用于燃料电池的车载氢系统的制作方法

1.本实用新型主要涉及氢燃料电池，并且更具体地，涉及用于燃料电池的车载氢系统。


背景技术：

2.车载氢系统是燃料电池汽车的燃料储存和供给系统，其安全性和可靠性对燃料电池和整车的性能与稳定性有着重要影响。近些年，随着燃料电池汽车的发展，车辆市场的市场份额逐年增加，燃料电池汽车呈现出大功率，双电堆甚至多电堆的发展趋势，来满足长续航里程、重载的各种车型。单电堆功率的增加，可以满足部分车辆的动力需求，但是电堆功率不能无限增加，因此双电堆甚至多电堆的出现，弥补了单电堆的不足。燃料电池电动汽车的电堆功率增加或者电堆数量的增加，能够提高车辆的动力，但是对于车载氢系统来说，大功率或者多数量的燃料电池，就需要适配更大流量的系统，以满足燃料电池堆氢燃料的需求。
3.对于大功率或者多电堆的燃料电池车辆，现有的车载氢系统采用两种方案进行解决。一种方案是采用大流量的减压器，即将系统中输出流量小的减压器更换为输出流量更大的减压器。另一种方案是增加管路，即在系统中增加相同功能的管路，各管路间并联，来满足大流量氢气的需求。
4.上述第一种方案成本高，并且大流量减压器存在寿命短，异响大，输出稳定性差等问题。上述第二种方案增加了系统的成本和尺寸，并且相同管路的并联，需要保证各个管路间的协同控制，以及不同管路的减压器需要保证输出协调一致。这又增加了控制的难度和成本。


技术实现要素：

5.根据本公开的示例实施例，提供了一种车载氢系统的改进和控制方案。该方案的目的在于，有效地提高车载氢系统的氢气供给能力，提高车载氢系统的氢气供给稳定性，从而满足燃料电池大功率运行对大流量氢气的需求。
6.在本公开的第一方面中，提供了一种用于燃料电池的车载氢系统。该车载氢系统包括氢气供给部分，其包括：减压器，用于降低氢气的压力至燃料电池适用的范围；氢气缓存部件，设置在减压器和燃料电池之间，用于增加减压器和燃料电池之间的氢气储存容积；电磁阀，设置在减压器和氢气缓存部件之间，适于被控制以改变开度；以及流量传感器，设置在氢气缓存部件和燃料电池之间，用于检测管路中流向燃料电池的氢气流量。该车载氢系统还包括控制器，被配置为可操作地与电磁阀和流量传感器连接，以根据流量传感器的测量值来控制电磁阀的开度。
7.在本公开的第二方面中，提供了一种用于燃料电池的车载氢系统的控制方法。该方法包括：确定燃料电池所需氢气流量；由流量传感器获取管路中实际氢气流量；以及根据所需氢气流量和实际氢气流量之间的偏差来调节电磁阀的开度大小。
8.在本公开的第三方面中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现根据本公开的第二方面的方法。
9.根据本公开的示例实施例，氢气缓存部件能够降低系统的制造成本，避免了大流量减压器存在的寿命短，异响大，输出稳定性差等问题。此外，本公开的示例实施例有利于减小系统所占用的车身空间，并且避免了由于管路并联而产生的控制成本和难度。本公开的示例实施例还能够将系统中实际的氢气流量数据反馈给车载氢系统控制器。控制器对电磁阀开度进行调节，从而实现对氢气流量的动态控制。
10.应当理解，实用新型内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
11.结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素，其中：
12.图1示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的车载氢系统的原理示意图；以及
13.图2示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的车载氢系统的部件连接示意图。
具体实施方式
14.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的范围。
15.在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
16.在本公开的实施例的描述中，为了清楚地描述车载氢系统中各个部件之间的位置关系和连接关系，参考系统管路中氢气的流动方向，术语“上游”可以用来指代氢气较先流经的部件或位置；相应地，术语“下游”可以用来指代氢气较后流经的部件或位置。应当理解的是，上述术语“上游”和“下游”均是相对的概念。由于参照物的不同，某个部件相对于一个或一些部件可能位于“上游”，但相对于另一个或另一些部件可能位于“下游”。
17.总体上，根据本公开的实施例，提供了一种车载氢系统的改进和控制方案。在该方案中，主要通过在车载氢系统的氢气供给部分的减压器下游设置氢气缓存部件，来增加减压器下游的氢气储存容积，为燃料电池大功率运行时对于氢气流量的需求提供保证。此外，该控制方案检测系统管路中实时反馈的氢气流量数据，根据实测流量和需求流量的偏差调节电磁阀的开度，以实现对于氢气流量的反馈控制。
18.以下将参照附图来具体描述本公开的实施例。图1示出了根据本公开的示例实施
例的用于燃料电池的车载氢系统的原理示意图。图2示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的车载氢系统的部件连接示意图。
19.根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的车载氢系统总体上包括三个部分，即氢气加注部分、氢气储存部分和氢气供给部分。上述三个部分通过管路进行连接，以实现各自的功能，最终将符合燃料电池要求的氢气，提供给燃料电池进行电化学反应。
20.如图1和2所示，氢气加注部分可以包括加氢口1、第一过滤器2.1、第一单向阀3.1等。加氢口1通过与加氢站的加氢枪连接，实现氢气的加注。加氢口1内置过滤器和单向阀，具有过滤和单向加注作用。氢气通过加氢口1到达第一过滤器2.1。第一过滤器2.1具有更高的过滤级别，能够避免气源中的杂质进入系统，造成污染。之后，氢气到达第一单向阀3.1。第一单向阀3.1具有单向导通能力，能够避免系统内部的氢气反向流动冲击加氢口1和第一过滤器2.1。经过第一单向阀3.1的氢气继续进入下游的氢气储存部分。
21.氢气储存部分可以包括瓶口阀9和储氢气瓶10等。来自第一单向阀3.1的氢气到达瓶口阀9。瓶口阀9内置温度传感器、溢流阀、电磁阀、温度泄放阀、排空阀等。瓶口阀9具有多种功能：检测储氢气瓶10内氢气气体温度的功能；溢流限流的功能；在车辆启动时，通过电磁阀开启的功能；在气瓶超过安全温度时安全泄放的功能；以及手动排空气瓶的功能。氢气经由瓶口阀9而注入储氢气瓶10中储存。根据需要储存的氢气量，储氢气瓶10可以为一个或多个。在系统中包括多于一个储氢气瓶10的情况下，瓶口阀9的上游可以设置三通管路，以连接其他的储氢气瓶10，从而增加系统储氢的能力。在此情况下，每个储氢气瓶10均需配置相应的瓶口阀9。
22.如图1和2所示，氢气供给部分可以包括第一压力传感器4.1、第二过滤器2.2、减压器5、电磁阀11、第二压力传感器4.2、第一安全阀6.1、第一球阀7.1、第二单向阀3.2等。
23.此外，根据本公开的实施例，氢气供给部分还包括至少一个氢气缓存部件。该氢气缓存部件设置在减压器5和燃料电池fc之间，用于增加减压器5和燃料电池之间的氢气储存容积。应当理解，根据本公开的实施例，氢气缓存部件的作用在于在减压器5的下游增加氢气的储存容积，起到缓冲作用。在燃料电池大功率运行，需要大流量氢气的情况下，保证氢气的供应。如图1和2所示，氢气缓存部件可以为缓冲罐8。氢气缓存部件还可以为管路中直径增大的部分。该管路中直径增大的部分同样可以增加下游的储氢容积，起到缓冲作用。
24.在氢气缓存部件的下游，氢气供给部分还可以包括安全阀、球阀、流量传感器等部件。
25.具体地，在示例实施例中，来自氢气储存部分的氢气可以由第一压力传感器4.1实时检测其压力数值，并且将该压力数值传送给控制器13，从而对管路内的氢气压力进行控制。之后，氢气可以流经第二过滤器2.2，可以过滤系统（管路、储氢气瓶10等）内氢气的杂质，避免杂质影响后续减压器5内部的零部件密封效果。氢气接下来到达减压器5。减压器5可以将系统内部的高压氢气（35mpa、70mpa等）减压到燃料电池需要的氢气压力范围。氢气接下来经过电磁阀11。电磁阀11的开度可以受到控制器（hf
‑
ecu）13的控制，以调节系统中的氢气流量大小。在电磁阀11的下游可以设置第二压力传感器4.2。第二压力传感器4.2可以实时检测减压器5下游管路内部的氢气压力数值，并且将该压力数值传送给控制器13，从而对管路内的氢气压力进行控制。在第二压力传感器4.2的下游可以设置第一安全阀6.1，可以在减压器5失效的情况下，避免其下游管路内部氢气压力突然升高造成的危险。高压氢
气可以及时通过第一安全阀6.1排出。在第一安全阀6.1的下游可以设置第一球阀7.1。必要时，可以通过第一球阀7.1将管路内部的氢气排空，为管路的维修做好准备。之后，氢气可以流经第二单向阀3.2。第二单向阀3.2可以避免下游的氢气缓存部件（例如，缓冲罐8）内部的氢气反向流动。之后，氢气到达缓冲罐8。缓冲罐8可以聚集减压器5后端的低压氢气，为燃料电池供给氢气，从而保证氢气的供应和流量稳定。在缓冲罐8的下游还可以设置第二安全阀6.2。由于管路中在缓冲罐8上游设置有第二单向阀3.2，因此增加此处的第二安全阀6.2，用于保护第二单向阀3.2到燃料电池的管路，避免产生超压危险。在第二安全阀6.2下游还可以设置第二球阀7.2。由于管路中在缓冲罐8上游设置有第二单向阀3.2，因此增加此处的第二球阀7.2，可以在必要时将管路内部的氢气排空，为管路的维修做好准备。接下来，在管路中设置流量传感器12，以将管路中氢气的流量实时传输给控制器13，用于氢气流量信息的反馈。最后，满足压力、流量要求的氢气被供给至燃料电池。
26.在系统运行中，通过电磁阀11和流量传感器12，控制器13可以根据反馈的氢气流量数据与需求流量的偏差，调节电磁阀11的开度，从而实现对系统氢气流量的控制。例如，通过系统内部预制的程序，根据实验测试数值，确定燃料电池所需氢气流量。控制器13接收由流量传感器12获取的管路中的实际氢气流量。之后，控制器13根据所需氢气流量和实际氢气流量之间的偏差来调节电磁阀11的开度大小，从而实现对氢气流量的动态控制。
27.针对目前采用的（1）更换为大流量减压器的方案；和（2）增加并联管路的方案，根据本公开的实施例提出了在车载氢系统的氢气供给部分的减压器下游设置氢气缓存部件，来增加减压器下游的氢气储存容积的解决方案，为燃料电池大功率运行时对于氢气流量的需求提供保证。
28.根据本公开的实施例，一方面，在管路里增加氢气缓存部件，无需变化管路系统里面的其他零部件，其成本远低于减压器的成本。并且避免了由于减压器流量增加而产生的寿命短、异响大、输出稳定性差的问题。另一方面，在管路里增加氢气缓存部件，无需变化管路系统里面的其他零部件，其成本远低于增加一条管路的成本。同时，氢气缓存部件的空间尺寸也远小于一条管路的尺寸，并且避免了由于管路并联而产生的控制成本和难度。
29.此外，根据本公开的实施例通过设置控制器、流量传感器和电磁阀，可以将系统中实际的氢气流量数据反馈给控制器，然后对电磁阀开度进行调节，实现对氢气流量的动态控制。
30.本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列（fpga）、专用集成电路（asic）、专用标准产品（assp）、芯片上系统的系统（soc）、负载可编程逻辑设备（cpld）等等。
31.用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
32.在本公开的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。
计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读储存介质。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、可擦除可编程只读存储器（eprom或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（cd
‑
rom）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
33.此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
34.尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。