CN219935228U - 一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的装置，包括氢系统控制器、以及与氢系统控制器通讯连接的高压压力传感器、中压压力传感器、氢气浓度传感器、主阀、第一集成式瓶阀和第二集成式瓶阀。高压压力传感器和中压压力传感器检测各自管路段的压力并转为电压信号上传到氢系统控制器，氢浓度传感器检测氢气泄漏聚集浓度量并转为电压值上传到氢系统控制器，集成式瓶阀内置温度传感器，其用于将气瓶内的温度数值转换为对应的电压数值信号，氢系统控制器通过接线读取电压数值逆向解析，得到实时的瓶内温度数据；氢系统控制器通过上述数据，兼顾了系统压力、氢气质量、温度和时间等因素，使得车载供氢系统微量泄漏的检测更精确。

Description

一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的装置

技术领域

本实用新型涉及车载供氢系统氢气泄露检测领域，尤其涉及到一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的控制方法。

背景技术

燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得的高含氢重整气。其中，氢气作为氢燃料电池汽车的燃料，由于其密度小、扩散能力强，所以极易发生泄漏，而且氢气具有易燃、易爆等特性，因此氢气泄漏的检测是保证燃料电池汽车安全运营的关键步骤。

现有技术中在燃料电池汽车上布置氢气浓度传感器构成的氢气泄露检测系统进行氢气泄漏检测。其中氢气浓度传感器安装在燃料电池汽车的驾驶舱内，其通过信号连接线连接控制器，控制器通过控制线连接蜂鸣器，并控制蜂鸣器发出报警声。当氢气泄漏到驾驶舱并达到一定浓度后，氢气浓度传感器才会发出电子信号给控制器，控制控制蜂鸣器进行报警。

上述方案适用于氢气泄漏程度较高且易于聚集被监测到的场景，由于氢气扩散能力强，逃逸性极好，若供氢系统发生微量泄漏，氢气会很快逃逸，而不能及时、准确的被氢气浓度传感器检测到。

为了解决上述问题，专利号为201911410762.8的专利文件公开了一种检测车载供氢系统氢气泄露的方法、装置及燃料电池汽车，所述方法包括：确定所述燃料电池汽车的当前工况；根据所述当前工况确定检测时间段；获取所述检测时间段内所述车载供氢系统的氢气泄露质量；根据所述氢气泄露质量和所述检测时间段计算氢气泄露率；判断所述氢气泄露率大于预设值时，确定所述车载供氢系统存在氢气泄露情况。

上述技术方案通过对比车辆熄火至再次启动前后供氢系统中氢气的质量或运行过程中供氢系统输出的氢气质量与燃料电池系统消耗的氢气总质量是否守恒判断不同工况下车载供氢系统氢气是否泄漏。

但是，由于当前主流氢系统没有安装流量计的设计方案，无法准确计算出运行过程中供氢系统输出的氢气质量。同时由于储氢系统微量泄露多发生于高压压力管路。根据专利号为201911410762.8的专利文件描述的方案-“在自检过程中预设时刻获取所述供氢系统中氢气压力”，在实际的储氢系统自检过程中，气瓶的瓶阀开启后会将气瓶内压力平衡到高压压力管路内，此时读取到的压力数据为气瓶内高压数值，无法计算出有明显的氢泄漏。上述技术方案仅从理论计算氢瓶氢气总质量是否守恒来判断是否存在泄漏，不符合储氢系统的实际运行原理。

因此，有必要设计一种供氢系统微量泄漏的检测控制方法，旨在实现氢气微量泄漏情况的提前预警，降低行车安全风险和氢气浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的控制方法，以实现氢气微量泄漏情况的提前预警，降低行车安全风险和氢气浪费。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的装置，包括氢系统控制器、以及与氢系统控制器通讯连接的高压压力传感器、中压压力传感器、氢气浓度传感器、主阀、第一集成式瓶阀和第二集成式瓶阀；

所述氢系统控制器还通过CAN接口分别与整车控制器和外部燃料电池控制器通讯连接，在整车控制器给氢系统控制器正常供电时，氢系统控制器从休眠状态被唤醒，根据外部燃料电池控制器的指令打开和关闭主阀5、第一集成式瓶阀和第二集成式瓶阀；

所述高压压力传感器设置在高压管路段，中压压力传感器设置在减压阀后端的中压管路段，高压压力传感器和中压压力传感器用于检测各自管路段的压力并转为电压信号上传到氢系统控制器，以实现氢系统控制器对车载供氢系统压力的监控读取和数值计算；

所述氢浓度传感器设置在氢系统气瓶舱内部集成式瓶阀安装位置的上方最高点，氢浓度传感器用于检测设定位置的氢气泄漏聚集浓度量并转为电压值上传到氢系统控制器，以实现氢系统控制器对氢气泄漏的监控和安全报警提示；

所述第一集成式瓶阀和第二集成式瓶阀内置温度传感器，其用于将气瓶内的温度数值转换为对应的电压数值信号，氢系统控制器通过接线读取电压数值逆向解析，得到实时的瓶内温度数据。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

氢系统控制器通过高压压力传感器、中压压力传感器、氢气浓度传感器和温度传感器获取其对应的数据，兼顾了系统压力、氢气质量、温度和时间等因素，使得车载供氢系统微量泄漏的检测更精确。

附图说明

图1是本实用新型所述的微量泄漏检测装置的电气原理图

图2是本实用新型所述控制方法的实施例1的流程图。

图3是本实用新型所述控制方法的实施例2的流程图。

图4是本实用新型所述控制方法的实施例3的流程图。

图5是本实用新型所述控制方法的实施例4的流程图。

图6是本实用新型实例的阀件管路PID连接原理图。

图7为本实用新型实例的高压管路连接投影图。

图8为本实用新型实例的阀件管路连接数模示意图之一。

图9为本实用新型实例的阀件管路连接数模示意图之二。

图10为本实用新型实例的实施例33的控制模型计算图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本实用新型。

一种供氢系统微量泄漏的检测控制方法的电气原理如图1所示，HMS连接集成式瓶阀61-62以及主阀50，由整车控制器(以下简称VCU)控制提供24V供电，供电电压正常的情况下，HMS即从休眠状态被唤醒工作，通过CAN接口(以下简称CANA)与外部燃料电池控制器(以下简称FCU)和整车控制器(以下简称VCU)通讯，根据外部控制器指令打开和关闭集成式瓶阀61-62以及主阀50。集成式瓶阀内置温度传感器，将气瓶内的温度数值转换为对应的电压数值信号，HMS通过接线读取电压数值逆向解析，得到实时的瓶内温度数据。

高压压力传感器20(后简称PH)和中压压力传感器30(后简称PM)在本实例中各配置一个，由HMS提供供电，高压压力传感器安装于高压管路段，中压压力传感器安装于减压阀后端的中压管路段，两者检测各自管路段的压力并转为电压信号上传到HMS，实现HMS对系统压力的监控读取和数值计算。

氢浓度传感器40在本实例中配置一个，位置设定在氢系统气瓶舱内部，集成式瓶阀上方最高点，由HMS提供供电，浓度传感器检测设定位置的氢气泄漏聚集浓度量并转为电压值上传到HMS，实现HMS对氢气泄漏的监控和安全报警提示。

本实用新型涉及的氢系统实例的阀件管路PID连接原理图如图6所示。

图中TPRD放空管路与两个集成式瓶阀的温度驱动安全泄压装置(后简称TPRD)连接，与大气直接连通。当储氢系统发生火烧情况下，集成式瓶阀内TPRD受热熔断，将气瓶内氢气通过绿色管路直接排放到大气中，避免安全隐患。

图中高压压力段管路的额定工作压力为35MPa，管路上的空心绿色箭头为加注氢气时的氢气流动方向，实心红色箭头为系统工作提供氢气时的氢气流动方向。

图中中压压力段管路连接在减压阀后端，高压段中的气体通过减压阀减压后压力范围为0-3MPa，主路经过主阀开关控制最终到达燃料电池系统内部，支路经过放空针阀通往放空口，最终排放至大气，用于人工维护系统时完成氢气排放操作。

实施例1

如图2所示，HMS在每一次休眠时需要记录下休眠前时刻的高压压力传感器读数并储存，作为历史存储高压压力数值P1。

如图6中所示，高压压力传感器的安装位置为高圧段管路，读到的实时数值为高压段管路内的氢气压力，氢系统的整体泄漏主要原因通常为管路的某个节点存在泄漏，因此如果系统确实有泄漏点，HMS在被唤醒后，未打开集成式瓶阀之前，从高压压力传感器读取到的实时高压数值P2将低于P1。

HMS上电后根据所需的数据，将P1与P2作差，得到上一轮运营周期最终的高压压力数值与当前时刻的高压压力数值的差值△P1。将△P1与事先设定的阈值进行比较，如果△P1大于设定值，说明系统可能存在泄漏值较小的漏点，需要触发报警提示司机在运营结束后安排排查。

由于压力与温度相关，如果进一步考虑到冬季或极寒地区的昼夜温差可能较大，对实施例1的判定会存在一定影响。因此可以在实施例1的基础上增加温度变化的计算得到实施例2。

实施例2

如图3所示，HMS在休眠时同时记录休眠前时刻的高压压力传感器读数和温度读数(平均温度)并存储，作为历史存储高压压力数值P1和历史存储温度数值T1。

HMS在被唤醒后，未打开集成式瓶阀之前，读取实时的高压数值P2与温度读数T2。根据理想气体方程P1/T1＝P2'/T2，计算得出当前时刻考虑到温度变化因素，预期的高压数值P2’。假设系统无泄漏，则P2与P2’数值应该相差不多，将P2’与P2作差，得到综合预期高压压力与当前实际高压压力的差值△P2，将△P2与事先设定的阈值进行比较，如果△P2大于设定值，说明系统可能存在泄漏值较小的泄漏点，需要触发报警提示司机在运营结束后安排排查。

实际应用中由于HMS采集的是气瓶内的温度值，严格意义上来说与管路内的温度值有差异，但正常情况下温度是渐变量，正常运营中车辆短时停放的过程中不会产生突变，而车辆夜间停放久置后最终管路内的温度与气瓶内的温度基本趋同，因此此处直接采用了气瓶内的温度替代管路内温度进行计算，后续方案同理。

氢气的扩散性极强，因此在高压段管路中的氢气无法保证其完全逃逸，当车辆长期停放不使用，管路中的气体最终会随时间缓慢逃逸，因此在实施例2的基础上增加停滞时长的计算和泄漏标准的定义得到实施例3。

实施例3

如图4所示，HMS在休眠时同时记录休眠前时刻的高压压力传感器读数、温度读数(平均温度)、时间信号并存储，作为历史存储高压压力数值P1、历史存储温度数值T1、历史存储时间记录C1。

HMS在被唤醒后，未打开集成式瓶阀之前，读取实时的高压数值P2、温度读数T2、时间记录C2。根据上述数据计算泄漏值K，其单位根据计算方案而定。

如流程图所示图一种简易的计算方案为计算压力的降低率，单位MPa/h。

△P＝P1-P2(负值取0)

△C＝C1-C2

K＝△P/△C

若泄漏值K大于设定阈值，说明系统可能存在泄漏值较小的漏点，需要触发报警提示司机在运营结束后安排排查。设定阈值各企业可以根据内部标准自行定义，常见较宽泛的标准可采用0.5MPa/h作为阈值定义。

一种进一步的方案为计算管路中的气体泄漏质量，单位mg。假设已知如下变量

管路内氢气压力值P(单位MPa)

管路内温度值T(单位℃)

管路内总体积V(单位L，等同于立方分米)

根据如下氢气质量计算公式(此处采用GTR13标准，也可采用其他标准)

按照上述公式根据P1、T1和P2、T2计算出对应的历史存储管路内气体质量M1和当前管路内气体质量M2，将M1与M2作差计算车辆停运后减少的质量值K(单位换算为mg)。

将C1与C2作差得到停放时长△C，引入泄漏率Y(单位mg/min)，系统高压管路漏点数量S，三者相乘，最终计算得出停放时长△C该储氢系统符合理论标准的泄漏质量ML。

将所有公式通过Simulink建模，输入当前供氢系统的所有物理量，即可快速计算得出实际泄漏质量K，和停放后的理论泄漏质量ML。

以图中计算案例说明，取泄漏率Y＝10cm3/h(08-406-2010-EU欧盟氢能源法规的外部泄漏测试标准泄漏率为10cm3/h)，车辆停放24小时，高压段与中压段所有可能漏点总计24处，此实例中采用存在2个漏点计算，最终管路内减少的质量为313.9mg，假设停放前后温度保持为15℃不变，停放前的高压压力值为35MPa，且加氢口、放空针阀、主阀无泄漏的情况下，则假设符合理论泄漏质量ML的情况下，停放后的高压压力值应该大约为29.78MPa。以实际为例，若停放前后结算的到高压管路内的泄漏质量K若大于理论泄漏质量ML，则认为系统存在较明显的泄漏点，实际判断条件可以根据各企业的内部标准自行定义判断条件或理论允许泄漏率Y的值。

实施例4

上述三种方案应用于对于车辆下电后的判断，沿用上述方案的逻辑增加对车辆运行中工况的考量，可以得到实施例4的方案。

氢燃料电池汽车实际运行中有混动模式(燃料电池系统工作发电给蓄电池充电，同时供给车辆运行)和纯电模式(燃料电池系统不工作，车辆使用蓄电池的电来运行)两种状态，通常当蓄电池的电量达到一定阈值后，VCU会进行将车辆切换为纯电运行模式。大多数车辆采用纯电模式运行时，燃料电池系统不启动，因此不会给HMS发送开启瓶阀的指令，高压管路与气瓶内部不连通，此时如果系统存在微量泄漏点，高压压力数值变化会更加明显。

实施例4的流程如图5所示。

HMS每次启动后首先进行自检流程，在自检流程中HMS强制打开瓶阀，释放氢气充满高压和中压管路，此时高压压力传感器读到的数值P1’为气瓶内部真实压力数值。当自检流程结束，瓶阀关闭后，若HMS未收到外部发送的开阀指令报文时，瓶阀始终保持关闭状态，此时高压压力传感器读到的数值P2’为高压管路内的压力数值，实时更新P2’，计算△P’＝P1'-P2'(负值取零)，同步更新瓶阀关闭后到当前时刻耗时△C’，计算压力下降率K’＝△P’/△C’，若K’大于设定阈值则触发微漏故障报警。

每次经过一次打开瓶阀和关闭瓶阀的流程后更新P1’数值，并重新开始计算△P’，重置微漏故障报警判定，该报警只做提示，不应影响燃电运行流程。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种用于检测车载供氢系统微量泄漏的装置，其特征在于，包括氢系统控制器(10)、以及与氢系统控制器(10)通讯连接的高压压力传感器(20)、中压压力传感器(30)、氢气浓度传感器(40)、主阀(50)、第一集成式瓶阀(61)和第二集成式瓶阀(62)；

所述高压压力传感器(20)设置在高压管路段，中压压力传感器(30)设置在减压阀后端的中压管路段，高压压力传感器(20)和中压压力传感器(30)用于检测各自管路段的压力并转为电压信号上传到氢系统控制器(10)，以实现氢系统控制器(10)对车载供氢系统压力的监控读取和数值计算；

所述氢浓度传感器(40)设置在氢系统气瓶舱内部集成式瓶阀安装位置的上方最高点，氢浓度传感器(40)用于检测设定位置的氢气泄漏聚集浓度量并转为电压值上传到氢系统控制器(10)，以实现氢系统控制器(10)对氢气泄漏的监控和安全报警提示；

所述第一集成式瓶阀(61)和第二集成式瓶阀(62)内置温度传感器，其用于将气瓶内的温度数值转换为对应的电压数值信号，氢系统控制器(10)通过接线读取电压数值逆向解析，得到实时的瓶内温度数据。

2.根据权利要求1所述的用于检测车载供氢系统微量泄漏的装置，其特征在于，所述氢系统控制器(10)通过CAN接口分别与整车控制器和外部燃料电池控制器通讯连接，在整车控制器给氢系统控制器(10)正常供电时，氢系统控制器(10)从休眠状态被唤醒，根据外部燃料电池控制器的指令打开和关闭主阀(50)、第一集成式瓶阀(61)和第二集成式瓶阀(62)。