快速充气预冷系统及其使用方法与流程

本发明涉及预冷测试领域，尤其是快速充气预冷系统及其使用方法。

背景技术：

复合材料储气瓶具有承压高和重量轻的优点，在现有高压气体储存技术中运用越来越广泛，已经成为研发与应用主流。由于复合材料气瓶工作压力高，且易受温度影响，工作介质通常易燃易爆，当快速充气过程中气瓶出现损伤而安全性能下降时，极易发生泄漏和爆炸事故；因此其安全服役性能是重点关注的研究方向。以氢气为例，为了满足市场需求，储氢气瓶需要在约3～5分钟内将压力快速升至额定值。在气瓶快速充氢过程中，由温升效应导致的剧烈温度变化在复合材料层间产生较大温差应力，进而影响树脂基体的力学性能，降低气瓶的疲劳寿命；氢气温升最高可达130℃以上，而复合材料气瓶所用环氧树脂工作温度在超过100℃时，其安全性能会受到影响；因此，需要通过预冷系统对快充过程中的气瓶内氢气温升指标进行控制，限制最高温度在85℃以下。在车载气瓶氢气循环疲劳测试系统中的快速充氢过程处于变温、变流量的复杂工况，该工况下如何实现气瓶内温度的有效控制是充氢过程的关键步骤。

由于实际的储氢气瓶快充过程受到具体的加氢系统设置和气瓶结构尺寸的影响，已有的快充温升分析结果的普适性较差，并不具有很强的参考价值。在已公开专利中，目前大部分高压储氢气瓶的疲劳性能试验均是在液压试验机上进行，得到的试验数据与氢气介质真实工况的差别较大；而基于真实氢气介质的气瓶测试系统专利中，缺少针对变温、变流量工况的快速充氢过程中可以实现快速准确调节测试气瓶进口氢气温度的分级预冷系统。对于一些类似气体也存在这样的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供快速充气预冷系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

快速充气预冷系统，该系统包括充气子系统、n个控温子系统，所述充气子系统的管路上设置有与n个控温子系统一一对应的换热装置，在管路上还设置有阀组、第一流量计、传感器，在管路的末端还连接有测试气瓶；每一个控温子系统包括与相应的换热装置形成环路的工作装置、设置在该环路上的工作控制阀和若干流量计，系统还包括分别与阀组、第一流量计、传感器、工作装置、工作控制阀、流量计的受控端连接的控制子系统，沿着气体流动方向，所述充气子系统管路上的多个换热装置对应的控温子系统制冷能力逐渐增强。

优化的，系统还包括抽真空子系统，所述抽真空子系统设置在充气子系统的末端管路的一个分叉上，该分支上设置有使整个系统成真空状态的真空泵、真空控制阀，所述控制子系统还与真空泵、真空控制阀的受控端连接。

优化的，还包括安全放空子系统，所述安全放空子系统设置在充气子系统的末端管路的一个分叉上，该分支上包括串联在管路上的放空控制阀和只允许从充气子系统输出的第三单向阀、并联在放空控制阀两端的安全阀，第三单向阀输出端的管路密封连接有储气罐，所述控制子系统还与放空控制阀的受控端连接。

优化的，所述换热装置使用套管形式。

优化的，所述传感器包括温度传感器组和压力传感器，所述温度传感器组包括测量每个换热装置两端的温度传感器，相邻的两个换热装置之间的管路上共用一个温度传感器，所述压力传感器检测端设置在最后一个换热装置的输出端管内。

优化的，所述控制子系统包括与n个控温子系统一一对应的多个换热控制单元、迭代学习控制器ilc0；

所述换热控制单元均包括减法器s、迭代学习控制器ilc、比例-积分-微分控制器pid；

迭代学习控制器ilc0包括两个输入端和与输出端，输出端个数比控温子系统个数少一个，其中一个输入端输入参考值，此参考值为检测气瓶的目标温度td，另一个输入端与第n个换热控制单元的迭代学习控制器ilc的输入端连接，输出端分别前n-1个换热控制单元中的减法器s的减数端连接；

对应换热控制单元中的减数器s的被减数端分别与对应作用的换热装置的输出端设置的温度传感器的信号端连接；减法器s的输出端分成两路，一路与迭代学习控制器ilc的输入端连接，另一路经过比例-积分-微分控制器pid连接，迭代学习控制器ilc的输出端与比例-积分-微分控制器pid连接，每个换热控制单元中的比例-积分-微分控制器pid与对应的控温子系统中的工作控制阀的受控端连接。

优化的，所述充气子系统还包括设置在第一个换热装置前端管路上的第一手动截止阀、气体流量控制阀、设置在最后一个换热装置后端管路上的第二手动截止阀和防止气体回流的第一单向阀。

优化的，所述控温子系统为2个，第一个控温子系统中的工作装置为恒温水装置。

优化的，第二个控温子系统中的工作装置包括形成环路的制冷机和缓冲罐，所述缓冲罐与第二个换热装置形成环路，所述制冷机的受控端与控制子系统连接。

使用上述快速充气预冷系统的方法，包括以下步骤：

s1、实验前，通过控制子系统控制真空泵和真空控制阀对充气子系统和安全放空子系统进行循环气体置换，直至达到气体纯度要求；

s2、打开充气子系统中的阀组，对测试气瓶内加注气体，控制子系统获得充气子系统管路上设置的第一流量计、第一温度传感器、多个第二温度传感器、压力传感器的对应的输出电信号；

s3、选择不同的制冷效果，控制不同的工作装置工作，迭代学习控制器ilc0输出温度参考信号td到对应打开的工作装置中的减法器s中，通过对应换热控制单元中的迭代学习控制器iic实现对应的控温子系统中的期望温度值，所有的换热控制单元通过pid算法计算出对应的工作控制阀的开度从而控制对应的控温子系统中的流量大小；

s4、实验完毕后，控制子系统通过放空控制阀主动泄压，且将高压气体释放至储气罐。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过n个控温子系统和控制系统的设置，并且沿着充气方向设置的控温子系统制冷能力逐渐增强，实现快速准确调节测试气瓶进口气体温度的分级预冷，通过充气子系统上的阀组来控制气体的流量大小。

(2)真空子系统用于保证整个气体环境，保证气体的纯度。

(3)安全放空子系统，用于平衡整个充气子系统管路的压强，并且储气罐用于存储由于平衡压强释放的气体，节约资源，且可以保护环境。

(4)套管的方式可以将充气管路和预冷的管路隔离。

(5)温度传感器的设置可以为预冷系统提供充气子系统中管路经过换热装置时不同的温度和初始温度，压力传感器用于测试管路中的压强，为控制子系统控制放空控制阀的开度提供依据，并且设置在放空控制阀的两端并联安全阀，防止控制子系统不能正常作用，起到双重保护的作用。

(6)通过迭代学习控制器iic、比例-积分-微分控制器pid实现温度和流量的自动实时调节。

(7)第一手动截止阀和第二手动截止阀的设置可以关闭整个充气子系统管路的气体，可以从源头关闭，也可以从测试气瓶处关闭，可以实现不同的需求，第一单向阀的设置可以防止气体回流。

(8)恒温水装置可以实现常温预冷，制冷机和缓冲罐的配合实现低温预冷，常温预冷可以单独工作，常温预冷和低温预冷配合工作时，常温预冷的设置可以起提高低温预冷效果的作用。

(9)该方法可实现测试气瓶的循环疲劳测试，并且可实现不同温度和不同流量的情况下测试气瓶的检测。

附图说明

图1为本发明快速充气预冷系统的系统图。

图2为图1中快速充气预冷系统的局部示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-气体流量控制阀2-第一流量计3-第一手动截止阀

4-第一温度传感器5-第一换热装置6-第二温度传感器

7-第二换热装置8-第三温度传感器9-压力传感器

10-第二手动截止阀11-第一单向阀12-第三手动截止阀

13-第二流量计14-第一工作控制阀15-恒温水装置

16-第四手动截止阀17-第三流量计18-第二工作控制阀

19-缓冲罐20-制冷机

21-第二单向阀22-真空泵23-真空控制阀

24-安全阀25-放空控制阀26-第三单向阀27-控制子系统

具体实施方式

实施例1

如图1所示，快速充气预冷系统，该系统包括充气子系统、n个控温子系统、抽真空子系统、安全放空子系统，所述抽真空子系统设置在充气子系统的末端管路的一个分叉上，所述安全放空子系统设置在充气子系统的末端管路的另一个分叉上。所述充气子系统的管路上设置有与n个控温子系统一一对应的换热装置，所述换热装置使用套管形式。在该实施例中，控制温控子系统为2个，分别为第一控制子系统27和第二控温子系统，即换热装置包括与第一控制子系统27和第二控温子系统分别对应的第一换热装置5和第二换热装置7。该系统以充入氢气为例，控制子系统27使用工控机。

在充气子系统上还设置有阀组、第一流量计2、传感器，充气系统的前段连接高压罐，在管路的末端还连接有测试气瓶；第一控温子系统包括与相应的第一换热装置5形成环路的第一工作装置、设置在该环路上的第一工作控制阀14、第二流量计13、第三手动截止阀12，第二控温子系统还包括与第二换热装置7形成环路的第二工作装置，设置在该环路上的第二工作控制阀18、第三流量计17、第四手动截止阀16，系统还包括分别与阀组、第一流量计2、传感器、第一工作装置、第一工作控制阀14、第二流量计13、第二工作装置、第二工作控制阀18和第三流量计17的受控端连接的控制子系统27，沿着气体流动方向，所述充气子系统管路上的2个换热装置对应的控温子系统制冷能力逐渐增强。

在该实施例中，第一工作装置为恒温水装置15，通过恒温水装置15输出恒温水，经过流量的控制进入第二换热装置7壳程对第一换热装置5管程内的氢气温度进行控制以达到稳定状态，经过换热后的水重新回到恒温水装置15；通过流量控制改变恒温水的流量对处于瞬时变化的高压罐出口温度进行控制。第二工作装置包括形成环路的制冷机20和缓冲罐19，所述缓冲罐19与第二换热装置7形成环路，所述制冷机20的受控端与控制子系统27连接。

所述传感器包括温度传感器组和压力传感器9，所述温度传感器组设置在第一换热装置5输入端和输出端管路上的第一温度传感器4和第二温度传感器6，相设置在第二换热装置7输出端管路上的第三温度传感器8，所述压力传感器9检测端设置在第二换热装置7的输出端管内。

抽真空子系统所在的分支上设置有使整个系统成真空状态的真空泵22、真空控制阀23、第二单向阀21，所述控制子系统27还与真空泵22、真空控制阀23的受控端连接，第二单向阀21只允许充气子系统管路中输出气体。

放空子系统所在的分支上包括串联在管路上的放空控制阀25和只允许从充气子系统输出的第三单向阀26、并联在放空控制阀25两端的安全阀24，第三单向阀26输出端的管路密封连接有储气罐，所述控制子系统27还与放空控制阀25的受控端连接。

如图2所示，所述控制子系统27包括与第一控温子系统和第二控温子系统一一对应的第一换热控制单元和第二换热控制单元、迭代学习控制器ilc0；

所述第一换热控制单元包括减法器s1、迭代学习控制器ilc1、比例-积分-微分控制器pid1；所述第二换热控制单元包括减法器s2、迭代学习控制器ilc2、比例-积分-微分控制器pid2；

迭代学习控制器ilc0包括两个输入端和1个输出端，其中一个输入端输入参考值，此参考值为检测气瓶的目标温度td，另一个输入端与迭代学习控制器ilc1的输入端连接，输出端与第一换热控制单元中的减法器s1的减数端连接。减数器s1的被减数端与第二温度传感器6的信号端连接，减数器s2的被减数端与第三温度传感器8的信号端连接。

减法器s1的输出端分成两路，一路与迭代学习控制器ilc1的输入端连接，另一路经过比例-积分-微分控制器pid1连接，迭代学习控制器ilc1的输出端与比例-积分-微分控制器pid1连接，第一换热控制单元中的比例-积分-微分控制器pid1与第一工作控制阀14的受控端连接。第二温度传感器6检测第二换热装置7出口的温度值，并传输至减法器s1中，减法器s1将第二换热装置7在充气子系统管路上出口温度值与参考温度值进行作差运算，并将运算结果传输至迭代学习控制器ilc1、比例-积分-微分控制器pid1。通过ilc算法对pid参数进行动态整定，利用pid算法通过调节参考恒温水流量调节输入信号，修正实际第一换热装置5出口温度值，使第一换热装置5出口温度信号逐渐逼近期望参考输入信号，使轮廓误差趋向于零。

具体控制公式如下：

系统第k次运行时减法器s1输出第一换热装置5出口温度实际值和参考值之间的偏差e1(k)(t)：

e1(k)(t)＝td1(k)-t1(k)(t)

其中，td1(k)为系统第k次运行时第一换热装置5出口温度的参考值，t1(k)(t)为系统第k次运行时第一换热装置5在充气子系统管路上出口温度的实际值。要求系统在时间t∈[0,t]内第二温度传感器6传输的实时温度的t1(k)(t)跟踪期望输出td1(k)。

通过迭代学习控制器ilc1对pid参数动态整定：

k1(k+1)(t)＝l1[k1(k)(t),e1(k)(t)]

i1(k+1)(t)＝l1[i1(k)(t),e1(k)(t)]

d1(k+1)(t)＝l1[d1(k)(t),e1(k)(t)]

其中，l1为学习律，k1、i1和d1分别为第一换热控制单元的比例放大系数、积分时间和微分时间。

通过pid算法调节恒温水流量调节输入信号：

其中，v1(k)(t)为第k次运行时恒温水流量调节输入信号，v1(k+1)(t)为第k+1次运行时恒温水流量调节输入信号。

减法器s2的输出端分成两路，一路与迭代学习控制器ilc2的输入端连接，另一路经过比例-积分-微分控制器pid2连接，迭代学习控制器ilc2的输出端与比例-积分-微分控制器pid1连接，第二换热控制单元中的比例-积分-微分控制器pid2与第二工作控制阀18的受控端连接。制冷机20采用冷媒制冷方式，在缓冲罐19内预先存储冷媒，经过流量控制装置进入第二换热装置7对热侧的氢气温度进行控制以达到稳定状态，经过换热的冷媒循环至制冷机；通过流量控制改变冷媒的流量对第二换热装置7进口温度进行快递调节。第三温度传感器8检测第二换热装置7在充气子系统管路上出口的温度值，并传输至减法器s2中，减法器s2将第二换热装置7出口温度值与参考温度值进行作差运算，并将运算结果传输至迭代学习控制器ilc2、比例-积分-微分控制器pid2。通过ilc算法对pid参数进行动态整定，通过pid算法调节参考冷媒流量调节输入信号，修正实际第二换热装置7在充气子系统管路上出口温度值，使第二换热装置7在充气子系统管路上出口温度信号逐渐逼近期望参考输入信号。

基本控制公式如下：

系统第k次运行时减法器s2输出第二换热装置7出口温度实际值和参考值之间的偏差e2(k)(t)：

e2(k)(t)＝td(k)-t2(k)(t)

其中，td(k)为系统第k次运行时第二换热装置7出口温度的参考值，即检测气瓶的目标温度，t2(k)(t)为系统第k次运行时第二换热装置7在充气子系统管路上出口温度的实际值。要求系统在时间t∈[0,t]内第三温度传感器8传输的实时温度的t2(k)(t)跟踪期望输出td(k)。t2(k)(t)用图2中t2表示。

通过迭代学习控制器ilc2对pid参数动态整定：

k2(k+1)(t)＝l2[k2(k)(t),e2(k)(t)]

i2(k+1)(t)＝l2[i2(k)(t),e2(k)(t)]

d2(k+1)(t)＝l2[d2(k)(t),e2(k)(t)]

其中，l2为学习律，k2、i2和d2分别为第二换热控制单元比例放大系数、积分时间和微分时间。

通过pid算法调节冷媒流量调节输入信号：

其中，v2(k)(t)为第k次运行时冷媒流量调节输入信号，v2(k+1)(t)为第k+1次运行时冷媒流量调节输入信号。

所述自动控制子系统包括工控机，工控机通过各个系统中温度传感器和压力传感器的反馈信号控制气动控制阀门的开闭进行自动控制。迭代学习控制器ilc0输入端与减法器s2输出端、测试气瓶内目标温度td连接，迭代学习控制器ilc0输出端与减法器s1的输入端连接。通过迭代学习控制器ilc0对水冷装置出口的参考温度值进行动态分配。基本控制公式如下：

减法器s2输出第二换热装置出口温度实际值和参考值之间的偏差：

e2(k)(t)＝td(k)-t2(k)(t)

其中，td(k)为测试气瓶内温度参考值，t2(k)(t)为第二换热装置出口温度的实际值，下标k表示第k次运行值。要求系统在时间t∈[0,t]内第三温度传感器8传输的实时温度的t2(k)(t)跟踪期望输出td(k)。t2(k)用图2中t2表示。

通过迭代学习控制器ilc0对水冷装置出口参考温度值进行动态分配：

td1(k)＝l0[td(k),e2(k)(t)]

其中，l0为学习律，td1(k)为第一换热装置5出口温度的参考值，td(k)为测试气瓶内温度参考值。

所述充气子系统中的阀组包括设置在第一换热装置5前端管路上的第一手动截止阀3、气体流量控制阀1、第二换热装置7后端管路上的第二手动截止阀10和防止气体回流的第一单向阀11。

高压罐内气体通过依次打开气体流量控制阀1、第一换热装置5和第二换热装置7进入测试气瓶进行充气。通过流量控制阀、流量计、控制子系统27、安全放空子系统对充氢过程的持续时间和升压速率进行控制；通过第一换热装置5在第一控温子系统的作用下实现第二换热装置7入口温度保持恒定；通过第二换热装置7将测试气瓶入口温度快速降至-40℃，并保持稳定。

实施例2

使用实施例1中快速充气预冷系统的方法，包括以下步骤：

s1、实验前，通过控制子系统27控制真空泵22和真空控制阀23对充气子系统和安全放空子系统进行循环气体置换，直至达到气体纯度要求。

s2、打开充气子系统中的阀组，对测试气瓶内加注气体，控制子系统27获得充气子系统管路上设置的第一流量计2、第一温度传感器4、多个第二温度传感器6、压力传感器9的对应的输出电信号。

s3、选择不同的制冷效果，控制不同的工作装置工作，迭代学习控制器ilc0输出温度参考信号到对应打开的工作装置中的减法器s中，通过对应换热控制单元中的迭代学习控制器iic实现对应的控温子系统中的期望温度值，所有的换热控制单元通过pid算法计算出对应的工作控制阀的开度从而控制对应的控温子系统中的流量大小。

s4、实验完毕后，控制子系统27通过放空控制阀25主动泄压，且将高压气体释放至储气罐。

在步骤s3中，当选择制冷效果为常温制冷时，打开气体流量控制阀1、第一手动截止阀3、第二手动截止阀10，利用高压罐内高压气源对测试气瓶进行加注氢气；同时控制子系统27通过第一流量2、第一温度传感器4、第二温度传感器6、第三温度传感器8、压力传感器9和第二流量计13分别监测第二换热装置7在充气子系统管路上进口流量、进口温度、出口温度、测试气瓶进口温度和压力、恒温水装置15出口流量；控制子系统27根据第一流量计2和压力传感器9的测量值，通过调节气体流量控制阀1来控制充氢流量和压力；控制子系统27将第一温度传感器4、第二温度传感器6和第二流量计13的测量值，传输至减法器s1中，减法器s1将第二换热装置7在充气子系统管路上出口温度值与参考温度值进行作差运算，并将运算结果传输至迭代学习控制器ilc1、比例-积分-微分控制器pid1。通过ilc算法对pid参数进行动态整定，利用pid算法调节恒温水流量调节输入信号，修正实际第一换热装置5出口温度值，调节第一工作控制阀14来控制恒温水的流量，使第二换热装置7在充气子系统管路上出口温度信号逐渐逼近期望参考输入信号，以达到稳定的第一换热装置5出口温度，并保持在15～25℃之间。

当选择制冷效果为低温制冷时，打开气体流量控制阀1、第一手动截止阀3、第二手动截止阀10，利用高压罐内高压气源对测试气瓶进行加注氢气；同时控制子系统27通过第一流量计2、第一温度传感器4、第二温度传感器6、第三温度传感器8、压力传感器9、第二流量计13和第三流量计17分别监测第二换热装置7进口流量和温度、出口温度和压力、恒温水装置15出口流量和第二换热装置7进口冷媒流量；通过迭代学习控制器ilc0对第一换热装置5出口的参考温度值和第二换热装置7出口的参考温度值进行动态分配。控制子系统27根据第一流量计2和压力传感器9的测量值，通过调节气体流量控制阀1来控制充氢流量和压力；控制子系统27通过调节第一工作控制阀14来控制恒温水的流量，以达到稳定的第一换热装置5出口温度，并保持在约15℃(±2℃)；控制子系统27将第二温度传感器6、第三温度传感器8和第三流量计17的测量值，传输至减法器s2中，控制子系统27调节第二工作控制阀18来控制缓冲罐19内的冷媒存量和进入第二换热装置7的冷媒流量，使第二换热装置7输出温度信号逐渐逼近期望参考输入信号，以实现第二换热装置7出口温度快速降至约-40℃(±2℃)，并保持稳定。

本发明针对高压储罐出口压力、温度和流量都在不断变化的情况，采用水冷(前级)和冷媒预冷(后级)的分级预冷方式。第一换热装置5和第一温控子系统通过调整恒温水的流量来保持第二换热装置7的入口温度稳定或实现常温预冷的试验过程。第二温控子系统通过储存冷媒和调整流量的方式使第二换热装置7出口温度可快速降至-40℃附近，并保持稳定；同时降低了制冷机20的功率、体积和成本。本发明解决了用于车载气瓶氢气循环疲劳测试中变工况下预冷需求的瓶颈问题，并且提供了一种快速充氢过程中的分级预冷控制方法。

本发明针对高压罐出口变温、变流量的工况，充分利用循环间隔(整个系统充放氢过程的循环周期＞30min，其中充氢过程3～5min，放氢过程＞30min)，通过在制冷机与第二换热装置7之间增加缓冲罐19来预存冷媒，同时利用调节阀对冷媒流量进行控制，可以实现测试气瓶进口温度快速降至-40℃附近，并保持稳定；并且降低了制冷机20的功率、体积和成本。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。