專利名稱：儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池汽車中的車載氫氣供氣系統(tǒng)或天然氣汽車中的車載氫氣和壓縮天然氣供氣系統(tǒng)，及地面上的高壓氫氣或天然氣的氣瓶組供氣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，世界范圍內(nèi)石油資源正日趨枯竭，人類社會的發(fā)展對環(huán)境造成巨大的污染和破壞，促使世界各國開始將目光轉(zhuǎn)向更加環(huán)保的可替代能源和可再生能源上。氫作為宇宙中含量最豐富的元素之一，具有清潔、可再生、能量密度高等特性，被認(rèn)為是未來最具發(fā)展前景的替代能源。隨著燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，氫能源已經(jīng)開始應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。
氫燃料電池汽車最不安全的因素之一是供氫系統(tǒng)。氫氣是所有氣體中密度最低、最易燃、易爆、能量最高的氣體，因此，氫的上述特性不容忽視，國際上在發(fā)展氫燃料電池汽車之初就明確提出了“氫安全”重要概念，在發(fā)展車載高壓供氫系統(tǒng)時，國際上幾乎都一致采取了相同的技術(shù)路線，即延續(xù)天然氣汽車供氣系統(tǒng)發(fā)展基礎(chǔ)，借鑒其技術(shù)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)車載高壓供氫系統(tǒng)的特點逐漸加以完善。為了提高燃料電池汽車的續(xù)駛里程，汽車制造商要求把供氫系統(tǒng)的工作壓力從20MPa提高到35MPa，并進(jìn)一步提出了提高到70MPa的目標(biāo)，氫供氣系統(tǒng)的安全可靠性，尤其顯得十分突出和重要。
在國內(nèi)，天然氣汽車供氣系統(tǒng)的研究，是伴隨著國內(nèi)1999年北京開始大規(guī)模使用單一燃料天然氣公交客車開始的。主要是對系統(tǒng)的安全可靠性(故障模式、故障樹、危害性分析及糾正措施)上進(jìn)行了深入研究，增設(shè)了自動過流保護(hù)裝置等，且已有相應(yīng)的實用新型專利公開，但未曾見到本發(fā)明提到的有對儲氣瓶組中的儲氣瓶采用順序開啟等安全、低電耗、智能型的供氣系統(tǒng)的發(fā)明專利公開或有關(guān)文獻(xiàn)的發(fā)表；在國外，對天然氣汽車供氣系統(tǒng)的改進(jìn)，也同樣致力于提高系統(tǒng)的安全可靠性，且有相應(yīng)的專利公開或文獻(xiàn)發(fā)表，但是未曾見到有對儲氣瓶組的儲氣瓶采用順序開啟等的安全、低電耗、智能型的供氣系統(tǒng)的發(fā)明專利公開或有關(guān)文獻(xiàn)問世。對于高于20MPa以上的儲氣瓶儲氣壓力(如35MPa或70MPa以上壓力)，將儲氣瓶組中的儲氣瓶實施順序開啟，提供一個安全可靠、低耗智能型的氫燃料電池汽車供氣系統(tǒng)是該專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向和趨勢，也是本發(fā)明的背景技術(shù)要求。
近年來，國內(nèi)正在大力推進(jìn)燃料電池汽車的研制，進(jìn)一步實施工程化，氫供氣系統(tǒng)是其研制的重要領(lǐng)域之一，而目前未見相關(guān)發(fā)明專利的公開和有關(guān)論文的發(fā)表；在國外，2006年6月，美國公開了由Steven R.Mathison和Shiro Matsuo提出的“HYDROGEN VEHICLE GAS UTILIZATION ANDREFUELING SYSTEM”發(fā)明專利申請(申請?zhí)枮閁S2006/0118175A1)，該專利申請主要描述了車載或加氣站用高壓供氫系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，將氫氣儲存系統(tǒng)和供應(yīng)系統(tǒng)都分別連接至氣瓶閥并在儲氣瓶口處分開，保護(hù)的核心是向燃料電池供氣時，分別開啟儲氣瓶通道，提高取氣效率，降低儲氣瓶中氫氣的剩氣率。儲氣瓶組的每個儲氣瓶上有一個壓力傳感器，用于作為儲氣瓶電磁閥開啟的判據(jù)。該發(fā)明不同于本發(fā)明，保護(hù)內(nèi)容也不相同，其安全性沒有提出解決方案。
為加速推進(jìn)燃料電池汽車工程化研制，進(jìn)一步改善大氣環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量，燃料電池汽車氫供氣系統(tǒng)的研制必須遵循安全、可靠、低耗、智能化的方向，這也是本發(fā)明的背景技術(shù)要求。
本發(fā)明適用于燃料電池汽車中的車載氫氣供氣系統(tǒng)或天然氣汽車中的車載壓縮天然氣供氣系統(tǒng)，及地面高壓氫氣或天然氣的儲氣瓶組供氣系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種智能控制、安全性和可靠性高、能量利用率高、低電耗和氣量顯示精度高的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征點在于包括至少2個儲氣瓶及安裝在其上的氣瓶閥、及帶有單向閥的充氣閥、至少2個充氣并組管、高壓壓力傳感器、至少2個供氣并組管、供氣主管路、復(fù)位壓力傳感器、至少2個帶單向閥的電磁閥、及電子控制模塊ECM；帶有單向閥的充氣閥的輸出氣路通道經(jīng)過管路接至各充氣并組管的一端，各充氣并組管的另一端與帶單向閥的電磁閥一端的單向閥的氣路通道相連，各供氣并組管上的一端與帶單向閥的電磁閥一端的電磁閥氣路通道相連，帶單向閥的電磁閥的另一端通過管路與氣瓶閥相連，各供氣并組管的另一端則與供氣主管路相連，ECM輸出的控制信號接至每個帶單向閥的電磁閥上；復(fù)位壓力傳感器安裝在帶單向閥電磁閥與帶壓力釋放裝置的氣瓶閥之間的氣路上，其輸出接至ECM；高壓壓力傳感器安裝在供氣并組管后的供氣主管路上，其輸出接到ECM，ECM根據(jù)高壓壓力傳感器的輸出使帶單向閥的電磁閥按順序依次開啟，儲氣瓶順序供氣，直至最后一個儲氣瓶供氣結(jié)束；同時ECM根據(jù)復(fù)位壓力傳感器的輸出將供氣的儲氣瓶的序號自動復(fù)位并記憶，以便系統(tǒng)上電后從該儲氣瓶開始供氣。
在所述的高壓壓力傳感器后的供氣主管路上接有減壓調(diào)節(jié)器，將高壓氣體減壓為低壓氣體，以供后面的相關(guān)設(shè)備使用。
在所述的減壓調(diào)節(jié)器后的供氣主管路上設(shè)有低壓壓力傳感器，低壓壓力傳感器的輸出接于ECM，用以監(jiān)測減壓調(diào)節(jié)器是否正常工作及關(guān)斷保護(hù)。
當(dāng)所述的減壓調(diào)節(jié)器的輸出壓力超出設(shè)計范圍并在±10％之內(nèi)，低壓壓力傳感器輸出信號至ECM，ECM發(fā)出報警信號；當(dāng)減壓調(diào)節(jié)器的輸出壓力超出設(shè)計范圍±10％，ECM將切斷氣路上所有帶單向閥的電磁閥激磁線圈信號并報警，使所有儲氣瓶均處關(guān)閉狀態(tài)。
在所述的充氣管路和供氣主管路上均設(shè)有氣體過濾器，用于過濾氣體，防止充氣管路和供氣管路上的功能件失效。
在所述的供氣主管路上設(shè)置有過流保護(hù)裝置，當(dāng)供氣主管路中氣體的流量超過設(shè)計值時，氣體有可能大量泄漏，此時過流保護(hù)閥立即啟動，輸出信號至ECM，ECM控制正在供氣的儲氣瓶管路中的帶單向閥的電磁閥關(guān)閉，起到進(jìn)一步安全保護(hù)作用。
在所述的供氣主管路上還包括電磁閥，設(shè)置在高壓傳感器前為高壓電磁閥，設(shè)置在減壓調(diào)節(jié)器后為低壓電磁閥，其輸出接到ECM。
在所述的首個帶單向閥的電磁閥中的電磁閥一端與供氣并組管的連接一端的氣路上安裝有溫度傳感器，溫度傳感器的輸出接至ECM，ECM根據(jù)溫度傳感器得到的儲氣瓶組及管路的氣體溫度，修正剩余儲氣瓶氣量，采用剩余壓力、體積或質(zhì)量值來輸出，使系統(tǒng)計量剩余氣量更加準(zhǔn)確。
所述的電子控制模塊ECM包括微處理器電路、激磁線圈驅(qū)動電路和穩(wěn)壓電路；上電時，微處理器電路依據(jù)記憶，判斷出當(dāng)前使用的是至少2路儲氣瓶管路中的哪一個儲氣瓶號，并將該信號傳遞給該路上的帶單向閥的電磁閥的激磁線圈驅(qū)動電路，使電磁閥打開，相應(yīng)的儲氣瓶供氣；在供氣過程中，微處理器電路將接收高壓壓力傳感器的檢測信號，根據(jù)邏輯判斷關(guān)閉供氣儲氣瓶，啟動下一儲氣瓶，并將新的儲氣瓶號保存下來；當(dāng)各儲氣瓶充氣后，微處理器電路將復(fù)位儲氣瓶號，并記憶下復(fù)位后的儲氣瓶號；穩(wěn)壓電路為ECM各電路提供穩(wěn)定和可靠的電源。
所述的微處理器還具有自檢功能，逐個打開儲氣瓶，檢查壓力傳感器信號，如不符合設(shè)定要求，則報警。
所述的微處理器還具有CAN通信功能及修正氣量顯示功能，微處理器電路通過CAN收發(fā)器向本系統(tǒng)外的其他具有CAN通訊功能的電路發(fā)出報警信號、儲氣瓶關(guān)斷信號、當(dāng)前剩余氣體總量等信息，以及接收來自其他CAN電路發(fā)出的儲氣瓶全部開啟指令、儲氣瓶全部關(guān)斷指令和自檢指令。
本發(fā)明的工作原理充氣時，氣體通過帶有單向閥的充氣閥后進(jìn)入過濾器，氣體經(jīng)過濾器過程后，進(jìn)入充氣并組管，由充氣并組管各分路進(jìn)入相應(yīng)的帶單向閥電磁閥中的單向閥氣路后，經(jīng)過帶壓力釋放裝置的氣瓶閥后進(jìn)入儲氣瓶中實現(xiàn)充氣；當(dāng)供氣時，先由設(shè)定的首個儲氣瓶供氣，其它儲氣瓶不供氣，即只對設(shè)定的首個儲氣瓶氣路上帶單向閥電磁閥通電，開啟電磁閥，該儲氣瓶中的氣體經(jīng)過帶壓力釋放裝置的氣瓶閥、復(fù)位壓力傳感器、帶單向閥電磁閥的電磁閥氣路和溫度傳感器后進(jìn)入供氣并組管，再經(jīng)供氣并組管進(jìn)入供氣主管路，氣體通過過流保護(hù)裝置后進(jìn)入過濾器，經(jīng)過過濾后，再通過減壓調(diào)節(jié)器將高壓氣體減為低壓氣體后輸出；當(dāng)高壓壓力傳感器測得供氣儲氣瓶中的氣體低于本發(fā)明規(guī)定的壓力時(一般為2.1MPa)，將此信號輸出至ECM，ECM的輸出將對該儲氣瓶管路中的帶單向閥的電磁閥斷電，從而使其電磁閥氣路關(guān)閉，切斷當(dāng)時供氣的儲氣瓶，同時ECM根據(jù)復(fù)位壓力傳感器的輸出將供氣的儲氣瓶的序號自動復(fù)位并記憶，以便系統(tǒng)上電后從該儲氣瓶開始供氣，并重復(fù)首個氣瓶供氣過程，直至最后一個儲氣瓶供氣結(jié)束。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明創(chuàng)新地通過在氣路壓力傳感器的測量，避免了壓力傳感器安裝在氣瓶上所帶來的復(fù)雜性，實現(xiàn)了兩個或兩個氣瓶以上組成的儲氣瓶組中單個儲氣瓶逐個順序開啟供氣，替代了常用儲氣瓶組中所有氣瓶同時開啟供氣的方案，從而避免了儲氣瓶組整體供氣方案中，由于突發(fā)事故帶來的可燃?xì)怏w全部放散，特別是氫氣等所造成的危害，提高了儲氣瓶組供氣系統(tǒng)的安全性和可靠性。
(2)本發(fā)明在系統(tǒng)供氣時，只開啟儲氣瓶組中的一個儲氣瓶供氣，無須使多個儲氣瓶全部開啟供氣，因此，電功率消耗只相當(dāng)于n個儲氣瓶全部開啟時的1/n(n為氣瓶組氣瓶個數(shù)，為2個或2個以上)，即使由于不可預(yù)見原因?qū)е職怏w泄漏，也只是一個氣瓶氣體泄漏，其它氣瓶氣體由于處于關(guān)閉狀態(tài)不會泄漏，且單個儲氣瓶的取氣率高于常用的儲氣瓶組同時取氣的取氣率，提高了能源利用率，使得功耗降低。
(3)本發(fā)明供氣主管路上設(shè)置了高壓壓力傳感器，用作儲氣瓶逐個順序開啟供氣的主要判據(jù)，避免了在每個儲氣瓶上都安置壓力傳感器所帶來的復(fù)雜性，提高了儲氣瓶組供氣系統(tǒng)的可靠性和易維修性。
(4)本發(fā)明通過采用儲氣瓶組中單個氣瓶管路上帶單向閥的電磁閥逐個順序開啟供氣，高壓壓力傳感器始終測量正在使用的儲氣瓶的剩余壓力，壓力傳感器測量誤差只代表該儲氣瓶壓力誤差。因此測量精度也由采用儲氣瓶組整體供氣方案的測量的較大的壓力誤差如±Δ，提高到當(dāng)前的±Δ/n顯示測量精度。
(5)本發(fā)明在多個儲氣瓶管路其中的首個儲氣瓶管路上設(shè)置復(fù)位壓力傳感器和溫度傳感器。當(dāng)復(fù)位壓力傳感器檢測到該路儲氣瓶中氣體的壓力大于規(guī)定壓力值時(一般為3MPa)，表明儲氣瓶組已經(jīng)重新加氣且所有的儲氣瓶已全部充滿，或首個氣瓶還有多于3MPa的氣體，則復(fù)位壓力傳感器輸(6)本發(fā)明具有更安全保障功能。主要體現(xiàn)在a.在系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，當(dāng)高壓壓力傳感器感受到的壓力大于20MPa時(壓力值可以設(shè)定，如20MPa，35MPa，70MPa等)，電子控制模塊ECM會切斷與該工作儲氣瓶管路相連接的帶單向閥的電磁閥激磁線圈信號，關(guān)閉該儲氣瓶并報警，所有儲氣瓶均處關(guān)閉狀態(tài)；b.在低壓輸出壓力低于某限定值(一般為0.7MPa)或高于某限定值(一般為1.1MPa)時，系統(tǒng)中的低壓電磁閥立即停止工作，切斷輸出并報警；c.當(dāng)供氣主管路中氣體的流量超過設(shè)計值時，過流保護(hù)裝置立即啟動，輸出信號至ECM，ECM控制正在供氣的儲氣瓶管路中的帶單向閥的電磁閥關(guān)閉，起到進(jìn)一步安全保護(hù)作用；d.低壓壓力傳感器，用于監(jiān)測減壓調(diào)節(jié)器是否正常工作，當(dāng)減壓調(diào)節(jié)器的輸出壓力超出設(shè)計范圍時，低壓壓力傳感器輸出信號至ECM，ECM控制發(fā)出報警信號，可以有效監(jiān)控減壓調(diào)節(jié)器的壓力輸出狀態(tài)，對故障進(jìn)行恰當(dāng)判斷并采取相應(yīng)措施；e.ECM帶有緊急狀態(tài)關(guān)閉功能，一是可以在汽車某適當(dāng)部位設(shè)置與電子控制模塊ECM相連接的外置手動緊急關(guān)斷電鈕，當(dāng)出現(xiàn)需要關(guān)閉氣路的緊急情況時，司乘人員即可按動此按鈕，通過電子控制模塊ECM切斷電磁閥激磁線圈回路，電磁閥關(guān)閉并切斷氣源。只有當(dāng)解除外置手動緊急關(guān)斷按鈕的關(guān)斷狀態(tài)，并使之處于正常狀態(tài)時，才可以恢復(fù)正常供氣；二是電其它外部關(guān)斷命令信號可以通過控制模塊ECM的CAN總線輸出關(guān)斷信號，使系統(tǒng)的氣路全部關(guān)閉。
(7)本發(fā)明采用的電子控制模塊ECM采用微處理器電路解決系統(tǒng)控制問題，簡單了控制電路，實現(xiàn)了智能控制，而且進(jìn)一步提高了可靠性。
(8)本發(fā)明的ECM具有CAN總線通信功能，可以方便地通過CAN收發(fā)器向本系統(tǒng)外的其他具有CAN通訊功能的電路發(fā)出報警信號、儲氣瓶關(guān)斷信號、當(dāng)前剩余氣體總量等信息，以及接收來自其他CAN電路發(fā)出的儲氣瓶全部開啟指令、儲氣瓶全部關(guān)斷指令和自檢指令；并且ECM還具有自檢功能，ECM可以在按鍵觸發(fā)下或來自本系統(tǒng)外的自檢指令下，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，進(jìn)一步提高了安全性和可靠性。


圖1為本發(fā)明的原理圖；圖2為本發(fā)明中的電子控制模塊ECM電原理圖；圖3為本發(fā)明中的微處理器電路圖；圖4為本發(fā)明中的帶單向閥的電磁閥的激磁線圈驅(qū)動電路圖；圖5為本發(fā)明中的穩(wěn)壓電路圖；圖6為本發(fā)明的ECM中微處理器的控制流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的實施例包括氣路部分和控制部分，氣路部分包括充氣閥1、位于充氣并組管6a與充氣閥1之間的氣體過濾器2a和減壓調(diào)節(jié)器13前的氣體過濾器2b、帶單向閥的電磁閥3a、3b...3n、儲氣瓶5a、5b...5n及其安裝在其上的帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a、4b...4n，充氣并組管6a、供氣并組管6b、過流保護(hù)閥9、復(fù)位壓力傳感器10、高壓壓力傳感器11、低壓壓力傳感器12、減壓調(diào)節(jié)器13、低壓電磁閥14、電子控制模塊ECM16、溫度傳感器18。帶有單向閥的充氣閥1通過高壓氣體管線7a與氣體過濾器2a的一端相連，氣體過濾器2a的另一端通過高壓氣體管線7a與各充氣并組管6a一端相連，充氣管路的各供氣并組管6a上的另一端和與帶單向閥的電磁閥3a，3b，...，3n一端的單向閥氣路通道相連，帶單向閥的電磁閥3a，3b，...，3n的另一端則通過管路17a，17b，...，17n與帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a，4b，...，4n相連，帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a，4b，...，4n安裝在儲氣瓶5a，5b，...，5n上，由此組成充氣管路。供氣管路則是通過安裝在儲氣瓶5a，5b，...，5n上的帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a，4b，...，4n，通過管路17a，17b，...，17n與帶單向閥的電磁閥裝置3a，3b，...，3n一端連接，氣體進(jìn)入帶單向閥的電磁閥3a，3b，...，3n的電磁閥氣路，各供氣并組管6b上的一端與帶單向閥的電磁閥3a，3b，...，3n一端的電磁閥氣路通道相連，各供氣并組管6b的另一端與主管路7b上的過流保護(hù)閥9的一端連接，過流保護(hù)閥9的另一端與氣體過濾器2b的一端連接，氣體過濾器2b的另一端通過管路7b與減壓調(diào)節(jié)器13的一端相連，減壓調(diào)節(jié)器13的另一端通過低壓管路8與低壓電磁閥14的一端相連，低壓電磁閥14的另一端作為輸出儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)的輸出，可以向相關(guān)設(shè)備供氣。復(fù)位壓力傳感器10安裝在首個帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a與帶單向閥的電磁閥3a連接的管路17a上，溫度傳感器18安裝在并組管6b與帶單向閥的電磁閥3a連接的管路上，高壓壓力傳感器11和低壓壓力傳感器12分別位于減壓調(diào)節(jié)器13兩端的高壓管路7b與低壓管路8上?？刂撇糠职娮涌刂颇KECM 16、帶單向閥的電磁閥3a、3b...3n、過流保護(hù)閥9、低壓電磁閥14、復(fù)位壓力傳感器10、溫度傳感器18、高壓壓力傳感器11和低壓壓力傳感器12。帶單向閥的電磁閥3a、3b...3n、過流保護(hù)閥9和低壓電磁閥14的激磁線圈均通過相應(yīng)的導(dǎo)線束15和電子控制模塊ECM16相連，構(gòu)成系統(tǒng)控制回路，并受控于電子控制模塊ECM16；復(fù)位壓力傳感器10、高壓壓力傳感器11、低壓壓力傳感器12、低壓電磁閥14和溫度傳感器18的輸出信號，通過相應(yīng)的導(dǎo)線束15與電子控制模塊ECM16相連，構(gòu)成ECM16的輸入信號。ECM16可以用CAN總線與外界通訊及可以有緊急關(guān)斷信號的輸入等。
如圖1所示，本發(fā)明的工作原理充氣時，氣體經(jīng)過帶有單向閥的充氣閥1、高壓管路7a、氣體過濾器2a后進(jìn)入充氣并組管6a，由充氣并組管6a分n路進(jìn)入n個儲氣瓶管路，經(jīng)過帶單向閥的電磁閥3a、3b...3n的單向閥氣路和帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a、4b...4n后進(jìn)入儲氣瓶5a、5b...5n中實現(xiàn)充氣。
使用過程中，在儲氣瓶5a供氣管路中設(shè)置的復(fù)位壓力傳感器10檢測到該路儲氣瓶5a中氣體的壓力大于或等于設(shè)定壓力值時(如3MPa時)，表明此時所有的儲氣瓶重新加過氣已全部充滿，或說明5a氣瓶還在使用，復(fù)位壓力傳感器10將輸出信號至ECM16，ECM16將該儲氣瓶5a的序號自動復(fù)位并記憶，此時從此儲氣瓶開始供氣。當(dāng)系統(tǒng)停止工作或掉電后再上電時，ECM16將按照已記憶的儲氣瓶序號開始輸出信號至該路帶單向閥的電磁閥，使該路帶單向閥的電磁閥3a、3b...3n開啟，此時從該路繼續(xù)開始供氣。
在供氣時，由n路儲氣瓶管路17a，17b，...，17n中的一路供氣，其它幾路均不供氣，設(shè)定首個供氣儲氣瓶為5a，儲氣瓶5a中的氣體經(jīng)過帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4a、儲氣瓶管路17a、復(fù)位壓力傳感器10、帶單向閥的電磁閥3a和溫度傳感器18后，進(jìn)入供氣并組管6b，再通過供氣并組管6b送入供氣主管路7b中，經(jīng)過過流保護(hù)閥9的氣體流量過流保護(hù)、氣體過濾器2b過濾掉氣體中的雜質(zhì)、減壓調(diào)節(jié)器13將高壓氣體減為低壓氣體后經(jīng)過低壓電磁閥14的出口管路輸出氣體；當(dāng)高壓壓力傳感器11測得儲氣瓶5a中的氣體低于設(shè)定的壓力時(如2.1MPa時)，將此信號輸出至ECM16，ECM16輸出控制供氣儲氣瓶管路中的帶單向閥的電磁閥3a關(guān)閉，從而切斷當(dāng)時供氣的儲氣瓶5a，同時ECM16記憶該儲氣瓶5a的序號，按順序開啟下一個儲氣瓶5b供氣，下一個供氣儲氣瓶5b中的氣體經(jīng)過該路的帶壓力釋放裝置的氣瓶閥4b、儲氣瓶管路17b和帶單向閥的電磁閥3b后進(jìn)入供氣并組管6b，再經(jīng)供氣并組管6b進(jìn)入供氣主管路中，經(jīng)過過流保護(hù)閥9的氣體流量過流保護(hù)、氣體過濾器2b過濾掉氣體中的雜質(zhì)、減壓調(diào)節(jié)器13將高壓氣體減為低壓氣體后經(jīng)過低壓電磁閥14的出口管路輸出氣體；當(dāng)高壓壓力傳感器11測得此時供氣儲氣瓶5b中的氣體低于設(shè)定的壓力時(如2.1MPa時)，此信號輸出至ECM16，ECM16控制該供氣儲氣瓶管路中帶單向閥的電磁閥3b關(guān)閉，從而切斷此時供氣的儲氣瓶5b，同時ECM16記憶該儲氣瓶5b的序號，按順序開啟再一個儲氣瓶5c，直至開啟最后一個儲氣瓶5n結(jié)束。
由于單個氣瓶順序供氣及剩余氣量計量精度提高，使得氣瓶氣體的取氣率相對提高，本發(fā)明設(shè)置取氣最低壓力值為2.1MPa。當(dāng)ECM16從復(fù)位壓力傳感器及高壓壓力傳感器得到所有氣體壓力值低于2.1MPa時，這時ECM16將對氣路上所有電磁閥激磁線圈通電，打開所有電磁閥，所有氣瓶全部供氣，同時ECM16報警；當(dāng)供氣管路上的壓力傳感器小于1.5MPa，ECM將對氣路上所有電磁閥激磁線圈斷電，關(guān)斷所有電磁閥，同時報警。從而達(dá)到能源使用率增效提高。
在供氣過程中，低壓壓力傳感器12用于監(jiān)測減壓調(diào)節(jié)器13是否正常工作，當(dāng)減壓調(diào)節(jié)器的輸出壓力在設(shè)計范圍時(低壓超出0.7MPa，高壓超出1.1MPa時)，低壓壓力傳感器12輸出信號至ECM，ECM報警，當(dāng)超出此范圍時，ECM切斷所有電磁閥，并發(fā)出報警信號，進(jìn)一步提高安全性。
如圖2所示，本發(fā)明的電子控制模塊ECM16主要包括穩(wěn)壓電路20、微處理器電路21、激磁線圈驅(qū)動電路22。微處理器電路21負(fù)責(zé)接收來自高壓壓力傳感器11、低壓壓力傳感器13和復(fù)位壓力傳感器10的檢測信號、溫度傳感器18、記憶儲氣瓶號、對外CAN通信和進(jìn)行信息處理，根據(jù)軟件程序判斷開啟哪一個儲氣瓶供氣，然后將該路的電磁閥驅(qū)動信號傳給激磁線圈驅(qū)動電路22；激磁線圈驅(qū)動電路22將接收到的驅(qū)動信號進(jìn)行功率放大后，傳給相應(yīng)的電磁閥激磁線圈，打開相對應(yīng)的儲氣瓶氣路；根據(jù)記憶的儲氣瓶號、高壓壓力傳感器11和溫度傳感器18信號計算并修正剩余氣體氣量并輸出；根據(jù)外界緊急關(guān)斷信號，進(jìn)行斷電處理；根據(jù)外界巡檢指令或通過CAN總線得到的巡檢指令進(jìn)行巡檢；對復(fù)位壓力傳感器10、高壓壓力傳感器11和低壓壓力傳感器12輸入的信號進(jìn)行判斷處理。微處理器電路21完成的主要功能控制程序參見圖6。此外，為使各電路穩(wěn)定、可靠，設(shè)置了穩(wěn)壓電路20，該電路將系統(tǒng)外的電源電壓穩(wěn)定到一定值后，提供給微處理器電路21和激磁線圈驅(qū)動電路22做電源。
如圖3所示為微處理器電路21。上電時，微處理器U3讀取記憶芯片U4中的儲氣瓶號，并打開該路儲氣瓶管路向系統(tǒng)供氣；同時，微處理器U3根據(jù)接收到的高壓壓力傳感器11和低壓壓力傳感器13的檢測信號，通過邏輯判斷，在符合儲氣瓶轉(zhuǎn)換條件時，停止目前供氣的儲氣瓶供氣，啟動下一儲氣瓶供氣，并將該儲氣瓶號送到U4中保存；在各儲氣瓶充氣后，微處理器U3根據(jù)復(fù)位壓力傳感器10的檢測信號，復(fù)位儲氣瓶號，并將該儲氣瓶號送到U4中保存。微處理器U3通過CAN收發(fā)器U2進(jìn)行CAN通信，向本系統(tǒng)外的其他CAN電路發(fā)出報警信號、儲氣瓶關(guān)斷信號、當(dāng)前氣體總量等信息，以及接收來自其他CAN電路發(fā)出的儲氣瓶全部開啟指令、儲氣瓶全部關(guān)斷指令和自檢指令，及系統(tǒng)自身通過按鍵的強(qiáng)制關(guān)斷和自檢指令。自檢功能主要是通過微處理器21中的軟件順序間隔開啟3a，3b，...，3n并通過對壓力傳感器11的測量來檢測5a，5b，...，5n的剩余氣體壓力，并根據(jù)溫度傳感器得到的儲氣瓶組及管路的氣體溫度、高壓壓力傳感器11和當(dāng)前氣瓶號，通過ECM16中的微處理器U3，修正剩余儲氣瓶氣量，可以用剩余壓力、體積或質(zhì)量值來輸出，系統(tǒng)計量剩余氣量更加準(zhǔn)確。微處理器U3在接收到輸入口的關(guān)斷信號后，關(guān)斷全部電磁閥，在接收到輸入口的自檢信號后，完成系統(tǒng)自檢。
如圖4所示，為第n路電磁閥的激磁線圈驅(qū)動電路22的具體實現(xiàn)方法，其余各路電磁閥激磁線圈的驅(qū)動電路與此雷同。驅(qū)動信號由三級管Q1基極輸入，當(dāng)有高電平信號時，Q1導(dǎo)通，電磁閥工作。當(dāng)驅(qū)動信號為低電平時，Q1截止，電磁閥不工作。
如圖5所示為ECM16的穩(wěn)壓電路20，通過集成電路U1，為本系統(tǒng)其它電路提供穩(wěn)定、持續(xù)的供電。
本發(fā)明所有電磁閥均為常閉型，當(dāng)電子控制模塊ECM16斷電時，系統(tǒng)內(nèi)的所有儲氣瓶均在常閉型電磁閥作用下，處于關(guān)閉狀態(tài)。
當(dāng)電子控制模塊ECM16通電時，通過按鍵接收到外部強(qiáng)制關(guān)斷信號后，可在內(nèi)部邏輯電路作用下，將所有電磁閥關(guān)閉。
如圖6所示為本發(fā)明微處理器的工作原理流程。系統(tǒng)上電后，按以下步驟工作(1)首先判斷是否進(jìn)行自檢，若進(jìn)行自檢，即依此打開各儲氣瓶，檢測各儲氣瓶壓力是否正常，自檢過程如下a.打開1號儲氣瓶，顯示其儲氣瓶號；b.檢查高壓壓力信號是否高于某預(yù)先設(shè)定的一級報警壓力值(指儲氣瓶初始充氣后，氣瓶儲氣是否達(dá)到要求的設(shè)定點)，即PH是否高于80％的最大使用壓力值。如當(dāng)最大壓力為20MPa時，設(shè)定一級報警壓力值為16MPa，若否，則報警；如當(dāng)最大壓力為35MPa時，則設(shè)定一級報警壓力值為28MPa，若否，則報警；如當(dāng)最大壓力為70MPa時，則設(shè)定一級報警壓力值為56MPa，若否，則報警；c.若達(dá)到一級報警值時，則檢查高壓壓力信號是否高于某預(yù)先設(shè)定的二級報警壓力值(指儲氣瓶初始充氣后氣瓶沒有加進(jìn)氣的設(shè)定點，或氣瓶剩余氣量的低限值)，如設(shè)置PH是否高于2MPa，若否，則報警；d.打開下一個儲氣瓶，顯示其儲氣瓶號；
e.重復(fù)步驟b-d；f.依次檢查完所有儲氣瓶；如果是最后一個儲氣瓶，則從步驟(a)開始進(jìn)行；(2)若不進(jìn)行自檢，則進(jìn)行以下步驟a.采集系統(tǒng)管路中的復(fù)位壓力傳感器、溫度傳感器、高壓壓力傳感器和低壓壓力傳感器的輸入信號；b.復(fù)位傳感器的壓力信號是否超過設(shè)定值(如3MPa)，當(dāng)復(fù)位傳感器的壓力信號超過設(shè)定值(如3MPa)時，儲氣瓶號恢復(fù)至首個儲氣瓶號，并記憶儲氣瓶號；復(fù)位壓力未超過設(shè)定值，則直接提取記憶中的儲氣瓶號；c.檢查儲氣瓶號是否在1-n之間，若否，則儲氣瓶號恢復(fù)至首個儲氣瓶號，并記憶儲氣瓶號；d.根據(jù)記憶打開儲氣瓶；e.檢查高壓壓力信號是否低于最高允許壓力(如20MPa，也可根據(jù)需要設(shè)置為35MPa或70MPa等)，若否，則報警并關(guān)斷儲氣瓶；f.檢查減壓調(diào)節(jié)器13輸出的低壓壓力是否超過允許范圍，若是，則報警；g.檢查減壓調(diào)節(jié)器13輸出的低壓壓力是否超過允許范圍10％以上，若是，則報警并關(guān)斷儲氣瓶；h.根據(jù)氣體壓力、溫度等參數(shù)計量剩余氣量并輸出；i.如果有CAN通訊信號，處理CAN通信信號；j.檢查儲氣瓶輸出的高壓壓力是否小于設(shè)定的單瓶最低壓力(如2.1MPa)，若否，則按上述步驟(e)至(j)進(jìn)行，若是，則按步驟(k)進(jìn)行；k.如果是當(dāng)前供氣的儲氣瓶是最后一個，則檢查儲氣瓶輸出的高壓壓力是否大于最低允許壓力(1.5MPa)，若是，則開啟所有供氣通路的電磁閥3a、3b...3n，使所有儲氣瓶5a、5b...5n全部供氣；若否，則報警并關(guān)斷儲氣瓶；如果不是最后一個儲氣瓶，則打開下一個儲氣瓶供氣，并重復(fù)上述(1)至(2)中各步驟。
總之，本發(fā)明具有智能控制、使用安全可靠、耗電量低、氣量顯示精度高、減壓超限報警及安裝使用維護(hù)方便等特點，適用于燃料電池汽車中的車載氫氣供氣系統(tǒng)或天然氣汽車中的車載壓縮天然氣供氣系統(tǒng)，同樣適用于地面上的高壓氫氣或天然氣的氣瓶組供氣系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于包括至少2個儲氣瓶及安裝在其上的氣瓶閥、及帶有單向閥的充氣閥、至少2個充氣并組管、高壓壓力傳感器、至少2個供氣并組管、供氣主管路、復(fù)位壓力傳感器、至少2個帶單向閥的電磁閥、及電子控制模塊ECM；帶有單向閥的充氣閥的輸出氣路通道經(jīng)過管路接至各充氣并組管的一端，各充氣并組管的另一端與帶單向閥的電磁閥一端的單向閥的氣路通道相連，各供氣并組管的一端與帶單向閥的電磁閥一端的電磁閥氣路通道相連，帶單向閥的電磁閥的另一端通過管路與氣瓶閥相連，各供氣并組管的另一端則與供氣主管路相連，ECM輸出的控制信號接至每個帶單向閥的電磁閥上；復(fù)位壓力傳感器安裝在帶單向閥電磁閥與帶壓力釋放裝置的氣瓶閥之間的氣路上，其輸出接至ECM；高壓壓力傳感器安裝在供氣并組管后的供氣主管路上，其輸出接到ECM，ECM根據(jù)高壓壓力傳感器的輸出使帶單向閥的電磁閥按順序依次開啟，儲氣瓶順序供氣，直至最后一個儲氣瓶供氣結(jié)束；同時ECM根據(jù)復(fù)位壓力傳感器的輸出將供氣的儲氣瓶的序號自動復(fù)位并記憶，以便系統(tǒng)上電后從該儲氣瓶開始供氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于在所述的高壓壓力傳感器后的供氣主管路上接有減壓調(diào)節(jié)器，將高壓氣體減壓為低壓氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于在所述的減壓調(diào)節(jié)器后的供氣主管路上設(shè)有低壓壓力傳感器，低壓壓力傳感器的輸出接于ECM，用以監(jiān)測減壓調(diào)節(jié)器是否正常工作及關(guān)斷保護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)所述的減壓調(diào)節(jié)器的輸出壓力超出設(shè)計范圍并在±10％之內(nèi)，低壓壓力傳感器輸出信號至ECM，ECM發(fā)出報警信號；當(dāng)減壓調(diào)節(jié)器的輸出壓力超出設(shè)計范圍±10％，ECM將切斷氣路上所有帶單向閥的電磁閥激磁線圈信號并報警，使所有儲氣瓶均處關(guān)閉狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于在所述的充氣管路和供氣主管路上均設(shè)有氣體過濾器，用于過濾氣體，防止充氣管路和供氣管路上的功能件失效。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于在所述的供氣主管路上設(shè)置有過流保護(hù)裝置，當(dāng)供氣主管路中氣體的流量超過設(shè)計值時，氣體有可能大量泄漏，此時過流保護(hù)閥立即啟動，輸出信號至ECM，ECM控制正在供氣的儲氣瓶管路中的帶單向閥的電磁閥關(guān)閉，起到進(jìn)一步安全保護(hù)作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于在所述的供氣主管路上還包括電磁閥，設(shè)置在高壓傳感器前為高壓電磁閥，設(shè)置在減壓調(diào)節(jié)器后為低壓電磁閥，其輸出接到ECM。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于在所述的首個帶單向閥的電磁閥中的電磁閥一端與供氣并組管的連接的氣路上安裝有溫度傳感器，溫度傳感器的輸出接至ECM，ECM根據(jù)溫度傳感器得到的儲氣瓶組及管路的氣體溫度，修正剩余儲氣瓶氣量，使系統(tǒng)計量剩余氣量更加準(zhǔn)確。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于所述的電子控制模塊ECM包括微處理器電路、激磁線圈驅(qū)動電路和穩(wěn)壓電路；上電時，微處理器電路依據(jù)記憶，判斷出當(dāng)前使用的是至少2路儲氣瓶管路中的哪一個儲氣瓶號，并將該信號傳遞給該路上的帶單向閥的電磁閥的激磁線圈驅(qū)動電路，使電磁閥打開，相應(yīng)的儲氣瓶供氣；在供氣過程中，微處理器電路將接收高壓壓力傳感器的檢測信號，根據(jù)邏輯判斷關(guān)閉供氣儲氣瓶，啟動下一儲氣瓶，并將新的儲氣瓶號保存下來；當(dāng)各儲氣瓶充氣后，微處理器電路將復(fù)位儲氣瓶號，并記憶下復(fù)位后的儲氣瓶號；穩(wěn)壓電路為ECM各電路提供穩(wěn)定和可靠的電源。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于所述的微處理器還具有自檢功能，逐個打開儲氣瓶，檢查壓力傳感器信號，如不符合設(shè)定要求，則報警。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，其特征在于所述的微處理器還具有CAN通信功能及修正氣量顯示功能，微處理器電路通過CAN收發(fā)器向本系統(tǒng)外的其他具有CAN通訊功能的電路發(fā)出報警信號、儲氣瓶關(guān)斷信號、當(dāng)前剩余氣體總量等信息，以及接收來自其他CAN電路發(fā)出的儲氣瓶全部開啟指令、儲氣瓶全部關(guān)斷指令和自檢指令。
全文摘要
儲氣瓶組安全低耗智能供氣系統(tǒng)，包括至少2個儲氣瓶及安裝在其上的氣瓶閥、帶有單向閥的充氣閥、充氣并組管、高壓壓力傳感器、供氣并組管、供氣主管路、復(fù)位壓力傳感器、至少2個帶單向閥的電磁閥、及電子控制模塊ECM。本發(fā)明具有智能控制、使用安全可靠、耗電量低、氣量顯示精度高、減壓超限報警及安裝使用維護(hù)方便等特點，適用于燃料電池汽車中的車載氫氣供氣系統(tǒng)或天然氣汽車中的車載壓縮天然氣供氣系統(tǒng)，同樣適用于地面上的高壓氫氣或天然氣的氣瓶組供氣系統(tǒng)。
文檔編號F17D3/01GK101086322SQ200710118659
公開日2007年12月12日 申請日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月12日
發(fā)明者徐煥恩 申請人:徐煥恩