具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統的製作方法
2023-04-23 11:54:11 1
專利名稱：具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統。
背景技術：
燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑發生電化學反應時產生的化學能轉變成電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極由一張質子交換膜和夾在膜兩面的兩張可導電多孔性擴散材料(如碳紙)組成，在質子交換膜與導電材料接觸的兩邊界面上均勻分布有細小分散的可引發電化學反應的催化劑(如金屬鉑)。膜電極兩邊用導電物體將發生電化學反應過程中產生的電子通過外電路引出，就構成了電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，並在催化劑表面發生電化學反應，失去電子形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端-陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體(如空氣)，通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，並在催化劑表面發生電化學反應，得到電子形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的正離子結合，形成反應產物。
在以氫氣為燃料、以含有氧氣的空氣為氧化劑(或以純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區發生失去電子的催化電化學反應，形成氫正離子(質子)，其電化學反應方程式為 H2→2H++2e 氧氣在陰極區發生得到電子的催化電化學反應，形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的氫正離子結合，形成反應產物水。其電化學反應方程式為 1/2O2+2H++2e→H2O 燃料電池中的質子交換膜除了用於發生電化學反應以及遷移交換反應中產生的質子外，其作用還包括將含有燃料氫氣的氣流與含有氧化劑(氧氣)的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆炸式反應。
在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極一般放在兩塊導電的極板之間，兩極板上均開設有導流槽，因此又稱作導流極板。導流槽開設在與膜電極接觸的表面上，通過壓鑄、衝壓或機械銑刻形成，其數量在一條以上。導流極板可以由金屬材料製成，也可以由石墨材料製成。導流極板上的導流槽的作用是將燃料或氧化劑分別導入膜電極兩邊的陽極區或陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極和兩塊導流極板，兩塊導流極板分設在膜電極兩邊，一個作為陽極燃料的導流極板，另一個作為陰極氧化劑的導流極板。這兩塊導流極板既作為電流集流板，也是膜電極兩邊的機械支撐。導流極板上的導流槽既是燃料或氧化劑進入陽極或陰極表面的通道，也是將電池運行過程中生成的水帶走的出水通道。
為了增大質子交換膜燃料電池的功率，通常將兩個或兩個以上的單電池通過直疊的方式或平鋪的方式連在一起組成電池組，或稱作電池堆。這種電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。在電池組中，位於兩質子交換膜之間的極板的兩面都設有導流槽，稱為雙極板。雙極板的其中一面作為一個膜電極的陽極導流面，另一面則作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面。一個典型的電池組通常還包括1)、燃料及氧化劑氣體的進口和導流通道。其作用是將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；2)、冷卻流體(如水)的進、出口與導流通道。其作用是將冷卻流體均勻地分布到各個電池組內的冷卻通道中，吸收燃料電池內產生的反應熱並將其帶出電池組進行散熱；3)、燃料與氧化劑氣體的出口與導流通道。其作用是將沒有參與反應的多餘燃料氣體和氧化劑排出，同時將反應生成的液態或氣態的水帶出。上述燃料進出口、氧化劑進出口和冷卻流體的進出口通常都開設在燃料電池組的一個端板上或分別開設在兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可製作成移動式或固定式的發電系統。
燃料電池發電系統一般由以下幾個部分組成燃料電池堆、燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制子系統和電能輸出子系統。
圖1是上海神力科技有限公司「一種帶有動態控制裝置的燃料電池」(發明專利申請號200410016609.4，實用新型專利申請號200420020471.0)中的一種由燃料電池發動機監控器來實現動態控制運行的燃料電池發電系統。該燃料電池發電系統包括燃料電池堆1，氫氣瓶2，減壓閥3，空氣過濾器4，空氣壓縮供應裝置5，水一汽分離器6，水箱7，水泵8，散熱器9，氫氣循環泵10，氫氣路旋轉式可以動態控制增溼度的增溼器11，空氣路旋轉式可以動態控制增溼度的增溼器12，旋轉式增溼器可調速馬達13，13』，氫氣進口管路上的氫氣相對溼度傳感器14、氫氣溫度傳感器15和壓力傳感器19，空氣進口管路上的空氣相對溼度傳感器16、空氣溫度傳感器17和壓力傳感器20，冷卻流體進口管路上的冷卻流體溫度傳感器18和壓力傳感器21，氫氣出口管路上的氫氣溫度傳感器22和氫氣壓力傳感器23，冷卻流體出口管路上的冷卻流體溫度傳感器24和冷卻流體壓力傳感器25，空氣出口管路上的空氣溫度傳感器26和空氣壓力傳感器27，燃料電池堆工作電壓及各個單電池的工作電壓監控器28，燃料電池堆工作電流監控器29，負載自動切斷開關30，氫氣自動切斷電磁閥31。
上述燃料電池發電系統遵循以下原理與原則 a.燃料電池堆1輸出功率的允許值與冷卻流體進口管路上的冷卻流體溫度傳感器18的額定工作溫度有關，一般可以找到一種功率允許輸出值與傳感器18值的關係，傳感器18值越接近額定工作溫度，則允許輸出功率越大或越接近額定輸出功率； b.燃料電池堆1的輸出功率與向燃料電池供應的燃料氫氣流量以及空氣流量的匹配關係，按氫氣計量比1.2計算，空氣計量比2.0計算； c.氫氣相對溼度傳感器14與空氣相對溼度傳感器16分別與氫氣溫度傳感器15、空氣溫度傳感器17及氫氣、空氣的壓力有關，可以找到該種氣體流量在某種壓力、溫度條件下達到某種相對溼度的關係曲線，一般來說，該氣體流量越大，溫度越高，壓力越低，越難達到該氣體高相對溼度值；相反，該氣體流量越小，溫度越低，壓力越高，該氣體較易達到該氣體高相對溼度值； d.旋轉式增溼器旋轉速度越快，進燃料電池的氫氣或空氣的溫度與相對溼度都越高。
按照上述燃料電池發電系統運行的原理或原則，採用燃料電池發電系統控制子系統，通過對燃料電池工作溫度、輸出功率需求及對傳感器14、15、16、17、18值進行監控並計算，確定對旋轉式增溼器的旋轉電機的轉速設定控制，並同時確定對氫氣流量、空氣流量的控制，使燃料電池堆在任何功率輸出要求的功況下實現1.輸出功率與工作溫度的關聯控制；2.輸出功率與氫氣流量、空氣流量的關聯控制(其中氫氣流量與空氣流量按輸出功率要求計量比分別是1.2、2.0控制氫氣循環泵電機轉速及空氣泵電機轉速來實現)；3.氫氣流量與空氣流量分別與相應的可以實現動態增溼調解控制的增溼裝置中的電機轉速進行並聯動態控制，使進入燃料電池堆中的任何流量下的氫氣、空氣都保持最佳相對溼度(70％～95％中間的某一數值)；4.根據外界天氣溫度與溼度的情況，調解與控制方法同第3點，並達到與第3點相同的目的。最終目的是使燃料電池堆在任何功率輸出要求的功況下實現高效能運行與在最佳工作條件下運行，燃料電池堆不但可以有最佳的燃料效率，而且可以大大延長工作壽命。
所以整個燃料電池發動機或整個發電系統中的控制子系統對實現燃料電池發動機或發電系統的安全、高效能以及長壽命運行是至關重要的。
在安全保障方面，主要是當燃料電池發動機或發電系統中的控制子系統探測到某個工作參數，如溫度、壓力、溼度、電流、電壓異常時可及時報警，並同時執行燃料電池發動機的自我保護，如切斷負載，切斷燃料氫氣供應。
另一方面當燃料電池發電系統作為測試燃料電池堆性能的功能使用或對燃料電池整個發電系統的運行條件進行診斷時，燃料電池發電系統中的控制子系統必須同時監測並顯示所有工作參數如溫度、壓力、溼度、電壓、單電池電壓等。為了優化燃料電池堆或整個燃料電池發電系統的運行條件，整個發電系統的子系統必須隨時可以對運行工作中的任何一個溫度、壓力、溼度、電流、電壓進行修正。
目前，對燃料電池發電系統運行的各種工作參數進行監測的技術主要有以下兩種一種是當燃料電池發電系統用作測試燃料電池堆性能的功能使用時，或對燃料電池整個發電系統的運行條件進行診斷時，用計算機系統進行監測與控制。例如上海神力科技公司的專利技術(中國專利號200410017449.5)可對燃料電池發電系統運行各種工作參數如溫度、壓力、溼度、電壓、各個單電池電壓等進行監測，並可以對運行工作條件中的某一個參數進行直接控制、修正。另一種是當燃料電池發電系統作為車載動力系統使用，或用作可移動式發電站時，直接由監控器實現監測與控制。
上述兩種對燃料電池發電系統運行的各種工作參數進行監測的技術有以下不足之處 1、用計算機系統監測燃料電池發電系統運行各種參數如溫度、壓力、溼度、電壓、燃料電池中的各個單電池電壓，雖比較直觀，但是計算機系統往往是比較笨重的設備，在燃料電池發電系統用作車載、船載等動力系統或作為經常移動的發電設備時，要求燃料電池發電系統不但要抗震動，而且要系統簡便、輕量化，而計算機系統往往無法達到要求。
2、直接由監控器監測燃料電池發電系統運行各種工作參數，如溫度、壓力、溼度、電壓，燃料電池中各個單電池電壓，沒有直觀感。燃料電池發電系統運行操作者無法隨時對該系統是否處於正常狀態進行直觀地判斷。監控器往往是在燃料電池發電系統運行工作參數中某個參數達到危險的極限時才報警、關機。這樣，往往無法使運行操作者知道燃料單電池發電系統趨向非正常的過程，也失去了人為介入調整工作參數的機會。
為了克服上述不足之處，上海神力科技有限公司曾公開過「具有運行參數監視功能的燃料電池發電系統」(發明專利申請號200410068064.1，實用新型專利申請號200420109753.8)中的一種具有運行參數監視功能的燃料電池發電系統，包括燃料電池堆和自動控制子系統，所述自動控制子系統包括設置在氫氣進口管路上的氫氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣進口管路上的空氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體進口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在氫氣出口管路上的氫氣溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體出口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣出口管路上的空氣溫度傳感器和壓力傳感器，以及燃料電池堆工作電壓及各個單電池的工作電壓監控器和燃料電池堆工作電流監控器；所述自動控制子系統還包括一套如圖2所示的運行參數監視機構，該運行參數監視機構包括CAN總線32、CAN接口單片機控制板33、液晶顯示驅動板34和液晶顯示屏35。CAN總線32的輸入端連接選定的各傳感器和監控器接收選定的工作運行參數數據/信號並將其傳輸到CAN接口單片機控制板33，CAN接口單片機控制板33採集CAN接口數據/信號並將數據/信號格式進行轉換傳輸到液晶顯示驅動板34，液晶顯示驅動板34對各種工作運行參數進行數據/信號處理、轉換後傳輸到液晶顯示屏35驅動液晶顯示屏進行正確顯示。
這套系統雖然能實現對燃料電池發電系統各項選定的運行參數的直觀監控，又可方便地用作車載、船載動力系統，或用作可移動式發電設備，但是駕駛員無法在運行途中直觀觀察與監控。而傳統的燃油發動機大巴、轎車和船等，駕駛員儀錶盤一般只顯示車速、發動機轉速、發動機工作溫度和油箱儲油量。採用燃料電池發動機的大巴、遊覽車、轎車和船，上述儀錶盤已經不適用了。
發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題而提供的一種具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，通過該系統，駕駛員可以直觀的監控燃料電池發動機大巴、轎車和船的整車工作的主要參數，一旦某些運行參數偏離正常範圍，可進行人工幹預。
本發明的目的是這樣實現的具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，該儀錶盤面板系統包括單或雙儀錶盤系統，其中至少一個儀錶盤系統設有監控板和控制按鈕；其特徵在於所述的儀錶盤監控板與燃料電池發動機的控制器和整車控制器實現CAN總線通訊，CAN總線的輸入端連接選定的包括設置在氫氣進口管路上的氫氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣進口管路上的空氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體進口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在氫氣出口管路上的氫氣溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體出口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣出口管路上的空氣溫度傳感器和壓力傳感器，以及燃料電池堆工作電壓及各個單電池的工作電壓監控器和燃料電池堆工作電流監控器的工作運行參數數據/信號，設置氫氣洩漏報警器，並將其傳輸到CAN接口單片機控制板，CAN接口單片機控制板採集CAN接口數據/信號並將數據/信號格式進行轉換傳輸到液晶顯示驅動板，液晶顯示驅動板對各種工作運行參數進行數據/信號處理、轉換後傳輸到液晶顯示屏驅動液晶顯示屏正確顯示在儀錶盤監控板上，所述的控制按鈕為兩個緊急控制按鈕。
所述的面板系統直接置於駕駛員儀錶盤上。
所述的液晶顯示屏設置在儀錶盤監控板上，液晶顯示驅動板和液晶顯示屏為市售產品。
所述的控制按鈕包括切斷燃料電池氫氣供應電磁閥的緊急控制按鈕和切斷燃料電池向動力總線供電的電控斷路器的緊急控制按鈕。
所述的單片機晶片內設置有系統控制軟體，選定所需顯示的燃料電池發電系統的工作運行參數的數目、種類和特點進行數據分析和格式轉換發送給液晶驅動板，對偏離正常狀態的工作參數進行標色，並將主要工作參數顯示到儀錶盤監控板上。
所述的氫氣報警範圍為氫氣濃度＜1％。
本發明一種具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統由於採用了上述的技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果 1、燃料電池發動機在運行中整車工作的主要參數直接顯示在儀錶盤上，設計者可以根據需要確定儀錶盤的顯示內容，並可以對某些偏離正常狀態的工作參數進行標色顯示，當某些運行參數偏離正常範圍，出現故障險情時，駕駛員可直觀監控及時檢出危險，保障安全。
2、駕駛員可隨時知道氫氣燃料還有多少，而且裝有氫氣傳感器，在氫氣臨界爆炸濃度的1％～10％探測出並報警，面板上設有緊急處理按鈕，可以人工幹預也可以通過CAN總線的某些實行器件，切斷燃料電池高壓氫氣供應電磁閥或切斷動力總線供電的斷路器。
通過以下對本發明一種具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統的一實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本發明的目的、具體結構特徵和優點。其中，附圖為 圖1是現有技術帶有動態控制裝置的燃料電池的基本組成示意圖； 圖2是現有技術具有運行參數監視功能的燃料電池發電系統中運行參數監視機構的原理框圖； 圖3是本發明實施例的雙儀錶盤面板系統界面示意圖； 圖4是本發明實施例的單儀錶盤面板系統界面示意圖。
具體實施例方式 本發明一種具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，該面板系統包括儀錶盤監控板和控制按鈕；所述的儀錶盤監控板與燃料電池發動機的控制器和整車控制器實現CAN總線通訊，CAN總線的輸入端連接選定的包括設置在氫氣進口管路上的氫氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣進口管路上的空氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體進口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在氫氣出口管路上的氫氣溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體出口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣出口管路上的空氣溫度傳感器和壓力傳感器，以及燃料電池堆工作電壓及各個單電池的工作電壓監控器和燃料電池堆工作電流監控器(以上各傳感器和監控器的安裝位置均如圖1所示)的工作運行參數數據/信號，並將其傳輸到CAN接口單片機控制板，CAN接口單片機控制板採集CAN接口數據/信號並將數據/信號格式進行轉換傳輸到液晶顯示驅動板，液晶顯示驅動板對各種工作運行參數進行數據/信號處理、轉換後傳輸到液晶顯示屏驅動液晶顯示屏正確顯示在儀錶盤監控板上。
以下通過一個具體實施例對本發明一種具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統作進一步說明。
一種100KW燃料電池發電系統，用作燃料電池大巴的動力系統。該燃料電池遊覽車的自動控制子系統採用一套運行參數監視機構控制整車的運行、停車、起動等所有狀態。該運行參數監視機構中的液晶顯示屏的長度為27cm、寬度為2.7cm、高度為19cm，重量為3公斤，放在遊覽車駕駛員的儀錶盤面板上方便駕駛員直觀監控，該儀錶盤可以與普通儀錶盤設計在同一面板上(如圖3所示)，也可以分別設在兩塊儀錶盤上(如圖4所示)。
本實施例中，CAN接口單片機控制板中可自行編制控制軟體，該控制軟體根據燃料電池發電系統運行各種參數的多少及特點確定，顯示屏顯示的主要工作運行參數包括燃料電池電壓、燃料電池電流、燃料電池堆水出口溫度、空氣出口溫度、氫氣工作壓力、氫氣瓶壓力、冷卻水壓力及單電池工作電壓等。這些工作參數由燃料電池發電機系統中的各傳感器和監控器監測後，經過信號處理轉化，以數據形式傳輸到CAN總線單片機控制板，再傳輸給LCD驅動板，並驅動LCD液晶顯示屏顯示，顯示內容如圖3所示，該液晶顯示屏設置在駕駛員儀錶盤面板上，該面板上還設有兩個控制按鈕36、37，一旦發生故障，可以通過控制按鈕36切斷高壓氫氣電磁閥，通過控制按鈕37切斷向動力總線供電的電控斷路器。
權利要求
1.具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，該儀錶盤面板系統包括單或雙儀錶盤系統，其中至少一個儀錶盤系統設有監控板和控制按鈕；其特徵在於所述的儀錶盤監控板與燃料電池發動機的控制器和整車控制器實現CAN總線通訊，CAN總線的輸入端連接選定的包括設置在氫氣進口管路上的氫氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣進口管路上的空氣相對溼度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體進口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在氫氣出口管路上的氫氣溫度傳感器和壓力傳感器，設置在冷卻流體出口管路上的冷卻流體溫度傳感器和壓力傳感器，設置在空氣出口管路上的空氣溫度傳感器和壓力傳感器，以及燃料電池堆工作電壓及各個單電池的工作電壓監控器和燃料電池堆工作電流監控器的工作運行參數數據/信號，設置氫氣洩漏報警器，並將其傳輸到CAN接口單片機控制板，CAN接口單片機控制板採集CAN接口數據/信號並將數據/信號格式進行轉換傳輸到液晶顯示驅動板，液晶顯示驅動板對各種工作運行參數進行數據/信號處理、轉換後傳輸到液晶顯示屏驅動液晶顯示屏正確顯示在儀錶盤監控板上，所述的控制按鈕為兩個緊急控制按鈕。
2.如權利要求1所述的具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，其特徵在於所述的面板系統直接置於駕駛員儀錶盤上。
3.如權利要求1所述的具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，其特徵在於所述的液晶顯示屏設置在儀錶盤監控板上，液晶顯示驅動板和液晶顯示屏為市售產品。
4.如權利要求1所述的具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，其特徵在於所述的控制按鈕包括切斷燃料電池氫氣供應電磁閥的緊急控制按鈕和切斷燃料電池向動力總線供電的電控斷路器的緊急控制按鈕。
5.如權利要求1所述的具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，其特徵在於所述的單片機晶片內設置有系統控制軟體，選定所需顯示的燃料電池發電系統的工作運行參數的數目、種類和特點進行數據分析和格式轉換發送給液晶驅動板，對偏離正常狀態的工作參數進行標色，並將主要工作參數顯示到儀錶盤監控板上。
6.如權利要求1所述的具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，其特徵在於所述的氫氣報警範圍為氫氣濃度＜1％。
全文摘要
本發明提供了具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，該儀錶盤面板系統包括單或雙儀錶盤系統，其中至少一個儀錶盤系統設有監控板和控制按鈕；所述的監控板與燃料電池發動機的控制器和整車控制器實現CAN總線通訊，CAN總線的輸入端連接選定各傳感器和監控器接收選定的工作運行參數數據/信號，並將其處理、轉換後傳輸到液晶顯示屏驅動液晶顯示屏正確顯示在監控板上，所述的控制按鈕為兩個緊急控制按鈕。本發明一種具有人性化的監控和控制功能的駕駛室儀錶盤面板系統，駕駛員可以直觀的監控燃料電池發動機大巴、轎車和船的整車工作的主要參數，一旦某些運行參數偏離正常範圍，出現故障險情，可進行人工幹預。
文檔編號B60K37/04GK101097157SQ200610028209
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月27日 優先權日2006年6月27日
發明者胡裡清, 付明竹, 磊 郭, 鮑軍輝 申請人:上海神力科技有限公司