燃料电池汽车的燃料气体置换系统及其控制方法
阅读说明：本技术 燃料电池汽车的燃料气体置换系统及其控制方法 (Fuel gas replacement system for fuel cell vehicle and control method thereof ) 是由 吴星成 陈明 王波 贺翀 王子剑 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃料电池汽车的燃料气体置换系统及其控制方法,燃料气体置换系统包括供气主管路和至少一个储气瓶管路,各储气瓶管路均包括气瓶和瓶口组合阀,各瓶口组合阀均与供气主管路连通,所述供气主管路包括依次连通的氢气加注口、单向阀、减压器、主压力传感器、氢体积浓度比传感器,所述氢体积浓度比传感器的出口分成并联的两路,一路设置排空电磁阀后与大气连通,另一路直通燃料电池；各瓶口组合阀均连接于单向阀与减压器之间且其中一储气瓶管路上设有压力传感器。本发明在供气主管路上设置了氢体积浓度比传感器,可得知置换后气瓶流出气体的氢体积浓度比是否达到要求,从而准确判断气体置换是否完成,快捷高效。(The invention discloses a fuel gas replacement system of a fuel cell automobile and a control method thereof, wherein the fuel gas replacement system comprises a gas supply main pipeline and at least one gas storage cylinder pipeline, each gas storage cylinder pipeline comprises a gas cylinder and a cylinder mouth combination valve, each cylinder mouth combination valve is communicated with the gas supply main pipeline, the gas supply main pipeline comprises a hydrogen filling port, a one-way valve, a pressure reducer, a main pressure sensor and a hydrogen volume concentration ratio sensor which are sequentially communicated, the outlet of the hydrogen volume concentration ratio sensor is divided into two paths which are connected in parallel, one path is communicated with the atmosphere after being provided with an evacuation electromagnetic valve, and the other path is communicated with a fuel cell; each bottle mouth combination valve is connected between the one-way valve and the pressure reducer, and a pressure sensor is arranged on one gas storage bottle pipeline. According to the invention, the hydrogen volume concentration ratio sensor is arranged on the gas supply main pipeline, so that whether the hydrogen volume concentration ratio of the gas flowing out of the gas cylinder after replacement meets the requirement can be known, and whether the gas replacement is completed can be accurately judged, and the method is fast and efficient.)
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车，具体地指一种燃料气体置换系统及其控制方法。
背景技术
随着化石能源的存储量越来越少，对于汽车行业来说，新能源类型的动力越受重视，其中就有燃料电池。燃料电池汽车是一种利用燃料气体(例如氢气)作为燃料与氧气反应产生电能的交通工具，因其运行过程中不产生污染，目前燃料电池汽车的应用越来越广泛，尤其是氢燃料电池汽车。
在燃料电池汽车中，用于储存燃料气体的储气瓶在装车前都是储存有少量惰性气体(例如氮气)，储气系统装车后，在新车系统测试前，需用燃料气体(例如氢气)置换出储气瓶中的惰性气体，使储气瓶内氢气体积占比达到要求，从而才能正式开始整个系统的运行测试或车辆运转。
中国专利公开号CN 110015203A公开了一种燃料电池汽车及其燃料气体保压和置换控制系统，以解决燃料气体，尤其是氢气置换过程的电磁阀控制问题。该专利具有如下缺陷：1.主电磁阀出口仅通向燃料电池，氢气瓶在置换过程中排出的惰性气体将直接进入燃料电池，对其造成较大损伤；2.瓶口组合阀无其它紧急排气通道，一旦瓶口电磁阀故障无法将气体紧急排空，安全性较差；3.无任何设备对气瓶排出的气体进行检测，无法判断何时气体置换完成；4.置换步骤中只披露了将瓶口电磁阀和主电磁阀开启，但气体置换明显不可能一次完成，而如何置换、置换何时完成无法得知，无法形成完整的置换流程，操作效率低、安全性差。
因此，需要开发出一种结构简单、可将气瓶内部待置换气体排放大气、准确判断气体置换完成的燃料气体置换系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、安全性高、可将气瓶内部待置换气体排放大气、准确判断气体置换完成的燃料气体置换系统及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种燃料电池汽车的燃料气体置换系统，包括供气主管路和至少一个储气瓶管路，各储气瓶管路包括储气瓶和设置于储气瓶上将其启闭的瓶口组合阀，各瓶口组合阀均与供气主管路连通，其特征在于：
所述供气主管路包括依次连通的氢气加注口、单向阀、减压器、主压力传感器、氢体积浓度比传感器，所述氢体积浓度比传感器的出口分成并联的两路，一路设置排空电磁阀后与大气连通，另一路直通燃料电池；各瓶口组合阀均连接于单向阀与减压器之间且其中一储气瓶管路在与供气主管路连接处至瓶口组合阀之间设有压力传感器。
优选的，所述瓶口组合阀包括沿储气瓶排气方向依次设置的过温保护器、温度传感器、溢流阀、过滤器、瓶口电磁阀、第一手动阀，所述瓶口组合阀还包括与瓶口电磁阀、第一手动阀形成的整体进行并联的第二手动阀，所述第二手动阀的入口端连接于过滤器与瓶口电磁阀之间、出口端连接于第一手动阀与供气主管路之间。
进一步的，所述第一手动阀常态下开启，所述第二手动阀常态下关闭。
进一步的，所述主压力传感器、氢体积浓度比传感器、排空电磁阀、压力传感器、温度传感器、瓶口电磁阀均与氢气管理系统HMS电性连接。
优选的，还包括设于储气瓶管路附近、用于检测氢泄漏的环境氢浓度传感器，所述环境氢浓度传感器与氢气管理系统HMS电性连接。
上述任一所述燃料电池汽车的燃料气体置换系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过置换开关向氢气管理系统HMS发出置换信号，氢气管理系统HMS开始检测燃料气体置换系统状态，若状态不正常则向整车控制器VCU发出信息，整车控制器VCU向仪表发出相关信息进行显示，若状态正常则进行下一步；
步骤二、氢气管理系统HMS向整车控制器VCU发出置换请求，整车控制器VCU开始检测整车状况，若不满足置换条件则向仪表发出相关信息进行显示，若满足置换条件则进行下一步；
步骤三、通过氢体积浓度比传感器检测氢体积浓度比V0，预设氢体积浓度比目标值V1，当V0＜V1时则进行下一步；
步骤四、控制各瓶口组合阀使各储气瓶开启且控制排空电磁阀为关闭状态，通过氢气加注口向各储气瓶充氢气，实时监测储气瓶管路上的压力直至达到预设充气压力a；
开启排空电磁阀，实时监测储气瓶管路上的压力直至达到预设排气压力b，预设排气压力b＜预设充气压力a，控制各瓶口组合阀使各储气瓶关闭且关闭排空电磁阀；
步骤五、通过氢体积浓度比传感器检测氢体积浓度比Vo，
若V0≥V1则直接进行下一步；
若V0＜V1则重复步骤四和五，直到V0≥V1再进行下一步；
步骤六、氢气管理系统HMS向整车控制器VCU发送信号表示置换完成，关闭置换开关，置换结束。
优选的，步骤一中检测燃料气体置换系统状态包括：检测排空电磁阀状态、检测各瓶口组合阀状态、检测储气瓶管路附近的环境氢气浓度CH2、检测储气瓶管路上的压力P1、检测供气主管路上减压器后方的压力P2、检测储气瓶内的温度T，若排空电磁阀为关闭状态、各瓶口组合阀为关闭气瓶状态、CH2、P1、P2、T均在预设限值内，则为正常状态，否则为不正常状态。
进一步的，所述环境氢气浓度CH2由设置于储气瓶管路附近的环境氢浓度传感器测定，所述压力P1由压力传感器测定，所述压力P2由主压力传感器测定，所述温度T由瓶口组合阀内包含的温度传感器测定。
优选的，步骤二中整车状况包括整车高压电和车速，置换条件为整车高压电已下且车速均为零。
优选的，步骤四中储气瓶管路上的压力由压力传感器测定。
本发明的有益效果为：
1.供气主管路的出口分成并联的两路，分别与大气和燃料电池连通，因此在气体置换时气瓶内的惰气可直接通大气，不会进入燃料电池，避免对燃料电池造成损伤。
2.供气主管路上设置了氢体积浓度比传感器，可得知置换后气瓶流出气体的氢体积浓度比是否达到要求，未达到则继续进行置换，从而可通过氢体积浓度比传感器准确判断气体置换是否完成，快捷高效。
3.瓶口组合阀内设有常开的第一手动阀和常关的第二手动阀，一旦瓶口电磁阀失效无法开启，则手动关闭第一手动阀，手动开启第二手动阀可完成紧急排气，因此整个系统灵活性较高、安全性较好。
4.各储气瓶管路均连接于供气主管路上，因此充放气时各储气瓶管路压力相同，在其中一储气瓶管路上设置压力传感器即可，通过压力传感器得到所有储气瓶管路压力，简单方便。
5.控制方法通过控制排空电磁阀、瓶口组合阀中的瓶口电磁阀向气瓶内充排气，通过监测供气主管路上的氢体积浓度比准确判断气体置换是否完成，完成后关闭排空电磁阀、瓶口组合阀，未完成则继续充排气，直至达到氢体积浓度比达到要求。整个置换过程清楚流畅，操作性高。
附图说明
图1为本发明燃料电池汽车的燃料气体置换系统示意图
图2为充气时燃料电池汽车的燃料气体置换系统中气体流向图
图3为排气时燃料电池汽车的燃料气体置换系统中气体流向图
图4为燃料电池汽车的燃料气体置换控制原理图
图5为燃料电池汽车的燃料气体置换方法的流程图
其中：1-气瓶2-瓶口组合阀3-单向阀4-减压器5-主压力传感器6-氢体积浓度比传感器7-排空电磁阀8-压力传感器9-过温保护器10-温度传感器11-溢流阀12-过滤器13-瓶口电磁阀14-第一手动阀15-第二手动阀16-环境氢浓度传感器17-氢气加注口20-燃料电池。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种燃料电池汽车的燃料气体置换系统，包括供气主管路和至少一个储气瓶管路，各储气瓶管路均包括储气瓶1和设置于储气瓶上将其启闭的瓶口组合阀2，各瓶口组合阀2均与供气主管路连通，供气主管路包括依次连通的氢气加注口17、单向阀3、减压器4、主压力传感器5、氢体积浓度比传感器6，氢体积浓度比传感器6的出口分成并联的两路，一路设置排空电磁阀7后与大气连通，另一路直通燃料电池20；各瓶口组合阀2均连接于单向阀3与减压器4之间且其中一储气瓶管路在与供气主管路连接处至瓶口组合阀2之间设有压力传感器8。本实施例储气瓶管路为2条，供气主管路上气体流动方向为从前至后方向。氢体积浓度比传感器6为市售设备。
瓶口组合阀2包括沿储气瓶1排气方向依次设置的过温保护器9、温度传感器10、溢流阀11、过滤器12、瓶口电磁阀13、第一手动阀14，瓶口组合阀2还包括与瓶口电磁阀13、第一手动阀14形成的整体进行并联的第二手动阀15，第二手动阀15的一个端口连接于第一手动阀14与供气主管路之间、另一端口连接于过滤器12与瓶口电磁阀13之间，第一手动阀14常态下开启，第二手动阀15常态下关闭。本实施例中，第一手动阀14与供气主管路连接。
本系统还包括设于储气瓶管路附近、用于检测氢泄漏的环境氢浓度传感器16，瓶口电磁阀13、温度传感器10、氢体积浓度比传感器6、主压力传感器5、压力传感器8、排空电磁阀7、环境氢浓度传感器16均与氢气管理系统HMS电性连接。
本实施例中，气瓶1主要用于储存氢气。瓶口组合阀2安装在气瓶1的瓶口，用于氢气的供应、储存。单向阀3用于气体加注时防止回流，提高氢气加注稳定性。减压器4可实现将储气瓶1内的高压氢气进行减压，输出与燃料电池需求匹配的中压氢气。主压力传感器5用于检测供气主管路经减压器4减压后的压力。氢体积浓度比传感器6用于检测储气瓶1流入到供气主管路中气体内部的氢气体积浓度比。排空电磁阀7用于将储氢瓶排出气体通向大气。压力传感器8用于检测储气瓶管路上的压力，在瓶口电磁阀13开启时，压力传感器8此处检测的压力也可视为气瓶1内压力。过温保护器9用于防止储气瓶内气瓶温度过高，超过预设范围则会将内部气体排放。温度传感器10用于监测储气瓶1内气体温度。溢流阀11用于防止管路流量异常增大，流量超过预设范围则将气体排放。过滤器12用于过滤气体杂质。瓶口电磁阀13用于控制气瓶1瓶口的启闭。第一手动阀14常态开启，当瓶口电磁阀13发生故障时，手动关闭第一手动阀14，手动开启第二手动阀15，将储气瓶进行紧急排空。氢气加注口17用于向储气瓶加注氢气。环境氢浓度传感器16用于检测周围环境氢气泄漏情况。
本置换系统的工作原理为：
如图2所示，置换过程向储气瓶1充气时，HMS控制各瓶口电磁阀13开启、排空电磁阀7关闭，氢气加注口17向储气瓶1加注氢气；如图3所示，置换过程储气瓶1排气时，HMS控制各瓶口电磁阀13开启、排空电磁阀7开启，储气瓶1内气体经排空电磁阀7排放至大气。充气、排气压力均由压力传感器8监测，当氢体积浓度比传感器6检测到排出气体的氢体积浓度比≥氢体积浓度比目标值，则置换过程完成。
如图4所示，整车上还设有置换开关与氢气管理系统HMS电性连接，氢气管理系统HMS与整车控制器VCU电性连接，整车控制器VCU与仪表电性连接，氢气管理系统HMS与整车控制器VCU均为现有燃料电池汽车上的控制部件。置换开关闭合后发出信号唤醒HMS、HMS再唤醒VCU和仪表。本实施例中，VCU主要用于根据HMS发出的置换请求监测整车是否具备置换条件；仪表用于提示置换过程的状态，HMS与VCU间硬线电性连接，VCU与仪表间硬线电性连接。
如图5所示，上述燃料电池汽车的燃料气体置换系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、闭合置换开关，向氢气管理系统HMS发出置换信号，氢气管理系统HMS开始检测燃料气体置换系统状态，检测燃料气体置换系统状态包括：检测排空电磁阀7状态、检测各瓶口电磁阀13状态、通过环境氢浓度传感器16检测储气瓶管路附近的环境氢气浓度CH2、通过压力传感器8检测储气瓶管路上的压力P1、通过主压力传感器5检测供气主管路上的压力P2、通过温度传感器10检测气瓶内的温度T，若排空电磁阀7为关闭状态、瓶口电磁阀13为关闭气瓶状态、CH2、P1、P2、T均在预设限值内，则为正常状态，否则为不正常状态；
若状态不正常则向整车控制器VCU发出信息，整车控制器VCU向仪表发出相关信息进行显示，仪表则会显示“HMS自检异常，请诊断”进行提示，若状态正常则进行下一步。
步骤二、氢气管理系统HMS向整车控制器VCU发出置换请求，整车控制器VCU开始检测整车状况，整车状况包括整车高压电和车速，置换条件为整车高压电已下且车速均为零，若不满足置换条件则向仪表发出相关信息进行显示，仪表显示“检测到整车有高压，不满足置换条件”或“检测到车速不为零，不满足置换条件”；若满足置换条件则进行下一步；
步骤三、VCU向HMS发出“允许置换”指令，HMS通过氢体积浓度比传感器6检测氢体积浓度比V0，预设氢体积浓度比目标值V1，当V0＜V1时则进行下一步；
步骤四、HMS控制所有瓶口电磁阀13开启且控制排空电磁阀7关闭，通过氢气加注口2向所有储气瓶1充氢气，HMS通过压力传感器8实时监测储气瓶管路上的压力直至其为预设充气压力a；
HMS开启排空电磁阀7，HMS通过压力传感器8实时监测储气瓶管路上的压力直至其降低至预设排气压力b，预设排气压力b＜预设充气压力a，HMS控制所有瓶口电磁阀13关闭且关闭排空电磁阀7；
步骤五、通过氢体积浓度比传感器6检测氢体积浓度比V0，
若Vo≥V1则直接进行下一步；
若Vo＜V1则重复步骤四和五，直到V0≥V1再进行下一步；
步骤六、氢气管理系统HMS向整车控制器VCU发送信号表示置换完成，关闭置换开关，置换结束。
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