CN115923515A - 一种低能耗车载氢安全监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低能耗车载氢安全监测控制系统，包括车载氢控制器、安全监测模块、氢安全判断模块、运行控制模块、电源模块、电源管理模块；安全监测模块通过部署在车载氢系统上的设备监测单元、氢安全监测单元及环境监测单元来采集车载氢系统安全数据；氢安全判断模块用于分析安全监测模块采集的监测数据;运行控制模块用于对车载氢系统的加氢状态监测及控制及供氢状态监测及控制；电源模块通过电源管理模块为车载氢控制器供电，电源模块包括并联的整车电源及移动电源；车载氢控制器还同时与加氢枪、燃料电池电堆控制器、整车终端及远端监管平台电连接。本发明具有在车辆启动及车辆断电时均能对车辆进行氢安全监测的优点。

Description

一种低能耗车载氢安全监测控制系统

技术领域

本发明涉及氢安全监测技术领域，具体涉及一种低能耗车载氢安全监测控制系统。

背景技术

基于氢气的易燃易爆特性，用氢安全是当前困扰燃料电池汽车产业发展的核心问题，作为燃料电池车辆的储氢系统和供氢系统，车载氢系统的安全性受到行业广泛关注。车载氢系统由多个高压储氢瓶、输氢管路及相关阀门、仪表等辅件组成，具有结构紧凑、高度集成及安装在受限空间等特点，一旦发生车载氢系统安全失效极易引发火灾、燃爆等重大安全事故，对人民生命财产安全造成严重威胁。目前车载氢系统所使用的安全监测装置仅面向燃料电池车辆启动状态的安全监测，未考虑当车辆带氢运输或集中停放等整车断电状态或装置低供能状态下的氢安全监测和控制问题。随着国内燃料电池示范应用政策落地，燃料电池汽车产业化进程日益临近，未来大规模产业化应用过程中车辆跨区域集中运输或停放场景多面向车辆断电状态，因此开发一种不管车辆处于启动状态、还是停车断电状态时均能对车辆进行氢安全监测的系统显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种不管车辆处于启动状态、还是停止断电状态时均能对车辆进行氢安全监测的低能耗车载氢安全监测控制系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种低能耗车载氢安全监测控制系统，包括车载氢控制器、安全监测模块、氢安全判断模块、运行控制模块、电源模块、电源管理模块；

安全监测模块：通过部署在车载氢系统上的设备监测单元、氢安全监测单元及环境监测单元来采集车载氢系统安全数据，以对车载氢系统状态进行实时安全监测；安全监测模块同时与车载控制器及氢安全判断模块电连接；其中，通过设备监测单元所采集的信息至少应包括储氢瓶温度、压力、储氢量、储氢瓶年检信息及储氢瓶寿命信息；通过氢安全监测单元所采集的信息至少应包括系统氢泄漏、加氢温度、加氢压力、加氢流速、供氢温度、供氢压力、供氢流速、振动等级及火灾信息；通过环境监测单元所采集的信息至少应包括环境温度、湿度及位置信息；

氢安全判断模块：同时与车载氢控制器、安全监测模块及运行控制模块电连接，氢安全判断模块用于分析安全监测模块采集的监测数据，以判断车载氢系统的安全状态、故障信息及报警等级，其中，安全状态判断包括氢泄漏判断、高低压判断、高低温判断；

运行控制模块：与车载氢控制器及氢安全判断模块电连接，运行控制模块用于对车载氢系统的加氢状态监测及控制、以及供氢状态监测及控制；

电源模块：通过电源管理模块与车载氢控制器电连接，用于为车载氢控制器供电，电源模块包括并联的整车电源及移动电源；

电源管理模块：能通过检测整车电源是否供电来判断此时车辆处于启动状态还是停车断电状态；当车辆处于启动状态时，通过整车电源为车载氢控制器供电，当车辆处于停车断电状态时，通过移动电源为车载氢控制器供电；

所述车载氢控制器通过红外模块能与加氢枪信号连接，所述车载氢控制器同时与燃料电池电堆控制器及整车终端电连接，所述车载氢控制器与远端监管平台TCP连接。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：安全监测模块的采集频率是：当车辆为启动状态时，如车载氢系统正常，数据采集频率为：每10～60分钟采集一次，如车载氢系统异常，数据采集频率为：每5～30分钟采集一次；当车辆为停车断电状态时，如车载氢系统正常，数据采集频率为：每30分种～1小时采集一次，如车载氢系统异常，数据采集频率为：每5～30分钟采集一次。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：氢安全判断模块对车载氢系统的氢泄漏异常采用四级报警，数值范围为0～第一阈值时为不报警的安全区间，数值范围为第一阈值～第二阈值时采用一级报警，数值范围为第二阈值～第三阈值时采用二级报警；数值范围大于第三阈值时采用三级报警，传感器故障时采用四级报警；其中，第一阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为0.5％或浓度值达到(10000±500)ppm；第二阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为1.2％或浓度值达到(16000±500)ppm；第三阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为2.8％或浓度值达到(20000±500)ppm；

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：氢安全判断模块对车载氢系统的压力异常采用三级报警；数值范围为0～第一阈值时为不报警的安全区间，数值范围为第一阈值～第二阈值时采用一级报警；数值范围大于第二阈值时采用二级报警，传感器故障时采用三级报警；其中，第一阈值为储氢瓶额定工作压力，三型瓶为35MPa，四型瓶为70MPa；第二阈值为1.4倍储氢瓶额定工作压力，三型瓶为48.5MPa,四型瓶为87.5MPa。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：氢安全判断模块对车载氢系统的温度异常采用三级报警；温度小于-40℃时采用一级报警，温度为-40℃～85℃时为不报警的安全区间，温度大于85℃时采用二级报警，传感器故障时采用三级报警。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：氢安全判断模块对车载氢系统的氢泄漏异常、压力异常、温度异常的处置方式为：光报警、声报警、电磁阀启停、移动端推送中的一种或多种。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：当车载氢系统的储氢瓶n≤5时，移动电源的电池容量为2000kw，当车载氢系统的储氢瓶n＞5，移动电源的电池容量为[V＝2000+168X(n-5)]kw。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：安全监测模块、氢安全判断模块、运行控制模块三者均通过插接连接方式固定在车载氢控制器的主控制PCB电路板上。

进一步地，前述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其中：车载氢控制器的主控制PCB电路板的基本线宽设置为8～12mil，电源线线宽设置为28～30mil，最小间距设置为8mil。

通过上述技术方案的实施，本发明的有益效果是：(1)不管车辆处于启动状态、还是停止断电状态时均能对车辆进行氢安全监测，提高了车载储氢瓶的用氢安全；(2)车载控制器采用分级架构设计，实现单独的数据采集、数据存储分析及系统控制功能，提高了车载控制器的稳定性和可靠性，同时方便电子元件拆装及重复利用；(3)通过监测车载氢系统车辆运行状态及车载氢系统安全监测情况实时调整监测数据采集频率，平衡了高效监测与低供能之间的矛盾。

附图说明

图1为本发明所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统的结构原理示意图。

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。

如图1所示，所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，包括车载氢控制器1、安全监测模块2、氢安全判断模块3、运行控制模块4、电源模块5、电源管理模块6；

安全监测模块2：通过部署在车载氢系统7上的设备监测单元8、氢安全监测单元9及环境监测单元10来采集车载氢系统7安全数据，以对车载氢系统7状态进行实时安全监测；安全监测模块2同时与车载控制器1及氢安全判断模块3电连接；其中，通过设备监测单元8所采集的信息至少应包括储氢瓶温度、压力、储氢量、储氢瓶年检信息及储氢瓶寿命信息；通过氢安全监测单元9所采集的信息至少应包括系统氢泄漏、加氢温度、加氢压力、加氢流速、供氢温度、供氢压力、供氢流速、振动等级及火灾信息；通过环境监测单元10所采集的信息至少应包括环境温度、湿度及位置信息；

氢安全判断模块3：同时与车载氢控制器1、安全监测模块2及运行控制模块4电连接，氢安全判断模块3用于分析安全监测模块2采集的监测数据，以判断车载氢系统7的安全状态、故障信息及报警等级，其中，安全状态判断包括氢泄漏判断、高低压判断、高低温判断；

运行控制模块4：与车载氢控制器1及氢安全判断模3块电连接，运行控制模块4用于对车载氢系统7的加氢状态监测及控制、以及供氢状态监测及控制；

电源模块5：通过电源管理模块6与车载氢控制器1电连接，用于为车载氢控制器1供电，电源模块5包括并联的整车电源51及移动电源52；

电源管理模块6：能通过检测整车电源51是否供电来判断此时车辆处于启动状态还是停车断电状态；当车辆处于启动状态时，通过整车电源51为车载氢控制器1供电，当车辆处于停车断电状态时，通过移动电源52为车载氢控制器1供电；

所述车载氢控制器1通过红外模块11能与加氢枪12信号连接，当加氢枪12与车辆的加氢口连接完成后，加氢枪12通过红外模块11向车载氢控制器1发送加氢枪加氢指令，车载氢控制器1接收到加氢枪加氢指令后，通过运行控制模块4实现加氢过程控制；

所述车载氢控制器1通过RS-485接口与燃料电池电堆控制器13电连接，当车载氢控制器1接收到燃料电池电堆控制器13发送的供氢指令后，通过运行控制模块4实现供氢过程控制；

所述车载氢控制器1通过CAN通讯接口与整车终端14电连接，实现监测数据上传与异常预报警；

所述车载氢控制器1能与远端监管平台15TCP连接，实现监测数据上传与异常预报警；

在本实施例中，如表一所示，安全监测模块2的采集频率是：当车辆为启动状态时，如车载氢系统正常，数据采集频率为：每10～60分钟采集一次，如车载氢系统异常，数据采集频率为：每5～30分钟采集一次；当车辆为停车断电状态时，如车载氢系统正常，数据采集频率为：每30分种～1小时采集一次，如车载氢系统异常，数据采集频率为：每5～30分钟采集一次；

表一

在本实施例中，如表二所示，氢安全判断模块对车载氢系统的氢泄漏异常采用四级报警，数值范围为0～第一阈值时为不报警的安全区间，数值范围为第一阈值～第二阈值时采用一级报警，数值范围为第二阈值～第三阈值时采用二级报警；数值范围大于第三阈值时采用三级报警，传感器故障时采用四级报警；其中，第一阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为0.5％或浓度值达到(10000±500)ppm；第二阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为1.2％或浓度值达到(16000±500)ppm；第三阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为2.8％或浓度值达到(20000±500)ppm；并且氢安全判断模块3对车载氢系统7的氢泄漏异常的处置方式为：光报警、声报警、电磁阀启停、移动端推送中的一种或多种。

表二

在本实施例中，如表三所示，氢安全判断模块对车载氢系统的压力异常采用三级报警；数值范围为0～第一阈值时为不报警的安全区间，数值范围为第一阈值～第二阈值时采用一级报警；数值范围大于第二阈值时采用二级报警，传感器故障时采用三级报警；其中，第一阈值为储氢瓶额定工作压力，三型瓶为35MPa，四型瓶为70MPa；第二阈值为1.4倍储氢瓶额定工作压力，三型瓶为48.5MPa,四型瓶为87.5MPa；并且氢安全判断模块3对车载氢系统7的压力异常的处置方式为：光报警、声报警、电磁阀启停、移动端推送中的一种或多种；

表三

在本实施例中，如表四所示，氢安全判断模块对车载氢系统的温度异常采用三级报警；温度小于-40℃时采用一级报警，温度为-40℃～85℃时为不报警的安全区间，温度大于85℃时采用二级报警，传感器故障时采用三级报警；并且氢安全判断模块3对车载氢系统7的温度异常的处置方式为：光报警、声报警、电磁阀启停、移动端推送中的一种或多种；

表四

当车载氢系统的储氢瓶n≤5时，移动电源的电池容量为2000kw，当车载氢系统的储氢瓶n＞5，移动电源的电池容量为[V＝2000+168X(n-5)]kw；在本实施例中，安全监测模块2、氢安全判断模块3、运行控制模块4三者均通过插接连接方式固定在车载氢控制器1的主控制PCB电路板上；采用了分级架构设计，实现单独的数据采集、数据存储、及系统控制功能，提高了车载氢控制器的稳定性和可靠性，同时方便电子元件拆装及重复利用；在本实施例中，车载氢控制器7的主控制PCB电路板的基本线宽设置为8～12mil，电源线线宽设置为28～30mil，最小间距设置为8mil，这种设置方式可以进一步提高车载氢控制器1的可靠性和稳定性。

本发明的优点是：(1)不管车辆处于启动状态、还是停止断电状态时均能对车辆进行氢安全监测，提高了车载储氢瓶的用氢安全；(2)车载控制器采用分级架构设计，实现单独的数据采集、数据存储分析及系统控制功能，提高了车载控制器的稳定性和可靠性，同时方便电子元件拆装及重复利用；(3)通过监测车载氢系统车辆运行状态及车载氢系统安全监测情况实时调整监测数据采集频率，平衡了高效监测与低供能之间的矛盾。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：包括车载氢控制器、安全监测模块、氢安全判断模块、运行控制模块、电源模块、电源管理模块；

安全监测模块：通过部署在车载氢系统上的设备监测单元、氢安全监测单元及环境监测单元来采集车载氢系统安全数据，以对车载氢系统状态进行实时安全监测；安全监测模块同时与车载控制器及氢安全判断模块电连接；其中，通过设备监测单元所采集的信息至少应包括储氢瓶温度、压力、储氢量、储氢瓶年检信息及储氢瓶寿命信息；通过氢安全监测单元所采集的信息至少应包括系统氢泄漏、加氢温度、加氢压力、加氢流速、供氢温度、供氢压力、供氢流速、振动等级及火灾信息；通过环境监测单元所采集的信息至少应包括环境温度、湿度及位置信息；

氢安全判断模块：同时与车载氢控制器、安全监测模块及运行控制模块电连接，氢安全判断模块用于分析安全监测模块采集的监测数据，以判断车载氢系统的安全状态、故障信息及报警等级，其中，安全状态判断包括氢泄漏判断、高低压判断、高低温判断；

运行控制模块：与车载氢控制器及氢安全判断模块电连接，运行控制模块用于对车载氢系统的加氢状态监测及控制、以及供氢状态监测及控制；

电源模块：通过电源管理模块与车载氢控制器电连接，用于为车载氢控制器供电，电源模块包括并联的整车电源及移动电源；

电源管理模块：能通过检测整车电源是否供电来判断此时车辆处于启动状态还是停车断电状态；当车辆处于启动状态时，通过整车电源为车载氢控制器供电，当车辆处于停车断电状态时，通过移动电源为车载氢控制器供电；

所述车载氢控制器通过红外模块能与加氢枪信号连接，所述车载氢控制器同时与燃料电池电堆控制器及整车终端电连接，所述车载氢控制器与远端监管平台TCP连接。

2.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：安全监测模块的采集频率是：当车辆为启动状态时，如车载氢系统正常，数据采集频率为：每10～60分钟采集一次，如车载氢系统异常，数据采集频率为：每5～30分钟采集一次；当车辆为停车断电状态时，如车载氢系统正常，数据采集频率为：每30分种～1小时采集一次，如车载氢系统异常，数据采集频率为：每5～30分钟采集一次。

3.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：氢安全判断模块对车载氢系统的氢泄漏异常采用四级报警，数值范围为0～第一阈值时为不报警的安全区间，数值范围为第一阈值～第二阈值时采用一级报警，数值范围为第二阈值～第三阈值时采用二级报警；数值范围大于第三阈值时采用三级报警，传感器故障时采用四级报警；其中，第一阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为0.5%或浓度值达到（10000±500）ppm；第二阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为1.2%或浓度值达到（16000±500）ppm；第三阈值为氢浓度传感器监测到空气中氢含量为2.8%或浓度值达到（20000±500）ppm。

4.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：氢安全判断模块对车载氢系统的压力异常采用三级报警；数值范围为0～第一阈值时为不报警的安全区间，数值范围为第一阈值～第二阈值时采用一级报警；数值范围大于第二阈值时采用二级报警，传感器故障时采用三级报警；其中，第一阈值为储氢瓶额定工作压力，三型瓶为35MPa，四型瓶为70MPa；第二阈值为1.4倍储氢瓶额定工作压力，三型瓶为48.5MPa,四型瓶为87.5MPa。

5.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：氢安全判断模块对车载氢系统的温度异常采用三级报警；温度小于-40℃时采用一级报警，温度为-40℃～85℃时为不报警的安全区间，温度大于85℃时采用二级报警，传感器故障时采用三级报警。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：氢安全判断模块对车载氢系统的氢泄漏异常、压力异常、温度异常的处置方式为：光报警、声报警、电磁阀启停、移动端推送中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：当车载氢系统的储氢瓶n≤5时，移动电源的电池容量为2000kw，当车载氢系统的储氢瓶n＞5，移动电源的电池容量为[V=2000+168 X（n-5）]kw。

8.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：安全监测模块、氢安全判断模块、运行控制模块三者均通过插接连接方式固定在车载氢控制器的主控制PCB电路板上。

9.根据权利要求1所述的一种低能耗车载氢安全监测控制系统，其特征在于：车载氢控制器的主控制PCB电路板的基本线宽设置为8～12mil，电源线线宽设置为28～30mil，最小间距设置为8mil。

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