燃料电池汽车及其氢系统瓶阀故障检测方法和装置与流程

1.本发明涉及一种燃料电池汽车及其氢系统瓶阀故障检测方法和装置，属于新能源汽车技术领域。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，只需通入燃料和氧化剂就可以连续输出电能，具有能量转换率高、清洁环保的优点。燃料电池汽车因其高效率、零排放等优势，已成为新能源汽车发展的重要方向。
3.燃料电池汽车目前的氢气储存方式为高压氢瓶储存，燃料电池汽车上安装有氢系统，氢系统管路连接如图1所示，氢系统中包含n个氢气瓶，n≥1，这n个氢气瓶共同为燃料电池提供氢气。其中，每个氢气瓶的端部均安装有瓶阀用于控制氢气供应，瓶阀结构和瓶阀安装结构分别见图2和图3，瓶阀由电磁阀、压力释放装置(prd)、温度传感器和手动关断阀集成组成，电磁阀采用电动方式操作，通电时开启、断电时处于自动关闭状态，用于控制氢气供应；手动关断阀用于手动关闭瓶阀，当手动关断阀关闭后，即使电磁阀处于开启状态，氢气瓶也无法供应氢气；瓶阀内集成有温度传感器，可实时采集氢气瓶的内部温度。瓶阀控制原理如图4所示，氢系统中所有瓶阀为同一路供电，根据燃料电池氢气需求所有瓶阀同时开启或同时关闭，无法对瓶阀进行单独控制。
4.现有氢系统瓶阀关闭与开启的控制方式存在以下问题：由于无法对瓶阀进行单独控制，且瓶阀中电磁阀无开关反馈信号，即使供电后某个瓶阀的电磁阀出现故障导致瓶阀无法打开也不会有故障提示，同时由于其他氢气瓶可正常供气，不会影响燃料电池正常工作，因此操作人员无法得知有瓶阀存在故障，若故障一直存在，将影响氢系统可靠性和车辆续驶里程。
5.目前也有一些氢气瓶瓶阀状态检测方法，例如，公布号为cn108177527a的中国发明专利申请文件中，公开了一种燃料电池汽车氢瓶阀门状态的检测方法，该方法首先变更现有瓶阀关闭与开启的控制方式，通过高边驱动与低边驱动的结构方式实现整车控制器可以单独对燃料电池中的其中一路氢瓶瓶阀进行关闭或开启操控，然后通过控制燃料电池在停车或停止供氢前的这一段时间继续工作，进行燃料电池中的一路氢瓶瓶阀的检测，判断该路氢瓶瓶阀的工作状态，等待下次整车控制器发出即将停车或停止供氢的指令时，依次轮流循环对氢系统其它各路瓶阀进行检测，判断瓶阀状态。该方法虽然能实现瓶阀状态检测，但是需要变更现有瓶阀关闭与开启的控制方式，同时需要在特定场景下多次检测才能完成所有瓶阀状态的判断，若恰好是氢系统中最后一路氢气瓶瓶阀出现故障，则不能及时进行检测。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车及其氢系统瓶阀故障检测方法和装置，能够快速、准确地判断氢系统中氢气瓶的瓶阀是否故障，且不用改变现有瓶阀控制方式。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法，该方法包括以下步骤：
8.(1)利用氢系统中每个氢气瓶瓶阀集成的温度传感器采集加氢前氢系统内每个氢气瓶的内部温度和加氢后氢系统内每个氢气瓶的内部温度1≤a≤n，n为氢系统中氢气瓶的总个数；
9.(2)计算加氢前后氢系统内每个氢气瓶的温度上升幅度
10.(3)分别对每个氢气瓶的温度上升幅度的大小进行判断，若氢气瓶的温度上升幅度≤第一设定值，则判定该氢气瓶的瓶阀故障、无法正常开启。
11.该燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法的有益效果是：该方法通过判断氢气瓶的温度上升幅度大小，来快速检测出在加氢过程中未出现温升效应的故障氢瓶(即出现瓶阀故障的氢气瓶)，若加氢前后氢气瓶的温度上升幅度≤第一设定值，则说明该氢气瓶的温度上升幅度过小，表明该氢气瓶在此次加氢过程中未出现温升效应，则判定该氢气瓶的瓶阀故障，无法正常开启。该方法能够快速、准确地判断氢系统中氢气瓶的瓶阀是否故障，且不用改变现有瓶阀控制方式。
12.进一步地，在上述方法中，所述第一设定值的取值范围为0℃～10℃。
13.进一步地，在上述方法中，该方法还包括以下步骤：若氢气瓶的温度上升幅度＞第一设定值，则将该氢气瓶的温度上升幅度与氢系统内氢气瓶的最大温度上升幅度作比较，若最大温度上升幅度与该氢气瓶的温度上升幅度的差值超过第二设定值，则判定该氢气瓶的瓶阀故障、无法正常开启。
14.这样做的有益效果是：通过将出现温升效应的每个氢气瓶的温度上升幅度与氢系统内氢气瓶的最大温度上升幅度进行对比，进一步从出现温升效应的氢气瓶(即温度上升幅度＞第一设定值的氢气瓶)中筛选出其他出现瓶阀故障的氢瓶，进一步提高氢瓶瓶阀故障判断准确率。
15.进一步地，在上述方法中，所述第二设定值的取值范围为5℃～30℃。
16.本发明还提供了一种燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测装置，该装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现上述的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法。
17.本发明还提供了一种燃料电池汽车，包括车辆本体、氢系统和氢系统瓶阀故障检测装置，所述氢系统瓶阀故障检测装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现上述的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法。
18.该燃料电池汽车及其燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测装置的有益效果是：利用燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测装置，能快速、准确地判断氢系统中所有氢气瓶的瓶阀是否故障，提高氢系统的可靠性和安全性，且不用改变现有瓶阀控制方式，方法简单，易于实现。
附图说明
19.图1是现有技术中的氢系统管路连接示意图；
20.图2是现有技术中的瓶阀结构原理图；
21.图3是现有技术中的瓶阀安装结构示意图；
22.图4是现有技术中的氢系统瓶阀控制原理图；
23.图5是本发明车辆实施例中的氢系统瓶阀故障检测装置结构示意图；
24.图6是本发明车辆实施例中的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法流程图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
26.车辆实施例：
27.本实施例的燃料电池汽车包括车辆本体、氢系统和氢系统瓶阀故障检测装置，其中，氢系统为现有技术中的氢系统，氢系统的具体结构见图1-图3，氢系统瓶阀控制原理见图4。本实施例的氢系统瓶阀故障检测装置如图5所示，该氢系统瓶阀故障检测装置包括处理器、存储器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如图6所示的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法(以下简称瓶阀故障检测方法)。
28.其中，处理器是指微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置。存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，ram、rom等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，cd或dvd。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、android、ios系统等。
29.本实施例基于氢气快速加注过程中产生的温升效应，提出了如图6所示的瓶阀故障检测方法。
30.其中，氢气快速加注过程中产生的温升效应是指：氢气由储氢瓶组经加注装置进入氢气瓶时产生氢气的焦耳-汤姆逊效应，高速氢气进入氢气瓶后动能转换为内能，导致加氢过程中氢气瓶的内部温度上升，温度上升幅度取决于加氢速率，一般温度上升幅度为10～50℃。
31.基于该温升效应对氢系统进行研究发现：由于氢系统中所有氢气瓶的瓶阀同时开启或关闭，则当氢系统中所有氢气瓶的瓶阀均正常时，理论上来讲，在燃料电池停止工作后，每个氢气瓶消耗的氢气一致、每个氢气瓶中剩余的氢气压力一致，重新加氢后每个氢气瓶的氢气压力相同，即加氢前后氢系统中所有氢气瓶的初始压力状态和最终压力状态一致，每个氢气瓶在加氢过程中产生的温升效应相同；若某个氢气瓶在加满氢后其瓶阀就无法正常开启了，那么在之后的燃料工作过程中该氢气瓶内的氢气一点也不会被消耗，该氢气瓶在加氢过程中不会出现温升效应；若氢系统内的所有氢气瓶在正常工作了一段时间后，在某次燃料电池工作过程中某个氢气瓶的瓶阀才出现故障导致瓶阀无法正常开启，则在该次燃料电池工作过程中该故障氢气瓶内的氢气不会被消耗，而其他正常氢气瓶内的氢
气会正常被消耗，则在燃料电池停止工作后该故障氢气瓶内的氢气压力会明显大于其他正常氢气瓶的氢气压力，再次加氢时该故障氢气瓶的温度上升幅度会明显小于其他正常氢气瓶的温度上升幅度。
32.基于该研究结果提出了本实施例的瓶阀故障检测方法，该方法通过判断加氢前后每个氢气瓶的温度上升幅度大小以及对比加氢前后氢系统中每个氢气瓶的温度上升幅度，来判断氢系统中哪个氢气瓶的瓶阀出现故障、无法正常开启，如图6所示，该方法包括以下步骤：
33.(1)利用氢系统中每个氢气瓶瓶阀集成的温度传感器采集加氢前氢系统内每个氢气瓶的内部温度和加氢后氢系统内每个氢气瓶的内部温度其中，氢系统中氢气瓶的编号定义为a，1≤a≤n，n为氢系统中氢气瓶的总个数；
34.(2)计算加氢前后氢系统内每个氢气瓶的温度上升幅度
35.(3)分别对每个氢气瓶的温度上升幅度的大小进行判断，若氢气瓶的温度上升幅度(即第一设定值)，则说明该氢气瓶的温度上升幅度过小，表明该氢气瓶在此次加氢过程中未出现温升效应，则判定该氢气瓶的瓶阀故障，无法正常开启；
36.(4)若氢气瓶的温度上升幅度则将该氢气瓶的温度上升幅度与氢系统内氢气瓶的最大温度上升幅度作比较，若最大温度上升幅度与该氢气瓶的温度上升幅度的差值超过15℃(即第二设定值)，则说明虽然该氢气瓶在此次加氢过程中出现了温升效应，但由于该氢气瓶的温度上升幅度明显小于氢系统内氢气瓶的最大温度上升幅度，说明此次加氢前该氢气瓶内的氢气压力明显大于其他氢气瓶的氢气压力，表明在之前的燃料电池工作过程中该氢气瓶内的氢气未被正常消耗，则判定该氢气瓶的瓶阀故障、无法正常开启；
37.(5)按照步骤(3)和步骤(4)对氢系统内所有氢气瓶的瓶阀状态进行判断，得到氢系统中所有出现瓶阀故障的氢气瓶编号。
38.本实施例中，第一设定值为5℃，第二设定值为15℃，作为其他实施方式，第一设定值和第二设定值的取值可以根据实际需要调整，只要保证第一设定值的取值范围为0℃～10℃，第二设定值的取值范围为5℃～30℃即可。
39.综上所述，本实施例的瓶阀故障检测方法，首先通过判断氢气瓶的温度上升幅度大小，来快速检测出在加氢过程中未出现温升效应的故障氢瓶(即出现瓶阀故障的氢气瓶)，然后通过将出现温升效应的每个氢气瓶的温度上升幅度与氢系统内氢气瓶的最大温度上升幅度进行对比，进一步从出现温升效应的氢气瓶中筛选出其他出现瓶阀故障的氢瓶，进一步提高氢瓶瓶阀故障判断准确率；该方法能够快速、准确地判断氢系统中所有氢气瓶的瓶阀是否故障，且不用改变现有瓶阀控制方式。
40.装置实施例：
41.本实施例的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测装置与车辆实施例中的氢系统瓶阀故障检测装置相同，此处不再赘述。
42.方法实施例：
43.本实施例的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法与车辆实施例中的燃料电池汽车氢系统瓶阀故障检测方法相同，此处不再赘述。