本发明涉及汽车技术领域，特别涉及FCEV氢燃料安装单元电控主动排氢系统。
背景技术：
FCEV，(Fuel Cell Electric Vehicle)燃料电池电动车的简称。使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。
但正是因为采用氢作为燃料，所以也不得不面对随之而来的问题，如用于存储氢气的高压储氢罐在受热或在高温天气，又或者是在受到撞击而使储氢罐内的压力骤然升高甚至泄露时，具有燃烧、爆炸等安全风险，而储氢罐内的氢气压力高、浓度高，不易直接向大气排放，原因在于大量的氢气如果遇到大气中的明火时易产生爆炸，不利于行车安全。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明目的是提供一种安全、防爆的氢燃料安装单元电控主动排氢系统。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：FCEV氢燃料安装单元电控主动排氢系统，包括电控单元ECU、用于存储氢气的防爆储氢装置、燃料电池和用于排气泄压的排氢装置，所述防爆储氢装置通过供氢管路与燃料电池连接并向燃料电池供应氢气，供氢管路上沿供氢方向依次设有第一调节阀、第一减压阀、第一电磁阀和加湿器。所述排氢装置包括缓冲罐、氮气罐、水槽和排气管，所述第一调节阀和第一减压阀之间的供氢管路上设有支管与缓冲罐的一端连接，支管上设有第二电磁阀，缓冲罐的另一端通过排氢管路、回流管路分别与水槽、供氢管路连接。
所述缓冲罐与水槽连接的排氢管路上依次设有第一单向阀、第三电磁阀、第二减压阀、第二单向阀，所述回流管路连接至第一减压阀和第一电磁阀之间的供氢管路，回流管路上设有第三调节阀；所述氮气罐的一端通过管道连接至第一单向阀和第二电磁阀之间的排氢管路，管道上设有第四电磁阀；所述供氢管路、排氢管路采用的管道为带膨胀结构的管道，包括直管段和管道胀形形成的膨胀段，所述膨胀段和直管段相互连接构成一体。
优选的，所述水槽包括外筒和固定在外筒底部的内筒，所述内筒的上部周面上开设排气孔，内筒与外筒之间的腔体通过排气孔连通，所述缓冲罐连接水槽的排氢管路的末端由水槽的顶部伸入内筒的底部，水槽的顶部连接排气管，所述排气管的出口端呈喇叭状，出口处固定设置由活性炭材料制成的过滤网。
优选的，还包括水箱，所述水箱底部设置两根管道分别连接有第一水泵和第二水泵，所述第一水泵的另一端通过管道与内筒连接，第二水泵的另一端通过管道与加湿器连接，水槽位于内筒与外筒之间的腔体底部设有排水管与水箱连接。
优选的，所述的防爆储氢装置包括气密室，气密室内设置储氢罐，储氢罐通过支架固定在气密室内。所述气密室与储氢罐之间的腔体内设有氢气浓度传感器和氮气浓度传感器，储氢罐内设有气体压力传感器。
优选的，所述防爆储氢装置的一端设有与供氢管路连接的主动排气减压管路，所述主动排气减压管路包括设置在储氢罐上相应位置的第一排气减压阀，设置在气密室上相应位置的第二排气减压阀，所述的第一排气减压阀的出口与供氢管路的一端连接；所述的气密室上相应位置设有与氮气罐连接的氮气充气阀，所述氮气罐与氮气充气阀连接的管道沿线上设有第二调节阀、第三单向阀，所述的储氢罐上相应位置设置氢气充气阀。
优选的，所述的气密室的两端各设置一个沿其轴线方向、贯穿其侧壁的空心轴，空心轴的内腔分别设置双层进气管、双层排气管；所述的双层进气管内管的一端穿过空心轴并与氢气充气阀连接，另一端与加氢装置连接；所述的双层进气管外管的一端穿过空心轴并与气密室的内腔连通，另一端与氮气充气阀连接；所述的双层排气管内管的一端穿过空心轴与第一排气减压阀连接，另一端与供氢管路连接；所述的双层排气管外管的一端穿过空心轴并与气密室的内腔连通，另一端与第二排气减压阀连接。
优选的，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、氢气浓度传感器、氮气浓度传感器、气体压力传感器、第一排气减压阀、第二排气减压阀、氮气充气阀分别通过防爆通信总线与电控单元ECU连接；电控单元ECU分别与电源、氢气泄露警报器、压力报警器连接。
优选的，所述的控制方法包括顺序进行的以下步骤：
所述的控制方法包括顺序进行的以下步骤：
a.电控单元ECU控制第一电磁阀开启,其余电控阀门关闭，保持气密室内防爆储氢装置处于正常向燃料电池供氢状态，保持气密室内氮气浓度处于正常范围；
b.电控单元ECU接收气体压力传感器发送的储氢罐内的气体压力数据，若该数据达到高压预警值，则进入d步骤，若该数据达到超压预警值，则进入e步骤；若该数据低于一预设值，则进入f步骤；
c.电控单元ECU接收氢气浓度传感器和氮气浓度传感器发送的气密室内氢气和氮气的浓度数据，经数据处理后，若氢气浓度变化超过预警值则进入g步骤；
d.电控单元ECU控制气体压力报警器发出高压报警信号，第一排气减压阀、第二电磁阀打开，当气体压力传感器检测到储氢罐内压力恢复正常，返回a步骤；
e.电控单元ECU控制气体压力报警器发出超压报警信号，第一排气减压阀、第二排气减压阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀开启，当气体压力传感器检测到储氢罐内压力恢复正常，返回a步骤；
f.电控单元ECU控制气体压力报警器发出低压报警信号，氢气充气阀开启、其余电控阀门关闭，当气体压力传感器检测到储氢罐内压力恢复正常，则返回a步骤。
g.电控单元ECU控制氢气泄露警报器发出氢气泄露报警信号，第一排气减压阀、第二排气减压阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀开启。
本发明的有益效果在于：工作方便、安全、防爆。具体来说，本发明在排氢时，针对储氢罐内压力过高或泄露而可能存在燃爆风险的情形，采取将氢气经缓冲罐由排氢管路、水槽排至大气，或者是由回流管路返回至供氢管路以泄压、防爆。排氢过程中，通过氮气罐向排氢管路中通入氮气，降低排氢管路中氢气的浓度，同时，氢气依次经缓冲罐、第二减压阀、水槽，使氢气在排出过程中压力逐步降低并增湿，与此同时，由于排氢管路和供氢管路采用了带膨胀结构的管道，气体在流通过程中相比直圆管具有降压效果，从而可以减少对减压阀门的使用，通过这些措施，一方面降低储氢罐内的压力，进而减小储氢罐燃爆风险，另一方面氢气在排放的过程中足够安全，大大降低了氢气在排至大气时出口因压力过高或浓度过高遇高温、明火而产生的燃爆风险，有利于行车安全。同时，本发明配置了相应的电控单元ECU以控制各阀门的启闭及检测储氢装置的浓度、压力状态，能够电控主动规避燃爆的风险，与手动方式相比，更加方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中排氢管路和供氢管路所使用的管道结构示意图；
图3为本发明中水槽的结构示意图；
图4为本发明中排水管道出口端的结构示意图；
图5为本发明中防爆储氢装置剖面结构示意图；
图6为图5中放大视图I；
图7为图5中放大视图II；
图8为本发明中排氢系统的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。
需要说明的是，本发明较多的使用了“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等词，仅是为了描述方便，便于对本发明的理解，并不构成对本发明的限制。
如图1和图2所示，包括电控单元ECU41、用于存储氢气的防爆储氢装置1、燃料电池2和用于排气泄压的排氢装置，所述防爆储氢装置1通过供氢管路3与燃料电池2连接并向燃料电池2供应氢气，供氢管路3上沿供氢方向依次设有第一调节阀4、第一减压阀5、第一电磁阀6和加湿器7。其特征在于：所述排氢装置包括缓冲罐8、氮气罐9、水槽10和排气管21，所述第一调节阀4和第一减压阀5之间的供氢管路3上设有支管与缓冲罐8的一端连接，支管上设有第二电磁阀11，缓冲罐8的另一端通过排氢管路12、回流管路49分别与水槽10、供氢管路3连接；
所述缓冲罐8与水槽10连接的排氢管路12上依次设有第一单向阀13、第三电磁阀14、第二减压阀15、第二单向阀16，所述回流管路49连接至第一减压阀5和第一电磁阀6之间的供氢管路3，回流管路49上设有第三调节阀28；所述氮气罐9的一端通过管道连接至第一单向阀13和第二电磁阀11之间的排氢管路12，管道上设有第四电磁阀17；所述供氢管路3、排氢管路12采用的管道为带膨胀结构的管道，包括直管段47和管道胀形形成的膨胀段48，所述膨胀段48和直管段47相互连接构成一体，如图2所示。
以上所述由管道、阀门、氮气罐9、缓冲罐8、水槽10等所构成的排氢装置，显示并阐述了本发明在向大气排放氢气时的工作过程，正常工作情况下，防爆储氢装置1中的氢气经供氢管路3上的第一减压阀5降压、增湿器7增湿后送至燃料电池2，当电控单元ECU41检测到防爆储氢装置1处于危险状态，若防爆储氢装置1中压力达到一定的值时，需要排出氢气以泄压，电控单元ECU41控制第二电磁阀11打开使氢气分流至缓冲罐8后再回流至供氢管路3，达到泄压的目的；若压力过高或氢气发生泄漏，防爆储氢装置1具有燃爆风险时，需要向大气排放氢气，那么排氢装置工作，电控单元ECU41控制第二电磁阀11、第三电磁阀14、第四电磁阀17开启，此时，由防爆储氢装置1排出的氢气经缓冲罐8缓冲并降压后送入排氢管路12，氮气罐9向排氢管路中输送氮气，降低排氢管路12中氢气的浓度，这样，由氢气和氮气混合形成的气体经排氢管路12上的第二减压阀15进一步降压并送入水槽10中，在水槽10中增湿后排出。经过降压、降浓度、增湿处理后的氢气在排至大气中时，危险系数低，安全而又防爆，另外，由于排氢管路12和供氢管路3采用了带膨胀结构的管道，气体在流通过程中相比直圆管具有降压效果，从而可以减少对减压阀门的使用。
进一步地，如图3所示，所述水槽10包括外筒18和固定在外筒18底部的内筒19，所述内筒19的上部周面上开设排气孔20，内筒19与外筒18之间的腔体通过排气孔20连通，所述缓冲罐8连接水槽10的排氢管路12的末端由水槽10的顶部伸入内筒19的底部，水槽10的顶部连接排气管21，排气管21的出口端呈喇叭状，出口处固定设置由活性炭材料制成的过滤网211。这样，所述的水槽10采用内筒19和外筒18的构成形式，一方面排氢管路12的末端伸入内筒19的底部，内筒19起到液封的作用，防止外界空气进入到排氢管路12中，在相对高压的环境中引发爆炸等事故，另一方面，氢气不直接从内筒19排出，而是先溢至外筒18与内筒19的腔体中，起到将氢气和氮气的混合气体扩散、降低压力的作用，同时又不至于因混合气体带入过多的水分而影响氢气的快速排出。所述的排气管21与大气连通，排气管21的出口位置可以是连接在汽车的尾气排出口，也可以是位于汽车车身的侧面，更好的做法是排气管21的出口位于汽车的顶部，这样，汽车顶部气压相对较低，排气管21中的气体排出也更防爆。另外，排气管21的出口端呈喇叭状，出口处固定设置由活性炭材料制成的过滤网211，如图4所示，这样，由于氢气的密度相对其他气体的密度低，配合喇叭状的出口，氢气能更快速的向大气中上升并扩散，外界的空气也不易进入到排气管21中，同时，排气管21上配置的由活性炭材料制成的过滤网211能够吸附粉尘等异物，防止异物进入到排气管21中造成堵塞，过滤网211由活性炭制成，清洗、更换也更方便。
进一步地，如图1所示，还包括水箱22，所述水箱22底部设置两根管道分别连接有第一水泵23和第二水泵24，所述第一水泵23的另一端通过管道与内筒19连接，第二水泵24的另一端通过管道与加湿器7连接，水槽10位于内筒19与外筒18之间的腔体底部设有排水管25与水箱22连接。这样，水槽10中的水由水箱22经第一水泵23供给，水箱22又能经第二水泵24向增湿器7供给氢气加湿所需的水分；同时，水槽10中的水可以定期由第一水泵23经排水管25抽回至水箱22，使水循环利用，节约能源。
进一步地，如图5所示，所述的防爆储氢装置1包括气密室29，气密室29内设置储氢罐30，储氢罐30通过支架31固定在气密室29内。所述气密室29与储氢罐30之间的腔体内设有氢气浓度传感器32和氮气浓度传感器45，储氢罐30内设有气体压力传感器33。
进一步地，所述防爆储氢装置1的一端设有与供氢管路3连接的主动排气减压管路，所述主动排气减压管路包括设置在储氢罐30上相应位置的第一排气减压阀34，设置在气密室29上相应位置的第二排气减压阀35，所述的第一排气减压阀34的出口与供氢管路3的一端连接；所述的气密室29上相应位置设有与氮气罐9连接的氮气充气阀36，所述氮气罐9与氮气充气阀36连接的管道沿线上设有第二调节阀26、第三单向阀27，所述的储氢罐30上相应位置设置氢气充气阀37。
如图5所示，所述的防爆储氢装置1由气密室29和储氢罐30构成，氮气罐9经氮气充气阀36向气密室29内充入氮气，同时气密室29与储氢罐30之间的腔体内设有氢气浓度传感器32和氮气浓度传感器45，这样，氢气浓度传感器32就可以检测储氢罐30是否存在泄漏，氮气浓度传感器45检测腔体内的氮气浓度，并由电控单元ECU41控制氮气充气阀36的启闭以保持腔体内氮气浓度处于预设值，在气密室29内充入氮气，一方面起到气封作用，使泄露的氢气不会直接外排至大气或车厢内部，另一方面，通过对氮气浓度和氢气浓度的相对监测，能够更加准确的判定氢气泄露程度。储氢罐30内设置气体压力传感器33可以实时监控储氢罐30内的氢气压力状态。
电控单元ECU41判定氢气泄漏运行原理是：电控单元ECU41预先设定单位时间内氢气浓度变化的预警值，氢气浓度传感器32和氮气浓度传感器45每间隔一段时间测定一次腔体内氢气和氮气的浓度，根据所测定的数据计算氢气浓度变化大小，若超过预警值，表明泄露情况严重，经排氢装置向外释放氢气，并向驾驶室发出泄露报警信号，提醒驾驶司机氢气泄露，需送往汽车维修店维修。
电控单元ECU41判定储氢罐30内压力过高的运行原理是：电控单元ECU41预先设定储氢罐30内压力的高压预警值和超压预警值，并在达到相应的预警值时向驾驶室发出压力报警信号。所述的高压预警值代表储氢罐30内压力较正常压力高，但可通过缓冲罐8泄压后继续运行，所述的超压预警值代表储氢罐30压力过高，此时的汽车行驶具有安全隐患，需向外释放部分氢气以进一步降低储氢罐30内的压力。气体压力传感器33实时监控储氢罐30内的氢气压力状态并反馈至电控单元ECU41，当储氢罐30内的氢气压力达到高压预警值时，打开缓冲罐8与燃料电池2之间的通道，经缓冲罐8分流以降低压力；当储氢罐30内的氢气压力达到超压预警值时，打开排氢管路12向外释放部分氢气以降低压力。
进一步地，如图5～图7所示，所述的气密室29的两端各设置一个沿其轴线方向、贯穿其侧壁的空心轴38，空心轴38的内腔分别设置双层进气管39、双层排气管40；所述的双层进气管39内管的一端穿过空心轴38并与氢气充气阀37连接，另一端与加氢装置46连接；所述的双层进气管39外管的一端穿过空心轴38并与气密室29的内腔连通，另一端与氮气充气阀36连接；所述的双层排气管40内管的一端穿过空心轴38与第一排气减压阀34连接，另一端与供氢管路3连接；所述的双层排气管40外管的一端穿过空心轴38并与气密室29的内腔连通，另一端与第二排气减压阀35连接。应当指出的是，所述的空心轴38固定在气密室29的进、排气两端，起到保护进、排气两端的双层进气管39和双层排气管40的作用，同时，采用双层进气管39和双层排气管40的方式，避免了需单独在气密室29上开设氮气进气孔和氮气排气孔的情况，相应的也就减少了气密室29上的焊接个数，有利于提高高压状态下防爆储氢装置1的安全系数。应当理解的是，这里所述的加氢装置46为加氢站。
进一步地，如图8所示，所述第一电磁阀6、第二电磁阀11、第三电磁阀14、第四电磁阀17、氢气浓度传感器32、气体压力传感器33、第一排气减压阀34、第二排气减压阀35、氮气充气阀36分别通过防爆通信总线与电控单元ECU41连接；电控单元ECU41分别与电源42、氢气泄露警报器43、压力报警器44连接。应当指出的是，这里的防爆通信总线其有益技术效果在于：在易爆的氢气混合可燃气体环境下使用而传输速率高达500kbps时，因数据线所有部位，包括但不限于接头、线头和数据线裸露金属芯等采用特殊防电火花防护结构，均不会产生火花等而影响氢气混合气体的安全。所述的防爆通信总线为CAN总线、485总线、232总线、I2C总线中的一种。
进一步地，所述的控制方法包括顺序进行的以下步骤：
a.电控单元ECU41控制第一电磁阀6开启,其余电控阀门关闭，保持气密室29内防爆储氢装置1处于正常向燃料电池2供氢状态，保持气密室29内氮气浓度处于正常范围；
b.电控单元ECU41接收气体压力传感器33发送的储氢罐30内的气体压力数据，若该数据达到高压预警值，则进入d步骤，若该数据达到超压预警值，则进入e步骤；若该数据低于一预设值，则进入f步骤；
c.电控单元ECU41接收氢气浓度传感器32和氮气浓度传感器45发送的气密室29内氢气和氮气的浓度数据，经数据处理后，若氢气浓度变化超过预警值，则进入g步骤；
d.电控单元ECU41控制气体压力报警器44发出高压报警信号，第一排气减压阀34、第二电磁阀11打开，当气体压力传感器33检测到储氢罐30内压力恢复正常，返回a步骤；
e.电控单元ECU41控制气体压力报警器44发出超压报警信号，第一排气减压阀34、第二排气减压阀35、第一电磁阀6、第二电磁阀11、第三电磁阀14、第四电磁阀17开启，当气体压力传感器33检测到储氢罐30内压力恢复正常，返回a步骤；
f.电控单元ECU41控制气体压力报警器44发出低压报警信号，氢气充气阀37开启、其余电控阀门关闭，当气体压力传感器33检测到储氢罐30内压力恢复正常，则返回a步骤。
g.电控单元ECU41控制氢气泄露警报器43发出氢气泄露报警信号，第一排气减压阀34、第二排气减压阀35、第二电磁阀11、第三电磁阀14、第四电磁阀17开启。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。