CN113809360A - 氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统，包括在车辆启动时获取启动时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强，并计算启动时刻高压储氢罐内氢气质量；在车辆运行时获取运行时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强，计算运行时刻高压储氢罐内氢气质量；计算氢燃料电池电堆发电所消耗的氢气质量；计算高压储氢罐所输出的氢气质量；计算泄漏参数；根据泄漏参数判断是否存在氢气泄漏；该方法及系统不受传感器布置位置的限制，能够检测出任意情况下的氢气泄漏现象，覆盖面广；相较于传统方法，温度传感器和压强传感器具有灵敏度高、性能稳定、使用寿命长的特点。

Description

氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆

技术领域

本发明属于轨道交通车辆氢燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆。

背景技术

氢燃料电池系统通常包括高压储氢罐、供氢管路、氢燃料电池模块以及散热冷却装置，高压储氢罐通过供氢管路向氢燃料电池模块供应氢气，在供氢管路上设置阀门，通过控制阀门的开闭来控制高压储氢罐向氢燃料电池模块的通气量，在氢燃料电池模块内利用氢和氧之间的电化学反应产生电能。氢燃料电池系统作为一种能量转换装置，具有零污染、高效率、低噪声等优点，高度契合未来轨道交通车辆对牵引供电系统的要求。目前，氢燃料电池系统的关键技术指标包括能量密度、功率密度、效率、体积和使用寿命等，已满足轨道交通车辆牵引供电的需求。氢燃料电池机车、工程车、动车组和有轨电车等产品相继研发成功，并投入商业运营。

氢燃料电池系统以氢气(H₂)为燃料。氢气是一种易燃、易爆的危险气体，在空气中爆炸浓度极限4％～75％(体积分数)，自燃点500℃，最小点火能量0.019mJ，火焰温度2045℃，一旦泄漏容易引发火灾和爆炸，对司乘人员的生命安全构成严重的威胁。因此，氢气泄漏检测是氢燃料电池系统必不可少的安全功能之一。

目前，氢燃料电池系统的氢气泄漏检测主要通过氢气浓度传感器实现。当发生氢气泄漏时，泄漏的H₂分子与氢气浓度传感器的敏感元件反应产生电信号并发送至控制器；控制器根据电信号解析出氢气浓度，并向截止阀发送关闭指令，从而关断氢气回路，阻止氢气继续泄漏。根据H₂分子与敏感元件的反应原理，氢气浓度传感器可分为半导体型、热电型和电化学型等类型。

采用氢气浓度传感器检测氢气泄漏，需要将传感器安装在氢燃料电池系统易发生泄漏的位置(如高压储氢罐罐口)以及易发生氢气聚集的位置(如装置顶部布置多个氢气浓度传感器)，该方法具有如下不足之处：

(1)需要设置多个氢气浓度传感器，系统结构复杂，成本高；

(2)仅能探测氢气浓度传感器安装位置附近发生的氢气泄漏，覆盖面有限；

(3)氢气浓度传感器的稳定性和灵敏性较差，输出信号弱，使用寿命短；

(4)车辆停放期间，对氢气浓度传感器及其控制器的供电中断，因此无法对车辆停放期间的氢气泄漏问题实施有效监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法与系统、轨道交通车辆，以解决采用氢气浓度传感器进行泄漏检测所存在的结构复杂，成本高，覆盖面有限，使用寿命短，以及无法监测车辆停放期间的氢气泄漏问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，包括以下步骤：

步骤1：在车辆启动时，获取启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀；

步骤2：在车辆运行时，设每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻，获取起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt；

获取终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t；

步骤3：在车辆运行时，按照电流传感器采样周期持续采集氢燃料电池系统的输出电流i；

步骤4：根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup；

步骤5：根据当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q；根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con；

步骤6：根据当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup、氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con和当前检测周期Δt内所述氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m_ex，计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的泄漏参数L；

步骤7：判断所述泄漏参数L是否小于等于运行时氢气泄漏安全阈值，如果是，则当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则当前检测周期Δt内存在氢气泄漏；

步骤8：重复步骤2～7，对下一个检测周期Δt内的氢气泄漏进行检测，直到车辆停止运行。

本发明所述方法在车辆运行期间，能够实时、有效地检测出氢燃料电池系统在工作期间发生的氢气泄漏问题，无需在易泄漏位置和氢气易聚集位置配置多个专门的氢气浓度传感器，系统结构简单，降低硬件成本；在进行氢气泄漏检测时不受传感器布置位置的限制，能够检测出任意位置发生的氢气泄漏现象，覆盖面广；相较于氢气浓度传感器，温度传感器和压强传感器具有灵敏度高、性能稳定、使用寿命长的特点，延长了该方法所对应的检测系统的使用寿命和可靠性。

进一步地，所述步骤2中，根据某一时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在该时刻高压储氢罐内氢气的质量的具体计算公式为：

其中，m为该时刻高压储氢罐内的氢气质量，μ为氢气的摩尔质量，R为摩尔气体常数，T为对应时刻高压储氢罐内氢气的温度，p为对应时刻高压储氢罐内氢气的压强，V为高压储氢罐体积。

进一步地，所述步骤4中，当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup的具体计算公式为：

m_sup＝m_t-Δt-m_t。

进一步地，所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q的具体计算公式为：

其中i为电流传感器采集的氢燃料电池系统的输出电流。

优选地，所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con的具体计算公式为：

其中，μ为氢气的摩尔质量，Q_e为单个电子所带电荷，N_A为阿伏伽德罗常数。

进一步地，所述步骤6中，主动排放的氢气质量m_ex的具体计算公式为：

m_ex＝n×m_ex0

其中，n为检测周期Δt内主动排放氢气时排放阀的开启次数，m_ex0为排放阀单次开启时主动排放的氢气质量。

优选地，排放阀单次开启时主动排放的氢气质量m_ex0的获取方式为：

在所述氢燃料电池系统组装完成后且在装车前，通过试验使氢燃料电池系统按照设计工况运行，收集排放阀单次开启时排放的所有气体，从所有气体中分离出氢气，测试分离出的氢气质量即为排放阀单次开启时主动排放的氢气质量m_ex0。

进一步地，所述步骤6中，泄漏参数为泄漏速率或泄漏质量，所述泄漏速率R₂的计算公式为：

其中R₂为当前检测周期Δt内氢燃料电池系统氢气泄漏速率，即单位时间内的氢气泄漏质量。

进一步地，所述检测方法还包括车辆停放期间氢气泄漏检测的步骤，具体实现过程为：

步骤0：获取车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在车辆停止时高压储氢罐内氢气质量m₀₀；

步骤1还包括：根据高压储氢罐内氢气质量m₀₀和m₀计算车辆停放期间的泄漏参数L₀；当车辆停放期间的泄漏参数L₀小于等于停放时安全阈值，则在车辆停放期间不存在氢气泄漏，启动氢燃料电池系统，并转入步骤2，否则在车辆停放期间存在氢气泄漏。

本发明还提供一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统，包括：

采集单元，用于在车辆启动时采集启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆运行时采集起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆运行时采集终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强；以及用于在车辆运行时连续采集氢燃料电池系统的输出电流i；其中每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻；

第一计算单元，用于根据启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀；用于根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气质量m_t－Δt；用于根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气质量m_t；用于根据所述起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup；用于根据当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q；用于根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con；

第二计算单元，用于根据当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup、氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con和主动排放的氢气质量m_ex计算当前检测周期Δt内的泄漏参数L；

判断单元，用于判断所述泄漏参数L是否小于等于运行时安全阈值，如果是，则当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则当前检测周期Δt内存在氢气泄漏。

进一步地，所述采集单元，还用于采集并获取上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强；

所述第一计算单元，还用于根据上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气质量m₀₀；

所述第二计算单元，还用于根据高压储氢罐内氢气质量m₀₀和m₀计算车辆停放期间的泄漏参数L₀；

所述判断单元，还用于判断车辆停放期间的泄漏参数L₀是否小于等于停放时安全阈值，如果是，则在车辆停放期间不存在氢气泄漏，否则在车辆停放期间存在氢气泄漏。

进一步地，所述系统还包括报警单元，用于在氢气泄漏时发出警报。

本发明还提供一种轨道交通车辆，包括如上所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、在车辆运行期间，能够实时、有效地检测出氢燃料电池系统在工作期间发生的氢气泄漏问题，无需在易泄漏位置和氢气易聚集位置配置多个专门的氢气浓度传感器，系统结构简单，降低了硬件成本。

2、在进行氢气泄漏检测时不受传感器布置位置的限制，能够检测出任意位置发生的氢气泄漏现象，覆盖面广；相较于氢气浓度传感器，温度传感器和压强传感器具有灵敏度高、性能稳定、使用寿命长的特点，延长了系统的使用寿命和可靠性。

3、能够有效地检测车辆停放期间氢气泄漏问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法流程图；

图2是本发明实施例中一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统结构示意图；

图3是本发明实施例中采样周期与检测周期示意图；

图4是本发明实施例中氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统布置图。

其中，1－高压储氢罐，2－供氢管路，3－氢燃料电池电堆，4－电流传感器，5－信号线，6－控制器，7－报警模块，8－DC/DC调压器，9－车辆，10－扬声器，11－温度传感器，12－压力传感器，13－报警灯。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本实施例所提供的一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，包括以下步骤：

步骤1：获取车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气质量m₀₀。

如图2所示，在高压储氢罐1瓶口阀集成温度传感器11和压力传感器12，通过温度传感器11和压力传感器12可以采集高压储氢罐1内氢气的温度和压强。在车辆停止时，温度传感器11、压力传感器12以及控制器6采集车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐1内氢气的温度和压强，并计算车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐1内氢气质量m₀₀，将该氢气质量m₀₀存储在控制器6内，控制器6内存储的氢气质量m₀₀供车辆下一次启动时判断车辆停放期间是否存在氢气泄漏。

本实施例中，氢气质量根据理想气体状态方程来计算，具体为：

其中，m₀₀为车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气质量，μ为氢气的摩尔质量，R为摩尔气体常数，T₀₀为车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度，p₀₀为车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的压强，V为高压储氢罐体积。

根据车辆储氢量要求可以配置多个高压储氢罐，每个高压储氢罐的额定压强通常为35Mpa。当氢燃料电池系统包括多个高压储氢罐时，在不同时刻高压储氢罐内氢气质量等于该时刻所有高压储氢罐内氢气质量之和，例如图2示出装置包括3个高压储氢罐1，则在车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气质量等于在车辆停止时刻t₀₀这三个高压储氢罐内氢气质量之和。

步骤2：在车辆启动时，获取启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀。

当车辆在上次停止时刻t₀₀停止后再次启动时，在启动时刻t₀利用温度传感器和压力传感器采集高压储氢罐内氢气的温度和压强，车辆启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀的具体计算公式为：

其中，m₀为车辆启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量，T₀为车辆启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度，p₀为车辆启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的压强。

步骤3：计算车辆停放期间的泄漏参数L₀。

本实施例中，泄漏参数L₀为泄漏速率或泄漏质量。在车辆停放期间，供氢管路上的各种阀门处于关闭状态，高压储氢罐内的氢气无法排出，通过上一次车辆停止时刻t₀₀与再次启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量之差判断是否存在氢气泄漏。

上一次车辆停止时刻t₀₀与再次启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量之差为：

Δm₀₀＝m₀₀-m₀(3)

其中，Δm₀₀为上一次车辆停止时刻t₀₀与再次启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量之差，Δm₀₀即为对应时间段内的泄漏质量。

用单位时间内氢气泄漏质量来表示泄漏速率，则泄漏速率为：

其中，R₀为车辆停放期间氢气泄漏速率。泄漏速率和泄漏质量均可用来判断是否存在泄漏现象。

步骤4：判断泄漏参数L₀是否小于等于停放时安全阈值R_th0，如果是，则在车辆停放期间不存在氢气泄漏，启动氢燃料电池系统，并转入步骤5，否则在车辆停放期间存在氢气泄漏。

本实施例以泄漏速率来判断是否存在泄漏现象。当泄漏速率R₀小于等于停放时安全阈值R_th0时，则表明在车辆停放期间不存在氢气泄漏问题，启动氢燃料电池系统，车辆处于运行工况；当泄漏速率R₀大于停放时安全阈值R_th0时，则表明在车辆停放期间存在氢气泄漏问题，与控制器电连接的报警模块发出警报，提示司乘人员采取氢气泄漏应急措施，能够有效地检测车辆停放期间氢气泄漏情况。

车辆停放时的氢气泄漏安全阈值R_th0与车载氢燃料电池系统高压储氢罐的数量、容积、额定储氢压强等有关，通常由制造商定义。本实施例中，车辆停放时安全阈值R_th0为8.9×10^－5g/h。

以泄漏质量Δm₀₀来判断是否存在泄漏现象，当泄漏质量Δm₀₀小于等于停放时安全阈值Δm_th0时，则表明在车辆停放期间不存在氢气泄漏问题，启动氢燃料电池系统，车辆处于运行工况；当泄漏质量Δm₀₀大于停放时安全阈值Δm_th0时，则表明在车辆停放期间存在氢气泄漏问题，与控制器电连接的报警模块发出警报。

以泄漏质量作为评价氢气泄漏的指标，忽略了时间影响，适用于停车时长和运行时长都相对固定的轨道交通车辆。可以根据实际情况选择泄漏速率或泄漏质量来评价氢气泄漏情况。

步骤5：在车辆运行时，设每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻；获取起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt；获取终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t，计算公式类似于式(2)。

步骤6：在车辆运行时，根据电流传感器采样周期持续采集氢燃料电池系统的输出电流i。

如图2所示，在氢燃料电池电堆3的输出端设置电流传感器4，按照电流传感器4的采样周期持续采集氢燃料电池系统的输出电流i。

根据系统当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q，具体计算公式为：

根据输出电流计算氢燃料电池电堆输出的电荷只是获取输出电荷的一种方式，还可以采取其他已有方式来获取输出电荷。

本实施例中，电流传感器的采样周期t_int与系统当前检测周期Δt分别根据电流传感器的响应特性和氢燃料电池系统的动态特性设置，如图3所示。具体地，电流传感器的采样周期t_int设置为20μs，系统当前检测周期Δt设置为30s。

步骤7：基于电荷守恒原理，根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con，具体计算公式为：

其中，μ为氢气的摩尔质量，Q_e为单个电子所带电荷，N_A为阿伏伽德罗常数。

步骤8：在车辆运行时，根据当前检测周期起点时刻t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强，基于公式(2)所提供的方法，分别计算起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t，具体计算公式为：

其中，m_i为车辆运行时刻t_i高压储氢罐内氢气质量，T_i为车辆运行时刻t_i高压储氢罐内氢气的温度，p_i为车辆运行时刻t_i高压储氢罐内氢气的压强。

并计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup，具体计算公式为：

m_sup＝m_t-Δt-m_t(8)

步骤9：根据所消耗的氢气质量m_con、所输出的氢气质量m_sup，以及系统当前检测周期Δt内氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m_ex，计算系统当前检测周期Δt内的泄漏参数L。

氢燃料电池系统运行过程中，空气回路中的N₂等成分会通过膜电极，微量渗透到氢气回路中，成为氢气回路中的杂质。为了提高氢气利用率，氢气会在氢气回路中循环，导致N₂等杂质无法及时排出而不断富集。为了降低N₂等杂质的含量，氢气回路设置有尾排阀(即排放阀)，定期或不定期地脉冲式开启尾排阀，以排出氢气回路中的N₂等杂质，降低杂质浓度。尾排阀开启时，会同时排出少量氢气，这部分氢气为氢燃料电池系统主动排放，而非泄漏，计算车辆运行时氢燃料电池系统氢气泄漏质量时须将主动排放的氢气质量减掉。

因尾排阀为脉冲式开启，根据尾排阀开启的次数计算车辆运行时氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m_ex，具体公式为：

m_ex＝n×m_ex0(9)

其中，n为当前检测周期Δt内主动排放氢气时排放阀的开启次数，m_ex0为排放阀单次开启时主动排放的氢气质量。尾排阀单次开启时主动排放的氢气质量m_ex0是氢燃料电池系统的特性参数，可以通过试验标定来获取，具体为：

在氢燃料电池系统组装完成后且在装车前，通过试验使氢燃料电池系统按照设计工况运行，向尾排阀发送脉冲式开启信号，尾排阀开启，收集尾排阀单次开启时排放的所有气体，从所有气体中分离出氢气，测试分离出的氢气质量即为尾排阀单次开启时主动排放的氢气质量，将尾排阀单次开启时主动排放的氢气质量m_ex0存储至控制器内。

系统当前检测周期Δt内氢燃料电池系统氢气泄漏速率R₂的计算公式为：

泄漏质量Δm₂为：Δm₂＝m_sup-m_con-m_ex。

步骤10：判断泄漏参数L是否小于等于运行时安全阈值，如果是，则系统当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则系统当前检测周期Δt内存在氢气泄漏。

本实施例以泄漏速率来判断是否存在泄漏现象。当泄漏速率R₂小于等于运行时安全阈值R_th2时，则表明在系统当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏问题；当泄漏速率R₂大于运行时安全阈值R_th2时，则表明系统当前检测周期Δt内存在氢气泄漏问题，与控制器电连接的报警模块发出警报，提示司乘人员采取氢气泄漏应急措施，例如发出警报或根据氢气泄漏量自动采取关闭供氢管路上的截止阀等保护措施。

车辆运行时氢气泄漏安全阈值R_th2与氢燃料电池系统氢气循环回路管路接头和阀门的数量、密封等级，以及氢燃料电池模块所包含的单体数量、气密性和工作压强等有关，通常由制造商定义。本实施例中，R_th2为587.4mg/h。

也可以以泄漏质量Δm₂来判断是否存在泄漏现象。

步骤11：完成一个系统检测周期的氢气泄漏检测，包括数据采集、运算、判断和预警后，自动执行下一个检测周期的氢气泄漏检测，系统检测周期Δt的起点时刻t－Δt和终点时间t同步增加Δt₀，重复步骤5～步骤10，直到车辆停止运行。其中Δt₀为电流传感器采样周期t_int的整数倍，本实施例中，Δt₀为电流传感器采样周期t_int的50倍。

本实施例还提供一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统，包括：

采集单元，用于采集并获取上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆再次启动时采集并获取启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆运行时采集起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆运行时采集并获取终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强；以及用于在车辆运行时采集并获取氢燃料电池电堆的输出电流i。

每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻。如图2所示氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统的硬件结构，多个高压储氢罐1通过供氢管路2与氢燃料电池电堆3连通，氢燃料电池电堆3产生的电能通过DC/DC调压器8调压后供给车辆9；在氢燃料电池电堆3的输出端设有电流传感器4，在每个高压储氢罐1瓶口阀均集成有温度传感器11和压力传感器12，电流传感器4、温度传感器11和压力传感器12通过信号线5与控制器6电连接，报警模块7与控制器6电连接。在供氢管路2上设置各种阀门(例如减压阀、流量阀、电磁/手动截止阀、安全阀)，通过控制器6控制流量阀的开闭来控制高压储氢罐1向氢燃料电池电堆3的通氢量，在氢燃料电池电堆3内利用氢和氧之间的电化学反应产生电能，氢气来源于高压储氢罐1，氧气来源于空气。

本实施例中，温度传感器11和压强传感器12还可设于高压储氢罐1瓶身或瓶尾处。

采集单元包括电流传感器4、温度传感器11和压力传感器12，通过电流传感器4采集刻氢燃料电池电堆3的输出电流，通过温度传感器11和压力传感器12分别采集高压储氢罐1内氢气的温度和压强。

第一计算单元，用于根据上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气质量m₀₀，如式(1)所示；用于根据启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀，如式(2)所示；用于根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气质量m_t－Δt；用于根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气质量m_t，如式(7)所示；用于根据系统当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆的输出电流i计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆的输出电荷Q，如式(5)所示；用于根据氢燃料电池电堆的输出电荷Q计算系统当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆发电所消耗的氢气质量m_con，如式(6)所示；以及用于根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup，如式(8)所示。

第二计算单元，用于根据高压储氢罐内氢气质量m₀₀和m₀计算车辆停放期间的氢气泄漏速率R₀，如式(4)所示；用于根据所消耗的氢气质量m_con、所输出的氢气质量m_sup以及系统检测周期Δt内所述氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m_ex，计算系统当前检测周期Δt内的氢气泄漏速率R₂，如式(10)所示。

判断单元，用于判断车辆停放期间的泄漏速率R₀是否小于等于停放时安全阈值R_th0，如果是，则在车辆停放期间不存在氢气泄漏，否则在车辆停放期间存在氢气泄漏；用于判断车辆运行期间的泄漏速率R₂是否小于等于运行时安全阈值R_th2，如果是，则系统当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则系统当前检测周期Δt内存在氢气泄漏。

第一计算单元、第二计算单元以及判断单元对应的硬件结构为控制器6。

报警单元，用于在氢气泄漏时发出警报。报警单元即报警模块7，报警模块7为蜂鸣器、扬声器10、报警灯13、显示屏等报警装置中的至少一种。

如图3所示，氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统的部分结构(例如高压储氢罐1、氢燃料电池电堆3、各种传感器、供氢管路2以及供氢管路上的阀门)一般布置于车顶，当发生氢气泄漏时有利于氢气向上方逸散，防止氢气在车底和车内聚集。控制器6的优选方案为布置于司机室屏柜内，亦可布置于客室侧顶板内或客室座椅屏柜内。报警模块7的优选方案为采用扬声器10、报警灯13和显示屏，布置于司机室前方或司机台，以便司机及时发现泄漏问题。

氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统的部分结构也可布置于车内专用设备舱内。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在车辆启动时，获取启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀；

步骤2：在车辆运行时，设每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻，获取起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt；

获取终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t；

步骤3：在车辆运行时，按照电流传感器采样周期持续采集氢燃料电池系统的输出电流i；

步骤4：根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup；

步骤5：根据当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q；根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con；

步骤6：根据当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup、氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con和当前检测周期Δt内所述氢燃料电池系统主动排放的氢气质量m_ex，计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的泄漏参数L；

步骤7：判断所述泄漏参数L是否小于等于运行时氢气泄漏安全阈值，如果是，则当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则当前检测周期Δt内存在氢气泄漏；

步骤8：重复步骤2～7，对下一个检测周期Δt内的氢气泄漏进行检测，直到车辆停止运行。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤2中，根据某一时刻高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在该时刻高压储氢罐内氢气的质量的具体计算公式为：

其中，m为该时刻高压储氢罐内的氢气质量，μ为氢气的摩尔质量，R为摩尔气体常数，T为对应时刻高压储氢罐内氢气的温度，p为对应时刻高压储氢罐内氢气的压强，V为高压储氢罐体积。

3.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤4中，当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup的具体计算公式为：

m_sup＝m_t-Δt-m_t。

4.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q的具体计算公式为：

其中i为电流传感器采集的氢燃料电池系统的输出电流；

优选地，所述步骤5中，当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con的具体计算公式为：

其中，μ为氢气的摩尔质量，Q_e为单个电子所带电荷，N_A为阿伏伽德罗常数。

5.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤6中，当前检测周期Δt内主动排放的氢气质量m_ex的具体计算公式为：

m_ex＝n×m_ex0

其中，n为当前检测周期Δt内主动排放氢气时排放阀的开启次数，m_ex0为排放阀单次开启时主动排放的氢气质量；

优选地，排放阀单次开启时主动排放的氢气质量m_ex0的获取方式为：

在所述氢燃料电池系统组装完成后且在装车前，通过试验使氢燃料电池系统按照设计工况运行，收集排放阀单次开启时排放的所有气体，从所有气体中分离出氢气，测试分离出的氢气质量即为排放阀单次开启时主动排放的氢气质量m_ex0。

6.如权利要求1所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：所述步骤6中，泄漏参数为泄漏速率或泄漏质量，所述泄漏速率R₂的计算公式为：

其中R₂为当前检测周期Δt内氢燃料电池系统氢气泄漏速率，即单位时间内的氢气泄漏质量。

7.如权利要求1～6中任一项所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测方法，其特征在于：还包括车辆停放期间氢气泄漏检测的步骤，具体实现过程为：

步骤0：获取车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强，并根据车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在车辆停止时高压储氢罐内氢气质量m₀₀；

步骤1还包括：根据高压储氢罐内氢气质量m₀₀和m₀计算车辆停放期间的泄漏参数L₀；当车辆停放期间的泄漏参数L₀小于等于停放时安全阈值，则在车辆停放期间不存在氢气泄漏，启动氢燃料电池系统，并转入步骤2，否则在车辆停放期间存在氢气泄漏。

8.一种氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统，其特征在于，包括：

采集单元，用于在车辆启动时采集启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆运行时采集起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强；用于在车辆运行时采集终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强；以及用于在车辆运行时连续采集氢燃料电池系统的输出电流i；其中每个检测周期为Δt，以运行时刻t为当前检测周期的终点时刻，运行时刻t－Δt为当前检测周期的起点时刻；

第一计算单元，用于根据启动时刻t₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在启动时刻t₀高压储氢罐内氢气质量m₀；用于根据起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气质量m_t－Δt；用于根据终点时刻t高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在终点时刻t高压储氢罐内氢气质量m_t；用于根据所述起点时刻t－Δt高压储氢罐内氢气的质量m_t－Δt和终点时刻t高压储氢罐内氢气的质量m_t计算当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup；用于根据当前检测周期Δt内氢燃料电池系统的输出电流i的波形计算当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q；用于根据当前检测周期Δt内氢燃料电池电堆输出的电荷Q计算当前检测周期Δt内氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con；

第二计算单元，用于根据当前检测周期Δt内高压储氢罐输出的氢气质量m_sup、氢燃料电池系统发电所消耗的氢气质量m_con和主动排放的氢气质量m_ex计算当前检测周期Δt内的泄漏参数L；

判断单元，用于判断所述泄漏参数L是否小于等于运行时安全阈值，如果是，则当前检测周期Δt内不存在氢气泄漏，否则当前检测周期Δt内存在氢气泄漏；

优选地，所述采集单元，还用于采集上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强；

所述第一计算单元，还用于根据上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气的温度和压强计算在上一次车辆停止时刻t₀₀高压储氢罐内氢气质量m₀₀；

所述第二计算单元，还用于根据高压储氢罐内氢气质量m₀₀和m₀计算车辆停放期间的泄漏参数L₀；

所述判断单元，还用于判断车辆停放期间的泄漏参数L₀是否小于等于停放时安全阈值，如果是，则在车辆停放期间不存在氢气泄漏，否则在车辆停放期间存在氢气泄漏。

9.如权利要求8所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统，其特征在于：还包括报警单元，用于在氢气泄漏时发出警报。

10.一种轨道交通车辆，其特征在于：包括如权利要求8～9中任一项所述的氢燃料电池系统氢气泄漏检测系统。

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