燃料电池混合动力汽车的气体置换系统及其控制方法
阅读说明：本技术 燃料电池混合动力汽车的气体置换系统及其控制方法 (Gas replacement system of fuel cell hybrid electric vehicle and control method thereof ) 是由 王波 吴星成 陈明 王子剑 贺翀 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃料电池混合动力汽车的气体置换系统及其控制方法,气体置换系统包括加气组件、氢瓶、氢瓶电磁阀、压力传感器、减压阀、手动排空阀,还包括置换开关、HMS氢系统控制器、上位机、蓄电池,HMS氢系统控制器与蓄电池硬线连接且置换开关设置于HMS氢系统控制器与蓄电池之间,HMS氢系统控制器与氢瓶电磁阀电性连接,所述HMS氢系统控制器与压力传感器与电性连接,上位机与HMS氢系统控制器电性连接。本发明独立设置置换开关控制HMS氢系统控制器的唤醒和休眠,优化了参与置换模式的控制器数量,降低能耗,实现氢系统控制器HMS对氢瓶瓶阀启闭的单独控制,避免对气体置换造成干扰。(The invention discloses a gas replacement system of a fuel cell hybrid electric vehicle and a control method thereof, wherein the gas replacement system comprises a gas filling assembly, a hydrogen bottle electromagnetic valve, a pressure sensor, a pressure reducing valve, a manual emptying valve, a replacement switch, a HMS hydrogen system controller, an upper computer and a storage battery, the HMS hydrogen system controller is in hard-line connection with the storage battery, the replacement switch is arranged between the HMS hydrogen system controller and the storage battery, the HMS hydrogen system controller is electrically connected with the hydrogen bottle electromagnetic valve, the HMS hydrogen system controller is electrically connected with the pressure sensor, and the upper computer is electrically connected with the HMS hydrogen system controller. The invention independently sets the replacement switch to control the awakening and dormancy of the HMS hydrogen system controller, optimizes the number of controllers participating in the replacement mode, reduces energy consumption, realizes the independent control of the hydrogen system controller HMS on the opening and closing of the hydrogen bottle valve, and avoids the interference on gas replacement.)
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车，具体地指一种燃料电池混合动力汽车的气体置换系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池混合动力车辆中，由于车载高压(35MPa/70MPa)氢瓶出厂前一般是使用氦气或者氦氮混合气(5％氦气+95％氮气)进行气密性测试，氢瓶上会有少许测试气体残留，为了尽可能排出残留气体，在燃料电池整车装配完成进行首次加氢前必须完成氢瓶内气体的置换工作，先进行若干次充进氮气然后排出的方式完成气密性残余气体的置换，此时氢瓶内剩余主要为氮气，然后进行若干次充入氢气并排出的方式完成氮气置换，确保氢瓶内为满足纯度要求的氢气。置换过程需要开启和关闭气瓶瓶阀，瓶阀的启闭由氢系统控制器HMS控制。同时利用上位机(外接电脑)监控瓶内压力状态，确保氢瓶压力变化在可控范围以内。
传统燃料电池混合动力汽车的置换控制，需要整车钥匙ON档上电后进行，无法单独唤醒氢系统控制器进行操作，而正常钥匙ON挡，会唤醒车上大部分控制器(诸如整车控制器VCU、燃电系统控制器FCU、动力电池控制器BMS等)，导致12V蓄电池负载增加，长时间进行置换操作存在蓄电池亏电风险，同时各控制器唤醒，因为彼此间信号交互，可能干扰置换时氢系统控制器HMS对氢瓶瓶阀启闭的单独控制。如何在满足置基本要求的前提下实现气体置换，尽可能减少参与控制的模块，简化控制系统，提高控制效率，并降低能耗，是燃料电池混合动力汽车亟待解决的技术问题。
因此，需要开发出一种结构简单、操作方便、无需整车钥匙ON档上电即可进行气体置换的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、操作方便、无需整车钥匙ON档上电即可进行气体置换的气体置换系统及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种燃料电池混合动力汽车的气体置换系统，其特征在于，包括管道连接的加气组件、氢瓶、氢瓶电磁阀、压力传感器、减压阀、手动排空阀，所述加气组件与氢瓶入口端连接用于供应气体，所述氢瓶出口端沿气体流向依次连接氢瓶电磁阀、压力传感器、减压阀、手动排空阀后通向车外；
还包括置换开关、HMS氢系统控制器、上位机、蓄电池，所述HMS氢系统控制器与蓄电池硬线连接，所述置换开关设置于HMS氢系统控制器与蓄电池之间用于控制通断，所述HMS氢系统控制器与氢瓶电磁阀电性连接用于控制其启闭，所述HMS氢系统控制器与压力传感器与电性连接用于向压力传感器分配电源且所述压力传感器向HMS氢系统控制器实时反馈排气压力，所述上位机与HMS氢系统控制器电性连接用于显示、监控排气压力。
优选的，所述加气组件包括氮气源、氢气源、加气设备，所述加气设备设置两个进气口分别与氮气源、氢气源连通，所述加气设备出口端沿气体流向依次设置压力表和加氢口，所述加氢口与氢瓶入口端连接。
进一步的，所述加氢口与氢瓶间设有仅允许气体朝氢瓶入口端流动的单向阀。
进一步的，所述氮气源、氢气源、加气设备均在出口端设有手动阀。
优选的，所述置换开关电性输入端与蓄电池硬线连接、电性输出端与HMS氢系统控制器硬线连接，所述置换开关设有ON档和OFF档，所述置换开关位于ON档时蓄电池、氢系统控制器间导通，所述置换开关位于OFF档时HMS氢系统控制器、蓄电池间断开。
本发明还提供一种燃料电池混合动力汽车的气体置换控制方法，包括以下步骤：
步骤一、确认整车钥匙在OFF档；
步骤二、氢瓶排气
a.操作置换开关将HMS氢系统控制器、蓄电池之间导通，整车进入置换模式，HMS氢系统控制器收到蓄电池发出的导通信号后完成唤醒；
b.HMS氢系统控制器控制与氢瓶出口端连通的氢瓶电磁阀开启，操作氢瓶电磁阀后方的手动排空阀将氢瓶内气体排出车外，实时监测氢瓶排气压力并调整手动排空阀开度，在排气压力到达预设排气压力P2时操作手动排空阀停止氢瓶排气；
c.操作置换开关将HMS氢系统控制器、蓄电池之间断开，HMS氢系统控制器收到蓄电池发出的断开信号后控制氢瓶电磁阀关闭，HMS氢系统控制器进入休眠状态；
步骤三、气体置换
以向氢瓶内加注氮气至预设充气压力P1后再重复步骤二为一次氮气置换，重复进行多次氮气置换至达到预设氮气置换次数N1；以向氢瓶内加注氢气至预设充气压力P1后再重复步骤二为一次氢气置换，重复进行多次氢气置换至达到预设氢气置换次数N2，整车完成置换过程，退出置换模式。
优选的，步骤三中，向氢瓶内加注氮气至预设充气压力P1具体为：手动开启氮气源和加气设备，使氮气源内氮气经加气设备通向氢瓶，直到氢瓶内压力达到预设充气压力P1，再手动关闭氮气源和加气设备；
向氢瓶内加注氢气具体为：手动开启用于供应氢气的氢气源和加气设备，使氢气源内氢气经加气设备通向氢瓶，直到氢瓶内压力达到预设充气压力P1，再手动关闭氢气源和加气设备。
进一步的，所述氢瓶内压力通过观察设置于加气设备出口端的压力表得到。
优选的，步骤二的b中，实时监测氢瓶排气压力并调整手动排空阀开度具体为：
HMS氢系统控制器向压力传感器分配电源，压力传感器开始工作并向HMS氢系统控制器实时反馈排气压力，上位机从HMS氢系统控制器获取排气压力并实时显示，观察上位机显示的排气压力，根据排气压力与预设排气压力P2差值调整手动排空阀开度。
进一步的，所述置换开关设有ON档和OFF档，步骤二的a中，操作置换开关位于ON档将HMS氢系统控制器12、蓄电池14之间导通；步骤二的c中，操作置换开关位于OFF档将HMS氢系统控制器、蓄电池之间断开。
本发明的有益效果为：
1.独立设置置换开关控制HMS氢系统控制器的唤醒和休眠，优化了参与置换模式的控制器数量，尽可能减少用电器件的参与，降低能耗，实现氢系统控制器HMS对氢瓶瓶阀启闭的单独控制，避免对气体置换造成干扰。
2.手动操作向氢瓶内充气，排气时只唤醒一个必要的HMS氢系统控制器，简化了置换控制逻辑提升效率。
3.减少蓄电池负载，节约能耗，避免蓄电池亏电，独立设置的置换开关使功能定义更明确，操作更具有针对性，避免了误操作的发生，上位机监控瓶内压力状态，确保氢瓶压力变化在可控范围以内
附图说明
图1为本发明气体置换系统的结构图
图2为本发明气体置换控制方法的流程图
其中：1-氢瓶2-氢瓶电磁阀3-压力传感器4-减压阀5-手动排空阀6-单向阀7-氮气源8-氢气源9-加气设备10-加氢口11-置换开关12-HMS氢系统控制器13-上位机14-蓄电池15-压力表。
具体实施方式
下面结合附图和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混合动力汽车的气体置换系统，包括管道连接的加气组件、氢瓶1、氢瓶电磁阀2、压力传感器3、减压阀4、手动排空阀5，加气组件与氢瓶1入口端连接用于供应氦气和氢气，氢瓶1出口端沿气体流向依次连接氢瓶电磁阀2、压力传感器3、减压阀4、手动排空阀5后通向车外；加气组件包括氮气源7、氢气源8、加气设备9，加气设备9设置两个进气口分别与氮气源7、氢气源8连通，加气设备9出口端沿气体流向依次设置压力表15和加氢口10，加氢口10与氢瓶1入口端连接，加氢口10与氢瓶1间设有仅允许气体朝氢瓶1入口端流动的单向阀6。
本发明中气体流动方向为从前至后，氮气源7、氢气源8、加气设备9均在出口端设有手动阀，压力表15可显示氢瓶1内部压力，压力表15设置于加气设备9的手动阀后方，压力表15位于加气设备9的手动阀和加氢口10之间。
气体置换系统还包括置换开关11、HMS氢系统控制器12、上位机13、蓄电池14，HMS氢系统控制器12与蓄电池14硬线连接，置换开关11设置于HMS氢系统控制器12与蓄电池14之间用于控制二者的通断，HMS氢系统控制器12与氢瓶电磁阀2电性连接用于控制氢瓶电磁阀2的启闭，HMS氢系统控制器12与压力传感器3与电性连接用于向压力传感器3分配电源，压力传感器3向HMS氢系统控制器12实时反馈排气压力，上位机13与HMS氢系统控制器12电性连接用于读取、监测压力传感器3测得的排气压力。
置换开关11电性输入端与蓄电池14硬线连接、电性输出端与HMS氢系统控制器12硬线连接，置换开关11设有ON档和OFF档，所述置换开关11位于ON档时蓄电池14、氢系统控制器12间导通，所述置换开关11位于OFF档时HMS氢系统控制器12、蓄电池14间断开。
以上部件中：氢瓶1固定在车上，与加氢口10通过管路连接，用于存储气体(氮气/氢气)。氢瓶电磁阀2可根据HMS氢系统控制器12的电源分配实现电磁阀的通断，HMS氢系统控制器12向氢瓶电磁阀2分配电源时氢瓶电磁阀2开启，停止分配电源时氢瓶电磁阀2关闭，从而对下游管路进行气体供给或截止供给。压力传感器3可采集瓶内原始压力信号转换成数字压力信号发送给HMS氢系统控制器12。减压阀4用于将瓶内高压气体调节至下游需求的压力范围。手动排空阀5用于将从减压阀4调压后的低压气体手动排出。单向阀6用于限制进气流动方向。加氢口10与加气设备9机械连接，用于传输从加气设备加入的置换气体(氮气/氢气)，并通过管路输送到氢瓶1内。HMS氢系统控制器12用于对压力传感器3分配电源同时采集其反馈的数字压力信号，HMS氢系统控制器12接收置换开关11硬线信号并控制氢瓶电磁阀2的电源分配和通断，与上位机13进行信号交互。置换开关11与HMS氢系统控制器12进行硬线连接，用于置换模式下HMS氢系统控制器12的唤醒和休眠，同时将置换开关11布置在左侧行李箱盖板下方，仅用于置换模式操作，避免误操作的发生。上位机13与HMS氢系统控制器12进行信号交互，读取HMS氢系统控制器12输出的数字压力信号并显示排气压力。蓄电池14为电源，朝HMS氢系统控制器12供电。本实施例中上位机13为外接电脑，蓄电池14为12V电池。
如图2所示，上述燃料电池混合动力汽车的气体置换系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、确认整车钥匙在OFF档；
步骤二、氢瓶排气
a.操作置换开关11位于ON档，将HMS氢系统控制器12、蓄电池14之间导通，整车进入置换模式，HMS氢系统控制器12收到蓄电池14发出的导通信号高电平信号后完成唤醒；
b.HMS氢系统控制器12控制氢瓶电磁阀2开启，手动开启手动排空阀5将氢瓶1内气体排出车外，实时监测氢瓶1排气压力并调整手动排空阀5开度，具体为HMS氢系统控制器12向压力传感器3分配电源，压力传感器3开始工作并向HMS氢系统控制器12实时反馈排气压力，上位机13从HMS氢系统控制器12获取排气压力并实时显示，实时观察上位机13显示的排气压力，根据排气压力与预设排气压力P2差值调整手动排空阀5开度(差值必定＞0，随着差值逐渐变小，操作手动排空阀5开度逐渐减小)；操作人员在排气压力到达预设压力P2(本实施例中P2＝0.5MPa)时关闭手动排空阀5停止氢瓶1排气，
c.操作置换开关11位于OFF档将HMS氢系统控制器12、蓄电池14之间断开，HMS氢系统控制器12收到蓄电池14发出的断开信号后控制氢瓶电磁阀2关闭、压力传感器3停止工作，HMS氢系统控制器12进入休眠状态；
步骤三、气体置换
以向氢瓶1内加注氮气至预设充气压力P1后再重复步骤二为一次氮气置换，向氢瓶1内加注氮气至预设充气压力P1具体为：手动开启氮气源7和加气设备9，使氮气源7内氮气经加气设备9通向氢瓶1，观察压力表15直到氢瓶1内压力达到预设充气压力P1(本实施例中P1＝2.5MPa)，再手动关闭氮气源7和加气设备9，重复进行多次氮气置换至达到预设氮气置换次数N1(本实施例中N1＝5)；
以向氢瓶1内加注氢气至预设充气压力P1后再重复步骤二为一次氢气置换，向氢瓶1内加注氢气至预设充气压力P1具体为：手动开启氢气源8和加气设备9，使氢气源8内氢气经加气设备9通向氢瓶1，观察压力表15直到氢瓶1内压力达到预设充气压力P1(本实施例中P1＝2.5MPa)，再手动关闭氢气源8和加气设备9，重复进行多次氢气置换至达到预设氢气置换次数N2(本实施例中N2＝5)；
整车完成置换过程，退出置换模式。
一般情况下，气瓶经过出厂气密性测试后其内部压力为几个兆帕，必定大于预设排气压力P2，氮气置换次数N1、氢气置换次数N2、预设排气压力P2、预设充气压力P1均可根据需求进行调整。
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