一种燃料电池汽车智能减压阀装置及系统

技术领域

本发明涉及氢能源用减压阀领域，特别涉及一种燃料电池汽车智能减压系统。

背景技术

随着汽车工业的迅速发展，汽车已经成为人们日常生活中必不可少的交通工具。传统内燃机汽车太过依赖石油等其他不可再生化石燃料，而且其开采和使用对环境和气候变化造成不可忽视的影响。为此我国推进新能源汽车发展。其中燃料电池汽车运行产物仅有水，具有无污染、零排放等优点，是新能源汽车发展的重要方向之一。

电堆作为燃料电池汽车的核心部件，车载储氢瓶内高压氢气需要由减压阀将氢气减压至一定压力范围才能供电堆所使用。根据燃料电池汽车不同的行驶状态，电堆所需的氢气压力会有所不同。所以减压阀减压性能的好坏不仅会影响到车载储氢瓶中的氢气的余量，而且还会关系到电堆寿命的长短。因此，发明一种燃料电池汽车智能减压阀装置及系统具有重要意义。

现有专利涉及一种燃料电池汽车智能减压阀装置及系统，该发明存在的不足有：

目前，燃料电池汽车减压阀中内部主要使用压缩弹簧带动减压阀推杆来控制节流口的大小进行减压。1)内部弹簧不断往复，致使减压阀出口压力会存在波动现象；2)内部弹簧长此以往的运动，会出现弹簧老化弹力下降的现象；3)不能减压至电堆实时所需的氢气压力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种能够将车载储氢瓶内的压力精准减压至电堆所需的实时目标氢气压力，从而节约氢气和延长电堆使用寿命的燃料电池汽车智能减压系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种燃料电池汽车智能减压系统，包括一级减压装置、二级减压装置、VCU、FCU、HMS、车载储氢瓶及瓶口阀压力传感器，所述一级减压装置包括一级进气口、一级减压阀杆堵头、一级减压阀杆头、O型密封圈、一级减压阀杆、第一滚珠丝杠、第一交流伺服电机和第一编码器，所述一级进气口的下端面与一级减压阀杆头之间的可变间隙形成节流减压区域A，所述第一交流伺服电机通过带动第一滚珠丝杠实现一级减压阀杆的轴向移动；所述二级减压装置由二级进气口、二级减压阀杆、第二滚珠丝杠、O型密封圈、第二交流伺服电机和第二编码器和二级出气口，所述二级进气口左端面与二级减压阀杆之间的可变间隙形成节流减压区域B，所述第二交流伺服电机通过带动第二滚珠丝杠实现二级减压阀杆的轴向移动，包括如下减压步骤：

(1)、VCU根据整车行驶状态计算得出电堆目标功率；

(2)、FCU根据VCU发送过来的电堆目标功率得出电堆所需氢气实时压力；

(3)、HMS根据FCU发送过来电堆所需实时氢气压力和储氢瓶内氢气压力计算得出减压阀所需减压氢气的目标值；

(4)、HMS根据减压阀减压氢气的目标压力值通过两个交流伺服电机驱动器调节各自交流伺服电机，使两个交流伺服电机带动各自滚珠丝杠进而带动两级减压阀杆轴向移动；

(5)、通过两级减压阀杆的轴向移动，来调节A和B区域的可变间隙，进而将储氢瓶内氢气节流减压至电堆所实时需要的氢气目标压力。

进一步的，在步骤(4)中，HMS在实时获取车载储氢瓶内压力和电堆所需压力之后，在调控两个交流伺服电机的过程中，跟踪微分器(TD)产生的各阶微分与扩张状态观测器(ESO)产生的状态变量估计之间会存在误差，该交流伺服电机TD的方程为：

式中，θ

该交流伺服电机ESO基于以下方程：

式中，ε

该交流伺服电机控制系统中NLSEF的实现方程为：

式中，e

进一步的，所述步骤(5)中，为改变区域A处可变间隙的大小：首先HMS通过第一交流伺服电机驱动器来向第一交流伺服电机发送脉冲信号调节电机的转速和转矩，转速和转矩根据脉冲信号按下式所调节：

n

式中，n

进一步的，第一交流伺服电机的转轴带动第一滚珠丝杠进行往复运动，第一滚珠丝杠往复运动的行程按下式所计算：

式中，B

进一步的，为改变区域B处可变间隙的大小：首先HMS通过第二交流伺服电机驱动器来向第二交流伺服电机发送脉冲信号调节电机的转速和转矩，转速和转矩根据脉冲信号按下式所调节：

n

式中，n

7、进一步的，第二交流伺服电机的转轴带动第二滚珠丝杠进行往复运动，第二滚珠丝杠往复运动的行程按下式所计算：

式中，B

本发明相对于现有技术具有如下优点，阀体装置部分包括一级减压装置和二级减压装置，其内部各自将滚珠丝杠安装在交流伺服电机转轴上，滚珠丝杠将交流伺服电机的旋转运动转换为带动减压阀杆的轴向往复运动，进而调整一级减压阀杆头与一级进气口下端面之间可变间隙和二级减压阀杆与二级进气口左端面之间可变间隙的大小。两处可变间隙的大小根据储氢瓶内氢气压力和电堆所需实时氢气压力的大小由氢气管理系统(Hydrogen Management System,HMS)通过两个交流伺服电机驱动器以发送脉冲信号的形式对各自交流伺服电机进行模糊自抗扰控制。该装置及系统能够将车载储氢瓶内的压力精准减压至电堆所需的实时目标氢气压力，从而节约氢气和延长电堆使用寿命。

附图说明：

图1为本发明的燃料电池汽车智能减压系统结构示意图；

图2为本发明的HMS通过调节交流伺服电机来控制减压阀节流减压流程图；

图3为本发明的一种燃料电池汽车智能减压阀装置及系统减压流程图；

图中：1、一级进气口；2、一级减压阀杆堵头；3、一级减压阀杆头；4、O型密封圈；5、一级减压阀杆；6、第一滚珠丝杠；7、第一交流伺服电机；8、第一编码器；9、二级进气口；10、二级减压阀杆堵头；11、二级减压阀杆；12、排气装置；13、第二滚珠丝杠；14、第二交流伺服电机；15、第二编码器；16、第一交流伺服电机驱动器；17、第二交流伺服电机驱动器；18、压力传感器；19、二级出气口；20、瓶口阀压力传感器；21、车载储氢瓶；22、VCU；23、FCU；24、HMS。

具体实施方式：

下面结合附图来说明本发明一种燃料电池汽车智能减压阀装置及系统的结构形式及操作流程。

如附图1所示，本发明一种燃料电池汽车智能减压装置及系统：为使该智能减压阀根据电堆实时所需氢气的不同压力而精准地节流减压，其系统部件包括一级减压阀装置、二级减压装置、VCU22、FCU23、HMS24、车载储氢瓶21及瓶口阀压力传感器20。一级减压装置由一级进气口1、一级减压阀杆堵头2、一级减压阀杆头3、O型密封圈4、一级减压阀杆5、第一滚珠丝杠6、第一交流伺服电机7和第一编码器8组成，其中一级进气口1的下端面与一级减压阀杆头3之间的可变间隙组成节流减压区域A。二级减压装置由二级进气口9、二级减压阀杆11、第二滚珠丝杠13、O型密封圈4、第二交流伺服电机14和第二编码器15和二级出气口19组成，其中二级进气口9左端面与二级减压阀杆11之间的可变间隙组成节流减压区域B。

在具体操作中，车载储氢瓶21内的高压氢气进入智能减压阀的一级进气口1，首先在区域A中进行一级节流减压。因为随着燃料电池汽车的行驶，车载储氢瓶21内的氢气压力不断下降，进而进入智能减压阀一级进气口1的氢气压力也不断下降。由于进入智能减压阀一级进气口1内的氢气压力并不是一成不变的，为保证智能减压阀内的一级减压装置能够将进入的氢气减压至6.5MPa，这时就需要第一交流伺服电机7改变转速和转矩，套在第一交流伺服电机7转轴上的第一滚珠丝杠6将交流伺服电机的旋转运动转化为轴向往复运动。第一滚珠丝杠6嵌入在一级减压阀杆5内部，故第一滚珠丝杠6在往复运动的同时也带动着一级减压阀杆5在做同样的轴向往复运动，同时一级减压阀体腔内的空气可由排气装置12排出。因一级减压阀杆5在轴向往复运动，进而HMS24可根据瓶口阀压力传感器20传来的车载储氢瓶21内的压力大小，即进入智能减压阀一级进气口1氢气压力的大小，实时调节区域A中间隙的大小，来起到一级减压装置精准减压氢气的目的。

经过一级减压装置对高压氢气减压至6.5MPa后，氢气进入二级减压装置区域B中进行二级节流减压。由于路况等原因燃料电池汽车整车行驶状态的不断改变，因此需要VCU22计算电堆实时目标功率，FCU23根据VCU22发送过来的电堆实时目标功率，来计算电堆所需实时氢气压力值P

智能减压阀内部阀杆需要不断地往复运动，而且该减压系统也需要对不同氢气压力状态下具有自适应能力，要求具有足够的定位精度、位置跟踪精度和位置跟踪速度，故电机采用高精度位置伺服控制可以很好的满足以上要求。HMS24在实时获取车载储氢瓶内压力和电堆所需压力之后，在调控两个交流伺服电机的过程中，跟踪微分器(TD)产生的各阶微分与扩张状态观测器(ESO)产生的状态变量估计之间会存在误差，该交流伺服电机TD的方程为：

式中，θ

该交流伺服电机ESO基于以下方程：

式中，ε

该交流伺服电机控制系统中NLSEF的实现方程为：

式中，e

将确定给定位置误差e

根据下表的Δβ

表Δβ

采用位置伺服控制时，定位功能由位置环实现，运算主要由第一交流伺服电机驱动器16和第二交流伺服电机驱动器17完成。HMS24在收集瓶口阀压力传感器20采集的氢气压力值和燃料电池主控制器(Fuel cell Control Unit,FCU)23计算得出的电堆所需实时氢气压力值时，经HMS24内部单片机处理后，转化成相应的脉冲信号分别传给第一交流伺服电机驱动器16和第二交流伺服电机驱动器17，进而两个交流伺服电机驱动器同样以脉冲信号的形式驱动第一交流伺服电机7和第二交流伺服电机17按要求动作。其中，FCU23得出的电堆所需实时氢气压力值是由整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU)22对其发送的电堆目标功率计算而来的。HMS24内部单片机接收固定在交流伺服电机转轴上的第一编码器8和第二编码器15随着交流伺服电机转动而产生的反馈脉冲信号，以实现对两个交流伺服电机转动速度的检测控制。最后，压力传感器18会实时检测减压后的氢气是否达到目标值，如果此时氢气压力大于3MPa，HMS24则会分别控制两个交流伺服电机使两级减压阀杆往复运动，致使一级减压阀杆头3紧贴一级减压阀杆堵头2、二级减压阀杆11紧贴二级减压阀杆堵头10来停止智能减压阀减压工作。

结合附图2，车载储氢瓶21内压力为P

n

T

式中，n

之后，第一交流伺服电机7的转轴带动第一滚珠丝杠6进行往复运动，第一滚珠丝杠6往复运动的行程按下式所计算：

式中，B

最后，由第一滚珠丝杠6的往复运动来带动一级减压阀杆5的轴向位移，实现区域A中可变间隙大小的调整，进而完成一级减压装置对高压氢气的精准减压。

经过一级减压后的氢气流入二级减压阀体内，要在区域B处由二级减压阀杆11与二级进气口9左端面之间的可变间隙进行节流减压。为改变区域B处可变间隙的大小：首先HMS24通过第二交流伺服电机驱动器17来向第二交流伺服电机14发送脉冲信号调节电机的转速和转矩，转速和转矩根据脉冲信号按下式所调节：

n

T

式中，n

之后，第二交流伺服电机14的转轴带动第二滚珠丝杠13进行往复运动，第二滚珠丝杠13往复运动的行程按下式所计算：

式中，B

最后，由第二滚珠丝杠13的往复运动来带动二级减压阀杆11的轴向位移，实现区域B中可变间隙大小的调整，经过二级减压装置精准减压后压力为P

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。