加氢控制装置及方法与流程

本发明涉及加氢技术领域，具体地涉及一种加氢控制装置及方法。

背景技术：

氢能因具有来源多样、洁净环保、可规模储输等突出优点而被认为是最具应用前景的二次能源之一。氢能燃料电池汽车是氢能的重要应用终端之一，世界许多汽车巨头在2015年前后纷纷推出了量产化的氢能燃料电池汽车。目前对氢能燃料电池汽车的研究是多方面的，但加氢站向车载储氢器加氢的加注控制策略(以下简称为加氢控制策略)无疑是国内外研究的重点之一。

现有加氢控制策略主要想解决的技术问题之一如何在加注过程中将车辆储氢器的氢气温度控制在国际标准的要求下(通常是85℃以下)，以防止发生氢气爆炸，保证氢气使用安全。现有技术中公开了各种控制氢气温度的方法，其中最主要的方法是根据车载储氢器实时反馈的温度或压力来控制加氢速率以调节氢气温度。但是，这种方法依赖于车辆与加氢站的通讯关系，加氢站需要根据车辆发送的储氢器的温度信号或压力信号来进而判断加氢策略。但在实际中，因为同一车辆会在不同类型加氢站加氢，且同一加氢站也会向不同类型的车辆提供加氢服务，而不同类型的车辆或加氢站又往往具有不同的通讯标准，从而使得车辆与加氢站之前的通讯难以实现。据此，对于车辆和加氢站无法通讯的情况，现有技术中根据车载储氢器实时反馈的温度或压力来控制加氢速率以调节氢气温度的方案同样难以实现。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种加氢控制装置及方法，用于至少部分地解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种加氢控制方法，所述加氢控制方法包括：获取车载储氢器的初始参数，且该初始参数包括所述车载储氢器的体积、初始氢气压力和初始环境温度；根据所述初始参数，计算加氢的加注速率和目标压力，其中所计算出的加注速率及目标压力使得加氢过程中的氢气温度处于预设的安全范围内；以及控制加氢站以所计算出的加注速率向所述车载储氢器加氢至所计算出的目标压力。

可选地，所述获取车载储氢器的加氢初始参数包括：扫描所述车载储氢器上的标签以读取所述标签中存储的所述车载储氢器的体积信息；和/或获取通过压力传感器和温度传感器分别检测到的所述初始氢气压力和所述初始环境温度。

可选地，所述初始参数还包括所述车载储氢器的氢气温度。

可选地，所述初始参数还包括所述车载储氢器的材料、壁厚及尺寸信息。

可选地，所述计算加氢的加注速率和目标压力包括采用以下查表法、公式计算法及压差计算法中的任意一者计算所述加注速率和目标压力：

查表法，包括：通过所述初始参数构建对应的车载储氢器的物理模型；以及在预先配置的加氢策略表中查询与当前车载储氢器的物理模型对应的最优加氢策略，其中所述加氢策略表根据各种加氢站的历史加氢数据来进行配置，并示出各种车载储氢器的物理模型与其对应的最优加氢策略之间映射关系，其中所述最优加氢策略中包括确定所述加注速率和所述目标压力；

公式计算法，包括：分析所述初始参数和所述历史加氢数据，以拟合出基于所述初始参数计算最优加氢控制参数的控制参数计算公式，其中所述最优加氢控制参数包括所述加注速率和所述目标压力；以及对于当前加氢过程的所述初始参数，通过所述控制参数计算公式计算出对应的最优加氢控制参数；

压差计算法，包括：根据车载储氢器的容积以及环境温度等参数，确定所需要的加注速率；计算出维持所需要的加注速率的压差；以及根据所计算的压差进行氢气加注。

本发明实施例还提供了一种加氢控制装置，所述加氢控制装置包括：初始参数获取模块，用于获取车载储氢器的初始参数，且该初始参数包括所述车载储氢器的体积、初始氢气压力和初始环境温度；目标参数计算模块，用于根据所述初始参数，计算加氢的加注速率和目标压力，其中所计算出的加注速率及目标压力使得加氢过程中的氢气温度处于预设的安全范围内；以及控制模块，控制加氢站以所计算出的加注速率向所述车载储氢器加氢至所计算出的目标压力。

可选地，所述初始参数获取模块包括：扫描子模块，用于扫描所述车载储氢器上的标签以读取所述标签中存储的所述车载储氢器的体积信息；或者获取子模块，用于获取通过压力传感器和温度传感器分别检测到的所述初始氢气压力和所述初始环境温度。

可选地，所述初始参数还包括所述车载储氢器的氢气温度。

可选地，所述初始参数还包括所述车载储氢器的材料、壁厚及尺寸信息。

可选地，所述计算模块包括以下子模块中的任意一者：

查表子模块，被配置为：通过所述初始参数构建对应的车载储氢器的物理模型；以及在预先配置的加氢策略表中查询与当前车载储氢器的物理模型对应的最优加氢策略，其中所述加氢策略表根据各种加氢站的历史加氢数据来进行配置，并示出各种车载储氢器的物理模型与其对应的最优加氢策略之间映射关系，其中所述最优加氢策略中包括确定所述加注速率和所述目标压力；

公式计算子模块，被配置为：分析所述初始参数和所述历史加氢数据，以拟合出基于所述初始参数计算最优加氢控制参数的控制参数计算公式，其中所述最优加氢控制参数包括所述加注速率和所述目标压力；以及对于当前加氢过程的所述初始参数，通过所述控制参数计算公式计算出对应的最优加氢控制参数；

压差计算子模块，被配置为：根据车载储氢器的容积以及环境温度等参数，确定所需要的加注速率；计算出维持所需要的加注速率的压差；以及根据所计算的压差进行氢气加注。

可选地，所述加氢控制装置还包括：数据库模块，用于存储历史加氢数据、所述加氢策略表及所述控制参数计算公式。

本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得控制器执行上述的加氢控制方法。

通过上述技术方案，本发明实施例无需加氢站与车辆实时通讯，通过加氢站测得的车载储氢器的初始参数，得到加注速率和目标压力来控制加注过程，流程简单，且易于实现，并保证了加氢过程的可靠性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例一的加氢控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的查表法的流程示意图；

图3是本发明实施例的公式计算法的流程示意图；

图4是本发明实施例的压差计算法的流程示意图；

图5是本发明实施例的加氢控制装置的结构示意图；以及

图6是采用本发明实施例的查表法进行氢气加注的实例效果图。

附图标记说明

100初始参数获取模块200目标参数计算模块

300控制模块110扫描子模块

120获取子模块210查表子模块

220公式计算子模块230压差计算子模块

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

实施例一

图1是本发明实施例一的加氢控制方法的流程示意图。如图1所示，所述加氢控制方法可以包括以下步骤：

步骤s100，获取车载储氢器的初始参数。

本实施例中，所述初始参数包括所述车载储氢器的体积、初始氢气压力和初始环境温度，下面将具体介绍这三种参数。

对于车载储氢器的体积，目前市面上有各种体积的储氢瓶，例如100l和200l。但是，现有加氢过程中通常不会考虑储氢瓶体积，其为保证氢气温升不会过快，无论对于100l的储氢瓶还是200l的储氢瓶，都例如设置加氢10分钟。但事实上，对于50l的储氢瓶，很可能只需要2分钟就能注满氢气且温升在正常范围。因此，本发明实施例不同于现有加氢过程，将车载加氢器的体积作为影响加氢过程的重要参数来考虑，其应用将在下文详细描述，在此则不再赘述。

在优选的实施例中，可以通过扫描所述车载储氢器上的标签以读取所述标签中存储的所述车载储氢器的体积信息。其中，所述标签例如是二维码，其可存储车辆车载储氢器的设备信息，例如型号、体积、材料、尺寸等。在其他实施例中，也可人为地获得车载储氢器的体积，例如通过阅读车载储氢器的产品说明书或者人为观察车载储氢器上的刻度显示。

对于所述初始氢气压力，是指加氢开始前，所述车载储氢器中可能具有的氢气所产生的压力，例如在加氢开始前，所述车载储氢器中还剩余有2mpa的氢气。初始氢气压力会对温升产生影响，例如在平均氢气流量相等时，初始氢气压力每升高1mpa，车载储氢器的氢气温度(可表现为车载储氢器的内壁温度)约降低1.5k左右。因此，本发明实施例也将车载加氢器的初始氢气压力作为影响加氢过程的重要参数来考虑，其应用将在下文详细描述，在此则不再赘述。

在优选的实施例中，可通过压力传感器来检测车载储氢器的初始氢气压力，再获取通过所述压力传感器检测到的所述初始氢气压力的值。

对于所述初始环境温度，是指在加氢开始前，所述车载储氢器周围的环境温度。其中，环境温度会直接影响车载储氢器中的氢气温度，例如初始环境温度每升高1k，车载储氢器的氢气温度也相应上升1k左右。因此，本发明实施例也将车载加氢器的初始环境温度作为影响加氢过程的重要参数来考虑，其应用将在下文详细描述，在此则不再赘述。

在优选的实施例中，可通过温度传感器(例如温度计)来检测车载储氢器的初始环境温度，再获取通过所述温度传感器检测到的所述初始氢气压力的值。

步骤s200，根据所述初始参数，计算加氢的加注速率和目标压力。

其中，所计算出的加注速率及目标压力(也称目标加注压力)使得加氢过程中的氢气温度处于预设的安全范围内。在此，使得加氢过程中的氢气温度处于预设的安全范围内相当于控制加氢过程中的车载储氢器端的温升，以防止温度上升过快而引起氢气爆炸。本发明实施例中，按照国际标准的要求，在加氢过程中将车载储氢器中的氢气温度控制在85℃以下。

其中，加注速率是实现氢气快充的重要因子，而目标压力是决定温升快慢的重要因子，将两者相结合以确定加氢策略可以既使得氢气温度处于预设的安全范围内，又能实现氢气快充。如此，本发明实施例考虑了上述初始参数对加氢过程的影响，通过初始参数来计算所述加注速率和所述目标压力，以达到控制加氢过程的温升和速率的目的。

本发明实施例中，提供了一种查表法来根据所述初始参数计算所述加注速率和所述目标压力。其中，图2是本发明实施例的查表法的流程示意图。如图2所示，该查表法可以包括以下步骤：

步骤s211，通过所述初始参数构建对应的车载储氢器的物理模型。

其中，在此的物理模型是指通过物理参数构建的反映车载储氢器的参数特性的模型。如上所述，在所述初始参数包括所述车载储氢器的体积、初始氢气压力和初始环境温度时，对应的物理模型通过这三个参数来反映车载储氢器的参数特性。

本发明实施例中选取车载储氢器的体积、初始氢气压力和初始环境温度，这是因为基于本发明实施例的方案，通过这三个参数就能确定大部分型号的车载储氢器所需要的加注速率和目标压力，例如常规的35mpa的储氢瓶。但是，对于储氢压力较大的储氢瓶，例如70mpa及以上的储氢瓶，在确定其加注速率及目标压力时，还需要考虑氢气温度。因此，在其他实施例中，所述初始参数可以包括车载储氢器的体积、初始氢气压力、初始环境温度和初始氢气温度四者。进一步地，在一些对加注精度要求特别高的场景下，在确定注氢策略时，还应该要考虑车载储氢器的材料、壁厚及尺寸信息等(多数场景中，这些因素可忽略不计)，其中所述材料主要是其传热系数会对车载储氢器的温升产生影响，壁厚主要是其抗压强度会对车载储氢的压力产生影响，尺寸信息(例如直径、长度等)决定了车载储氢器的形状，而车载储氢器的形状会对其温度分布产生影响。因此，在其他实施例中，除车载储氢器的体积、初始氢气压力、初始环境温度和初始氢气温度四者之外，所述初始参数也还可以包括车载储氢器的材料、壁厚及尺寸信息。

对应地，随着初始参数的不同，所对应构建的物理模型也不相同，本领域技术人员可根据现场的实际情况来确定物理模型。

步骤s212，在预先配置的加氢策略表中查询与当前车载储氢器的物理模型对应的最优加氢策略。

其中，所述加氢策略表根据各种加氢站的历史加氢数据来进行配置，并示出各种车载储氢器的物理模型与其对应的最优加氢策略之间映射关系，其中所述最优加氢策略中包括确定所述加注速率和所述目标压力。

举例而言，对于一个加氢站，可通过实验得到针对各种车载储氢器进行加氢的加氢数据，这些加氢数据中包括采用不同或相同的初始参数对不同或相同类型的储氢瓶进行加氢时对应的多组加氢速率及目标压力，从而可选择出其中最优的一组加氢速率及目标压力形成对应的最优加氢策略，再通过配置加氢策略表来反映各种车载储氢器的物理模型与其对应的最优加氢策略之间的映射关系，例如表1示出的加氢策略表，针对10-15kg的车载储氢器，在知道环境温度和初始压力的情况下，可查询出最优的目标压力及加注速率以进行氢气加注。如此，加氢站端可基于得到的初始参数(物理模型)来匹配出需要的加注速率及目标压力。

表1

需说明的是，表1中的示出的参数是非连续性的，例如对于环境温度，只示出了-30℃和-10℃所对应的加氢策略，而未给出-30℃至-10℃中间的其他参数所对应应选取的策略参数。对此，在本发明实施例中，对于表中未示出的车载储氢器物理模型的其他参数(例如-20℃)，可根据插值法来计算出相应的加注速率和目标压力。

步骤s300，控制加氢站以所计算出的加注速率向所述车载储氢器加氢至所计算出的目标压力。

相比于目前国内通过限流阀或减压阀等来降低加注速率以直接加注至目标压力的方案，在此对加注速率进行了智能控制，从而无需刻意降速就能将氢气加注至目标压力，保证了加氢效率。综上所述，本发明实施例无需加氢站与车辆实时通讯，通过加氢站测得的车载储氢器的初始参数，得到加注速率和目标压力来控制加注过程，流程简单，且易于实现，并保证了加氢过程的可靠性。进一步地，本发明实施例采用查表法来计算加注速率和目标压力，实现方式简单，且所确定的加注速率和目标压力符合历史经验中的最优加氢策略，控制精度非常高。

实施例二

本发明实施例二相对于上述实施例一，主要的区别在于步骤s200中根据所述初始参数计算所述加注速率和所述目标压力的方案。本发明实施例提供了一种公式计算法来根据所述初始参数计算所述加注速率和所述目标压力。其中，图3是本发明实施例的公式计算法的流程示意图。如图3所示，该公式计算法可以包括以下步骤：

步骤s221，分析所述初始参数和所述历史加氢数据，以拟合出基于所述初始参数计算最优加氢控制参数的控制参数计算公式。

其中，所述最优加氢控制参数包括所述加注速率和所述目标压力。

举例而言，所述历史加氢数据仍可由实验得到，对得到的历史加氢数据中的各组初始参数与对应的加注速率和目标压力进行数据处理，例如将各组初始参数与对应的加注速率和目标压力作为matlab软件的变量，以利用matlab软件进行绘图分析来分析出各变量之间的关系，再利用matlab软件中的reglm、stepwise、nlinfit、regress等公式拟合函数来拟合出所需的控制参数计算公式。其中，matlab软件是示例性的，也可采用具有公式拟合功能的其他软件。

步骤s222，对于当前加氢过程的所述初始参数，通过所述控制参数计算公式计算出对应的最优加氢控制参数。

其中，例如公式如下：

加注速率prr＝f(p,t,v，th2)

目标压力ptarget＝f(p0，p，v,t,δm，)

其中，p为加氢机拉断阀附近测得的气体压力，p0为加氢机测得的车载储氢器的初始压力，v为车载储氢器的体积，t为环境温度，th2为加注的氢气温度，δm为单位时间间隔内加氢机中质量流量计测得的氢气质量。

通过此公式，可计算出最优的加注速率和目标压力。

可知实施例一中通过查表法确定的加注速率和所述目标压力是固定的，虽然控制精度高，但灵活性不足，且查找过程涉及的数据众多，影响控制速度。对此，本发明实施例采用公式计算法来计算加注速率和目标压力，控制精度虽然可能不及查表法，但其计算速度快，有利于提高整个控制速度，且可通过公式计算的结果调整加注速率，实现了对车载储氢器状态的动态控制。

实施例三

本实施例三相对于上述两个实施例，主要的区别在于步骤s200中根据所述初始参数计算所述加注速率和所述目标压力的方案。本发明实施例提供了一种压差计算法来根据所述初始参数计算所述加注速率和所述目标压力。其中，图4是本发明实施例的压差计算法的流程示意图。如图4所示，该压差计算法可以包括以下步骤：

步骤s231，根据车载储氢器的容积以及环境温度等参数，确定所需要的加注速率。

其中，可在加氢机端测量获得的车载储氢器的容积以及环境温度等参数的值。

步骤s232，计算出维持所需要的加注速率的压差。

其中，而加氢机可基于所需要的加注速率计算出维持该加注速率的压差，以使加注过程顺利进行。

步骤s233，根据所计算的压差进行氢气加注。

其中，该压差即加氢站调压阀前端的储氢气源压力和加氢机出口处压力传感器的压力差值，当质量流量计读数达到目标压差时，加氢机则停止加注。

相比于前两个实施例，本发明实施例采用压差计算法来计算加注速率和目标压力，其计算速度更快，且也能实现对车载储氢器状态的动态控制，但精度稍差。

实施例四

基于与前三个实施例相同的发明思路，本发明实施例四提供了一种加氢控制装置。图5是本发明实施例的加氢控制装置的结构示意图。如图5所示，所述加氢控制装置可以包括：初始参数获取模块100，用于获取车载储氢器的初始参数，且该初始参数包括所述车载储氢器的体积、初始氢气压力和初始环境温度；目标参数计算模块200，用于根据所述初始参数，计算加氢的加注速率和目标压力，其中所计算出的加注速率及目标压力使得加氢过程中的氢气温度处于预设的安全范围内；以及控制模块300，控制加氢站以所计算出的加注速率向所述车载储氢器加氢至所计算出的目标压力。

在优选的实施例中，所述初始参数获取模块100可以包括：扫描子模块110，用于扫描所述车载储氢器上的标签以读取所述标签中存储的所述车载储氢器的体积信息；或者获取子模块120，用于获取通过压力传感器和温度传感器分别检测到的所述初始氢气压力和所述初始环境温度。

举例而言，在车载储氢器上贴有二维码形式的所述标签时，所述扫描子模块110可例如为应用在手机或电脑上的扫码功能模块；所述获取子模块120可以是常规的输入功能模块或接收功能模块，其中输入功能模块可实现人为地将传感器检测出的所述初始氢气压力和所述初始环境温度输入至加氢站端的控制器，接收功能模块可例如通过蓝牙等方式从传感器处接收传感器检测出的所述初始氢气压力和所述初始环境温度。

在优选的实施例中，所述初始参数还可以包括所述车载储氢器的氢气温度。在更为优选的实施例中，所述初始参数还可以包括所述车载储氢器的材料、壁厚及尺寸信息。其中，所述氢气温度可通过配置温度传感器得到，所述车载储氢器的材料、壁厚及尺寸信息等可作为车载储氢器的设备信息与上述的车载储氢器的体积一同存储至上述标签中。

在优选的实施例中，所述计算模块200可以包括以下子模块中的任意一者：

查表子模块210，被配置为：通过所述初始参数构建对应的车载储氢器的物理模型；以及在预先配置的加氢策略表中查询与当前车载储氢器的物理模型对应的最优加氢策略，其中所述加氢策略表根据各种加氢站的历史加氢数据来进行配置，并示出各种车载储氢器的物理模型与其对应的最优加氢策略之间映射关系，其中所述最优加氢策略中包括确定所述加注速率和所述目标压力；

公式计算子模块220，被配置为：分析所述初始参数和所述历史加氢数据，以拟合出基于所述初始参数计算最优加氢控制参数的控制参数计算公式，其中所述最优加氢控制参数包括所述加注速率和所述目标压力；以及对于当前加氢过程的所述初始参数，通过所述控制参数计算公式计算出对应的最优加氢控制参数；以及

压差计算子模块230，被配置为：根据车载储氢器的容积以及环境温度等参数，确定所需要的加注速率；计算出维持所需要的加注速率的压差；以及根据所计算的压差进行氢气加注。

其中，对应于查表子模块210及公式计算子模块220，所述加氢控制装置还可以包括：数据库模块300，用于存储历史加氢数据、所述加氢策略表及所述控制参数计算公式。

该实施例四的其他实施细节及效果可参考前述的实施例一至实施例三，在此则不进行赘述。

实施例五

本发明实施例提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得控制器上述实施例一至实施例三中任意一者的加氢控制方法。

其中，所述控制器设置在加氢站端，其可以为plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)，但在其他实施例中，控制器也可以采用单片机、dsp(digitalsignalprocessor，数字信号处理器)、soc(systemonachip，片上系统)等程序控制器。

该实施例四的其他实施细节及效果可参考前述任意实施例，在此则不进行赘述。

应用例

图6是采用本发明实施例的查表法进行氢气加注的实例效果图。其中s1为通过查表法得到的反映加注过程中温度和压力及时间之间的对应关系，s2为实测温度曲线，s3为实测压力曲线。从图6可知，实测温度(s2曲线)利用查表法(s1曲线)的目标温度差值为3k，该3k的温差在正常的误差范围内，且在加氢过程中，实测温度通常是低于查表法确定的温度的，即控制了实测温度不会太高，有利于保证加氢安全。另外，比较s1和s3可知，在加注到相同压力值(例如30mpa时)，查表法所用的时间更短，从而有助于提高加氢效率。

进一步地，采用类似于图6的曲线对比，上述实施例所涉及的公式计算法及压差法也可以取得良好的加注效果。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。