线圈5在其一端连接到第一开关元件11和第二开关元件12的串联连接的中间点。线圈5在其另一端连接到第三开关元件13和第四开关元件14的串联连接的中间点。开关元件11至14以及线圈5构成H电路。H电路用于反转流过线圈5的电流的方向。线圈5被布线成使得当第二开关元件12和第三开关元件13被打开并且第一开关元件11和第四开关元件14被闭合时阀打开。换句话说，线圈5被布线成使得当第一开关元件11和第四开关元件14被打开并且第二开关元件12和第三开关元件13被闭合时阀闭合。图1中的粗方向线A1指示打开阀时的电流路径。图1中的粗断裂方向线A2指示闭合阀时的电流路径。
电容器7在其一端连接在切断开关4和第一开关元件11之间。电容器7在其另一端连接到电源3的负电极3b。电容器7的容量范围例如从几十微法到几百微法。当切断开关4被闭合时，电容器7用作平滑电容器(smoothing capacitor)，其抑制流过第一开关元件11的电流的脉冲。
控制器9控制开关元件11至14以及切断开关4。切断开关4常闭。控制器9根据来自主控制器(未示出)的命令控制马达6。即，控制器9根据来自主控制器(未示出)的命令控制阀。
将参考图2和图3描述阀体30。图2和图3中的每一个是图示阀体30的结构的示意图。图2示出了阀32被闭合的状态，而图3示出了阀32被打开的状态。
阀体30配备有壳体31、阀32、马达6和保持弹簧(retention spring)34，其中流体流过壳体31。阀32围绕旋转轴CL可旋转地被支撑在壳体31内。阀32可以在壳体31的内部被阻挡(即，闭合)的状态和壳体31的内部连通(即，打开)的状态之间进行转换。阀32由马达6驱动。阀32的旋转范围受到在壳体31内提供的停止件33的限制。当阀32抵靠在停止件33上时，阀32被闭合(图2)。当阀32与停止件33间隔开时，阀32被打开(图3)。图3中的粗方向线指示通过阀32的流体流动。
保持弹簧34附接到阀32。在阀32闭合的情况下，即使在马达6未通电时，阀32也由于保持弹簧34的张力而保持闭合。在马达6未通电而阀32打开的情况下，由于马达6的摩擦力，阀32不会仅通过保持弹簧34的张力就被闭合。如前所述，在图1的电路图中，除非第一开关元件11和第四开关元件14被闭合并且第二开关元件12和第三开关元件13被打开，否则阀32不会闭合。
当冰块P已经粘附到阀32和壳体31时，阀32可能无法被马达6的正常驱动力打开。在本文应当注意的是，马达6的正常驱动力是从电源3的输出电压获得的驱动力。在这种情况下，阀系统2可以通过比通常情况大的驱动力来移动阀32。阀系统2通过利用马达6的线圈5、第二开关元件12和二极管21作为升压转换器来将电力存储到电容器7中。当电容器7的电压超过电源3的输出电压时，电容器7的电力被供应给线圈5。以超过电源3的输出电压的电压从电容器7向线圈5供应电流。因此，马达6可以施加超过正常驱动力的驱动力。顺便提及，如前所述，电容器7通常用作平滑电容器。电容器7的容量范围从几十微法到几百微法。这样的容量足以累积用于仅在短时间段(几毫秒)内驱动阀32的电力。
即使在冰块P不能被正常驱动力移除的情况下，也变得有可能通过用超过正常驱动力的驱动力移动阀32来移除冰块P。在灰尘已经陷在壳体31的内壁与阀32之间等情况下，和冰块的情况一样，阀32可能无法被正常驱动力打开。可替代地，在流体压力过高的情况下，阀32也可能无法被正常驱动力打开。即使在这种情况下，也有可能通过超过正常驱动力的驱动力打开阀32。以超过电源3的输出电压的电压打开阀32的处理在下文中将被称为升压阀驱动处理。
图4是示出升压阀驱动处理的流程图。当阀32未被由电源3的输出电压造成的驱动力打开时，控制器9执行升压阀驱动处理。检测阀32的打开/闭合状态的传感器被附接到阀体30。可以从传感器信息向控制器9通知阀32的打开/闭合状态。图4中的每个符号“SW”指“(一个或多个)开关元件”。
在升压阀驱动处理中，控制器9首先打开切断开关4(步骤S2)。通过打开切断开关4，第一开关元件11的正电极与电源3的正电极3a电断开。在切断开关4被打开之前，电容器7连接到正电极3a，因此电容器7的电压等于电源3的输出电压。
随后，控制器9打开第一开关元件11和第四开关元件14，并且闭合第三开关元件13(步骤S3)。在重复以下步骤S4和S5的同时，控制器9保持第一开关元件11和第四开关元件14打开，并且保持第三开关元件13闭合。在保持上面提到的状态的同时，控制器9打开/闭合第二开关元件12(步骤S4)。
图5是示出在闭合第二开关元件12时的电流流动的电路图。图6是示出在打开第二开关元件12时的电流流动的电路图。粗方向线A3和A4中的每一个指示电流的流动。在图5和图6两者中，切断开关4、第一开关元件11和第四开关元件14都保持打开。此外，第三开关元件13保持闭合。
第三开关元件13被闭合，因此线圈5在其一端连接到电源3的正电极3a。如图5中所示，当第二开关元件12被闭合时，线圈5在其另一端连接到负电极3b，并且电流流过线圈5(如由粗方向线A3指示的)。粗方向线A3与图1中的粗断裂方向线A2相同。即，当第二开关元件12被闭合时，电流在闭合阀32这样的方向上流过线圈5。阀32被闭合，并且因此不移动。由于电流流过线圈5，电能被存储到线圈5中。
随后，当第二开关元件12被打开时，线圈5在其另一端与负电极3b断开，并且电流停止从线圈5流到负电极3b。以补偿电流损失这样的方式在线圈5中产生感生电动势。由于这个感生电动势，电源3的输出电压升高。由感生电动势产生的电流通过二极管21流到电容器7。图6中的粗方向线A4指示从线圈5到电容器7的电流流动。电容器7被由感生电动势造成的电流充电。电容器7的电压变得比电源3的输出电压高。每次重复第二开关元件12的打开/闭合时，电流如图5和图6所示的那样流动，并且电容器7的电压变得更高。
返回图4，将继续描述升压阀驱动处理。控制器9通过电压传感器8监视电容器7的电压。在电容器7的电压变得比预定阈值电压高之前，控制器9重复地打开/闭合第二开关元件12(步骤S5中的否，S4)。将比电源3的输出电压高的值设置为阈值电压。
当电容器7的电压超过阈值电压时，控制器9打开第二开关元件12和第三开关元件13，并且闭合第一开关元件11和第四开关元件14(步骤S5中的是，S6)。电容器7被其充电的电力通过第一开关元件11流到线圈5。已经流过线圈5的电流通过第四开关元件14流到负电极3b。图7中的粗方向线A5指示此时的电流流动。粗方向线A5与粗方向线A1在相同的方向上定向。电流以比电源3的输出电压高的电压在打开阀32这样的方向上流过线圈5。因此，在打开阀32这样的方向上施加比正常驱动力大的驱动力。
如上所述，通过使用电容器7以及改变流过线圈5的电流的方向的开关元件11至14，阀系统2可以通过比通常情况大的驱动力来移动阀。简单地通过将切断开关4和电容器7添加到H电路，阀系统2可以施加比通常情况大的驱动力。
当阀32在升压阀驱动处理中打开时，控制器9返回到正常阀控制。当在执行一次升压阀驱动处理之后阀32没有打开时，控制器9重复升压阀驱动处理。当即使在重复升压阀驱动处理预定次数之后阀32也不打开时，控制器9将指示阀的不可控制性的信号发送到高阶主控制器。
根据实施例的阀系统2例如被用在燃料电池系统40中。图8是示出燃料电池系统40的框图。燃料电池系统40通过燃料电池堆41生成电力。为了简化说明，燃料电池堆41在下文中将被称为FC堆41。
FC堆41和氢罐42通过燃料管道43彼此连接。燃料管道43配备有主停止阀51和喷射器52。当主停止阀51被打开时，氢气从氢罐42供应。在通过喷射器52调节从氢罐42供应的氢气的压力之后，这种氢气被输送到FC堆41。
空气(氧气)经由空气管道46输送到FC堆41。空气压缩机45压缩大气压的空气，并通过空气管道46将这种空气供应到FC堆41。绕开FC堆41的旁通管道47连接到空气管道46。空气管道46配备有空气阀2a和2b。空气阀2a布置在FC堆41的上游，并且空气阀2b布置在FC堆41的下游。旁通管道47配备有空气阀2c。图8中的每个粗方向线指示氢气或空气的流动。虽然未在图中示出，但是空气管道46配备有流速传感器，该流速传感器测量流过管道的空气的流速。
空气阀2a至2c、主停止阀51和喷射器52由主控制器49控制。在空气阀2a、2b和2c中采用根据实施例的阀系统2。因而，空气阀2a至2c中的每一个配备有控制器9。根据需要，命令从主控制器49输送到空气阀2a至2c中的每一个。空气阀2a至2c中的每一个的控制器9根据来自主控制器49的命令驱动阀32(参见图2和图3)。
图9是示出由已经接收到打开阀的命令(阀打开命令)的控制器9执行的处理的流程图。在图9中，每个符号“SW”指“(一个或多个)开关元件”。已经接收到阀打开命令的控制器9打开第一开关元件11和第四开关元件14，并且闭合第二开关元件12和第三开关元件13(步骤S12)。控制器9基于来自检测阀32的打开/闭合状态的传感器的信号确定阀32是否已经打开(步骤S13)。如果检测到阀32的打开，那么结束处理(步骤S13中的是)。如果不能检测到阀32的打开，那么控制器9从前述流速传感器接收关于空气供应量的数据，并检查空气供应量。如果虽然在步骤S13的处理中确定阀32未打开但是空气供应量为正值(步骤S14中的是)，那么可以确定在流速传感器或者检测阀的打开的传感器中存在故障。在这种情况下，控制器9向高阶主控制器49发送用于通知故障的信号(故障通知信号)(步骤S15)。
如果步骤S14中的确定的结果为否，即，如果空气供应量等于零，那么可以确定阀32未打开，因此控制器9执行升压阀驱动处理(步骤S14中的否，S16)。已经参考图4描述了升压阀驱动处理，并且阀系统2(空气阀2a至2c)试图通过超过正常驱动力的驱动力来打开阀32。
在执行升压阀驱动处理(步骤S16)之后，控制器9通过步骤S17并且再次确认阀32是否已经打开(步骤S16和S17中的否，S13)。如果阀32是打开的，那么控制器9结束处理(步骤S13中的是)。如果不能检测到阀32的打开，那么控制器9重复步骤S14和S16的处理。如果虽然升压阀驱动处理已经重复N次但是阀仍未打开，那么控制器9确定阀32不能被打开，并且向主控制器49发送用于通知故障的信号(故障通知信号)(步骤S17中的是，S15)。因此，在阀不能被正常驱动力打开的情况下，空气阀2a至2c试图通过超过正常驱动力的驱动力来打开阀32。
将描述关于在实施例中描述的技术的要点。在实施例中，移动阀的致动器是包括线圈5的马达6。移动阀的致动器不要求是马达。例如，阀的致动器可以是包括线圈的螺线管。

Claims (3)

1.一种电动阀系统，其特征在于包括：
第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件和所述第二开关元件在电源的正电极和负电极之间彼此串联连接；
第三开关元件和第四开关元件，所述第三开关元件和所述第四开关元件在所述正电极和所述负电极之间彼此串联连接；
分别与所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件反并联连接的二极管；
线圈，所述线圈连接在第一中间点和第二中间点之间，所述第一中间点是所述第一开关元件和所述第二开关元件的串联连接点，所述第二中间点是所述第三开关元件和所述第四开关元件的串联连接点，所述线圈被布线成使得当所述第二开关元件和所述第三开关元件被打开并且所述第一开关元件和所述第四开关元件被闭合时阀打开；
切断开关，所述切断开关被配置为切断所述第一开关元件的正电极和所述电源之间的路径，其中，所述切断开关位于切断所述第一开关元件的正电极和所述电源之间的路径而不切断所述第三开关的正电极与所述电源之间的路径的位置；以及
电容器，所述电容器在所述电容器的一端连接在所述切断开关和所述第一开关元件之间并且在所述电容器的另一端连接到所述电源的所述负电极。
2.如权利要求1所述的电动阀系统，其特征在于还包括：
控制器，所述控制器被配置为控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件和所述切断开关，其中
所述控制器被配置为：
在所述电容器的电压超过比所述电源的输出电压高的阈值电压之前，重复地打开和闭合所述第二开关元件，同时保持所述切断开关、所述第一开关元件和所述第四开关元件打开并且保持所述第三开关元件闭合；以及
当所述电容器的所述电压超过所述阈值电压时，打开所述第二开关元件和所述第三开关元件并且闭合所述第一开关元件和所述第四开关元件。
3.如权利要求2所述的电动阀系统，其特征在于
所述控制器被配置为，在所述阀不能被所述电源的所述输出电压打开的情况下，在所述电容器的所述电压超过比所述电源的所述输出电压高的所述阈值电压之前，重复地打开和闭合所述第二开关元件，同时保持所述切断开关、所述第一开关元件和所述第四开关元件打开并且保持所述第三开关元件闭合，并且当所述电容器的所述电压超过所述阈值电压时，打开所述第二开关元件和所述第三开关元件并且闭合所述第一开关元件和所述第四开关元件。
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