一种车载氢系统氢泄漏监测方法及系统

技术领域

本发明涉及氢能源使用技术领域，特别是涉及一种车载氢系统氢泄漏监测方法及系统。

背景技术

现如今发展低碳能源成为时代重任，氢能源作为清洁低碳能源，一直受到关注。氢能源的使用场景中，氢燃料电池被称为“终极环保发动机”，具有清洁、无污染、高效的特征，是最理想的动力来源。但由于氢气的理化特性：无色、无臭、易燃、易渗透，在使用过程中极易发生渗透和泄漏，在遇热或明火后发生爆炸。氢气的泄漏监测是氢使用安全中重要的一环，如何快速准确判断车载氢系统氢泄漏流量、泄漏口有效面积和泄漏位置，提高供氢系统泄漏实时监测能力和故障后快速维修排查，是本领域中亟待解决的问题。

发明专利CN 202111611083.4一种车载燃料电池氢系统的泄漏检测系统及方法，只能在停车时检测车载燃料电池氢系统是否存在泄漏，并不能在运行过程中监测车载氢系统是否发生泄漏，也无法计算泄漏口有效面积和泄漏位置。发明专利CN202111066011.6一种氢泄漏检测装置，是针对碰撞试验前后储氢瓶氢泄漏情况进行检测，并不能覆盖整个供氢系统进行正常工作下的监测，也无法计算泄漏口有效面积和泄漏位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载氢系统氢泄漏监测方法及系统，以实现在运行过程中监测车载氢系统是否发生泄漏，并实现泄漏口有效面积和位置的计算。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

在一方面，本发明提供一种车载氢系统氢泄漏监测方法，所述方法包括如下步骤：

获取车载氢系统的监测数据；所述监测数据包括：高压段管路起点位置的氢气温度、高压段管路起点位置的氢气压力、中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度、中压段管路起点位置的氢气压力和低压段管路起点位置的氢气质量流量；

根据监测数据，采用神经网络模型确定车载氢系统有无氢泄漏；

当有氢泄漏时，确定氢泄漏口所处的管路，作为泄漏管路；所述泄漏管路为车载氢系统的高压段管路或中压段管路；

基于所述监测数据和所述泄漏管路的参数采用气体流动原理计算氢泄漏口的有效面积和位置。

可选的，所述根据监测数据，采用神经网络模型确定车载氢系统有无氢泄漏，具体包括：

将高压段管路起点位置的氢气温度、高压段管路起点位置的氢气压力和比例阀的开度输入神经网络模型，获得所述神经网络模型输出的预测质量流量；所述预测质量流量用于表征无氢泄漏时各管路内的氢气质量流量；所述比例阀安装在车载氢系统的中压段管路和低压段管路之间；

计算所述预测质量流量与中压段管路起点位置的氢气质量流量的差，作为第一质量流量差，计算所述预测质量流量与低压段管路起点位置的氢气质量流量的差，作为第二质量流量差；

判断所述第一质量流量差和所述第二质量流量差是否均小于预设阈值，获得判断结果；

若所述判断结果表示否，则确定所述车载氢系统有氢泄漏；

若所述判断结果表示是，则确定所述车载氢系统无氢泄漏。

可选的，所述确定氢泄漏口所处的管路，作为泄漏管路，具体包括：

当所述第一质量流量差和所述第二质量流量差均大于预设阈值时，则确定氢泄漏口处于高压段管路，将所述高压段管路设置为泄漏管路；

当所述第一质量流量差不大于预设阈值且所述第二质量流量差大于预设阈值时，则确定氢泄漏口处于中压段管路，将所述中压段管路设置为泄漏管路。

可选的，计算氢泄漏口的有效面积的公式为：

；

其中，A为氢泄漏口的有效面积，

可选的，计算氢泄漏口的位置的公式为：

；

其中，L为氢泄漏口的中心距离泄漏管路的起点位置的距离，D

可选的，泄漏管路起点位置的氢气速度的计算公式为：

；

氢泄漏口位置的氢气速度的计算公式为：

；

其中，V

在第二方面，本发明提供一种车载氢系统氢泄漏监测系统，其特征在于，所述监测系统应用于上述的方法，所述监测系统包括：

数据获取模块，用于获取车载氢系统的监测数据；所述监测数据包括：高压段管路起点位置的氢气温度、高压段管路起点位置的氢气压力、中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度、中压段管路起点位置的氢气压力和低压段管路起点位置的氢气质量流量；

氢泄漏确定模块，用于根据监测数据，采用神经网络模型确定车载氢系统有无氢泄漏；

泄漏管路确定模块，用于当有氢泄漏时，确定氢泄漏口所处的管路，作为泄漏管路；所述泄漏管路为车载氢系统的高压段管路或中压段管路；

计算模块，用于基于所述监测数据和所述泄漏管路的参数采用气体流动原理计算氢泄漏口的有效面积和位置。

在第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

在第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的方法。

在第五方面，本发明提供一种车载氢系统氢泄漏监测装置，所述装置包括：高压段温度传感器、高压段压力传感器、中压段质量流量计、中压段温度传感器、中压段压力传感器和低压段质量流量计；

所述高压段压力传感器、所述高压段温度传感器、所述中压段质量流量计、所述中压段压力传感器、所述中压段温度传感器和所述低压段质量流量计均与安装有所述车载氢系统的车辆的燃料电池主控制器连接；

所述高压段压力传感器和所述高压段温度传感器均安装在车载氢系统的储氢瓶的瓶口处，分别用于高压段管路起点位置的氢气温度和高压段管路起点位置的氢气压力；

所述中压段质量流量计、所述中压段温度传感器和所述中压段压力传感器均设置在车载氢系统的中压段管路起点位置，分别用于监测中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度和中压段管路起点位置的氢气压力；

所述低压段质量流量计设置在车载氢系统的低压段管路的起点位置，用于监测低压段管路起点位置的氢气质量流量；

所述燃料电池主控制器与安装有所述车载氢系统的车辆的仪表台连接，所述燃料电池主控制器用于采用上述的方法，基于监测数据确定车载氢系统的泄漏信息，并将所述泄漏信息发送给所述仪表台进行显示；所述泄漏信息包括：有无氢泄漏、泄漏管路及氢泄漏口的有效面积和位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

在本发明实施例中，通过监测高压段管路起点位置的氢气温度、高压段管路起点位置的氢气压力、中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度、中压段管路起点位置的氢气压力和低压段管路起点位置的氢气质量流量进行是否发生泄漏的监测及相关计算，该监测数据无需在停车情况下获取，可实现在运行过程中监测车载氢系统是否发生泄漏及相关计算，而且本发明基于神经网络模型和气体流通原理实现了有无泄漏的快速监测口氢泄漏口有效面积和位置的计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种车载氢系统氢泄漏监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的确定氢泄漏口所处的管路的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种车载氢系统氢泄漏监测装置的安装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种车载氢系统氢泄漏监测方法及系统，以实现在运行过程中监测车载氢系统是否发生泄漏，并实现泄漏口有效面积和位置的计算。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例1提供一种车载氢系统氢泄漏监测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤101，获取车载氢系统的监测数据；所述监测数据包括：高压段管路起点位置的氢气温度、高压段管路起点位置的氢气压力、中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度、中压段管路起点位置的氢气压力和低压段管路起点位置的氢气质量流量。

步骤102，根据监测数据，采用神经网络模型确定车载氢系统有无氢泄漏。

使用正常工况中收集的高压段温度传感器传感器、高压段压力传感器、比例阀位置开度和质量流量计信号作为样本数据。高压段温度传感器传感器、高压段压力传感器和比例阀位置开度信号作为输入层参数，质量流量计信号作为输出层参数。设置BP神经网络隐含层有5个神经元，初始权值和偏置设置为1，激活函数选取Sigmoid函数，表达式如下：

；

其中，x表示当前层的输入，S(x)表示激活函数。

将样本数据的70%作为训练集对BP神经网络模型进行训练，样本数据的30%作为验证集进行验证。其中质量流量计信号为预测结果，最终选取训练结果精度最高的BP神经网络模型。实际使用中，将采集到的高压段温度传感器信号T

步骤103，当有氢泄漏时，确定氢泄漏口所处的管路，作为泄漏管路；所述泄漏管路为车载氢系统的高压段管路或中压段管路。

步骤103具体包括，如图2所示，如果

步骤104，基于所述监测数据和所述泄漏管路的参数采用气体流动原理计算氢泄漏口的有效面积和位置。

结合下方公式计算泄漏口面积：

；

其中，A为氢泄漏口的有效面积，单位m

结合下方公式计算泄漏位置：

；

其中，L为氢泄漏口的中心距离泄漏管路的起点位置的距离，单位m；D

泄漏管路起点位置的氢气速度和氢泄漏口位置的氢气速度分别使用下列公式计算：

；

；/>

其中，Q为泄漏管段的质量流量计读数，单位kg/s，M为氢气分子量，单位kg/mol。

实施例2

本发明实施例2提供一种车载氢系统氢泄漏监测系统，所述监测系统应用于实施例1的方法，所述监测系统包括：

数据获取模块，用于获取车载氢系统的监测数据；所述监测数据包括：高压段管路起点位置的氢气温度、高压段管路起点位置的氢气压力、中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度、中压段管路起点位置的氢气压力和低压段管路起点位置的氢气质量流量；

氢泄漏确定模块，用于根据监测数据，采用神经网络模型确定车载氢系统有无氢泄漏；

泄漏管路确定模块，用于当有氢泄漏时，确定氢泄漏口所处的管路，作为泄漏管路；所述泄漏管路为车载氢系统的高压段管路或中压段管路；

计算模块，用于基于所述监测数据和所述泄漏管路的参数采用气体流动原理计算氢泄漏口的有效面积和位置。

实施例3

本发明实施例3提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

实施例4

本发明实施例4提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的方法。

实施例5

本发明实施例5提供一种车载氢系统氢泄漏监测装置，所述装置包括：高压段温度传感器、高压段压力传感器、中压段质量流量计、中压段温度传感器、中压段压力传感器和低压段质量流量计；

所述高压段压力传感器、所述高压段温度传感器、所述中压段质量流量计、所述中压段压力传感器、所述中压段温度传感器和所述低压段质量流量计均与安装有所述车载氢系统的车辆的燃料电池主控制器连接；

所述高压段压力传感器和所述高压段温度传感器均安装在车载氢系统的储氢瓶的瓶口处，分别用于高压段管路起点位置的氢气温度和高压段管路起点位置的氢气压力；

所述中压段质量流量计、所述中压段温度传感器和所述中压段压力传感器均设置在车载氢系统的中压段管路起点位置，分别用于监测中压段管路起点位置的氢气质量流量、中压段管路起点位置的氢气温度和中压段管路起点位置的氢气压力；

所述低压段质量流量计设置在车载氢系统的低压段管路的起点位置，用于监测低压段管路起点位置的氢气质量流量；

所述燃料电池主控制器与安装有所述车载氢系统的车辆的仪表台连接，所述燃料电池主控制器用于采用上述的方法，基于监测数据确定车载氢系统的泄漏信息，并将所述泄漏信息发送给所述仪表台进行显示；所述泄漏信息包括：有无氢泄漏、泄漏管路及氢泄漏口的有效面积和位置。

本发明实施例5中各传感器的安装位置如图3所示，所述车载氢系统氢泄漏面积与位置实时监测系统中，高压段温度传感器1、高压段压力传感器2、中压段质量流量计3、中压段温度传感器4、中压段压力传感器5、低压段质量流量计6、比例阀8、第一瓶阀12、第二瓶阀13通过信号线与FCU（Fuel cell Control Unit燃料电池主控制器）相连，FCU根据各传感器采集的信号判断是否存在氢泄漏以及判断氢泄漏量、氢泄漏口面积和管路位置。FCU通过CAN总线与仪表台相连，将报警信息传至仪表台，并在其上面显示。高压段温度传感器1和高压段压力传感器2安装在第二储氢瓶11的瓶口处，监测瓶口处（即高压段管路的起点位置）的氢气温度和氢气压力。第一瓶阀12、第二瓶阀13分别安装在第一储氢瓶10、第二储氢瓶11的瓶口处，用于连通/关闭储氢瓶内部与高压段管路之间的连接。减压阀7安装在高压段管路与中压段管路之间，用于将高压段管路的高压氢气减压使其进入中压段管路。中压段质量流量计3、中压段温度传感器4、中压段压力传感器5安装在减压阀7后面的中压段管路（即中压段管路的起点位置），监测此处的氢气质量流量、氢气温度和氢气压力。排气阀门9设置在中压段管路与排空口之间，用于对各管路的排空。比例阀8安装在中压段管路与低压段管路之间，根据FCU的指令对中压段管路的氢气减压限流使其流向电堆。

FCU通过所述装置中的传感器采集车载氢系统瓶阀处氢气的压力和温度，减压阀后氢气的质量流量、压力和温度，比例阀后氢气的质量流量信息。再加上FCU输出的减压阀和比例阀的开度信号，进而后续判断氢泄漏质量流量、泄漏口有效面积和泄漏位置。

在实施例5中，采取安全措施上传泄漏信息，该安全措施示例性的为数据加密。

在实施例5中，燃料电池主控制器还可以实现以下功能：确定车载氢系统氢泄漏事故发生后，立刻控制瓶阀中的电磁阀关闭，切断储氢罐对电堆的供氢，阻止氢泄漏的继续发生，并将计算的泄漏口面积和泄漏位置发送仪表台告知驾驶员，同时生成故障码存储在FCU。

基于以上实施例，本发明实施例提供的技术方案具有如下优点：

1. 由于氢气易燃易爆的理化特性，车载氢系统氢泄漏事故的发生会造成极大的安全隐患，在泄漏后不能及时发现极易进一步产生氢气爆燃事故。本发明从车载氢系统管路中氢气质量流量的异常变化判断氢泄漏事故的发生，具有准确、快速的特点。

2. 本发明通过传感器采集的实时数据和神经网络模型输出的氢泄漏质量流量，计算车载氢系统管路的有效泄漏口面积和泄漏位置，极大地方便了氢泄漏事故发生后泄漏源的定位工作，有效缩短维修时间，这是其他车载氢系统氢泄漏监测方法不曾考虑的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。