CN114221425B - 一种基于氢能供电的应急电源车及其供电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氢能供电的应急电源车及其供电控制方法，包括移动车，为应急供电提供移动载体；集装箱供电装置，采用氢能供电，作为应急供电电源为负载提供第一供电功率或给底盘供电装置充电，安装在移动车上；底盘供电装置，内部设置有储能电池，用于提供低压电以及为负载提供第二供电功率并平衡集装箱供电装置的供电输出，与集装箱供电装置并联；逆变器，用于将第一供电功率和第二供电功率转化成给负载使用的交流电，分别与集装箱供电装置和底盘供电装置连接；本发明通过储能蓄电池同时供电，对集装箱供电装置的输出功率进行平衡调节，使得逆变器输出的供电电压稳定在380V，使得整体应急电源车的供电更加稳定，降低单独氢能供电的波动性。

Description

一种基于氢能供电的应急电源车及其供电控制方法

技术领域

本发明涉及移动应急电源技术领域，尤其涉及一种基于氢能供电的应急电源车及其供电控制方法。

背景技术

随着社会的发展，多功能储能保电业务应用越来越广泛，成为现实生活、工作中不可或缺的一部分，广泛用于工业企业、建筑施工、抢险救灾、医院、学校、通讯、军工、会议保供电等重大场合。传统的柴油发电机组能源消耗大、污染大、体积大、重量大、环保性差，高碳排放，发电过程噪音大，产生大量黑烟、周边覆盖浓烈的刺激性气味，汽车尾排废气中含有 150～200种不同的化合物,尤其是在保电工作环境排放较差的区域，或者对于噪音要求较高的医院、会议、学校等场合进行使用，都会对周边造成不良影响，违背绿色低碳长远发展的理念。

锂离子电池电源车，在保电作业过程中环保静音，对于周边环境影响较小，同时由于纯电储能自身问题，铁锂储电供电时间短、自带储电消耗后再次充电时间长，从而带来二次应急响应时间长的问题，并且铁高压动力电池低温适应性较差，遇到极寒温度时放电能力下降很大，保电能力大打折扣，高能量密度电池长期存放，也存在相当的安全隐患。

而现有的氢能源车，供电存在不稳定的情况，且采用并网运行，无法实现离网工作，对于应急电源车的应急供电存在较多问题，难以满足应急供电的需求。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种氢能源应急抢险电源车及其工作方法”，其公告号：CN111942261A，包括底盘和氢能源发电组；所述底盘为一类底盘，内设有底盘动力电池；所述氢能源发电组安装在所述底盘的车厢内后部，包括机柜、甲醇水存放箱、甲醇水过滤设备、逆变器、进气系统、排气系统、监控显示屏和按键控制板；所述机柜分为三层；所述甲醇水存放箱和甲醇水过滤设备连接后安装在底层，所述逆变器、进气系统和排气系统安装在中间层，所述监控显示屏和按键控制板安装在顶层，所述机柜上设有PDU插座和充电机插座，所述PDU插座为220V交流电输出接口；所述氢燃料发电机组与底盘动力电池通过线路相连并设有开关a，所述氢燃料发电机组与逆变器相连并设有开关c，所述底盘动力电池与逆变器相连并设有开关d，所述氢能源发电组内设有PLC控制器，所述PLC控制器与所述氢能源发电组、开关a、开关c、开关d相连，所述氢燃料发电机组设有开关b与所述PLC控制器相连；所述氢能源发电组内设有24V电源，为所述PLC控制器提供电力。该申请的应急抢险电源车用于为能源不足的汽车提供电能，供能效率低，续航性差。

发明内容

本发明主要解决现有的技术中应急电源车供电不稳定的问题；提供一种基于氢能供电的应急电源车及其供电控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于氢能供电的应急电源车，包括移动车，为应急供电提供移动载体；

集装箱供电装置，采用氢能供电，作为应急供电电源为负载提供第一供电功率或给底盘供电装置充电，安装在移动车上；

底盘供电装置，内部设置有储能电池，用于提供低压电以及为负载提供第二供电功率并平衡所述集装箱供电装置的供电输出，与集装箱供电装置并联；

逆变器，用于将第一供电功率和第二供电功率转化成给负载使用的交流电，分别与集装箱供电装置和底盘供电装置连接；

采集模块，用于采集储能电池的电压、电流以及剩余电量信息，与控制器连接；

控制器，根据采集模块传递的储能电池信息控制底盘供电装置输出的第二供电功率以及集装箱供电装置输出的第一供电功率。

由于氢能发电的特殊性，通过单独的氢能发电达到应急负载380V电压供电时所需的氢能成本过高，基于此，本发明设置了集装箱供电装置和底盘供电装置两种供电方式，在底盘供电装置中设置有储能蓄电池，在不对负载进行供电时，集装箱供电装置采用氢能发电对储能蓄电池进行充电，采用储能蓄电池对移动车的高压用电器供电，保证氢能发电的安全，同时，在对负载进行应急供电时，先通过检测储能蓄电池的电量，进而调节集装箱供电装置的供电输出功率，保证输出380V供电电压的同时，减少氢能损耗，降低成本，同时，单独的氢能供电容易出现波动，导致供电不稳定，本发明通过储能蓄电池同时供电，对集装箱供电装置的输出功率进行平衡调节，使得逆变器输出的供电电压稳定在380V，使得整体应急电源车的供电更加稳定。

作为优选，还包括供氢系统，所述供氢系统包括加气嘴、主供氢管路、第一供氢管路、第二供氢管路和氢瓶瓶组，所述加气嘴与主供氢管路连接，所述第一供氢管路的一端与主供氢管路连接，所述第一供氢管路的另一端连接集装箱供电装置，所述第二供氢管路分别与第一供氢管路和主供氢管路连接，所述氢瓶瓶组与第二供氢管路连接。

当氢瓶瓶组不足时，可通过加气嘴进行氢气填充，氢气经第二供氢管路进入氢瓶瓶组，在加氢过程中，电气设备处于断电状态，氢气无法进入第一供氢管路，因此，氢气只能进入氢瓶瓶组，后续，再通过氢瓶瓶组流出，经第二供氢管路进入第一供氢管路，继而进入电堆系统，实现氢瓶瓶组可靠加氢。

作为优选，所述的主供氢管路内设置有第一单向阀，所述第一供氢管路内沿主供氢管路和第二供氢管路的交叉处至集装箱供电装置依次安装有第一过滤器、减压阀、第一压力传感器、放空阀、第一电磁阀和比例阀，所述第一过滤器、减压阀、第一压力传感器、第一电磁阀和比例阀均与控制器连接，所述减压阀内设置有卸荷阀，所述卸荷阀用于在第一压力传感器检测到第一供氢管路内压力过高时进行卸压。通过设置多个阀门，提高加氢的安全性。

作为优选，所述的第二供氢管路内设置有第二压力传感器、与第二压力传感器连接的第二单向阀、与第二单向阀并联的第二电磁阀、与第二单向阀连接的第一截止阀、与第一截止阀连接的溢流阀、与溢流阀连接的第二过滤器以及定向热泄压装置，所述第二过滤器以及定向热泄压装置均与氢瓶瓶组连接，所述第二压力传感器、第二单向阀、第二电磁阀、第一截止阀、溢流阀、第二过滤器以及定向热泄压装置均与控制器连接，所述定向热泄压装置用于在第二压力传感器检测到第二供氢管路内压力过高时释放压力。提高加氢过程中的安全性。

作为优选，还包括防泄漏管道，所述防泄漏管道设置在氢瓶瓶组与第二压力传感器之间，所述防泄漏管道内设置有第二截止阀，所述第二截止阀的控制端与控制器连接。设置防泄漏管道，防止在加氢过程中氢瓶瓶组残余的氢气外露，提高能源的利用率。

作为优选，所述的集装箱供电装置包括电堆系统、开关模块和第一DC/DC模块，所述电堆系统将氢能转换成电能，所述电堆系统经开关模块与第一DC/DC模块的输入端连接，所述第一DC/DC模块的输出端分别与底盘供电装置和逆变器连接，所述开关模块的控制端与控制器连接。第一DC/DC模块为升压DC/DC模块，将电堆系统产生的电压进行升压，进行负载供电或储能蓄电池供电。

作为优选，所述的底盘供电装置包括储能电池、继电器和第二DC/DC模块，所述储能电池包括高压动力电池和低压蓄电池，所述高压动力电池经继电器与集装箱供电装置连接，所述高压动力电池经第二DC/DC模块与低压蓄电池连接，所述继电器和第二DC/DC模块均与控制器连接。第二DC/DC模块为降压DC/DC模块，将高压动力电池输出的高压电转换成低压电后存储在低压蓄电池内，方便低压蓄电池为电堆系统的启动提供低压启动电压。

作为优选，所述的集装箱供电装置还包括空气系统，所述空气系统包括空气管路，设置在空气管路内的进气过滤器、空气流量计、空气压缩机以及尾排效应器，所述空气流量计、空气压缩机以及尾排效应器均与控制器连接。通过空气系统获取干净的空气，利用氧气和氢气进行化学反应，产生电能，实现电堆系统的供电，电堆系统为质子交换膜燃料电池电堆系统，通过氢气与氧气发生电化学反应生成水并释放出电能。

作为优选，所述的集装箱供电装置还包括散热系统，所述散热系统包括水管路，设置在水管路内的水过滤器、去离子器、膨胀水壶和散热器，所述去离子器、膨胀水壶和散热器均与控制器连接。通过散热系统实现整个应急电源车的散热，提高安全性。

作为优选，所述的移动车上装载有集装箱，所述集装箱供电装置、底盘供电装置、逆变器以及氢瓶瓶组均固定设置在集装箱内，所述集装箱的两侧设置有检修门，所述集装箱上设置有显示屏和操作按钮，所述显示屏和操作按钮均与控制器连接。通过集装箱进行搭载安装，装卸更加方便，周转更加灵活。

作为优选，还包括电缆卷盘，所述集装箱内设置有电缆卷盘安装支架，所述电缆卷盘固定安装在电缆卷盘安装支架上。负载距离逆变器输出端口较远，部分地区移动车无法直接开进去，需要通过电缆卷盘的一端连接逆变器的输出端口，另一端连接负载，实现供电。

作为优选，还包括氢瓶柜、若干个氢瓶调节装置和氢浓度传感器，所述氢瓶柜安装在集装箱内，若干个所述氢瓶调节装置固定设置在氢瓶柜内，所述氢瓶瓶组设置在氢瓶调节装置内，所述氢浓度传感器检测氢瓶内的氢气含量，所述氢浓度传感器与控制器连接。通过氢浓度传感器检查氢瓶内的氢气含量，方便在氢气过少时进行加氢，提高工作效率以及安全性。

作为优选，所述的氢瓶调节装置包括基座、若干个移动自调节装置、电机和控制装置，所述移动自调节装置设于基座内侧，所述移动自调节装置包括限位块、支撑杆移动带、两个支撑杆、滑轮、承托面和第三压力传感器，所述支撑杆移动带位于基座的内侧，所述限位块设于支撑杆移动带的两端，所述支撑杆的一端通过滑轮连接支撑杆移动带，另一端连接承托面，所述承托面与氢瓶抵接，所述第三压力传感器设于承托面中部，所述第三压力传感器用于检测氢瓶与承托面碰撞压力，所述第三压力传感器与控制装置连接，所述控制装置与电机连接，所述电机与滑轮连接，所述支撑杆移动带由若干个菱形块固定拼接而成。承托面环绕氢瓶周身，减少氢瓶的碰撞摩擦，第三压力传感器通过支撑杆和基座将氢瓶受力情况传递到控制装置，控制装置控制相应的支撑杆在支撑杆移动带上进行适当移动，调节氢瓶受力情况使氢瓶受力均匀。

作为优选，所述的支撑杆移动和固定时，两个所述支撑杆与支撑杆移动带间的夹角角度相同。调节氢瓶受力时，同一面的两个支撑杆相向或背向移动的距离相等，保证承托面与氢瓶位置的相对稳定，提高装置稳定性和精确性。

本发明还提供一种基于氢能供电的应急电源车的供电控制方法，包括以下步骤：

S1：判断移动车工作状态，若移动车处于移动过程，则采用高压动力电池为移动车高压用电器供电，若移动车处于停靠状态，则检测电缆卷盘是否与逆变器的输出端口连接，若电缆卷盘与逆变器的输出端口连接，则进入步骤S2，否则，进入步骤S3；

S2：低压蓄电池为电堆系统提供小功率直流电，电堆系统启动，控制器通过采集模块采集高压动力电池的剩余电量信息，根据剩余电量信息调节第二供电功率，获取负载所需供电功率，根据负载所需供电功率和第二供电功率调节第一DC/DC模块，进而调整第一供电功率，第一供电功率和第二供电功率传递给逆变器后转换成负载所需的供电功率；

S3：控制器通过采集模块采集高压动力电池的剩余电量信息，若高压动力电池的剩余电量低于设定阈值范围，则通过电堆系统为高压动力电池充电，否则，回到步骤S1。通过供电控制方法，实现应急电源车的灵活安全供电，提高氢能电源车的供电稳定性。

本发明的有益效果是：（1）通过储能蓄电池同时供电，对集装箱供电装置的输出功率进行平衡调节，使得逆变器输出的供电电压稳定在380V，使得整体应急电源车的供电更加稳定，降低单独氢能供电的波动性；（2）设置氢瓶调节装置，承托面环绕氢瓶周身，减少氢瓶的碰撞摩擦，第三压力传感器通过支撑杆和基座将氢瓶受力情况传递到控制装置，控制装置控制相应的支撑杆在支撑杆移动带上进行适当移动，调节氢瓶受力情况使氢瓶受力均匀，提高氢瓶运输过程中的安全性；（3）通过供电控制方法，实现应急电源车的灵活安全供电，提高氢能电源车的供电稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的应急电源车的结构示意图。

图2是本发明实施例的供氢系统的结构示意图。

图3是本发明实施例的氢瓶调节装置的结构示意图。

图4是本发明实施例的质子交换膜燃料电池电堆系统的结构示意图。

图5是本发明实施例的供电控制方法的流程框图。

图中1、移动车，2、氢瓶瓶组，3、电堆系统，4、供电隔间，5、逆变器，6、氢瓶柜，7、加气嘴，8、第一单向阀，9、第一过滤器，10、减压阀，11、第一压力传感器，12、第一电磁阀，13、比例阀，14、卸荷阀，15、放空阀，16、第二压力传感器，17、溢流阀，18、第二单向阀，19、第二电磁阀，20、第一截止阀，21、第二截止阀，22、定向热泄压装置，23、第二过滤器，24、基座，25、承托面，26、限位块，27、支撑杆移动带，28、支撑杆，29、第三压力传感器，30、质子交换膜，31、扩散层，32、催化剂层，33、阳极，34、阴极，35、氢气，36、氧气，37、水，38、回流氢气。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的认识可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。

实施例一：一种基于氢能供电的应急电源车，如图1所示，包括移动车1，为应急供电提供移动载体；集装箱供电装置，采用氢能供电，作为应急供电电源为负载提供第一供电功率或给底盘供电装置充电，安装在移动车1上；底盘供电装置，内部设置有储能电池，用于提供低压电以及为负载提供第二供电功率并平衡集装箱供电装置的供电输出，与集装箱供电装置并联；逆变器5，用于将第一供电功率和第二供电功率转化成给负载使用的交流电，分别与集装箱供电装置和底盘供电装置连接；采集模块，用于采集储能电池的电压、电流以及剩余电量信息，与控制器连接；控制器，根据采集模块传递的储能电池信息控制底盘供电装置输出的第二供电功率以及集装箱供电装置输出的第一供电功率；供氢系统，供氢系统包括加气嘴7、主供氢管路、第一供氢管路、第二供氢管路和氢瓶瓶组2，加气嘴7与主供氢管路连接，第一供氢管路的一端与主供氢管路连接，第一供氢管路的另一端连接集装箱供电装置，第二供氢管路分别与第一供氢管路和主供氢管路连接，氢瓶瓶组2与第二供氢管路连接。

本发明提到的控制器可以为整个装备共用一个控制器，也可以是每个模块单独设置有一个控制器，设置一个总控制器进行各个模块控制器的通讯控制。

如图2所示，主供氢管路内设置有第一单向阀8，第一供氢管路内沿主供氢管路和第二供氢管路的交叉处至集装箱供电装置依次安装有第一过滤器9、减压阀10、第一压力传感器11、放空阀15、第一电磁阀12和比例阀13，第一过滤器9、减压阀10、第一压力传感器11、第一电磁阀12和比例阀13均与控制器连接，减压阀10内设置有卸荷阀14，卸荷阀14用于在第一压力传感器11检测到第一供氢管路内压力过高时进行卸压，第二供氢管路内设置有第二压力传感器16、与第二压力传感器16连接的第二单向阀18、与第二单向阀18并联的第二电磁阀19、与第二单向阀18连接的第一截止阀20、与第一截止阀20连接的溢流阀17、与溢流阀17连接的第二过滤器23以及定向热泄压装置22，第二过滤器23以及定向热泄压装置22均与氢瓶瓶组2连接，第二压力传感器16、第二单向阀18、第二电磁阀19、第一截止阀20、溢流阀17、第二过滤器23以及定向热泄压装置22均与控制器连接，定向热泄压装置22用于在第二压力传感器16检测到第二供氢管路内压力过高时释放压力，防泄漏管道设置在氢瓶瓶组2与第二压力传感器16之间，防泄漏管道内设置有第二截止阀21，第二截止阀21的控制端与控制器连接。

集装箱供电装置包括电堆系统3、开关模块、第一DC/DC模块、空气系统和散热系统，电堆系统将氢能转换成电能，电堆系统经开关模块与第一DC/DC模块的输入端连接，第一DC/DC模块的输出端分别与底盘供电装置和逆变器5连接，开关模块的控制端与控制器连接。

空气系统包括空气管路，设置在空气管路内的进气过滤器、空气流量计、空气压缩机以及尾排效应器，空气流量计、空气压缩机以及尾排效应器均与控制器连接。

散热系统包括水管路，设置在水管路内的水过滤器、去离子器、膨胀水壶和散热器，去离子器、膨胀水壶和散热器均与控制器连接。

底盘供电装置包括储能电池、继电器和第二DC/DC模块，储能电池包括高压动力电池和低压蓄电池，高压动力电池经继电器与集装箱供电装置连接，高压动力电池经第二DC/DC模块与低压蓄电池连接，继电器和第二DC/DC模块均与控制器连接。

移动车1上装载有集装箱，集装箱供电装置、底盘供电装置、逆变器5以及氢瓶瓶组2均固定设置在集装箱内，集装箱的两侧设置有检修门，集装箱上设置有显示屏和操作按钮，显示屏和操作按钮均与控制器连接。

显示屏为LED显示屏或LCD显示屏，同时，显示屏也可以换成触摸屏，当显示屏为触摸屏时，则取消集装箱上的操作按钮设置，在触摸显示屏内置电子操作按钮，通过电子操作按钮进行指出输入。

在集装箱内设置有电缆卷盘，集装箱内设置有电缆卷盘安装支架，电缆卷盘固定安装在电缆卷盘安装支架上。

在集装箱内设置有氢瓶柜6、供电隔间4和氢浓度传感器，氢瓶柜6安装在集装箱内，氢瓶瓶组2设置在氢瓶柜6内，氢浓度传感器检测氢瓶内的氢气含量，氢浓度传感器与控制器连接，通过供电隔间4将供电区和逆变器5隔开，提高安全性。

本发明还提供一种基于氢能供电的应急电源车的供电控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：判断移动车1工作状态，若移动车1处于移动过程，则采用高压动力电池为移动车1高压用电器供电，若移动车1处于停靠状态，则检测电缆卷盘是否与逆变器5的输出端口连接，若电缆卷盘与逆变器5的输出端口连接，则进入步骤S2，否则，进入步骤S3；

S2：低压蓄电池为电堆系统提供小功率直流电，电堆系统启动，控制器通过采集模块采集高压动力电池的剩余电量信息，根据剩余电量信息调节第二供电功率，获取负载所需供电功率，根据负载所需供电功率和第二供电功率调节第一DC/DC模块，进而调整第一供电功率，第一供电功率和第二供电功率传递给逆变器5后转换成负载所需的供电功率；

S3：控制器通过采集模块采集高压动力电池的剩余电量信息，若高压动力电池的剩余电量低于设定阈值范围，则通过电堆系统为高压动力电池充电，否则，回到步骤S1。

实施例二，一种基于氢能供电的应急电源车，如图3所示，本实施例相比于实施例一，区别在于，本实施例增加了若干个氢瓶调节装置，若干个氢瓶调节装置固定设置在氢瓶柜6内，氢瓶瓶组2设置在氢瓶调节装置内，氢瓶调节装置包括基座24、若干个移动自调节装置、电机和控制装置，移动自调节装置设于基座24内侧，移动自调节装置包括限位块26、支撑杆移动带27、两个支撑杆28、滑轮、承托面25和第三压力传感器29，支撑杆移动带27位于基座24的内侧，限位块26设于支撑杆移动带27的两端，支撑杆的一端通过滑轮连接支撑杆移动带27，另一端连接承托面25，承托面25与氢瓶抵接，第三压力传感器29设于承托面25中部，第三压力传感器29用于检测氢瓶与承托面25碰撞压力，第三压力传感器29与控制装置连接，控制装置与电机连接，电机与滑轮连接。

支撑杆移动带27由若干个菱形块固定拼接而成。通过若干个菱形块拼接而成的支撑杆移动带27，具有固定的角度，同时，菱形接触面具有一定的摩擦性，当滑轮位于两个菱形块间的尖部位置时，由于摩擦力大于支撑杆向两侧的推力，使得支撑杆固定，通过电机启动滑轮移动，克服摩擦力运动，使得支撑杆移动。

支撑杆移动和固定时，两个支撑杆与支撑杆移动带27间的夹角角度相同。通过设置相同的夹角角度，使得两个支撑杆与支撑杆移动带之间形成稳定的等腰三角形结构，固定更加牢固。

氢瓶柜6装置包括柜体、柜门和柜门旋轴，柜门通过柜门旋轴连接柜体，基座24设于柜体内部，电机和控制装置设于柜体顶端。

支撑杆长度相同，直径相同，提高支撑杆移动调节氢瓶受力的精度，便于支撑杆的更新替换，提高装置稳定性和精确性，使得两个支撑杆与支撑杆移动带27之间形成稳定的三角形结构，支撑更加牢固稳定。

支撑杆由绝缘材料包裹，内部管状镂空，镂空部分的直径不大于支撑杆的直径的四分之一。在保证支撑杆结实的前提下，做防静电漏电处理，提高装置稳定性。

支撑杆移动带27的长度不大于支撑杆的长度的两倍且不小于支撑杆的长度的一倍。在避免承托面25直接压在基座24上的前提下，尽量保证调节氢瓶受力的有效调节范围扩大，提高装置稳定性和精确性。

承托面25为弧形曲面。保证承托面25与氢瓶的有效接触面积，减少承托面25与氢瓶的摩擦，提高装置稳定性。

承托面25由绝缘材料包裹，与氢瓶接触的一面设有防滑纹。减少承托面25与氢瓶的摩擦，做防静电漏电处理，提高装置稳定性。

控制装置控制支撑杆在支撑杆移动带27上移动或停止，且支撑杆转动角度不大于90度。避免两个支撑杆交错碰撞的情况，保证调节氢瓶受力的有效调节范围扩大，提高装置稳定性和精确性。

本发明的供氢系统工作时，在加气嘴7的部位设置有加氢面板，外界氢源通过加氢面板进入设备氢系统，第一单向阀8保证系统加氢，防止系统内部氢气方向留出；在加氢过程中，电气设备处于断电状态，燃料电池系统用氢路不通，故氢气只能进入瓶组，通过瓶口单向阀流入，经过溢流阀17、第二过滤器23后进入氢气瓶，储存在氢气瓶中。系统开启信号通过总控制器与氢系统控制器通讯，开启第二电磁阀19，瓶内氢气经过第一过滤器9过滤，减压阀10降压到设定压力，再通过系统集成的比列阀调节压力和流量，进入燃料电池系统电堆，参与电化学反应。

本发明的氢瓶瓶组2为分为两组，第一组为6瓶，第二组为12瓶，第一组设置在底盘上，用于氢能底盘供电，第二组安装在集装箱内，用于燃料电池发电机供电，每瓶氢瓶为140L储氢瓶，氢气储存在35MPa压力下的氢气瓶组中，经由供氢系统进入燃料电池发电系统参与电化学反应，将化学能转化成电能，经过燃料电池端DC/DC滤波升压，外置并联储能电池，补偿负载功率波动，减小燃料电池功率波动频率和幅度，直流输出电经过逆变器5转化成交流电，连接后端负载。

本发明还设置有温度传感器、报警装置、在集装箱顶部向上开口的定向爆破口、过温保护电路、过压保护电路以及过流保护电路，在储能电池出现过温、过压、过流时进行自动保护，提高安全性，在漏气或者集装箱温度过高时进行报警。

设计多重安全保护：过温保护、过压保护、低压报警、过流保护等功能。特别考虑特殊情况下，氢气泄漏的控制，在设备内布置多点位氢气浓度传感器，采集信号经过控制器处理，一旦出现氢气泄漏，首先系统发出报警信号，警醒人员安全；其次，控制系统关闭第一截止阀20和第二截止阀21，切断氢气来源，防止氢气继续泄漏；与此同时，系统用电设备紧急停机，防止过程中出现局部高温；除此以外，整套设备持续强排风，在最短时间将氢气浓度降到最低。

本发明的氢瓶采用高安全性的材料设计，针对氢气安全进行了各种形式的试验，其中比较有代表性的，一是氢瓶枪机贯穿试验，未发生爆炸；二是氢瓶火烧12分钟试验，氢瓶依旧完好，未发生爆炸；三是氢瓶泄漏点火试验，火焰竖直上窜，燃烧一分钟后，外部设备完好，提高了氢气运输过程中的安全性。

定向爆破安全设计：除以上安全防护措施外，本项目还设计了最后一层保护网，外框架四周和底部均采用防爆结构，顶部为定向爆破设计口，在最极端情况下，出现火灾甚至爆炸险情时，确保爆破口冲击向上，这样可以保护设备周围人员安全和设备安全，将损失降到最低。

本发明的氢瓶调节装置的工作原理为：放入氢瓶时，打开柜门，点击控制装置上的“放入/取出”按钮，控制装置发出信号使电机工作，使在基座24上的支撑杆移动带27中的移动杆背向移动，因此支撑杆背向运动，当支撑杆和限位块26接触时，移动杆停止移动，此时承托面25间的空间达到最大，将氢瓶放于承托面25上。

点击控制装置上的“保护”按钮，控制装置发出信号使电机工作，使在基座24上的支撑杆移动带27中的移动杆相向移动，因此支撑杆相向运动，当承托面25都接触到氢瓶时，压力传感器传递各自承托面25的受力情况至控制装置中，控制装置控制相应的支撑杆移动带27中的移动杆相向或背向移动，因此支撑杆相向或背向运动，当各个第三压力传感器29受力相等时，支撑杆移动带27中的移动杆停止移动，关闭柜门。

氢能源车在移动过程中，因惯性或其他情况氢瓶受力不均匀时，第三压力传感器29传递各自承托面25的受力情况至控制装置中，控制装置控制相应的支撑杆移动带27中的移动杆相向或背向移动，因此支撑杆相向或背向运动，当各个第三压力传感器29受力相等时，支撑杆移动带27中的移动杆停止移动。

本发明在电路系统中设置有快速熔断器、接触器及断路器等保护部件，当集装箱高压附件设备发生过载或者线路短路时，高压系统中配置的快速熔断器、接触器及断路器等保护部件，自动切断供电，以保证车辆及使用人员的安全。

本发明设计一种新型的在线绝缘保护措施，高压互锁的安全防护，利用低压信号监视高压回路完整性的一种安全设计方法。低压监测回路比高压先接通，后断开，中间保持必要的提前量，时间大体在150ms这个量级。这样可以使用24V的小电流来确认整个高压电气系统的完整性，确保设备所有的高压部件和线束接插件都必须安装到位，无短路或断路的情况。当控制器检测到回路断开或是完整性受到破坏时，就会启动高压电断电和报警等安全保护措施，即采用低压蓄电池先进行通电工作，保证电堆燃料发电的安全性。

本发明还设置有自动灭火防护系统，采用柜式七氟丙烷气体灭火装置，由气体灭火控制器、火灾探测器、灭火气体存储钢瓶、喷放管网等组成；通过火灾探测器进行火灾检测，将检测到的火灾信息传递给灭火控制器，灭火控制器控制灭火气体存储钢瓶放出灭火气体，灭火气体通过安装在集装箱四周位置的喷放管网快速到达火灾位置，通过惰化火焰中的活性自由基，中断燃烧链实现灭火；灭火效率高、速度快、无二次污染。

如图4所示，电堆系统采用质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池包括质子交换膜30、扩散层31和催化剂层32，其中扩散层分为阳极33和阴极34，分别设置在质子交换膜的两侧，在阳极与质子交换膜以及阴极与质子交换膜之间均设置催化剂层，氢气35从阳极侧的上端进入，氧气36或空气从阴极侧的上端进入，经过化学反应后，阳极的下端流出回流氢气38，阴极的下端流出水37。

质子交换膜燃料电池的具体工作原理为：氢气与氧气（或空气中的氧气）发生电化学反应生成水并释放出电能，即电解水的逆反应；当阳极和阴极分别供给氢气和氧气(或空气中的氧气)时，在催化剂的作用下，氢气在阳极上被氧化离解成电子和氢原子，氢原子透过质子交换膜进入阴极。氧气在阴极上被还原接受电子反应生成水。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，向外部释放电能。

与传统燃油发动机相比，质子交换膜燃料电池内，化学能转化为电能，在能量转化过程中无燃烧放热，从而摆脱了经典热机理论——卡诺循环的限制，氢能的理论利用率可达80％。质子交换膜燃料电池具有室温下快速启动、无电解质液流失、比功率高以及使用寿命长等优点。

本发明分为高压供电部分和低压供电部分，高压部分：质子交换膜燃料电池电路经过控制开关，连接到升压DC/DC的输入端，升压DC/DC检测输出端高压动力电池电压，将质子交换膜燃料电池输入的电功率调频稳定到输出高压动力电池电压，给燃料电池辅助零部件供电，驱动辅助零部件工作，同时对外输出电功率；DC/DC输出直流电，连接到高压配电盒，与高压动力电池并联后，输出到直流后端设备逆变器DC/AC。低压部分，操作人员通过操作屏输入参数，控制系统运行，操作屏将人员操作参数转化到总控制器，总控制器与高压动力电池通讯，检测高压动力电池电压、电流以及电池电量，并控制高压动力电池连接的高压继电器动作；总控制器与DC/DC通讯，提供高压动力电池信息参数，控制DC/DC运行，调节输出电压；结合通讯信息，总控制器按照已定策略调节燃料电池运行功率，最终控制质子交换膜燃料电池和高压动力电池耦合输出给逆变器DC/AC，保证负载运行电功率需求

由于氢能发电的特殊性，通过单独的氢能发电达到应急负载380V电压供电时所需的氢能成本过高，基于此，本发明设置了集装箱供电装置和底盘供电装置两种供电方式，在底盘供电装置中设置有储能蓄电池，在不对负载进行供电时，集装箱供电装置采用氢能发电对储能蓄电池进行充电，采用储能蓄电池对移动车的高压用电器供电，保证氢能发电的安全，同时，在对负载进行应急供电时，先通过检测储能蓄电池的电量，进而调节集装箱供电装置的供电输出功率，保证输出380V供电电压的同时，减少氢能损耗，降低成本，同时，单独的氢能供电容易出现波动，导致供电不稳定，本发明通过储能蓄电池同时供电，对集装箱供电装置的输出功率进行平衡调节，使得逆变器输出的供电电压稳定在380V，使得整体应急电源车的供电更加稳定。

本发明的质子交换膜燃料电池运行在高效区对应的功率下，外接负载负荷若是高于质子交换膜燃料电池运行功率，由并联高压动力电池对外放电，补偿功率偏差，保证负载运行稳定；外接负载负荷若是低于质子交换膜燃料电池运行功率，质子交换膜燃料电池一方面给负载供电，一方面给并联高压动力电池充电，补偿功率偏差，保证负载运行稳定；此外，质子交换膜燃料电池在启动初期，未建立对外输出功率时期，需要外界提供较小功率直流电，此时，较小功率直流电来源于低压蓄电池，保证燃料电池正常启动。此方案既可以并网运行，也可以离网运行，应用范围宽泛。

采集模块为BMS（电池管理系统）内的采集模块，采用高压配电盒进行安装保护，高压配电盒用于管理高压动力电池和低压蓄电池。

本发明设置的报警装置为安装在集装箱外部的提示灯，进入报警状态时进行闪烁并发出蜂鸣，同时，还设置有通过wifi、蓝牙或4G通信与操作人员无线连接的语音或短信提示模块，在提示灯进行闪烁报警的同时，通过无线方式告知远程的操作人员。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (14)

1.一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，包括：

移动车，为应急供电提供移动载体；

集装箱供电装置，采用氢能供电，作为应急供电电源为负载提供第一供电功率或给底盘供电装置充电，安装在移动车上；

底盘供电装置，内部设置有储能电池，用于提供低压电以及为负载提供第二供电功率并平衡所述集装箱供电装置的供电输出，与集装箱供电装置并联；

逆变器，用于将第一供电功率和第二供电功率转化成给负载使用的交流电，分别与集装箱供电装置和底盘供电装置连接；

采集模块，用于采集储能电池的电压、电流以及剩余电量信息，与控制器连接；

控制器，根据采集模块传递的储能电池信息控制底盘供电装置输出的第二供电功率以及集装箱供电装置输出的第一供电功率；

还包括若干个氢瓶调节装置，所述氢瓶调节装置包括基座、若干个移动自调节装置、电机和控制装置，所述移动自调节装置设于基座内侧，所述移动自调节装置包括限位块、支撑杆移动带、两个支撑杆、滑轮、承托面和第三压力传感器，所述支撑杆移动带位于基座的内侧，所述限位块设于支撑杆移动带的两端，所述支撑杆的一端通过滑轮连接支撑杆移动带，另一端连接承托面，所述承托面与氢瓶抵接，所述第三压力传感器设于承托面中部，所述第三压力传感器用于检测氢瓶与承托面碰撞压力，所述第三压力传感器与控制装置连接，所述控制装置与电机连接，所述电机与滑轮连接，所述支撑杆移动带由若干个菱形块固定拼接而成；

控制装置控制相应的支撑杆移动带上的滑轮相向或背向移动，因此支撑杆相向或背向运动，当各个第三压力传感器受力相等时，支撑杆移动带上的滑轮停止移动。

2.根据权利要求1所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

还包括供氢系统，所述供氢系统包括加气嘴、主供氢管路、第一供氢管路、第二供氢管路和氢瓶瓶组，所述加气嘴与主供氢管路连接，所述第一供氢管路的一端与主供氢管路连接，所述第一供氢管路的另一端连接集装箱供电装置，所述第二供氢管路分别与第一供氢管路和主供氢管路连接，所述氢瓶瓶组与第二供氢管路连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述主供氢管路内设置有第一单向阀，所述第一供氢管路内沿主供氢管路和第二供氢管路的交叉处至集装箱供电装置依次安装有第一过滤器、减压阀、第一压力传感器、放空阀、第一电磁阀和比例阀，所述第一过滤器、减压阀、第一压力传感器、第一电磁阀和比例阀均与控制器连接，所述减压阀内设置有卸荷阀，所述卸荷阀用于在第一压力传感器检测到第一供氢管路内压力过高时进行卸压。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述第二供氢管路内设置有第二压力传感器、与第二压力传感器连接的第二单向阀、与第二单向阀并联的第二电磁阀、与第二单向阀连接的第一截止阀、与第一截止阀连接的溢流阀、与溢流阀连接的第二过滤器以及定向热泄压装置，所述第二过滤器以及定向热泄压装置均与氢瓶瓶组连接，所述第二压力传感器、第二单向阀、第二电磁阀、第一截止阀、溢流阀、第二过滤器以及定向热泄压装置均与控制器连接，所述定向热泄压装置用于在第二压力传感器检测到第二供氢管路内压力过高时释放压力。

5.根据权利要求4所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

还包括防泄漏管道，所述防泄漏管道设置在氢瓶瓶组与第二压力传感器之间，所述防泄漏管道内设置有第二截止阀，所述第二截止阀的控制端与控制器连接。

6.根据权利要求2或3所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述集装箱供电装置包括电堆系统、开关模块和第一DC/DC模块，所述电堆系统将氢能转换成电能，所述电堆系统经开关模块与第一DC/DC模块的输入端连接，所述第一DC/DC模块的输出端分别与底盘供电装置和逆变器连接，所述开关模块的控制端与控制器连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述底盘供电装置包括储能电池、继电器和第二DC/DC模块，所述储能电池包括高压动力电池和低压蓄电池，所述高压动力电池经继电器与集装箱供电装置连接，所述高压动力电池经第二DC/DC模块与低压蓄电池连接，所述继电器和第二DC/DC模块均与控制器连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述集装箱供电装置还包括空气系统，所述空气系统包括空气管路，设置在空气管路内的进气过滤器、空气流量计、空气压缩机以及尾排效应器，所述空气流量计、空气压缩机以及尾排效应器均与控制器连接。

9.根据权利要求7所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述集装箱供电装置还包括散热系统，所述散热系统包括水管路，设置在水管路内的水过滤器、去离子器、膨胀水壶和散热器，所述去离子器、膨胀水壶和散热器均与控制器连接。

10.根据权利要求7所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述移动车上装载有集装箱，所述集装箱供电装置、底盘供电装置、逆变器以及氢瓶瓶组均固定设置在集装箱内，所述集装箱的两侧设置有检修门，所述集装箱上设置有显示屏和操作按钮，所述显示屏和操作按钮均与控制器连接。

11.根据权利要求10所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

还包括电缆卷盘，所述集装箱内设置有电缆卷盘安装支架，所述电缆卷盘固定安装在电缆卷盘安装支架上。

12.根据权利要求10所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

还包括氢瓶柜和氢浓度传感器，所述氢瓶柜安装在集装箱内，若干个所述氢瓶调节装置固定设置在氢瓶柜内，所述氢瓶瓶组设置在氢瓶调节装置内，所述氢浓度传感器检测氢瓶内的氢气含量，所述氢浓度传感器与控制器连接。

13.根据权利要求12所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，

所述支撑杆移动和固定时，两个所述支撑杆与支撑杆移动带间的夹角角度相同。

14.一种基于氢能供电的应急电源车的供电控制方法，适用于如权利要求7至13任一项所述的一种基于氢能供电的应急电源车，其特征在于，包括以下步骤：

S1：判断移动车工作状态，若移动车处于移动过程，则采用高压动力电池为移动车高压用电器供电，若移动车处于停靠状态，则检测电缆卷盘是否与逆变器的输出端口连接，若电缆卷盘与逆变器的输出端口连接，则进入步骤S2，否则，进入步骤S3；

S2：低压蓄电池为电堆系统提供小功率直流电，电堆系统启动，控制器通过采集模块采集高压动力电池的剩余电量信息，根据剩余电量信息调节第二供电功率，获取负载所需供电功率，根据负载所需供电功率和第二供电功率调节第一DC/DC模块，进而调整第一供电功率，第一供电功率和第二供电功率传递给逆变器后转换成负载所需的供电功率；

S3：控制器通过采集模块采集高压动力电池的剩余电量信息，若高压动力电池的剩余电量低于设定阈值范围，则通过电堆系统为高压动力电池充电，否则，回到步骤S1。