一種車載燃料電池氫氣管理系統的製作方法

2023-10-04 11:20:59

本實用新型涉及燃料電池領域，尤其是涉及一種車載燃料電池氫氣管理系統。

背景技術：

燃料電池是一種電化學反應裝置，直接將化學能轉換為電能。根據電解質的不同，可以分為質子交換膜燃料電池，鹼性燃料電池，磷酸型燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。質子交換膜燃料電池工作溫度低，電流密度大，響應速度快，性能穩定。而且反應生成物只有水，不存在腐蝕性。因此，質子交換膜燃料電池在車輛交通和備用電源等領域具有廣闊的市場前景。

目前車用燃料電池氫氣系統大多採用35MPa或70MPa高壓儲氫，再經二級或多級減壓至合適的壓力範圍供給電堆。氫氣系統在燃料電池工作過程中需要為電堆提供足夠流量和壓力的燃料，並實時監測氫氣的剩餘量，為了安全考慮，還需實時監測環境中氫氣的洩露量，氫瓶溫度等，在出現緊急情況時採取必要措施保證系統安全。

氫氣系統在轎車或者客車上集成布置的位置與燃料電池控制器存在一定的距離，而瓶閥、傳感器等需要供電並回傳信號給控制器，若氫氣系統零部件採用分立電氣連接方式受控制器驅動，無疑增加了電氣連接數量和複雜度，遺留大量故障點，且增加了燃料電池控制器負擔。

技術實現要素：

本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種車載燃料電池氫氣管理系統，集成氫氣系統驅動和監測功能於一體，提高氫氣控制系統穩定性和安全性。

本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種車載燃料電池氫氣管理系統，包括氫氣控制單元以及分別與所述的氫氣控制單元連接的氫瓶電磁閥、氫瓶壓力傳感器、溫度傳感器和氫氣濃度傳感器，所述的氫瓶電磁閥、氫瓶壓力傳感器和溫度傳感器分別與車載的高壓氫氣瓶連接，所述的氫氣濃度傳感器的探頭設置在高壓氫氣瓶上方環境中，所述的氫氣控制單元通過CAN與車載燃料電池控制器通信連接，傳輸數據並接收控制指令。

所述的氫瓶電磁閥、氫瓶壓力傳感器、溫度傳感器和氫氣濃度傳感器分別由氫氣控制單元通過電纜連接供電。

所述的氫氣控制單元是氫氣管理系統的核心，用於採集溫度、壓力、氫氣濃度信號傳輸給燃料電池控制器，並接收控制信號驅動瓶閥開啟和關閉，包括：

電源處理電路，分別與氫瓶電磁閥、氫瓶壓力傳感器、溫度傳感器和氫氣濃度傳感器連接；

模擬信號採集電路，分別與電源處理電路、氫瓶壓力傳感器、溫度傳感器和氫氣濃度傳感器連接；

驅動電路，分別與電源處理電路和氫瓶電磁閥連接；

通信電路，分別與電源處理電路和車載燃料電池控制器連接。

所述的氫氣管理系統還包括中壓壓力傳感器，所述的中壓壓力傳感器設置在氫瓶電磁閥與燃料電池之間的管路上，與氫氣控制單元連接，相對於儲氫瓶中350bar或700bar高壓而言，經過一級減壓後管路壓力大約10-30bar，稱為中壓段。

所述的中壓壓力傳感器與氫瓶電磁閥之間設有溢流閥。

所述的氫氣管理系統還包括與高壓氫氣瓶瓶口連接的放空口，所述的高壓氫氣瓶瓶口與放空口之間設有易熔栓。

所述的放空口與易熔栓之間設有阻火器。

所述的氫氣管理系統還包括氫氣加注口，所述的氫氣加注口設置在氫瓶電磁閥與燃料電池之間的管路上。

所述的氫氣加注口與燃料電池之間的管路上設有減壓閥。

所述的氫氣加注口與燃料電池之間的管路上設有過濾器和單向閥。

與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：

(1)氫瓶電磁閥、氫瓶壓力傳感器和溫度傳感器分別與氫氣控制單元連接，可實現車載儲氫系統加氫控制、供氫控制以及安全監測等功能，實現了車載氫氣系統的集中管理控制，氫氣控制單元承擔車載氫氣系統控制任務，只需通過CAN通信向燃料電池控制器傳輸狀態信息，接收控制指令，減少了系統間線纜連接，降低了信號傳輸過程中丟失和易受幹擾的風險。

(2)氫氣管理系統可獨立進行前期氣密性測試和傳感器標定工作，以及後期故障診斷工作，不需要燃料電池控制器時刻保持在線控制。

(3)氫氣濃度傳感器安裝在氫氣易積聚的儲氫瓶上方，實時監測環境中氫氣濃度，由氫氣控制單元供電並採集信號，可靠性高。

(4)氫瓶電磁閥、氫瓶壓力傳感器、溫度傳感器和氫氣濃度傳感器分別由氫氣控制單元供電，無須外部電源，減少布線。

(5)氫氣控制單元可以集中完成氫氣管理系統內傳感器供電、信號採集和處理、驅動執行器、與燃料電池控制器通信等功能，結構簡單，硬體成本較低，穩定可靠。

(6)中壓壓力傳感器檢測中壓段氫氣壓力，一旦減壓閥失效，造成中壓段壓力過高，氫氣管理單元可立即關閉氫氣電磁閥，並向燃料電池控制器發出報警信息，保證向燃料電池輸送的氫氣壓力在正常範圍，保證供氫安全。

(7)中壓壓力傳感器與氫瓶電磁閥之間設有溢流閥，在中壓段壓力過高、氫氣電磁閥未關閉時，起到保護作用。

(8)高壓氫氣瓶連接有放空口，瓶口與放空口之間設有易熔栓，保證儲氫安全。

(9)放空口與易熔栓之間設有阻火器，在溫度超限，氫氣通過放空口緊急排空時，可防止外部火源侵入。

(10)氫氣加注口與燃料電池之間的管路上設有減壓閥、過濾器和單向閥，在氫氣加注過程中通過壓力傳感器及溫度傳感器實時反饋氫瓶內氣體壓力和溫度，氫氣控制單元與加氫機通信控制加氫過程的開始和結束，以及加氫速度，防止加氫過快造成溫升過高引起安全問題，過濾器可防止雜物進入氫氣加注管路，單向閥起到防止氣體通過加注管道向外洩露作用。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。本實施例以本實用新型技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護範圍不限於下述的實施例。

實施例

如圖1所示，一種車載燃料電池氫氣管理系統，包括氫氣控制單元15以及分別與氫氣控制單元15連接的氫瓶電磁閥4、氫瓶壓力傳感器2、溫度傳感器5和氫氣濃度傳感器16，氫瓶電磁閥4、氫瓶壓力傳感器2和溫度傳感器5分別與車載的高壓氫氣瓶1連接，氫氣濃度傳感器16的探頭設置在高壓氫氣瓶1上方環境中，氫氣控制單元15通過CAN與車載燃料電池控制器通信連接。圖中虛線表示電氣連接。

氫瓶電磁閥4、氫瓶壓力傳感器2、溫度傳感器5和氫氣濃度傳感器16分別由氫氣控制單元15通過電纜連接x供電。

氫氣控制單元15包括：

電源處理電路，分別與氫瓶電磁閥4、氫瓶壓力傳感器2、溫度傳感器5和氫氣濃度傳感器16連接；

模擬信號採集電路，分別與電源處理電路、氫瓶壓力傳感器2、溫度傳感器5和氫氣濃度傳感器16連接；

驅動電路，分別與電源處理電路和氫瓶電磁閥4連接；

通信電路，分別與電源處理電路和車載燃料電池控制器連接。

氫氣管理系統還包括中壓壓力傳感器11，中壓壓力傳感器11設置在氫瓶電磁閥4與燃料電池之間的管路上，與氫氣控制單元15連接，中壓壓力傳感器11與氫瓶電磁閥4之間設有溢流閥7。

氫氣管理系統還包括與高壓氫氣瓶1瓶口連接的放空口9，高壓氫氣瓶1瓶口與放空口9之間設有易熔栓3，放空口9與易熔栓3之間設有阻火器8。

氫氣管理系統還包括氫氣加注口12，氫氣加注口12設置在氫瓶電磁閥4與燃料電池之間的管路上，氫氣加注口12與燃料電池之間的管路上設有減壓閥10、過濾器13和單向閥14。

本實用新型可實現車載儲氫系統加氫控制、供氫控制以及安全監測等功能。

氫氣管理系統加氫控制主要包括氫氣不足提醒和加氫過程控制。氫氣不足提醒是通過壓力傳感器2檢測氫瓶內剩餘氫氣壓力，判斷是否低於設定壓力值，若低於設定值，氫氣控制單元15與加氫機通訊，提醒需要加氫。加氫過程控制主要是在氫氣加注過程中通過壓力傳感器2及溫度傳感器5實時反饋氫瓶內氣體壓力和溫度，與加氫機通信控制加氫過程的開始和結束，以及加氫速度，防止加氫過快造成溫升過高引起安全問題。

氫氣管理系統供氫控制主要是氫氣控制單元15控制氫瓶電磁閥4開啟為燃料電池電堆提供氫氣，燃料電池系統停機時控制氫瓶電磁閥4及時關閉。氫氣控制單元15與燃料電池控制器通信，接收控制器發送的指令，並向控制器反饋瓶閥開啟狀態。

氫氣管理系統的安全監測功能包括儲氫系統安全、供氫安全和氫氣洩漏安全。儲氫系統安全主要是氫氣控制單元15通過壓力傳感器2及溫度傳感器5實時採集氫瓶壓力和溫度，一旦溫度超限，易熔栓3熔斷，氫氣通過放空口9緊急排空，且阻火器8可防止外部火源侵入，同時氫氣控制單元15向燃料電池控制器發送報警信息。供氫安全主要是氫氣控制單元15通過中壓壓力傳感器11檢測中壓段氫氣壓力，一旦減壓閥10失效，造成中壓段壓力過高，氫氣管理單元15立即關閉氫氣電磁閥4，並向燃料電池控制器發出報警信息。氫氣洩漏安全主要是通過氫氣濃度傳感器16實時監測環境中氫氣濃度，根據氫氣濃度制定分級報警策略，嚴重時採取緊急關閉氫氣電磁閥4向燃料電池控制器發出報警信息等措施，保證設備和乘員安全。