CN113720537A - 一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统和检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统和检测方法，若启动前检测系统中氢气浓度达到阈值，结合声矢量传感器的信号入射角度及其三角函数的数值确定泄漏源的相对位置，利用坐标将其转化为到参考平面的距离，通过基于误差反向传播的神经网络估计氢气泄漏速率并判断泄漏程度；若氢气浓度未达到阈值，则通过供氢管路压力对时间的积分与阈值比较来判断供氢管路是否泄漏，通过氢气反应、剩余量的和占供应量的比例确定燃料电池电堆和氢气循环管路是否泄漏。本发明能够判断并显示氢气泄漏源位置，同时能够估算储氢瓶处泄漏源的泄漏速率。

Description

一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统和检测方法
技术领域
本发明涉及氢气泄漏监测技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统和检测方法。
背景技术
燃料电池汽车将氢气作为主要燃料，通过氢气和氧气的电化学反应产生电能驱动车辆行驶，与传统内燃机相比，燃料电池排放物只有水，不会对环境造成污染，因此具有广阔的发展前景。作为燃料电池汽车主要燃料的氢气以较高的压力存储在压力容器中，具有较强的泄漏性和扩散性，并且氢气具有易燃易爆的特点，稍有不慎就会使得氢气燃烧或爆炸，造成严重的安全事故。如今，氢气安全问题已然成为了燃料电池汽车推广的重要瓶颈之一，是包括我国在内的世界各国亟待解决的难题。
中国专利(CN112092627A)公开了一种车用氢气泄漏检测系统，通过检测氢气管道内的压力差，代替了传统方案中检测氢气浓度来确定氢气泄漏的方式，并在检测安全后启动燃料电池；该发明主要针对的是启动前的氢气泄漏检测，并未涉及到行驶中或停车后的氢气泄漏检测。
中国专利(CN111169288A)公开了检测车载供氢系统氢气泄漏的方法、装置及燃料电池汽车，先确定燃料电池汽车的当前工况，根据当前工况确定检测时间段，获取该检测时间段内车载供氢系统的氢气泄漏质量；根据氢气泄漏质量和检测时间段计算氢气泄漏率，当氢气泄漏率大于预设值时，进而可以确定车载供氢系统氢气泄漏情况。
中国专利(CN112659899A)公开了一种车载供氢系统的泄漏融合检测系统及方法，根据氢气泄漏融合检测判据的分级结果，确定车载供氢系统是否存在较大泄漏或者微小泄漏，再根据定位结果判断氢气泄漏位置。
在现有技术中，检测时间段内的气体压力差和气体泄漏速率均被用来评定系统是否存在泄漏，输出氢气质量和消耗氢气质量的差也用来评估系统是否存在泄漏。然而上述检测方法只能大致确定氢气泄漏源的位置和泄漏程度，位置精度较低。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统和检测方法，能够判断并显示氢气泄漏源位置，对于储氢瓶处的泄漏源可以进一步描述其相对位置和泄漏速率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，包括储氢瓶和泄漏检测控制单元；
所述储氢瓶内部安装有第一压力传感器，所述储氢瓶瓶口依次安装有瓶口阀和减压阀，所述减压阀通过供氢管路与燃料电池电堆连接，所述供氢管路上依次安装有第二压力传感器、电磁阀、第三压力传感器和第一气体质量流量计，所述燃料电池电堆阳极流道出口通过氢气循环管路与阳极流道入口连通，所述氢气循环管路依次安装有氢气循环泵和第二气体质量流量计；
所述储氢瓶四周均匀分布有第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列；
所述供氢管路上方和燃料电池汽车座舱内分别设有第五氢气浓度传感器、第六氢气浓度传感器；
所述漏检测控制单元包括泄漏信号采集处理模块，所述泄漏信号采集处理模块用于接收处理氢气泄漏检测系统内各传感器信号，判断氢气泄漏源位置并估算泄漏速率。
上述技术方案中，所述第一传感器阵列包括第一氢气浓度传感器、第一声矢量传感器和第一温度传感器，所述第二传感器阵列包括第二氢气浓度传感器、第二声矢量传感器和第二温度传感器，所述第三传感器阵列包括第三氢气浓度传感器、第三声矢量传感器和第三温度传感器，所述第四传感器阵列包括第四氢气浓度传感器、第四声矢量传感器和第四温度传感器。
上述技术方案中，组成第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列的传感器均呈等腰直角三角形分布，且第一氢气浓度传感器、第二氢气浓度传感器、第三氢气浓度传感器和第四氢气浓度传感器均位于等腰直角三角形的直角顶角处。
上述技术方案中，所述漏检测控制单元还包括泄漏位置显示模块、控制模块和存储模块，所述泄漏位置显示模块可以分别显示储氢瓶处泄漏源与其右面、上面和反面的距离，参与定位的传感器阵列序号以及泄漏源泄漏速率；所述控制模块控制警报灯的工作，所述警报灯安装在燃料电池汽车座舱内；所述存储模块用于存储声矢量传感器的空间坐标。
上述技术方案中，所述第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列、第四传感器阵列、瓶口阀、减压阀、第一压力传感器、第二压力传感器、电磁阀、第三压力传感器、第一气体质量流量计、第五氢气浓度传感器、第六氢气浓度传感器、第二气体质量流量计、氢气循环泵和警报灯均与泄漏检测控制单元通信连接。
一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测方法，具体为：
点火开关工作，瓶口阀和减压阀均处于关闭状态，第一氢气浓度传感器、第二氢气浓度传感器、第三氢气浓度传感器、第四氢气浓度传感器、第五氢气浓度传感器和第六氢气浓度传感器同时检测所在位置的氢气浓度，若至少一个氢气浓度值大于等于阈值H，则判定储氢瓶存在泄漏，警报灯红灯点亮，泄漏检测控制单元估算储氢瓶泄漏源位置及其泄漏速率；
若至少一个氢气浓度值小于阈值H，瓶口阀和减压阀打开、电磁阀关闭，在t0-t1时间段内，记录上述时间段内减压阀至电磁阀之间供氢管路的压力变化曲线，当t0-t1时间段内压力变化曲线对时间的积分S小于等于阈值A，则判定减压阀与电磁阀之间的供氢管路存在泄漏，警报灯黄灯点亮后闪烁；如果所述积分S大于阈值A，则判定减压阀与电磁阀之间的供氢管路不存在泄漏，打开电磁阀并启动燃料电池电堆，在t2-t3时间段内，记录电磁阀至燃料电池电堆之间供氢管路的压力变化曲线，若t2-t3时间段压力变化曲线对时间的积分T与所述积分S的差值大于等于阈值B，则判定电磁阀与燃料电池电堆之间的供氢管路存在泄漏，警报灯黄灯点亮；若所述积分T与所述积分S的差值小于阈值B，则判定电磁阀与燃料电池电堆之间的供氢管路不存在泄漏；若
Figure BDA0003216984880000031
则判断燃料电池电堆和氢气循环管路不存在泄漏，若
Figure BDA0003216984880000032
则判断燃料电池电堆和氢气循环管路存在泄漏，警报灯红灯点亮后闪烁；
其中m1为第一气体质量流量计获取的气体质量，m2为参与反应的氢气质量，m3为第二气体质量流量计获取的气体质量，t0、t1、t3和t4均为设定时刻，t2为电磁阀打开、燃料电池电堆启动时刻。
进一步地，估算储氢瓶泄漏源位置时，将储氢瓶视为六面体，储氢瓶瓶口所处位置视为正面，与之相对的面视为反面，从正面视角来看，剩余四个面分别为左面、右面、上面和下面；分别建立与所述正面、反面、左面、右面、上面和下面间隔的偏移平面；
位于偏移平面一侧有一未知泄漏源X，两矢量传感器与未知泄漏源X构成一个三角形；未知泄漏源X的空间坐标为(x，y，z)，未知泄漏源X和其中一声矢量传感器构成的向量Xs1为(x1-x,y1-y,z1-z)，未知泄漏源X与另一声矢量传感器构成的向量Xs2为(x2-x,y2-y,z2-z)；根据方程：
(x-x1)2+(y-y1)2+(x-z1)2＝(d3)2
(x-x2)2+(y-y2)2+(x-z2)2＝(d4)2
Figure BDA0003216984880000033
计算出未知泄漏源X的空间坐标(x，y，z)，并将空间坐标(x，y，z)转化为与储氢瓶右面、上面和反面的距离，从而确定储氢瓶泄漏源位置；
其中两矢量传感器的空间坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)已知，d3、d4分别是两矢量传感器与未知泄漏源X的距离。
进一步地，所述泄漏速率的获取方法为：
其中一声矢量传感器采集的输入角度α、该声矢量传感器所在传感器阵列的氢气浓度传感器采集的氢气浓度、温度传感器采集的温度，另一声矢量传感器采集的输入角度β、该声矢量传感器所在传感器阵列的氢气浓度传感器采集的氢气浓度、温度传感器采集的温度，第一压力传感器采集的压力、d3以及d4，分别作为神经网络模型的输入x1(p)，x2(p)，…，x9(p)，经过训练已经确定了神经网络模型各输入的权值，输出即为未知泄漏源X的泄漏速率。
进一步地，所述神经网络模型各输入的权值根据训练误差e(p)＝yd(p)-y(p)进行调整，若期望泄漏速率yd(p)大于实际泄漏速率y(p)，则调整各输入权值增加实际泄漏速率y(p)，若期望泄漏速率yd(p)小于实际泄漏速率y(p)，则调整各输入权值减小实际泄漏速率y(p)，且权值调整规则如下：
wi(p+1)＝wi(p)+Δwi(p)
其中：wi(p)为各输入的权值，Δwi(p)为迭代p的校正权值。
进一步地，所述参与反应的氢气质量
Figure BDA0003216984880000041
其中NFC为燃料电池电堆的电池片数，M为氢气摩尔质量，IFC为燃料电池电堆的工作电流，ne为电子转移数，F为法拉第常数
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的检测系统通过氢气浓度传感器、压力传感器和气体质量流量计检测的结果，能够逐步排查车载供氢系统中可能出现氢气泄漏的位置并通过警报灯和泄漏位置显示模块提醒驾驶员和维修人员；本发明将氢气浓度传感器数值、供氢管路内压力变化以及燃料电池电堆氢气质量守恒相结合共同检测泄漏，减少了误判导致的错误操作。
(2)本发明在确定泄漏源位于储氢瓶某处时，利用传感器阵列中声矢量传感器获取泄漏信号的入射角度并结合三角形的正弦定理可以进一步精确确定泄漏源所处的相对位置。
(3)本发明利用神经网络模型估算出储氢瓶的泄漏源泄漏速率，泄漏检测控制单元只需要获取所需传感器的数据作为神经网络模型的输入，即可得到储氢瓶的泄漏源泄漏速率，估算泄漏程度。
附图说明
图1为本发明所述燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统结构示意图；
图2为本发明所述燃料电池汽车氢气泄漏的检测方法流程图；
图3(a)为本发明第一传感器阵列布置示意图；
图3(b)为本发明第二传感器阵列布置示意图；
图3(c)为本发明第三传感器阵列布置示意图；
图3(d)为本发明第四传感器阵列布置示意图；
图4为本发明建立的偏移平面示意图；
图5为本发明泄漏源定位示意图；
图中，1-第一传感器阵列；2-第二传感器阵列；3-储氢瓶；4-第一压力传感器；5-泄漏检测控制单元；6-第三传感器阵列；7-第四传感器阵列；8-瓶口阀；9-警报灯；10-第五氢气浓度传感器；11-减压阀；12-第二压力传感器；13-供氢管路；14-第六氢气浓度传感器；15-电磁阀；16-第三压力传感器；17-第一气体质量流量计；18-氢气循环管路；19-燃料电池电堆；20-第二气体质量流量计；21-氢气循环泵；101-第一氢气浓度传感器；102-第一声矢量传感器；103-第一温度传感器；201-第二氢气浓度传感器；202-第二声矢量传感器；203-第二温度传感器；601-第三氢气浓度传感器；602-第三声矢量传感器；603-第三温度传感器；701-第四氢气浓度传感器；702-第四声矢量传感器；703-第四温度传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、4所示，本发明一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，包括储氢瓶3、瓶口阀8、减压阀11、电磁阀15、供氢管路13、燃料电池电堆19、氢气循环管路18、第一传感器阵列1、第二传感器阵列2、第一压力传感器4、泄漏检测控制单元5、第三传感器阵列6、第四传感器阵列7、警报灯9、第五氢气浓度传感器10、第二压力传感器12、第六氢气浓度传感器14、第三压力传感器16、第一气体质量流量计17、第二气体质量流量计20和氢气循环泵21。
储氢瓶3内部安装有第一压力传感器4，储氢瓶3瓶口依次安装有瓶口阀8和减压阀11，减压阀11通过供氢管路13与燃料电池电堆19连接；供氢管路13上依次安装有第二压力传感器12、电磁阀15、第三压力传感器16和第一气体质量流量计17。燃料电池电堆19阳极流道出口处未反应的氢气通过氢气循环管路18回到燃料电池电堆19阳极流道入口，氢气循环管路18依次安装有氢气循环泵21和第二气体质量流量计20。储氢瓶3四周均匀分布有第一传感器阵列1、第二传感器阵列2、第三传感器阵列6和第四传感器阵列7，第一传感器阵列1、第二传感器阵列2、第三传感器阵列6和第四传感器阵列7可以检测储氢瓶3周围任意位置的氢气泄漏情况。燃料电池汽车座舱内安装有警报灯9，用以提醒驾驶员氢气泄漏情况；燃料电池汽车座舱内和供氢管路13上方分别设有第五氢气浓度传感器10和第六氢气浓度传感器14，用以检测所处位置的氢气浓度。
如图3(a)所示，第一传感器阵列1包括第一氢气浓度传感器101、第一声矢量传感器102和第一温度传感器103，如图3(b)所示，第二传感器阵列2包括第二氢气浓度传感器201、第二声矢量传感器202和第二温度传感器203，如图3(c)所示，第三传感器阵列6包括第三氢气浓度传感器601、第三声矢量传感器602和第三温度传感器603，如图3(d)所示，第四传感器阵列7包括第四氢气浓度传感器701、第四声矢量传感器702和第四温度传感器703。第一传感器阵列1、第二传感器阵列2、第三传感器阵列6和第四传感器阵列7中包含的传感器均呈等腰直角三角形分布，第一氢气浓度传感器101、第二氢气浓度传感器201、第三氢气浓度传感器601和第四氢气浓度传感器701均位于等腰直角三角形的直角顶角处。
泄漏检测控制单元5包括泄漏信号采集处理模块、泄漏位置显示模块、控制模块和存储模块，其中泄漏信号采集处理模块用于接收处理氢气泄漏检测系统内各传感器(第一氢气浓度传感器101、第一声矢量传感器102、第一温度传感器103、第二氢气浓度传感器201、第二声矢量传感器202、第二温度传感器203、第三氢气浓度传感器601、第三声矢量传感器602、第三温度传感器603、第四氢气浓度传感器701、第四声矢量传感器702、第四温度传感器703、第一压力传感器4、第二压力传感器12、第三压力传感器16、第一气体质量流量计17、第二气体质量流量计20、第五氢气浓度传感器10和第六氢气浓度传感器14信号，判断氢气泄漏源位置并估算储氢瓶的泄漏速率；泄漏位置显示模块可以分别显示储氢瓶3处泄漏源与其右面、上面和反面的距离L1、L2和L3，参与定位的传感器阵列序号和储氢瓶的泄漏速率；控制模块控制警报灯9的点亮；存储模块用于存储声矢量传感器的空间坐标。
第一传感器阵列1、第二传感器阵列2、第三传感器阵列6、第四传感器阵列7、瓶口阀8、减压阀11、第一压力传感器4、第二压力传感器12、电磁阀15、第三压力传感器16、第一气体质量流量计17、第五氢气浓度传感器10、第六氢气浓度传感器14、第二气体质量流量计20、氢气循环泵21和警报灯9均与泄漏检测控制单元5通信连接。
基于上述检测的系统，燃料电池汽车氢气泄漏的检测过程为：
如图2所示，当驾驶员将点火开关拨至ON档时，瓶口阀8和减压阀11均处于关闭状态，第一氢气浓度传感器101、第二氢气浓度传感器201、第三氢气浓度传感器601、第四氢气浓度传感器701、第五氢气浓度传感器10和第六氢气浓度传感器14同时检测所在位置的氢气浓度，若泄漏检测控制单元5接收到至少一个氢气浓度值大于等于阈值H的信号，则判定储氢瓶3存在泄漏，警报灯9红灯点亮，泄漏检测控制单元5估算储氢瓶3泄漏源位置并评估其泄漏速率。若泄漏检测控制单元5接收到至少一个氢气浓度值小于阈值H的信号，则瓶口阀8和减压阀11打开，电磁阀15关闭，在t0至t1时间段内，第二压力传感器12记录上述时间段内减压阀11至电磁阀15之间供氢管路13的压力变化曲线，并传输给泄漏信号采集处理模块，若上述时间段内压力变化曲线对时间的积分S小于等于阈值A，则判定减压阀11与电磁阀15之间的供氢管路13存在泄漏，警报灯9黄灯点亮后闪烁；若上述时间段的压力曲线对时间的积分S大于阈值A，则判定减压阀11与电磁阀15之间的供氢管路13不存在泄漏，打开电磁阀15并启动燃料电池电堆19，在t2至t3时间段内，第三压力传感器16记录电磁阀15至燃料电池电堆19之间供氢管路13的压力变化曲线，并传输给泄漏信号采集处理模块，若上述时间段压力变化曲线对时间的积分T与t0至t1时间段积分S的差值大于等于阈值B，则判定电磁阀15与燃料电池电堆19之间的供氢管路13存在泄漏，警报灯9黄灯点亮；若上述时间段压力变化曲线对时间的积分T与t0至t1时间段积分S的差值小于阈值B，则判定电磁阀15与燃料电池电堆19之间的供氢管路13不存在泄漏。
燃料电池电堆19阳极流道入口安装有第一气体质量流量计17，氢气循环管路18上安装有第二气体质量流量计20。参与燃料电池电堆19反应的氢气质量与燃料电池电堆19的工作电流有关，可以根据公式
Figure BDA0003216984880000071
计算参与反应的氢气质量m2，式中NFC为燃料电池电堆19的电池片数，M为氢气摩尔质量，IFC为燃料电池电堆19的工作电流，ne为电子转移数，F为法拉第常数；若
Figure BDA0003216984880000072
则燃料电池电堆19和氢气循环管路18不存在泄漏，若
Figure BDA0003216984880000073
则燃料电池电堆19和氢气循环管路18存在泄漏，警报灯9红灯点亮后闪烁，式中m1为第一气体质量流量计17获取的气体质量，m3为第二气体质量流量计20获取的气体质量。
t0、t1均为设定时刻，t2为电磁阀15打开、燃料电池电堆19启动时刻，t3和t4均为设定时刻；阈值A、阈值B、阈值C均通过大量试验确定。
对储氢瓶3进行泄漏源定位时，将储氢瓶3视为六面体，储氢瓶3瓶口所处位置视为正面，与之相对的面视为反面，从正面视角来看，剩余四个面分别为左面、右面、上面和下面。
如图4所示，建立与所述正面偏移距离为a的第一偏移平面I，建立与所述左面偏移距离为b的第二偏移平面II，建立与所述上面偏移距离为c的第三偏移平面III，建立与所述后面偏移距离为a的第四偏移平面IV，建立与所述右面偏移距离为b的第五偏移平面V，建立与所述下面偏移距离为c的第六偏移平面VI，其中偏移距离满足等式c：a＝a：b。
第一偏移平面I、第二偏移平面II、第三偏移平面III、第四偏移平面IV、第五偏移平面V和第六偏移平面VI构成一个长方体，第一偏移平面I、第二偏移平面II、第三偏移平面III的交点记为S1，第二偏移平面II、第三偏移平面III和第四偏移平面IV的交点记为S2，第一偏移平面I、第五偏移平面V和第六偏移平面VI的交点记为S3，第四偏移平面IV、第五偏移平面V和第六偏移平面VI的交点记为S4。
所述交点S1为第三声矢量传感器602所在位置，所述交点S2为第一声矢量传感器102所在位置，所述交点S3为第四声矢量传感器702所在位置，所述交点S4为第二声矢量传感器202所在位置，泄漏检测控制单元5记录S1和S2位置之间的距离为d1，S1和S3位置之间的距离为d2。
如图5所示，若位于第二偏移平面II一侧有一未知泄漏源X，第一声矢量传感器102和第三声矢量传感器602分别获取泄漏信号的入射角度α、β并传输给泄漏信号采集处理模块，第一声矢量传感器102和第三声矢量传感器602以及未知泄漏源X可构成一个三角形，未知泄漏源X与第一声矢量传感器102和第三声矢量传感器602的夹角γ为(π-α-β)，第一声矢量传感器102与未知泄漏源X的距离记为d3，第三声矢量传感器602与未知泄漏源X的距离记为d4，依据
Figure BDA0003216984880000081
可以求出d3和d4的值。
泄漏检测控制单元5预存了第一声矢量传感器102的空间坐标(x1，y1，z1)、第三声矢量传感器602的空间坐标(x2，y2，z2)，未知泄漏源X的空间坐标设为(x，y，z)，未知泄漏源X与第一声矢量传感器102、第三声矢量传感器602的距离d3、d4可用坐标表示，未知泄漏源X和第一声矢量传感器102构成的向量Xs1为(x1-x,y1-y,z1-z)，未知泄漏源X与第三声矢量传感器602构成的向量Xs2为(x2-x,y2-y,z2-z)，建立方程如下所示：
(x-x1)2+(y-y1)2+(x-z1)2＝(d3)2
(x-x2)2+(y-y2)2+(x-z2)2＝(d4)2
Figure BDA0003216984880000082
泄漏信号采集处理模块求解上述三个方程即可计算出未知泄漏源X的空间坐标(x，y，z)，并将其转化为与所述右面、上面和反面的距离L1、L2和L3，泄漏位置显示模块显示相应的数值L1、L2和L3，参与定位的传感器阵列序号1、6和未知泄漏源X的泄漏速率Q。
存储模块中预先存储训练完毕的神经网络模型，基于误差反向传播原理的神经网络模型由输入层，隐含层和输出层三层构成，神经网络模型输入层的神经元个数为9，输出层的神经元个数为1，隐含层节点的个数为输入层的两倍多一个即为19，神经元激活函数选用S型函数
Figure BDA0003216984880000091
泄漏检测控制单元5记录当前时刻第一氢气浓度传感器101采集的氢气浓度、第三氢气浓度传感器601采集的氢气浓度、第一压力传感器4采集的压力、第一声矢量传感器102采集的输入角度α、第三声矢量传感器602采集的输入角度β、第一温度传感器103采集的温度、第三温度传感器603采集的温度、第一声矢量传感器102与未知泄漏源X的距离d3以及第三声矢量传感器602与未知泄漏源X的距离d4，上述数据分别作为神经网络模型的输入x1(p)，x2(p)，…，x9(p)，储氢瓶3的实际泄漏速率为y(p)、期望泄漏速率为yd(p)；神经网络模型通过输入x1(p)，x2(p)，…，x9(p)和期望泄漏速率yd(p)激活神经元，神经元开始迭代训练，迭代计算实际输出为：
Figure BDA0003216984880000092
其中function为激活函数，wi(p)为各输入的权值，θ为神经元阈值。
训练误差e(p)＝yd(p)-y(p)，若期望泄漏速率大于实际泄漏速率，则调整各输入权值增加实际泄漏速率，若期望泄漏速率小于实际泄漏速率，则调整各输入权值减小实际泄漏速率，其中权值调整规则如下：
wi(p+1)＝wi(p)+Δwi(p)
其中，Δwi(p)为迭代p的校正权值，通过梯度下降法计算权值校正：
Δwi(p)＝δ×xi(p)×e(p)
泄漏检测控制单元5将所需的信号输入到所述神经网络模型的输入层，比较实际测得的泄漏源速率和通过所述神经网络模型计算出的泄漏源速率，重复上述迭代过程，调整各输入的权值，直至所述神经网络模型实际输出和期望输出之间的误差小于阈值D，神经网络模型收敛，即训练完成；经过训练已经确定了神经网络模型各输入的权值，神经网络模型的输出即为未知泄漏源X的泄漏速率Q。
若所述未知泄漏源X泄漏速率Q小于阈值Qmax，则判断储氢瓶3存在较小泄漏，驾驶员可以自行驾车就近维修。若所述未知泄漏源X泄漏速率Q大于等于阈值Qmax，则判断储氢瓶3存在较大泄漏，有严重的安全隐患，需要避免明火，原地等待维修人员。
神经网络学习速率δ、实际输出和期望输出的误差阈值D、泄漏速率阈值Qmax均通过大量实验获得。
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 (10)

1.一种用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，其特征在于，包括储氢瓶(3)和泄漏检测控制单元(5)；
所述储氢瓶(3)内部安装有第一压力传感器(4)，所述储氢瓶(3)瓶口依次安装有瓶口阀(8)和减压阀(11)，所述减压阀(11)通过供氢管路(13)与燃料电池电堆(19)连接，所述供氢管路(13)上依次安装有第二压力传感器(12)、电磁阀(15)、第三压力传感器(16)和第一气体质量流量计(17)，所述燃料电池电堆(19)阳极流道出口通过氢气循环管路(18)与阳极流道入口连通，所述氢气循环管路(18)依次安装有氢气循环泵(21)和第二气体质量流量计(20)；
所述储氢瓶(3)四周均匀分布有第一传感器阵列(1)、第二传感器阵列(2)、第三传感器阵列(6)和第四传感器阵列(7)；
所述供氢管路(13)上方和燃料电池汽车座舱内分别设有第五氢气浓度传感器(10)、第六氢气浓度传感器(14)；
所述泄漏检测控制单元(5)包括泄漏信号采集处理模块，所述泄漏信号采集处理模块用于接收处理氢气泄漏检测系统内各传感器信号，判断氢气泄漏源位置并估算泄漏速率。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，其特征在于，所述第一传感器阵列(1)包括第一氢气浓度传感器(101)、第一声矢量传感器(102)和第一温度传感器(103)，所述第二传感器阵列(2)包括第二氢气浓度传感器(201)、第二声矢量传感器(202)和第二温度传感器(203)，所述第三传感器阵列(6)包括第三氢气浓度传感器(601)、第三声矢量传感器(602)和第三温度传感器(603)，所述第四传感器阵列(7)包括第四氢气浓度传感器(701)、第四声矢量传感器(702)和第四温度传感器(703)。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，其特征在于，组成第一传感器阵列(1)、第二传感器阵列(2)、第三传感器阵列(6)和第四传感器阵列(7)的传感器均呈等腰直角三角形分布，且第一氢气浓度传感器(101)、第二氢气浓度传感器(201)、第三氢气浓度传感器(601)和第四氢气浓度传感器(701)均位于等腰直角三角形的直角顶角处。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，其特征在于，所述泄漏检测控制单元(5)还包括泄漏位置显示模块、控制模块和存储模块，所述泄漏位置显示模块可以分别显示储氢瓶(3)处泄漏源与其右面、上面和反面的距离，参与定位的传感器阵列序号以及泄漏源泄漏速率；所述控制模块控制警报灯(9)的工作，所述警报灯(9)安装在燃料电池汽车座舱内；所述存储模块用于存储声矢量传感器的空间坐标。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统，其特征在于，所述第一传感器阵列(1)、第二传感器阵列(2)、第三传感器阵列(6)、第四传感器阵列(7)、瓶口阀(8)、减压阀(11)、第一压力传感器(4)、第二压力传感器(12)、电磁阀(15)、第三压力传感器(16)、第一气体质量流量计(17)、第五氢气浓度传感器(10)、第六氢气浓度传感器(14)、第二气体质量流量计(20)、氢气循环泵(21)和警报灯(9)均与泄漏检测控制单元(5)通信连接。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的用于燃料电池汽车氢气泄漏的检测系统的检测方法，其特征在于：
点火开关工作，瓶口阀(8)和减压阀(11)均处于关闭状态，第一氢气浓度传感器(101)、第二氢气浓度传感器(201)、第三氢气浓度传感器(601)、第四氢气浓度传感器(701)、第五氢气浓度传感器(10)和第六氢气浓度传感器(14)同时检测所在位置的氢气浓度，若至少一个氢气浓度值大于等于阈值H，则判定储氢瓶(3)存在泄漏，警报灯(9)红灯点亮，泄漏检测控制单元(5)估算储氢瓶(3)泄漏源位置及其泄漏速率；
若至少一个氢气浓度值小于阈值H，瓶口阀(8)和减压阀(11)打开、电磁阀(15)关闭，在t0-t1时间段内，记录上述时间段内减压阀(11)至电磁阀(15)之间供氢管路(13)的压力变化曲线，当t0-t1时间段内压力变化曲线对时间的积分S小于等于阈值A，则判定减压阀(11)与电磁阀(15)之间的供氢管路(13)存在泄漏，警报灯(9)黄灯点亮后闪烁；如果所述积分S大于阈值A，则判定减压阀(11)与电磁阀(15)之间的供氢管路(13)不存在泄漏，打开电磁阀(15)并启动燃料电池电堆(19)，在t2-t3时间段内，记录电磁阀(15)至燃料电池电堆(19)之间供氢管路(13)的压力变化曲线，若t2-t3时间段压力变化曲线对时间的积分T与所述积分S的差值大于等于阈值B，则判定电磁阀(15)与燃料电池电堆(19)之间的供氢管路(13)存在泄漏，警报灯(9)黄灯点亮；若所述积分T与所述积分S的差值小于阈值B，则判定电磁阀(15)与燃料电池电堆(19)之间的供氢管路(13)不存在泄漏；若
Figure FDA0003216984870000021
则判断燃料电池电堆(19)和氢气循环管路(18)不存在泄漏，若
Figure FDA0003216984870000022
则判断燃料电池电堆(19)和氢气循环管路(18)存在泄漏，警报灯(9)红灯点亮后闪烁；
其中m1为第一气体质量流量计(17)获取的气体质量，m2为参与反应的氢气质量，m3为第二气体质量流量计(20)获取的气体质量，t0、t1、t3和t4均为设定时刻，t2为电磁阀(15)打开、燃料电池电堆(19)启动时刻。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，估算储氢瓶(3)泄漏源位置时，将储氢瓶(3)视为六面体，储氢瓶(3)瓶口所处位置视为正面，与之相对的面视为反面，从正面视角来看，剩余四个面分别为左面、右面、上面和下面；分别建立与所述正面、反面、左面、右面、上面和下面间隔的偏移平面；
位于偏移平面一侧有一未知泄漏源X，两矢量传感器与未知泄漏源X构成一个三角形；未知泄漏源X的空间坐标为(x，y，z)，未知泄漏源X和其中一声矢量传感器构成的向量Xs1为(x1-x，y1-y，z1-z)，未知泄漏源X与另一声矢量传感器构成的向量Xs2为(x2-x，y2-y，z2-z)；根据方程：
(x-x1)2+(y-y1)2+(x-z1)2＝(d3)2
(x-x2)2+(y-y2)2+(x-z2)2＝(d4)2
Figure FDA0003216984870000031
计算出未知泄漏源X的空间坐标(x，y，z)，并将空间坐标(x，y，z)转化为与储氢瓶(3)右面、上面和反面的距离，从而确定储氢瓶(3)泄漏源位置；
其中两矢量传感器的空间坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)已知，d3、d4分别是两矢量传感器与未知泄漏源X的距离。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述泄漏速率的获取方法为：
其中一声矢量传感器采集的输入角度α、该声矢量传感器所在传感器阵列的氢气浓度传感器采集的氢气浓度、温度传感器采集的温度，另一声矢量传感器采集的输入角度β、该声矢量传感器所在传感器阵列的氢气浓度传感器采集的氢气浓度、温度传感器采集的温度，第一压力传感器(4)采集的压力、d3以及d4，分别作为神经网络模型的输入x1(p)，x2(p)，...，x9(p)，经过训练已经确定了神经网络模型各输入的权值，输出即为未知泄漏源X的泄漏速率。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述神经网络模型各输入的权值根据训练误差e(p)＝yd(p)-y(p)进行调整，若期望泄漏速率yd(p)大于实际泄漏速率y(p)，则调整各输入权值增加实际泄漏速率y(p)，若期望泄漏速率yd(p)小于实际泄漏速率y(p)，则调整各输入权值减小实际泄漏速率y(p)，且权值调整规则如下：
wi(p+1)＝wi(p)+Δwi(p)
其中：wi(p)为各输入的权值，Δwi(p)为迭代p的校正权值。
10.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述参与反应的氢气质量
Figure FDA0003216984870000032
其中NFC为燃料电池电堆(19)的电池片数，M为氢气摩尔质量，IFC为燃料电池电堆(19)的工作电流，ne为电子转移数，F为法拉第常数。
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