液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法及系统

摘要

本发明提供一种液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法及监测系统，属于燃料电池汽车技术领域，获取多个检测点位的氢浓度数据；获取液氢储供系统内部的温度数据；获取液氢储供系统内部的压力数据；根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。本发明通过流体力学仿真软件对多影响因素的液氢泄漏扩散进行预测来合理布置氢浓度传感器安装点位，提高了氢泄漏监测系统的响应速度，改善了低温氢泄漏监测性能，提高了液氢泄漏监测系统的准确性及适应性。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车技术领域，具体涉及一种液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法及监测系统。

背景技术

氢气作为一种能量密度很高的燃料，被视为未来可替代化石燃料的重要燃料。液氢比氢气具有更高的能量密度，被广泛应用于国防军工、航天科技，在未来的日常生活中也将会发挥越来越重要的作用，比如应用于燃料电池汽车。

然而氢气是一种易燃易爆的气体，其燃爆体积分数范围在4％-75％，在日常应用当中，氢气或液氢泄漏可能会给周围的环境和人群带来爆炸、窒息、冻伤的危害。故急需一种准确高效的液氢泄漏预测方法及系统对液氢泄漏扩散的趋势进行预测、对液氢泄漏事件进行实时监测。液氢泄漏的检测方法为检测其汽化后的低温氢气，低温氢气主要由氢浓度传感器检测，但氢浓度传感器受温度湿度的影响较大，而液氢温度在零下250℃，在泄漏时会使泄漏近场环境温度湿度急剧降低，故氢浓度传感器不适合安装在液氢泄漏近场，但安装点位太远又会影响氢浓度传感器检测液氢泄漏的响应速度，故急需平衡上诉因素的方法及系统。

现有液氢泄漏监测技术方案主要通过经验判断被测设备的液氢储供系统易泄漏点位，如接头、焊接处、阀箱，然后把氢浓度传感器安装在易泄漏位置的上方一定距离或者安装在被测对象处于的封闭、半封闭场所顶部，这种方案中氢浓度传感器安装点位通常离液氢泄漏位置过远，导致监测系统响应过于滞后甚至无法监测到液氢泄漏事件发生。

现有液氢燃料电池汽车氢泄漏监测技术方案对于氢浓度传感器安装点位的选取缺乏深入的研究，凭经验进行选取，可能会导致监测系统对于泄漏事故的大滞后响应，从而错过了车载液氢储供系统阀门关闭的最佳动作时期。同时，液氢泄漏扩散路径也受泄漏量、泄漏位置和外界环境因素的如风速、风向、温度、地面导热系数的多因素影响，现有技术方案难以把这些因素都考虑进去，当影响因素改变时，氢浓度传感器过于接近扩散范围，受到低温的影响，原本可正常监测的点位将会失效，过于远离扩散范围，则会导致监测报警及阀门关闭动作严重滞后甚至监测不到液氢泄漏的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效预测液氢重卡在不同泄漏模式及外部因素下发生氢泄漏时的扩散趋势、提高低温氢泄漏监测的准确性及适应性的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法及监测系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法，包括如下步骤：

获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

获取液氢储供系统内部的温度数据；

获取液氢储供系统内部的压力数据；

根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

优选的，结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域，包括：获得液氢燃料电池汽车的物理模型并简化物理模型；根据液氢燃料电池汽车所处空间环境构建流体域。

优选的，对流体域采用结构化网格进行划分，对泄漏口附近进行网格加密，划分边界层网格，网格大小取决于距离泄漏口远近；采用混合物模型和Realizable k-e湍流模型进行两相多组分流动过程的模拟，相间传质过程采用蒸发-冷凝模型。

优选的根据权利要求3所述的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法，其特征在于，在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，包括：在液氢泄漏扩散云团可能经过的地方布置检测点位集，经过多因素仿真后确定液氢泄漏扩散云团的扩散趋势，寻找各个因素的云团之间的空间交集，更改检测点位集位置，确保监测点集包含于各个因素云团的空间交集中，经过多次迭代确定最终检测点位。

优选的，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，包括：氢泄漏扩散仿真模型进行瞬态仿真直到云团扩散至计算流域外，通过后处理软件对结果进行处理分析，得出氢气云团随时间变化的趋势。

优选的，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，包括：判断检测点位在氢泄漏发生后检测到氢浓度有效值的时间是否在预期的响应时间内，并分析检测点位的温度是否处于氢浓度检测的可接受范围内，若检测到氢浓度有效值的时间在预期的响应时间内且温度处于氢浓度检测的可接受范围内，则该检测点位符合预期。

第二方面，本发明提供一种液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测系统，包括：

第一获取模块，用于获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

第二获取模块，用于获取液氢储供系统内部的温度数据；

第三获取模块，用于获取液氢储供系统内部的压力数据；

诊断模块，用于根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法。

第四方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法。

第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法。

本发明有益效果：通过流体力学仿真软件对多影响因素的液氢泄漏扩散进行预测来合理布置氢浓度传感器安装点位，提高了氢泄漏监测系统的响应速度，改善了低温氢泄漏监测性能，提高了液氢泄漏监测系统的准确性及适应性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例所述的氢浓度传感器布置点位确定方法流程图。

图2为本发明实施例所述的确定的封闭空间流体域模型图。

图3为本发明实施例所述的液氢泄漏仿真与实验数据对比图。

图4为本发明实施例所述的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测系统功能原理框架图。

图5为本发明实施例所述的液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法流程图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

本实施例1中，提供一种液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测系统，包括：

第一获取模块，用于获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

第二获取模块，用于获取液氢储供系统内部的温度数据；

第三获取模块，用于获取液氢储供系统内部的压力数据；

诊断模块，用于根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

本实施例1中，第一获取模块具体可以为氢浓度传感器，第二获取模块具体可以为温度传感器，第三获取模块具体可以为压力传感器。

本实施例1中，利用上述的系统实现了液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法，包括如下步骤：

获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

获取液氢储供系统内部的温度数据；

获取液氢储供系统内部的压力数据；

最后，根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

其中，结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域，包括：获得液氢燃料电池汽车的物理模型并简化物理模型；根据液氢燃料电池汽车所处空间环境构建流体域。

对流体域采用结构化网格进行划分，对泄漏口附近进行网格加密，划分边界层网格，网格大小取决于距离泄漏口远近；采用混合物模型和Realizable k-e湍流模型进行两相多组分流动过程的模拟，相间传质过程采用蒸发-冷凝模型。

在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，包括：在液氢泄漏扩散云团可能经过的地方布置检测点位集，经过多因素(包括风速、风向、环境温度、湿度，地面导热系数、泄漏速度、泄漏口位置、所处空间为封闭、半封闭、开放空间)仿真后确定液氢泄漏扩散云团的扩散趋势，寻找各个因素的云团之间的空间交集，更改检测点位集位置，确保监测点集包含于各个因素云团的空间交集中，经过多次迭代确定最终检测点位。

进行多因素泄漏仿真集结果后处理，包括：氢泄漏扩散仿真模型进行瞬态仿真直到云团扩散至计算流域外，通过后处理软件(后处理软件为现有公知软件如：CFD-post，Tecplot)对结果进行处理分析，得出氢气云团随时间变化的趋势。

判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，包括：判断检测点位在氢泄漏发生后检测到氢浓度有效值的时间是否在预期的响应时间内，并分析检测点位的温度是否处于氢浓度检测的可接受范围内，若检测到氢浓度有效值的时间在预期的响应时间内且温度处于氢浓度检测的可接受范围内，则该检测点位符合预期。

实施例2

本实施例2中，以液氢燃料电池重型卡车为例，提供了液氢泄露氢浓度检测点位的确定方法，并提供了液氢泄露监测方法及系统。

如图1所示，本实施例2中，所述液氢泄漏氢浓度检测点位的确定方法具体包括：

第一步，确定车辆模型及所处空间来构建流体域，包括获得液氢重卡物理模型，简化物理模型，去除对仿真结果影响较小但对仿真计算效率及精度影响较大的结构，能够加快仿真效率，节省计算资源。然后根据液氢重卡所处空间环境构建流体域，所处空间环境具体分为封闭、半封闭、开放空间。图2为液氢重卡处于封闭空间时简化后构建的流体域，由液氢重卡简化模型、液氢储供系统简化模型、封闭空间流体域组成。

第二步，划分网格选取合适仿真模型。包括对所构建流体域进行高质量网格划分并采用经实验数据验证后精确的仿真模型。具体的包括对流体域采用结构化网格进行划分，对泄漏口附近进行网格加密，划分边界层网格，网格大小取决于距离泄漏口远近。选取合适仿真模型包括选取合适边界条件及多相流、湍流模型。具体的，采用混合物模型和Realizable k-e湍流模型(一种湍流模型)进行两相多组分流动过程的模拟，相间传质过程采用蒸发-冷凝模型。混合物模型中将气液两相分别看成是混合物单相，气相为空气和氢气的混合物，液相为氢气，对于气相或液相，其各项物理性质均采用混合物的性质进行计算，包括混合物连续性方程、动量方程和能量方程等。假设气液两相之间没有相对运动速度。边界条件分别为，泄漏入口设置为质量流量入口，进风面设置为速度入口，下风向面设置为压力出口，地面设置为温度壁面，其他面均为光滑绝热壁面。本实施例2中的仿真模型，对比美国国家航空航天局(NASA)于1981年进行的大规模液氢泄漏实验进行过验证，验证结果如图3所示，图3为该实验中一监测塔上的氢浓度实验数据与仿真模型中相同位置仿真数据的对比，可看出仿真数据在响应时间与精度都在误差可接受范围内，故本实施例2中的仿真模型是准确的。

第三步，在液氢泄漏扩散仿真中布置仿真数据监测点位。具体为首先在液氢泄漏扩散云团可能经过的地方布置安装监测点集，在经过多因素仿真后确定氢气云团的扩散趋势，寻找各个因素的云团之间的空间交集，更改监测点集位置确保监测点集包含于各个因素云团的空间交集中，经过多次迭代确定最终安装点集。

第四步，布置完点位后进行多因素泄漏仿真集结果后处理。具体为进行足够长时间的瞬态仿真直到云团扩散至计算流域外，通过后处理软件对结果进行处理分析，得出氢气云团随时间变化的趋势。

第五步，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期。具体的，判断安装点位在泄漏发生后监测到氢浓度传感器有效值的时间是否在预期的响应时间内，并分析监测点温度是否处于氢浓度传感器可接受范围内，综合考虑这两因素判断该监测点是否符合预期。如不符合返回第三步迭代，直至安装点位符合预期。

本实施例2中，利用上述的氢泄漏氢浓度检测点位的确定方法，得到了合理精确的氢浓度传感器安装点位，接下来需要氢泄漏监测系统对各点位数据进行监测，实现对液氢重卡液氢泄漏进行精确有效的监测，具体方法如下：

如图4所示，基于模块化设计思想对氢泄漏监测系统进行总体方案设计，整个液氢泄漏监测系统主要包括英飞凌TC1782微控制器最小系统、模拟量信号调理电路、CAN总线通信电路、电磁阀驱动电路、故障报警电路等部分组成。英飞凌TC1782微控制器为系统核心，采集处理数据、发出故障警报并动作电磁阀关闭液氢储供系统管路。模拟量信号调理电路负责调理氢浓度传感器数据信号为控制器AD模块可采集信号。控制器通过CAN总线通信电路采集液氢储供系统内部温度压力信号以及发送故障代码给整车控制器。电磁阀驱动电路可控制电磁阀关闭液氢储供系统供氢管路。故障报警电路可发出报警蜂鸣声提示人员。

如图5所示，氢泄漏监测系统的微控制器通过AD模块采集各安装点位的氢浓度传感器数据，通过CAN总线采集液氢储供系统内部温度压力数据，随后通过多级预警策略进行故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，动作电磁阀来关闭供氢管路。氢泄漏监测系统中的故障信号较多，为了及时准确地获取故障信息，氢泄漏监测系统采用了多级预警策略对液氢储供系统进行故障诊断，对采集的信号进行故障等级划分，主要是根据参数的当前值与设定的阈值之间的关系进行判断，具有操作简单、可靠性稳定性强等特点。氢泄漏监测系统根据不同的故障等级，采取相应的故障处理措施，确保液氢储供系统安全稳定的运行。

实施例3

本发明实施例3提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法，该方法包括如下流程步骤：

获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

获取液氢储供系统内部的温度数据；

获取液氢储供系统内部的压力数据；

根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

实施例4

本发明实施例4提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法，该方法包括如下流程步骤：

获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

获取液氢储供系统内部的温度数据；

获取液氢储供系统内部的压力数据；

根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

实施例5

本发明实施例5提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行液氢燃料电池汽车的氢泄漏扩散监测方法，该方法包括如下步骤：

获取多个检测点位的氢浓度数据；其中，检测点位的确定包括：结合液氢燃料电池汽车的模型及其所述的空间环境，构建流体域；对所构建的流体域进行网格划分并确定氢泄露扩散仿真模型；在氢泄漏扩散仿真模型中布置氢浓度数据检测点位，进行多因素泄漏仿真集结果后处理，判断仿真监测点的数据曲线是否符合预期，如不符合预期，则重新进行检测点位的布置，直至符合预期；

获取液氢储供系统内部的温度数据；

获取液氢储供系统内部的压力数据；

根据采集的氢浓度数据、温度数据以及压力数据，进行多级故障诊断，如发生故障则发出蜂鸣报警并发送故障代码给整车控制器，整车控制器控制动作电磁阀来关闭供氢管路。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。