CN112659899B - 一种车载供氢系统的泄露融合检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车载供氢系统的泄露融合检测系统及方法，泄露融合检测系统包括储氢瓶、瓶口阀、供氢管路、燃料电池电堆、排气回收系统和泄露融合检测系统，泄露融合检测系统包括控制器、氢气传感器阵列、压力传感器、温度传感器、超声波传感器阵列、气体质量流量传感器和警报灯；根据氢气泄露融合检测判据II的分级结果，确定车载供氢系统是否存在较大泄露或微小泄露，再根据定位结果判断氢气泄露的位置，根据泄露位置，警报灯采取不同的方式进行警示。本发明采用的融合检测方法能够增强氢气泄露检测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车技术领域，特别涉及一种车载供氢系统的泄露融合检测系统及方法。
背景技术
世界范围内的气候变化、环境污染和能源短缺正在成为制约汽车产业发展的重大因素，发展新能源汽车势在必行。而燃料电池是一种可以把化学能转换成电能的发电装置，具有运动部件少、噪声低、污染小、能量转换高等优点，使得燃料电池比较适合作为电动汽车的动力源。工信部、科技部及各地方政府纷纷将氢燃料电池汽车列为重点支持领域。然而，目前产业总体上对燃料电池汽车安全性认识不足。为提升燃料电池汽车的续航里程，目前燃料电池汽车多采用70MPa高压储氢系统，增加了氢气泄露风险，尤其是在储氢系统意外泄露的情况下(如车辆碰撞泄露等)，氢气泄露气流流速过快，氢气扩散浓度较高，若遇火花则会发生着火甚至爆炸事故，危害人员生命和财产安全。因此开发氢气泄露检测系统，对于提升燃料电池车载氢系统的安全性能，保障人员生命和财产安全具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种车载供氢系统的泄露融合检测系统及方法，能够检测车载供氢系统的较大泄露和微小泄露，并进行泄露定位。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种车载供氢系统泄露融合检测方法，当驾驶员座舱内的氢气浓度大于等于1％，警报灯为红色并闪烁；当驾驶员座舱内的氢气浓度小于1％，启动车辆，开启瓶口阀，控制器判断储氢瓶和瓶口阀是否符合氢气泄露融合检测判据I，若符合氢气泄露融合检测判据I，则判定储氢瓶发生氢气泄露，关闭瓶口阀，警报灯为黄色并闪烁，若不符合氢气泄露融合检测判据I，开启电磁阀，并启动燃料电池电堆；控制器判断储氢瓶和供氢管路符合氢气泄露融合检测判据II的哪一级分级结果，若判断分级结果为一级，进行氢气泄露定位判据，若定位结果为定位a，则判定氢气泄露位置为储氢瓶，警报灯为黄色并闪烁，若定位结果为定位b，则判定氢气泄露位置为供氢管路，警报灯为黄色；若判断分级结果为二级，进行氢气泄露定位判据，若定位结果为定位a，则判定氢气泄露位置为储氢瓶，警报灯为蓝色并闪烁，若定位结果为定位b，则判定氢气泄露位置为供氢管路，警报灯为蓝色；若判断分级结果为三级，则关闭警报灯。
进一步，所述氢气泄露融合检测判据I具体为：将检测条件A和检测条件B进行逻辑“与”，若同时满足检测条件A和检测条件B，则判定为符合氢气泄露融合检测判据I，若其中一个检测条件不满足，则判定不符合氢气泄露融合检测判据I。
更进一步，所述检测条件A为：检测时间内的氢气变化量
其中：k为常数，p11为瓶口阀开启时第一压力传感器获取的压力值，z1为压力p11下的压缩因子，p12为瓶口阀开启设定的时间间隔后第一压力传感器获取的压力值，z2为压力p12下的压缩因子，T11为瓶口阀开启时第一温度传感器获取的温度值，T12为瓶口阀开启设定的时间间隔后第一温度传感器获取的温度值；检测条件B为：第一氢气传感器检测的氢气浓度大于阈值B。
进一步，所述氢气泄露融合检测判据II具体为：若均符合检测条件C和检测条件D，则判定为一级，车载供氢系统存在较大泄露，即空气中氢气含量超过1％；若符合检测条件D但不符合检测条件C，则判定为二级，车载供氢系统存在微小泄露，即空气中氢气含量小于0.3％；若均不符合检测条件C和检测条件D，则判定为三级，车载供氢系统无泄露。
更进一步，所述检测条件C为：
其中，t1为燃料电池电堆的启动时刻，t2为设置的时刻，m1为第一气体质量流量传感器获取的气体质量，m2为第二气体质量流量传感器获取的气体质量，ρ为供氢管路中的氢气密度，p2为第二压力传感器获取的压力值，p1为第一压力传感器获取的压力值，k2为压力调节阀的调节系数，g为重力加速度，S为供氢管路单位长度的摩擦阻力，L是从压力调节阀至第二压力传感器的供氢管路长度；所述检测条件D为：超声波传感器阵列检测的泄露信号幅值>阈值D。
进一步，所述氢气泄露定位判据为：当氢气泄露点到超声波传感器A的距离S1>阈值E，则定位结果为定位a，否则定位结果为定位b。
更进一步，所述S1由以下方程组确定：
其中，以超声波传感器B的坐标位置为原点，x、y为氢气泄漏点的横纵坐标，d为超声波传感器A与超声波传感器B的距离，u1(t)为超声波传感器A处由声压产生的输出，u2(t+Δt12)为超声波传感器B处由声压产生的输出，Δt12为超声波传感器A和超声波传感器B接受信号的时间差。
一种车载供氢系统的泄露融合检测系统，包括：
储氢瓶、瓶口阀和燃料电池电堆，瓶口阀设于储氢瓶瓶口中，瓶口阀通过供氢管路与燃料电池电堆连接；所述供氢管路上沿气体流向，依次设有压力调节阀、电磁阀、第二气体质量流量传感器和超声波传感器阵列；
排气回收系统，包括氢气循环泵和氢气排气管，氢气循环泵设置于燃料电池电堆的阳极流道出口和阳极流道入口之间，氢气排气管设置在燃料电池电堆的阳极流道出口处；
泄露融合检测系统，包括控制器、氢气传感器阵列、第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器、超声波传感器阵列、第一气体质量流量传感器、第二气体质量流量传感器和警报灯，第一压力传感器和第一温度传感器设置在瓶口阀处，第二压力传感器、第二温度传感器设置在电磁阀与第二气体质量流量传感器之间的管路上，第一气体质量流量传感器设置在氢气循环泵与供氢管路连接的管道上；所述氢气传感器阵列包括第一氢气传感器、第二氢气传感器和第三氢气传感器，第一氢气传感器设置于储氢瓶上方，第二氢气传感器设置于供氢管路上方，第三氢气传感器设置于驾驶员座舱内；
所述氢气传感器阵列、第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器、超声波传感器阵列、第一气体质量流量传感器、第二气体质量流量传感器和警报灯均与控制器信号连接，控制器还与瓶口阀、压力调节阀、电磁阀、氢气循环泵、燃料电池电堆和氢气排气管信号连接。
所述第一氢气传感器、第二氢气传感器和第三氢气传感器的结构相同，均由氢气传感器腔室、氢敏传感器、CO传感器和温湿度传感器组成，氢敏传感器、CO传感器和温湿度传感器设置在氢气传感器腔室内部；所述氢敏传感器、CO传感器和温湿度传感器所在位置的连线呈正三角形。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中控制器判断储氢瓶和供氢管路符合氢气泄露融合检测判据II的哪一级分级结果，若判断分级结果为一级，车载供氢系统存在较大泄露，若判断分级结果为二级，车载供氢系统存在微小泄露；本发明不仅能够检测车载供氢系统发生的较大泄露和微小泄露，而且能够对氢气泄露位置进行定位，增强氢气泄露检测的准确性，减少错误判断导致报警、停车等。
(2)本发明在判定车载供氢系统存在较大泄露和微小泄露时，还根据定位结果判断氢气泄露的位置，根据泄露位置，警报灯采取不同的方式进行警示，提醒工作人员，便于做出对策。
附图说明
图1为本发明所述车载供氢系统的泄露融合检测系统示意图；
图2为本发明所述氢气传感器结构示意图；
图3为本发明所述车载供氢系统泄露融合检测方法流程图；
图中：1-储氢瓶，2-第一氢气传感器，3-控制器，4-警报灯，5-第二氢气传感器，6-第三氢气传感器，7-第一气体质量流量传感器，8-第一压力传感器，9-第一温度传感器，10-第二压力传感器，11-第二温度传感器，12-第二气体质量流量传感器，13-瓶口阀，14-压力调节阀，15-电磁阀，16-超声波传感器阵列，17-氢气循环泵，18-燃料电池电堆，19-氢气排气管，201-氢气传感器腔室，202-氢敏传感器，203-CO传感器，204-温湿度传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明的一种车载供氢系统的泄露融合检测系统，包括储氢瓶1、瓶口阀13、供氢管路、燃料电池电堆18、排气回收系统和泄露融合检测系统。
瓶口阀13密封旋紧于储氢瓶1的瓶口中，瓶口阀13与燃料电池电堆18通过供氢管路连接，供氢管路上沿气体流向，依次设有压力调节阀14、电磁阀15、第二气体质量流量传感器12和超声波传感器阵列16。
排气回收系统包括氢气循环泵17和氢气排气管19，氢气循环泵17通过管道连接燃料电池电堆18的阳极流道出口和燃料电池电堆18的阳极流道入口，氢气循环泵17将阳极流道出口的气体泵入阳极流道入口；氢气排气管19设置在燃料电池电堆18的阳极流道出口处。
泄露融合检测系统包括控制器3、氢气传感器阵列、第一压力传感器8、第一温度传感器9、第二压力传感器10、第二温度传感器11、超声波传感器阵列16、第一气体质量流量传感器7、第二气体质量流量传感器12和警报灯4。第一压力传感器8和第一温度传感器9设置在瓶口阀13处，第二压力传感器10、第二温度传感器11设置在电磁阀15与第二气体质量流量传感器12之间的管路上，第一气体质量流量传感器7设置在氢气循环泵17与供氢管路连接的管道上，氢气循环泵17与供氢管路的连接点位于第二温度传感器11与第二气体质量流量传感器12之间。氢气传感器阵列包括第一氢气传感器2、第二氢气传感器5和第三氢气传感器6，第一氢气传感器2设置于储氢瓶1上方，第二氢气传感器5设置于供氢管路上方，第三氢气传感器6设置于驾驶员座舱内；第一氢气传感器2、第二氢气传感器5和第三氢气传感器6的结构相同，均由氢气传感器腔室201、氢敏传感器202、CO传感器203和温湿度传感器204组成，氢气传感器腔室201截面为倒置漏斗状，氢敏传感器202、CO传感器203和温湿度传感器204设置在氢气传感器腔室201内部，且氢敏传感器202、CO传感器203和温湿度传感器204所在位置的连线呈正三角形，如图2所示。
氢气传感器阵列、第一压力传感器8、第一温度传感器9、第二压力传感器10、第二温度传感器11、超声波传感器阵列16、第一气体质量流量传感器7、第二气体质量流量传感器12和警报灯4均与控制器3信号连接，控制器3还与瓶口阀13、压力调节阀14、电磁阀15、氢气循环泵17、燃料电池电堆18和氢气排气管19信号连接。
如图3所示，一种车载供氢系统泄露融合检测方法，由于驾驶员座舱为封闭/半封闭的空间，第三氢气传感器6时刻对驾驶员座舱内的氢气浓度进行检测；若控制器3接收到第三氢气传感器6检测的氢气浓度大于等于1％，则控制警报灯4为红色并闪烁，控制器3控制瓶口阀13和电磁阀15关闭；若第三氢气传感器6检测的氢气浓度小于1％，且驾驶员启动车辆，控制器3检测电磁阀15是否处于关闭状态，若电磁阀15处于关闭状态，则开启瓶口阀13，若电磁阀15处于打开状态，则关闭电磁阀15后再开启瓶口阀13；开启瓶口阀13后，控制器3判断储氢瓶1和瓶口阀13是否符合氢气泄露融合检测判据I，若符合判定结果，则表明储氢瓶1发生氢气泄露，此时关闭瓶口阀13，将警报灯4设置为黄色并闪烁，若不符合判定结果，则开启电磁阀15，并启动燃料电池电堆18；控制器3判断储氢瓶1和供氢管路符合氢气泄露融合检测判据II的哪一级分级结果，若判断分级结果为一级，则进行氢气泄露定位判据，若定位结果为定位a，则表明氢气泄露位置为储氢瓶1，警报灯4为黄色并闪烁，若定位结果为定位b，则表明氢气泄露位置为供氢管路，警报灯4为黄色；警报灯4为黄色时，意为提示司机有较为严重的氢气泄露，需要立即下车检查；若判断分级结果为二级，则进行氢气泄露定位判据，若定位结果为定位a，则表明氢气泄露位置为储氢瓶1，警报灯4为蓝色并闪烁，若定位结果为定位b，则表明氢气泄露位置为供氢管路，警报灯4为蓝色；警报灯4为蓝色时，意为提示司机有轻度氢气泄露，需要注意；若判断分级结果为三级，则关闭警报灯4。
氢气泄露融合检测判据I为：将检测条件A和检测条件B进行逻辑“与”，若同时满足检测条件A和检测条件B，则判定为符合氢气泄露融合检测判据I，若其中一个检测条件无法满足，则判定为不符合氢气泄露融合检测判据I，检测条件A为：根据质量守恒定律，检测时间内的氢气变化量
其中：k为常数，z1为p11下的压缩因子，p11为瓶口阀13开启时第一压力传感器8获取的压力值，T11为瓶口阀13开启时第一温度传感器9获取的温度值，z2为p12下的压缩因子，p12为瓶口阀13开启设定的时间间隔后第一压力传感器10获取的压力值，T12为瓶口阀13开启设定的时间间隔后第一温度传感器11获取的温度值；检测条件B为：第一氢气传感器2检测的氢气浓度大于阈值B。
氢气泄露融合检测判据II为：由检测条件C和检测条件D，按照表1的分级模式，得到最终的分级结果。具体为：若均符合检测条件C和检测条件D，则判定为一级，表明车载供氢系统存在较大泄露(空气中氢气含量超过1％)；若都不符合检测条件C和检测条件D，则判定为三级，表明车载供氢系统无泄露；若符合检测条件D但不符合检测条件C，则判定为二级，表明车载供氢系统存在微小泄露(空气中氢气含量小于0.3％)。
表1分级模式表
| 检测条件 | C D | C D | C D |
| 判别结果 | √√ | ×√ | ×× |
| 分级结果 | 一级 | 二级 | 三级 |
检测条件C为：
其中，t1为燃料电池电堆18的启动时刻，t2为设置的时刻，m1为第一气体质量流量传感器7获取的气体质量，m2为第二气体质量流量传感器12获取的气体质量，ρ为供氢管路中的氢气密度，p2为第二压力传感器10获取的压力值，p1为第一压力传感器8获取的压力值，k2为压力调节阀14的调节系数，g为重力加速度，S为供氢管路单位长度的摩擦阻力，L是从压力调节阀14至第二压力传感器10的供氢管路长度；检测条件D为：超声波传感器阵列16检测的泄露信号幅值>阈值D。
氢气泄露定位判据为：当S1>阈值E，则定位结果为定位a，否则定位结果为定位b；其中S1为氢气泄露点到超声波传感器A的距离，S1由以下方程组确定：
其中，以超声波传感器阵列16内的超声波传感器B的坐标位置为原点，x、y为氢气泄漏点的横纵坐标，d为超声波传感器A与超声波传感器B的距离，u1(t)为超声波传感器A处由声压产生的输出，u2(t+Δt12)为超声波传感器B处由声压产生的输出，Δt12为超声波传感器A和超声波传感器B接收信号的时间差。
阈值A、阈值B、阈值C、阈值D、阈值E通过试验标定确定。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种车载供氢系统泄露融合检测方法，其特征在于，当驾驶员座舱内的氢气浓度大于等于1％，警报灯(4)为红色并闪烁；当驾驶员座舱内的氢气浓度小于1％，启动车辆，开启瓶口阀(13)，控制器(3)判断储氢瓶(1)和瓶口阀(13)是否符合氢气泄露融合检测判据I，若符合氢气泄露融合检测判据I，则判定储氢瓶(1)发生氢气泄露，关闭瓶口阀(13)，警报灯(4)为黄色并闪烁，若不符合氢气泄露融合检测判据I，开启电磁阀(15)，并启动燃料电池电堆(18)；控制器(3)判断储氢瓶(1)和供氢管路符合氢气泄露融合检测判据II的哪一级分级结果，若判断分级结果为一级，进行氢气泄露定位判据，若定位结果为定位a，则判定氢气泄露位置为储氢瓶(1)，警报灯(4)为黄色并闪烁，若定位结果为定位b，则判定氢气泄露位置为供氢管路，警报灯(4)为黄色；若判断分级结果为二级，进行氢气泄露定位判据，若定位结果为定位a，则判定氢气泄露位置为储氢瓶(1)，警报灯(4)为蓝色并闪烁，若定位结果为定位b，则判定氢气泄露位置为供氢管路，警报灯(4)为蓝色；若判断分级结果为三级，则关闭警报灯(4)；
所述氢气泄露融合检测判据I具体为：将检测条件A和检测条件B进行逻辑“与”，若同时满足检测条件A和检测条件B，则判定为符合氢气泄露融合检测判据I，若其中一个检测条件不满足，则判定不符合氢气泄露融合检测判据I；
所述检测条件A为：检测时间内的氢气变化量
其中：k为常数，p11为瓶口阀(13)开启时第一压力传感器(8)获取的压力值，z1为压力p11下的压缩因子，p12为瓶口阀(13)开启设定的时间间隔后第一压力传感器(8)获取的压力值，z2为压力p12下的压缩因子，T11为瓶口阀(13)开启时第一温度传感器(9)获取的温度值，T12为瓶口阀(13)开启设定的时间间隔后第一温度传感器(9)获取的温度值；检测条件B为：第一氢气传感器(2)检测的氢气浓度大于阈值B；
所述氢气泄露融合检测判据II具体为：若均符合检测条件C和检测条件D，则判定为一级，车载供氢系统存在较大泄露，即空气中氢气含量超过1％；若符合检测条件D但不符合检测条件C，则判定为二级，车载供氢系统存在微小泄露，即空气中氢气含量小于0.3％；若均不符合检测条件C和检测条件D，则判定为三级，车载供氢系统无泄露；
所述检测条件C为：
其中，t1为燃料电池电堆(18)的启动时刻，t2为设置的时刻，m1为第一气体质量流量传感器(7)获取的气体质量，m2为第二气体质量流量传感器(12)获取的气体质量，ρ为供氢管路中的氢气密度，p2为第二压力传感器(10)获取的压力值，p1为第一压力传感器(8)获取的压力值，k2为压力调节阀(14)的调节系数，g为重力加速度，S为供氢管路单位长度的摩擦阻力，L是从压力调节阀(14)至第二压力传感器(10)的供氢管路长度；所述检测条件D为：超声波传感器阵列(16)检测的泄露信号幅值>阈值D。
2.根据权利要求1所述的车载供氢系统泄露融合检测方法，其特征在于，所述氢气泄露定位判据为：当氢气泄露点到超声波传感器A的距离S1>阈值E，则定位结果为定位a，否则定位结果为定位b。
3.根据权利要求2所述的车载供氢系统泄露融合检测方法，其特征在于，所述S1由以下方程组确定：
其中，以超声波传感器B的坐标位置为原点，x、y为氢气泄漏点的横纵坐标，d为超声波传感器A与超声波传感器B的距离，u1(t)为超声波传感器A处由声压产生的输出，u2(t+Δt12)为超声波传感器B处由声压产生的输出，Δt12为超声波传感器A和超声波传感器B接受信号的时间差。
4.一种实现权利要求1-3任一项所述的车载供氢系统的泄露融合检测方法的检测系统，其特征在于，包括：
储氢瓶(1)、瓶口阀(13)和燃料电池电堆(18)，瓶口阀(13)设于储氢瓶(1)瓶口中，瓶口阀(13)通过供氢管路与燃料电池电堆(18)连接；所述供氢管路上沿气体流向，依次设有压力调节阀(14)、电磁阀(15)、第二气体质量流量传感器(12)和超声波传感器阵列(16)；
排气回收系统，包括氢气循环泵(17)和氢气排气管(19)，氢气循环泵(17)设置于燃料电池电堆(18)的阳极流道出口和阳极流道入口之间，氢气排气管(19)设置在燃料电池电堆(18)的阳极流道出口处；
泄露融合检测系统，包括控制器(3)、氢气传感器阵列、第一压力传感器(8)、第一温度传感器(9)、第二压力传感器(10)、第二温度传感器(11)、超声波传感器阵列(16)、第一气体质量流量传感器(7)、第二气体质量流量传感器(12)和警报灯(4)，第一压力传感器(8)和第一温度传感器(9)设置在瓶口阀(13)处，第二压力传感器(10)、第二温度传感器(11)设置在电磁阀(15)与第二气体质量流量传感器(12)之间的管路上，第一气体质量流量传感器(7)设置在氢气循环泵(17)与供氢管路连接的管道上；所述氢气传感器阵列包括第一氢气传感器(2)、第二氢气传感器(5)和第三氢气传感器(6)，第一氢气传感器(2)设置于储氢瓶(1)上方，第二氢气传感器(5)设置于供氢管路上方，第三氢气传感器(6)设置于驾驶员座舱内；
所述氢气传感器阵列、第一压力传感器(8)、第一温度传感器(9)、第二压力传感器(10)、第二温度传感器(11)、超声波传感器阵列(16)、第一气体质量流量传感器(7)、第二气体质量流量传感器(12)和警报灯(4)均与控制器(3)信号连接，控制器(3)还与瓶口阀(13)、压力调节阀(14)、电磁阀(15)、氢气循环泵(17)、燃料电池电堆(18)和氢气排气管(19)信号连接。
5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述第一氢气传感器(2)、第二氢气传感器(5)和第三氢气传感器(6)的结构相同，均由氢气传感器腔室(201)、氢敏传感器(202)、CO传感器(203)和温湿度传感器(204)组成，氢敏传感器(202)、CO传感器(203)和温湿度传感器(204)设置在氢气传感器腔室(201)内部。
6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述氢敏传感器(202)、CO传感器(203)和温湿度传感器(204)所在位置的连线呈正三角形。
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