CN112277649A - 一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统。该系统包括氢管理系统、第一氢浓度传感器、第二氢浓度传感器、第三氢浓度传感器、第四氢浓度传感器、整车控制器、汽车仪表、氢燃料电池系统、高压配电箱、动力电池系统、驱动电机系统、驱动电机和空调压缩机。所以本发明提供一种氢燃料电池汽车氢安全系统，可根据氢气泄漏的等级，准确快捷灵敏的发送报警信息，并控制整车做出相应的保护措施，保证了驾驶员和乘客的安全，还显著提高了车辆运行的安全性能。

Description

一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统及控制方法
技术领域
本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统及控制方法。
背景技术
随着氢能汽车的快速发展，其使用也越来越普及。但是，氢能汽车在运行过程中，会出现氢气泄露的问题。若是当氢气泄露时，氢能汽车未检测出来，以及驾驶员未能及时处理，则会给驾驶员和乘客带来极大的安全隐患和财产损失。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统及控制方法。
本发明提供一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统，包括整车控制器、汽车仪表、氢燃料电池系统、高压配电箱、动力电池系统、驱动电机系统、驱动电机和空调压缩机，所述高压配电箱分别与所述氢燃料电池系统、所述动力电池系统、所述驱动电机系统和所述空调压缩机电连接，所述驱动电机与所述电机控制单元电连接，所述氢燃料电池系统包括燃料电池堆、燃料电池控制单元和燃电继电器，所述高压配电箱包括配电继电器，所述动力电池系统包括电池管理控制单元和电池继电器，驱动电机系统包括电机控制单元，还包括氢管理系统、第一氢浓度传感器、第二氢浓度传感器、第三氢浓度传感器和第四氢浓度传感器，所述第一氢浓度传感器、所述第二氢浓度传感器、所述第三氢浓度传感器和所述第四氢浓度传感器均设置在车身内，并均与所述氢管理系统电连接，所述氢管理系统、所述整车控制器、所述汽车仪表、所述燃料电池控制单元、所述高压配电箱、所述电池管理控制单元、所述电机控制单元和所述空调压缩机均与CAN总线通讯连接，所述整车控制器和所述燃料电池控制单元均与所述氢管理系统电连接。
进一步地，所述第一氢浓度传感器设置在驾驶舱内，所述第二氢浓度传感器设置在燃料电池堆的氢气进气端处，所述第三氢浓度传感器设置在储氢瓶的出气端处，所述第四氢浓度传感器设置在行李箱内。
一种如上述的燃料电池氢能汽车的氢安全系统控制方法，其主要包括以下步骤：
S1、所述第一氢浓度传感器、所述第二氢浓度传感器、所述第三氢浓度传感器和所述第四氢浓度传感器分别采集对应位置的氢浓度信息后，将对应的氢浓度信息发送至氢管理系统；
S2、氢管理系统判断氢浓度值，若判断氢气浓度值H1<H<H2,则启动一级报警命令；若判断氢气浓度值H>H2，则启动二级报警命令。
进一步地，S2的具体步骤为：
S21、若氢管理系统判断氢气浓度H1<H<H2时，氢管理系统发送氢气浓度值和一级报警命令至CAN总线上，汽车仪表从CAN总线上获取一级报警命令后，发出声光报警信号，一级报警命令启动；
S22、若判断氢气浓度值H>H2时，氢管理系统发送氢气浓度值和二级报警命令至CAN总线上，汽车仪表从CAN总线上获取二级报警命令后，发出声光报警信号，同时，氢管理系统向整车控制器和燃料电池控制单元发送二级报警命令，此时，整车控制器则根据整车运行状态，则进行下一步操作：
S23、若整车控制器判断整车处于低压状态，整车控制器依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，同时，燃料电池控制单元控制燃料电池堆关闭，二级报警命令执行完毕；
若整车控制器判断整车处于高压静止状态，燃料电池控制单元控制控制燃料电池堆3S内的功率降至0并关闭燃料电池堆，整车控制器判断此时燃料电池堆是否处于关闭状态，若是，则整车控制器依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，二级报警命令执行完毕；
若整车控制器判断整车处于高压行驶状态，氢燃料电池系统控制燃料电池堆3S内的功率降至0并关闭燃料电池堆，同时，整车控制器向电机控制单元发送命令，电机控制单元控制驱动电机的目标扭矩20s内降为0；整车控制器再判断燃料电池堆状态以及整车的车速信息，若燃料电池堆处于关闭状态以及整车的车速低于10Km/h，则整车控制器依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，二级报警命令执行完毕。
进一步地，H1＝5000ppm，H2＝10000ppm。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：所以本发明提供一种氢燃料电池汽车氢安全系统，可根据氢气泄漏的等级，准确快捷灵敏的发送报警信息，并控制整车做出相应的保护措施，保证了驾驶员和乘客的安全，还显著提高了车辆运行的安全性能。此外，本发明所述的一种氢燃料电池汽车氢安全系统控制方法还具有控制灵敏度高、响应快和实用性强等优点。
附图说明
图1是本发明所述一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统的模块连接图；
图2是本发明第一氢浓度传感器、第二氢浓度传感器、第三氢浓度传感器和第四氢浓度传感器的安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1-2，本发明的实施例提供了一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统，包括氢管理系统HMS10、第一氢浓度传感器20、第二氢浓度传感器21、第三氢浓度传感器22、第四氢浓度传感器23、整车控制器VCU30、汽车仪表40、氢燃料电池系统FCS50、高压配电箱PDU60、动力电池系统BMS70、驱动电机系统EDU80、驱动电机90和空调压缩机100，其中，FCS包括燃料电池堆、燃料电池控制单元FCU和燃电继电器，PDU包括配电继电器，动力电池系统包括电池管理控制单元BMS和电池继电器，EDU包括电机控制单元MCU，所述第一氢浓度传感器20设置在驾驶舱内，所述第二氢浓度传感器21设置在燃料电池堆的氢气进气端处，所述第三氢浓度传感器22设置在储氢瓶的出气端处，所述第四氢浓度传感器23设置在行李箱内，所述第一氢浓度传感器20、所述第二氢浓度传感器21、所述第三氢浓度传感器22和所述第四氢浓度传感器23均与所述氢管理系统10电连接，所述氢管理系统10、所述整车控制器30、所述汽车仪表40、所述燃料电池控制单元、所述高压配电箱60、所述电池管理控制单元、所述电机控制单元和空调压缩机100均与CAN总线通讯连接，所述整车控制器30和所述燃料电池控制单元均与所述氢管理系统10通过硬线电连接，所述高压配电箱60分别与所述氢燃料电池系统50、所述动力电池系统70、所述驱动电机系统80和所述空调压缩机100电连接，所述驱动电机90与所述电机控制单元电连接。
在本发明中，第一氢浓度传感器20布置于驾驶舱内相对位置的最高点，由于氢气密度远远小于空气密度，故而当氢气发生聚集时，氢气会优先聚集在最高处位置，所以将第一氢浓度传感器20布置于驾驶室内相对位置最高处，能最快反应驾驶室内的氢浓度；第二氢浓度传感器21布置于前机舱即燃料电池堆的氢气进气端处内，由于燃料电池堆布置于前机舱内，所以第二氢浓度传感器21布置于前机舱燃料电池堆氢气进气口处上方，用以监测燃料电池堆附近的氢气浓度，确保氢安全；第三氢浓度传感器22布置于底盘下方，由于储氢瓶布置于底盘下方，所以第三氢浓度传感器22布置于底盘下方储氢瓶的出气端处，用以监测储氢瓶附近的氢气浓度，确保氢安全。第四氢浓度传感器23置于行李箱，由于行李箱处于单独空间或者空气循环较差空间，同时由于气体存在一定惯性，在车辆急速过程，气体容易在后方聚集，所以第四氢浓度传感器23布置于行李箱上方靠后位置，用以监测行李箱中的氢气浓度，确保氢安全。整车控制器30从CAN总线上收集CAN报文，并根据相应CAN报文信息发送控制信息到CAN总线上，进而实现对车辆运行的控制。氢燃料电池系统50中的燃料电池控制单元发送氢燃料电池状态信息到CAN总线上，同时接收CAN总线上的CAN报文。动力电池系统BMS70中的电池管理控制单元发送动力电池状态信息到CAN总线上，同时接收CAN总线上的CAN报文。汽车仪表40发送仪表状态信息到CAN总线上。高压配电箱PDU60发送高压配电箱60信息到CAN总线上，同时接受同时接收CAN总线上的CAN报文。驱动电机系统80中的电机控制单元发送驱动电机90转速信息到CAN总线上，同时接收VCU发送的驱动电机90控制命令，控制驱动电机90的运行和转速，保证车辆行驶状态受控。空调压缩机100发送空调压缩机100的状态信息到CAN总线上，同时接收VCU发送的控制信息，进行工作或者关闭。在此需要说明的是，本发明不涉及对VCU、FCS、PDU、BMS、EDU和驱动电机90结构的改进，其均为现有技术。且PDU分别与FCS、BMS、EDU和所述空调压缩机100的电连接关系，氢燃料电池系统中的燃料电池堆、燃料电池控制单元和燃电继电器之间的点连接关系，动力电池系统的电池管理控制单元和电池继电器之间的电连接关系也均为现有技术。
一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统控制方法，其主要包括以下步骤：
S1、所述第一氢浓度传感器20、所述第二氢浓度传感器21、所述第三氢浓度传感器22和所述第四氢浓度传感器23分别采集对应位置的氢浓度信息后，将对应的氢浓度信息发送至氢管理系统10；
S2、氢管理系统10判断氢浓度值，若判断氢气浓度值H1<H<H2,则启动一级报警命令；若判断氢气浓度值H>H2，则启动二级报警命令。
具体的，H1＝5000ppm，H2＝10000ppm。在此，需要说明的是，当任意一个氢浓度传感器检测到对应位置的氢浓度值H1<H<H2时，一级报警命令即启动。
其中，S21、若判断氢气浓度H1<H<H2时，氢管理系统10发送氢气浓度值和一级报警命令至CAN总线上，汽车仪表40从CAN总线上获取一级报警命令，此时，汽车仪表40发出声光报警信号，一级报警命令启动；其中，需要说明的是，若氢气浓度H1<H<H2时，CAN总线发送的一级氢气泄漏报文，一级氢气泄漏表明氢气泄露处于轻中度状态；若判断氢气浓度值H>H2，CAN总线发送的二级氢气泄漏报文，二级氢气泄漏表明氢气泄露处于重度状态；需要说明的是，汽车仪表40发出声光报警信号为现有技术，在此，对其具体工作原理不进行赘述；
S22、若判断氢气浓度值H>H2时，氢管理系统10发送氢气浓度值和二级报警命令至CAN总线上，汽车仪表40从CAN总线上获取二级报警命令后，发出声光报警信号，同时，氢管理系统10向整车控制器30和氢燃料电池系统50发送二级报警命令，此时，整车控制器30则根据整车运行状态，则进行下一步操作：
S23、若整车控制器30判断整车处于低压状态，整车控制器30依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，氢燃料电池系统50关闭燃料电池堆，二级报警命令执行完毕；在此，需要说明的是，当高压配电箱中的配电继电器处于未吸合状态时，则表明整车处于低压状态；而整车控制器30依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开为现有技术；
若整车控制器30判断整车处于高压静止状态，燃料电池控制单元控制燃料电池堆3S内的功率降至0并关闭燃料电池堆，此时，整车控制器30判断此时燃料电池堆是否处于关闭状态，若是，则整车控制器30中断整车的上高压流程，二级报警命令执行完毕；在此，需要说明的是，当高压配电箱中的配电继电器处于吸合状态且整车的车速低于10km/h时，则表明整车处于高压静止状态；
若整车控制器30判断整车处于高压行驶状态，燃料电池控制单元控制燃料电池堆3S内的功率降至0并关闭燃料电池堆，同时，整车控制器30控制驱动电机90的目标扭矩20s内降为0；整车控制器30再判断燃料电池堆状态以及整车的车速信息，若燃料电池堆处于关闭状态以及整车的车速低于10km/h，则整车控制器30依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，二级报警命令执行完毕；需要说明的是，当高压配电箱中的配电继电器处于吸合状态且整车的车速高于10km/h时，则表明整车处于高压行驶状态。
由于继电器吸合会产生电弧，泄露的一定浓度氢气遇到电弧有爆炸风险，因此，中断上高压流程，以达到提高汽车安全性能的目的。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统，包括整车控制器(30)、汽车仪表(40)、氢燃料电池系统(50)、高压配电箱(60)、动力电池系统(70)、驱动电机系统(80)、驱动电机(90)和空调压缩机(100)，所述高压配电箱(60)分别与所述氢燃料电池系统(50)、所述动力电池系统(70)、所述驱动电机系统(80)和所述空调压缩机(100)电连接，所述驱动电机(90)与所述电机控制单元电连接，所述氢燃料电池系统(50)包括燃料电池堆、燃料电池控制单元和燃电继电器，所述高压配电箱(60)包括配电继电器，所述动力电池系统(70)包括电池管理控制单元和电池继电器，驱动电机系统(80)包括电机控制单元，其特征在于，还包括氢管理系统(10)、第一氢浓度传感器(20)、第二氢浓度传感器(21)、第三氢浓度传感器(22)和第四氢浓度传感器(23)，所述第一氢浓度传感器(20)、所述第二氢浓度传感器(21)、所述第三氢浓度传感器(22)和所述第四氢浓度传感器(23)均设置在车身内，并均与所述氢管理系统(10)电连接，所述氢管理系统(10)、所述整车控制器(30)、所述汽车仪表(40)、所述燃料电池控制单元、所述高压配电箱(60)、所述电池管理控制单元、所述电机控制单元和所述空调压缩机(100)均与CAN总线通讯连接，所述整车控制器(30)和所述燃料电池控制单元均与所述氢管理系统(10)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统，其特征在于，所述第一氢浓度传感器(20)设置在驾驶舱内，所述第二氢浓度传感器(21)设置在燃料电池堆的氢气进气端处，所述第三氢浓度传感器(22)设置在储氢瓶的出气端处，所述第四氢浓度传感器(23)设置在行李箱内。
3.一种如权利要求1或2所述的燃料电池氢能汽车的氢安全系统控制方法，其特征在于，其主要包括以下步骤：
S1、所述第一氢浓度传感器(20)、所述第二氢浓度传感器(21)、所述第三氢浓度传感器(22)和所述第四氢浓度传感器(23)分别采集对应位置的氢浓度信息后，将对应的氢浓度信息发送至氢管理系统(10)；
S2、氢管理系统(10)判断氢浓度值，若判断氢气浓度值H1<H<H2,则启动一级报警命令；若判断氢气浓度值H>H2，则启动二级报警命令。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统控制方法，其特征在于，S2的具体步骤为：
S21、若氢管理系统(10)判断氢气浓度H1<H<H2时，氢管理系统(10)发送氢气浓度值和一级报警命令至CAN总线上，汽车仪表(40)从CAN总线上获取一级报警命令后，发出声光报警信号，一级报警命令启动；
S22、若判断氢气浓度值H>H2时，氢管理系统(10)发送氢气浓度值和二级报警命令至CAN总线上，汽车仪表(40)从CAN总线上获取二级报警命令后，发出声光报警信号，同时，氢管理系统(10)向整车控制器(30)和燃料电池控制单元发送二级报警命令，此时，整车控制器(30)则根据整车运行状态，则进行下一步操作：
S23、若整车控制器(30)判断整车处于低压状态，整车控制器(30)依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，同时，燃料电池控制单元控制燃料电池堆关闭，二级报警命令执行完毕；
若整车控制器(30)判断整车处于高压静止状态，燃料电池控制单元控制控制燃料电池堆3S内的功率降至0并关闭燃料电池堆，整车控制器(30)判断此时燃料电池堆是否处于关闭状态，若是，则整车控制器(30)依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，二级报警命令执行完毕；
若整车控制器(30)判断整车处于高压行驶状态，氢燃料电池系统(50)控制燃料电池堆3S内的功率降至0并关闭燃料电池堆，同时，整车控制器(30)向电机控制单元发送命令，电机控制单元控制驱动电机(90)的目标扭矩20s内降为0；整车控制器(30)再判断燃料电池堆状态以及整车的车速信息，若燃料电池堆处于关闭状态以及整车的车速低于10Km/h，则整车控制器(30)依次控制配电继电器、燃电继电器和电池继电器断开，中断整车的上高压流程，二级报警命令执行完毕。
5.根据权利要求3或4所述的一种燃料电池氢能汽车的氢安全系统控制方法，其特征在于，H1＝5000ppm，H2＝10000ppm。
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