CN111361434B - 一种氢燃料电池客车用动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池客车用动力系统，包括系统控制器、负载控制器及CAN总线，还包括蓄电线路和与负载控制器构成独立回路的高压供电线路、低压供电线路，还包括与系统控制器连接的瓶口电磁阀、送氢管道电磁阀、第一温度传感器、压力传感器和第二温度传感器，高压供电线路包括DC/DC变换器、第一熔断器、第一二极管及第一继电器开关；蓄电线路包括第二二极管和电阻；低压供电线路包括第二熔断器、第三二极管及第二继电器开关；第一继电器开关、第二继电器开关、DC/DC变换器、CAN总线的高电平线以及CAN总线的低电平线均与系统控制器连接，系统控制器和负载控制器均连接整车网络。本发明具有多重保护功能，危机应变能力强。

Description

一种氢燃料电池客车用动力系统

技术领域

本发明涉及客车用燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池客车用动力系统。

背景技术

随着近年来气候环境的不断恶化、雾霾天气频发，环境保护成为热门话题，环境与人的关系变得越来越紧张。在环境污染中有一个不可忽视的问题存在——机动车燃烧大量化石燃料，车辆尾气排放占据了很大一部分，且日益增加，新能源车辆的发展势在必行。燃料电池作为新能源车辆的最终方向，其在能源来源和废弃物产生上均做到了完全的无污染，是新能源汽车的最理想发展趋势。目前我国的燃料电池发展进入了一个高速发展的阶段，氢燃料电池这种更为先进和环保的技术将逐渐发展壮大，成为国内汽车市场的新方向，氢燃料电池客车的发展势不可挡。

氢燃料电池作为动力源是氢燃料电池客车上的核心零部件。它的可靠性、安全性、寿命和成本等问题直接影响着整车的安全性和整个生命周期的成本。

为了改善系统稳定性、可靠性差的问题，公告号为CN204161142U的专利文献公开了“一种基于燃料电池的客车及其动力系统”，包括燃料电池电堆，燃料电池电堆通过单向主DC/DC连接直流母线，直流母线上连接超级电容和双向DC/DC，动力电池通过所述双向DC/DC连接直流母线，直流母线通过电机控制器连接驱动电机，采用超级电容和动力电池组成的储能装置子系统，超级电容直接与电机的高压线相连，动力电池经双向DC/DC与电机的高压线相连，电机给动力电池充电必须经双向DC/DC控制，而给电容充电则是直接充，利于提供加速或吸收紧急制动的尖峰电流，减轻动力电池负担，可延长动力电池的寿命。

动力电池的性能改善仅仅是燃料电池动力系统改善工程的一小部分，一般地，客车用氢燃料电池动力系统主要包括五大子系统，分别是：燃料电池电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统及电气与控制子系统，此外还包括一些相关的附件，例如锂电池，用于储存燃料电池电堆产生的多余的电能。现有技术中的氢燃料电池客车用动力系统为了提高整车的安全性以及工作稳定性，也是主要针对上述五大子系统进行的改善，但除了五大子系统自己本身设置的安全性、可靠性需要重视外，五大子系统之间的相互配合以及其危机应变能力也应当引起设计人员的重视。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种具有多重系统保护功能，危机应变能力强，安全保障性好的氢燃料电池客车用动力系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氢燃料电池客车用动力系统，用于氢燃料电池客车，包括氢气供应子系统、空气供应子系统、燃料电池电堆、水热管理子系统、电气与控制子系统以及动力电池子系统；所述氢气供应子系统包括瓶口电磁阀、送氢管道电磁阀、第一温度传感器以及压力传感器，所述燃料电池电堆包括第二温度传感器、高压供电线路以及蓄电线路，所述电气与控制子系统包括负载控制器、系统控制器和用于连入整车网络的CAN总线，所述动力电池子系统包括蓄电池和低压供电线路；所述高压供电线路包括依次连接的DC/DC变换器、第一熔断器、第一二极管以及第一继电器开关，所述DC/DC变换器输入端的正负极分别连接燃料电池电堆的正负极，所述DC/DC变换器输出端的正极连接所述第一熔断器，所述第一继电器开关的另一端连接所述负载控制器的正极，所述负载控制器的负极连接所述DC/DC变换器输出端的负极；所述蓄电线路包括与所述第一继电器开关的另一端连接的第二二极管和两端分别连接所述第二二极管和所述蓄电池正极的电阻；所述低压供电线路包括依次连接的第二熔断器、第三二极管以及第二继电器开关，所述第二熔断器的另一端连接所述蓄电池正极，所述第二继电器开关的另一端连接所述负载控制器的正极，所述负载控制器的负极连接所述蓄电池负极；所述瓶口电磁阀、送氢管道电磁阀、第一温度传感器、压力传感器、第二温度传感器、第一继电器开关、第二继电器开关、DC/DC变换器、CAN总线的高电平线以及CAN总线的低电平线均与所述系统控制器连接，所述系统控制器和所述负载控制器均连接整车网络。

进一步地，所述电气与控制子系统还包括泄露检测控制器，所述泄露检测控制器连接有多个设置在客车氢气易泄露且安全控制关键位置的氢气浓度检测器，所述泄露检测控制器连接整车网络。

进一步地，所述氢气供应子系统包括：

氢气存储模块，包括储氢瓶和瓶口组合阀，所述第一温度传感器包括设于所述储氢瓶内的瓶温度传感器，所述压力传感器包括设于所述储氢瓶内的瓶压力传感器，所述瓶口组合阀包括第一安全阀、熔栓阀、手动截止阀、放散球阀和所述瓶口电磁阀；

氢气加注模块，包括加注口、过滤器、单向阀以及机械压力表；

氢气供应模块，包括一级减压阀、卸荷阀、溢流阀、放散口和所述送氢管道电磁阀；

所述氢气加注模块通过氢气管道连通所述氢气存储模块，所述氢气存储模块通过氢气管道连通所述氢气供应模块，所述氢气供应模块通过氢气管道连通所述燃料电池电堆。

进一步地，所述燃料电池电堆的进氢端口设有第二安全阀。

进一步地，所述空气供应子系统包括空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器，所述空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器通过空气管道依次连通，所述增湿器出口通过空气管道连通所述燃料电池电堆的空气进口，所述空气过滤器出口设有空气流量计，所述增湿器与所述燃料电池电堆之间的空气管道内设有空气温度传感器和空气压力传感器，所述空气流量计、空气温度传感器和空气压力传感器均与所述系统控制器连接，所述空压机、中冷器均与所述负载控制器连接。

进一步地，所述空气供应子系统还包括空气预热器，所述空气预热器与所述燃料电池电堆的空气进口通过辅助空气管道连通，所述辅助空气管道上设有预热电磁阀，所述预热电磁阀与所述系统控制器连接，所述空气预热器与所述负载控制器连接。

进一步地，所述水热管理子系统包括散热器、水泵、循环换热管道和水热控制器，所述循环换热管道内灌注有冷却液，所述散热器入口端和出口端的所述循环换热管道内设有冷却液温度传感器，靠近所述燃料电池电堆的冷却液进口的所述循环换热管道内设有冷却液压力传感器，所述冷却液温度传感器、冷却液压力传感器均与所述水热控制器连接，所述水热控制器连接整车网络，所述散热器、水泵均与所述负载控制器连接。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：具有多重系统保护功能，危机应变能力强，安全保障性好，自动化程度高，能够主动实现突发故障的应急处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：

图1为本发明提供的优选地一种氢燃料电池客车用动力系统结构示意图；

图2为本发明提供的氢气供应子系统结构示意图；

图3为本发明提供的优选地空气供应子系统结构示意图；

图4为本发明提供的水热管理子系统结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本实施例提供一种氢燃料电池客车用动力系统，用于氢燃料电池客车，包括氢气供应子系统1、空气供应子系统2、燃料电池电堆3、水热管理子系统4、电气与控制子系统5以及动力电池子系统6；

所述氢气供应子系统1包括瓶口电磁阀11、送氢管道电磁阀12、第一温度传感器13以及压力传感器14；瓶口电磁阀11用于储氢瓶瓶口氢气泄放的控制，送氢管道电磁阀12用于送氢管道内送氢与否的控制，第一温度传感器13以及压力传感器14均可根据需要设置多个，用于氢气供应子系统1处多个关键位置的温度和压力的检测，例如瓶内位置以及送氢气进入燃料电池电堆3前的管道内；

所述燃料电池电堆3包括第二温度传感器31、高压供电线路以及蓄电线路，其中，第二温度传感器31用于检测电堆内的温度，所述电气与控制子系统5包括负载控制器51、系统控制器52和用于连入整车网络的CAN总线，负载控制器51、系统控制器52通过CAN总线连入整车网络，所述动力电池子系统6包括蓄电池61和低压供电线路；

所述高压供电线路包括依次连接的DC/DC变换器32、第一熔断器33、第一二极管34以及第一继电器开关35，所述DC/DC变换器32输入端的正负极分别连接燃料电池电堆3的正负极，所述DC/DC变换器32输出端的正极连接所述第一熔断器33，所述第一继电器开关35的另一端连接所述负载控制器51的正极，所述负载控制器51的负极连接所述DC/DC变换器32输出端的负极；上述部件与燃料电池电堆3形成了高压供电回路，第一继电器开关35闭合时，电流从燃料电池电堆3的正极依次流过DC/DC变换器32、第一熔断器33、第一二极管34、第一继电器开关35以及负载控制器51正极，再由负载控制器51负极经过DC/DC变换器32流回燃料电池电堆3负极，形成完整回路，实现燃料电池电堆3的供电；其中第一熔断器33能够在短路时断开，即断开高压供电回路，实现了系统短路保护；

所述蓄电线路包括与所述第一继电器开关35的另一端连接的第二二极管36和两端分别连接所述第二二极管36和所述蓄电池61正极的电阻37；上述部件构成充电回路，用于供蓄电池61存储燃料电池电堆3产生的多余的电能，电流从第一继电器开关35另一端流经第二二极管36和电阻37后，进入蓄电池61正极，再由蓄电池61负极出发经过DC/DC变换器32回到燃料电池电堆3负极，形成完整回路，实现蓄电池61的充电蓄电；

所述低压供电线路包括依次连接的第二熔断器62、第三二极管63以及第二继电器开关64，所述第二熔断器62的另一端连接所述蓄电池61正极，所述第二继电器开关64的另一端连接所述负载控制器51的正极，所述负载控制器51的负极连接所述蓄电池61负极；上述部件与蓄电池61形成了低压供电回路，当第二继电器开关64闭合，电流从蓄电池61正极出发依次流经第二熔断器62、第三二极管63、第二继电器开关64以及负载控制器51正极，再由负载控制器51负极回到蓄电池61负极，形成完整回路，实现蓄电池61的供电；

所述瓶口电磁阀11、送氢管道电磁阀12、第一温度传感器13、压力传感器、第二温度传感器31、第一继电器开关35、第二继电器开关64、DC/DC变换器32、CAN总线的高电平线以及CAN总线的低电平线均与所述系统控制器52连接，所述系统控制器52和所述负载控制器51均连接整车网络。需要说明的是，上述系统控制器52的连接，负载控制器51的连接，可为无线亦可为有线。

系统控制器52能够向整车网络上传第一温度传感器13的温度数据、压力传感器的压力数据、第二温度传感器31的温度数据以及CAN总线的高、低电平线的电位差，整车网络根据数据的情况，发出相应控制指令，使得系统控制器52控制瓶口电磁阀11、送氢管道电磁阀12、第一继电器开关35、第二继电器开关64以及DC/DC变换器32的工作，实现了系统出现各种故障时的应急处理；

如第一温度传感器13的温度数据、压力传感器的压力数据超出预设阈值，则整车网络发出指令，系统控制器52控制瓶口电磁阀11和送氢管道电磁阀12关闭，实现氢气断供，可避免氢气供应子系统处温度或压力过高导致的爆炸危机；又如当第二温度传感器31的温度数据即燃料电池电堆3温度高于预设值，整车网络可发出DC/DC变换器32目标输入电压指令，系统控制器52根据指令控制利用PWM信号调控DC/DC变换器32，实现系统输出功率的降低，进而保护燃料电池电堆3不受高温破坏，实现了过热保护；

通过CAN总线的高电平线以及CAN总线的低电平线上的电位差的分析，能够实现整车网络对CAN通讯中断故障的识别，当故障时，可由整车网络发出指令，由系统控制器52根据指令控制第一继电器开关35断开、瓶口电磁阀11和送氢管道电磁阀12关闭，实现高压回路的断开，整车负载停止运行，氢气燃料断供。

综上设计，系统具有多重系统保护功能，危机应变能力强，安全保障性好，自动化程度高，能够主动实现突发故障的应急处理。

进一步地，所述电气与控制子系统5还包括泄露检测控制器53，所述泄露检测控制器53连接有多个设置在客车氢气易泄露且安全控制关键位置的氢气浓度检测器531，所述泄露检测控制器53连接整车网络。客车氢气易泄露且安全控制关键位置如氢气加注口、氢气存储空间、燃料电池电堆3处以及客车乘客车厢内部等，一旦整车网络检测到泄露检测控制器53上传的氢气浓度高于阈值，则向系统控制器52发出指令，关闭相应子系统的工作。有利于氢气泄露保护，保障乘客安全。

如图2所示，所述氢气供应子系统1包括：

氢气存储模块101，包括储氢瓶和瓶口组合阀，所述第一温度传感器13包括设于所述储氢瓶内的瓶温度传感器131，所述压力传感器14包括设于所述储氢瓶内的瓶压力传感器141，所述瓶口组合阀包括第一安全阀、熔栓阀、手动截止阀、放散球阀和所述瓶口电磁阀11；

氢气加注模块102，包括加注口、过滤器、单向阀以及机械压力表；

氢气供应模块103，包括一级减压阀、卸荷阀、溢流阀、放散口和所述送氢管道电磁阀12；

所述氢气加注模块102通过氢气管道连通所述氢气存储模块101，所述氢气存储模块101通过氢气管道连通所述氢气供应模块103，所述氢气供应模块103通过氢气管道连通所述燃料电池电堆3。

上述设置中，瓶口组合阀能够确保储氢瓶内储氢的安全性，氢气加注模块102的过滤器用于过滤器过滤细小颗粒，以达到延长系统密封件（各个阀门）寿命的目的，单向阀用于避免氢气从加注口泄露，机械压力表用于显示储氢瓶进氢压力，一级减压阀和卸荷阀实现靠近氢气供应模块103端和靠近燃料电池电堆3端的氢气管道处氢气压力的控制，溢流阀用于氢气流量的控制，放散口用于管路保压和紧急情况的氢气放空控制，综上，有利于安全储氢和供氢

所述燃料电池电堆3的进氢端口设有第二安全阀。可以有效防止因系统零部件故障导致的氢气进堆压力过高而破坏燃料电池电堆3，当氢进压力大于预设值时，氢气将直接经由第二安全阀排出系统空间。

进一步地，如图3所示，所述空气供应子系统2包括空气过滤器21、空压机22、中冷器23以及增湿器24，所述空气过滤器21、空压机22、中冷器23以及增湿器24通过空气管道依次连通，所述增湿器24出口通过空气管道连通所述燃料电池电堆3的空气进口，所述空气过滤器21出口设有空气流量计25，所述增湿器24与所述燃料电池电堆3之间的空气管道内设有空气温度传感器26和空气压力传感器27，所述空气流量计25、空气温度传感器26和空气压力传感器27均与所述系统控制器52连接，所述空压机22、中冷器23均与所述负载控制器51连接。当空气温度传感器26、空气压力传感器27或者空气流量计25采集的参数超出整车网络中预设控制范围时，可以控制空压机22、中冷器23作出相适应的调整，如流量控制、温度控制以及压力控制等，确保空气供应子系统2供气符合燃料电池电堆3的应用需求。

一具体实施例中，所述空气供应子系统2还包括空气预热器28，所述空气预热器28与所述燃料电池电堆3的空气进口通过辅助空气管道连通，所述辅助空气管道上设有预热电磁阀29，所述预热电磁阀29与所述系统控制器52连接，所述空气预热器28与所述负载控制器51连接。

当第二温度传感器31采集的燃料电池电堆3温度低于燃料电池电堆3启动温度时，整车网络能够向负载控制器51和系统控制器52发出指令，负载控制器51控制空气预热器28开启，对空气进行加热，系统控制器52控制预热电磁阀29打开，为燃料电池电堆3提供热空气，使得其内部温度快速升高，实现了预热功能，当温度达到启动温度后，整车网络发出指令，负载控制器51控制空气预热器28关闭，系统控制器52控制预热电磁阀29关闭。

如图4所示，所述水热管理子系统4包括散热器41、水泵42、循环换热管道43和水热控制器44，所述循环换热管道43内灌注有冷却液，所述散热器41入口端和出口端的所述循环换热管道43内设有冷却液温度传感器45，靠近所述燃料电池电堆3的冷却液进口的所述循环换热管道43内设有冷却液压力传感器46，所述冷却液温度传感器45、冷却液压力传感器46均与所述水热控制器44连接，所述水热控制器44连接整车网络，所述散热器41、水泵42均与所述负载控制器51连接。

水热控制器44采集散热器41两端的冷却液温度和进堆端的冷却液压力传输给整车网络，整车网络分析数据，根据数据的情况，发出相应指令，调节散热器41、水泵42的工作。有利于整车网络监控冷却液温度变化情况、进堆端的冷却液压力，并根据参数符合和不符合情况，指令负载控制器51调整散热器41、水泵42的工作，以便更好的为燃料电池电堆3提供散热服务，自动化的确保燃料电池电堆3工作安全。

综上设计，系统具备各个子系统的多重保护，能够应对较多的危机情况，确保整车运行的安全性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种氢燃料电池客车用动力系统，其特征在于，用于氢燃料电池客车，包括氢气供应子系统、空气供应子系统、燃料电池电堆、水热管理子系统、电气与控制子系统以及动力电池子系统；所述氢气供应子系统包括瓶口电磁阀、送氢管道电磁阀、第一温度传感器以及压力传感器，所述燃料电池电堆包括第二温度传感器、高压供电线路以及蓄电线路，所述电气与控制子系统包括负载控制器、系统控制器和用于连入整车网络的CAN总线，所述动力电池子系统包括蓄电池和低压供电线路；所述高压供电线路包括依次连接的DC/DC变换器、第一熔断器、第一二极管以及第一继电器开关，所述DC/DC变换器输入端的正负极分别连接燃料电池电堆的正负极，所述DC/DC变换器输出端的正极连接所述第一熔断器，所述第一继电器开关的另一端连接所述负载控制器的正极，所述负载控制器的负极连接所述DC/DC变换器输出端的负极；所述蓄电线路包括与所述第一继电器开关的另一端连接的第二二极管和两端分别连接所述第二二极管和所述蓄电池正极的电阻；所述低压供电线路包括依次连接的第二熔断器、第三二极管以及第二继电器开关，所述第二熔断器的另一端连接所述蓄电池正极，所述第二继电器开关的另一端连接所述负载控制器的正极，所述负载控制器的负极连接所述蓄电池负极；所述瓶口电磁阀、送氢管道电磁阀、第一温度传感器、压力传感器、第二温度传感器、第一继电器开关、第二继电器开关、DC/DC变换器、CAN总线的高电平线以及CAN总线的低电平线均与所述系统控制器连接，所述系统控制器和所述负载控制器均连接整车网络；

所述氢气供应子系统包括：

氢气存储模块，包括储氢瓶和瓶口组合阀，所述第一温度传感器包括设于所述储氢瓶内的瓶温度传感器，所述压力传感器包括设于所述储氢瓶内的瓶压力传感器，所述瓶口组合阀包括第一安全阀、熔栓阀、手动截止阀、放散球阀和所述瓶口电磁阀；

氢气加注模块，包括加注口、过滤器、单向阀以及机械压力表；

氢气供应模块，包括一级减压阀、卸荷阀、溢流阀、放散口和所述送氢管道电磁阀；

所述氢气加注模块通过氢气管道连通所述氢气存储模块，所述氢气存储模块通过氢气管道连通所述氢气供应模块，所述氢气供应模块通过氢气管道连通所述燃料电池电堆；

所述空气供应子系统包括：

空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器，所述空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器通过空气管道依次连通，所述增湿器出口通过空气管道连通所述燃料电池电堆的空气进口，所述空气过滤器出口设有空气流量计，所述增湿器与所述燃料电池电堆之间的空气管道内设有空气温度传感器和空气压力传感器，所述空气流量计、空气温度传感器和空气压力传感器均与所述系统控制器连接，所述空压机、中冷器均与所述负载控制器连接；

所述水热管理子系统包括：

散热器、水泵、循环换热管道和水热控制器，所述循环换热管道内灌注有冷却液，所述散热器入口端和出口端的所述循环换热管道内设有冷却液温度传感器，靠近所述燃料电池电堆的冷却液进口的所述循环换热管道内设有冷却液压力传感器，所述冷却液温度传感器、冷却液压力传感器均与所述水热控制器连接，所述水热控制器连接整车网络，所述散热器、水泵均与所述负载控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池客车用动力系统，其特征在于，所述电气与控制子系统还包括泄露检测控制器，所述泄露检测控制器连接有多个设置在客车氢气易泄露且安全控制关键位置的氢气浓度检测器，所述泄露检测控制器连接整车网络。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池客车用动力系统，其特征在于，所述燃料电池电堆的进氢端口设有第二安全阀。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池客车用动力系统，其特征在于，所述空气供应子系统还包括空气预热器，所述空气预热器与所述燃料电池电堆的空气进口通过辅助空气管道连通，所述辅助空气管道上设有预热电磁阀，所述预热电磁阀与所述系统控制器连接，所述空气预热器与所述负载控制器连接。