CN111993893B - 一种太阳能智能供电的车载氢气安全***和方法 - Google Patents

一种太阳能智能供电的车载氢气安全***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能智能供电的车载氢气安全***和方法，包括三维转向子***、环境感应子***、能源供应子***、和智能控制子***，可以实现车载高压氢气的安全泄压，在不增加***额外能耗的基础上，确保车内人员和车外人员财产和安全。本发明设计三维转向结构提高了泄压***的灵活性，应用温度感应、红外、超声波和摄像头联合信息实现了环境感知和智能判断，采用太阳能双路供电显著升了***可靠性，实现了***零能耗运行。

Description

一种太阳能智能供电的车载氢气安全***和方法
技术领域
本发明涉及机电技术领域，特别涉及一种太阳能智能供电的车载氢气安全***和方法。
背景技术
新能源汽车是我国重点扶持发展的战略性新兴产业，其中氢燃料电池汽车因能效高、零排放等优势备受关注，已成为交通出行领域实现节能减排目标的重要选项。安全问题是阻碍这一目标实现的障碍之一，氢气高压储存、易于泄漏、易燃易爆等属性使得车载高压氢气成为危险源。美国西太平洋实验室35MPa车载高压储氢瓶灾难性***实验数据表明，火球直径达24米，碎片弹射达到104米。为了避免这一灾难性事故后果，国际技术标准组织规定车载高压储氢***必须配备TPRD(热熔性泄压阀)，在火灾环境下，栓塞熔化，泄压阀开启使得储氢瓶内压力可以及时得到释放，避免灾难性***事故后果的发生。TPRD通过主动泄压虽然避免了储氢瓶灾难性***，但是泄放氢气的同时会造成火灾事故后果危害。日本汽车研究院做了TPRD泄压实验，TPRD一旦向下开启，氢气火焰会包围整个车身，司机和乘客难以逃生，针对这一情况，目前申请号为201810567537.4的专利公开了一种新能源汽车高压储氢的火灾安全控制***，通过环境感知来降低灾难性后果的发生，但实验发现，由于该***只有向后的单向转动，因此在大多数情况下，TPRD依然是向下开启，造成难以逃生的情况，且该***没有设立优先级的方案，导致无法最小化降低灾难性后果的发生，同时，多种传感器增加了***的耗能，且火灾情况下，单向供电***容易受到损坏导致车辆无法运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种太阳能智能供电的车载氢气安全***和方法，解决氢气泄压存在的安全隐患问题，在不增加***能耗的基础上实现稳定、安全的泄压。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种太阳能智能供电的车载氢气安全方法，包括以下步骤：
1、当温度传感器检测到热熔性泄压阀附近的温度超过90℃时，发出报警，并利用红外线传感器检测车内是否有人，当车内无人时，阀门将保持竖直向下的角度，使火焰包围车身，减小对车外公众的威胁；
2、当车内有人时，超声波传感器按顺序依次检测车体后方、左侧和右侧是否有障碍物，程序将控制阀门朝车外一个无障碍物的方向转动；
3、当车外均有障碍物时，车载摄像头按顺序依次检测车体后方、左侧和右侧是否有人，程序将控制阀门朝车外一个无人的方向转动；
4、当车内与车辆周围都有人时，阀门仍保持竖直向下角度不变。
本发明一种太阳能智能供电的车载氢气安全***，包括三维转向子***、环境感知子***、智能控制子***，所述环境感知子***包括超声波传感器、红外传感器、车载摄像头、温度传感器，所述超声波传感器用于检测车体后方、两侧是否有障碍物，所述车载摄像头用于检测车体后方、两侧障碍物是否是人，所述红外线传感器用于检测车体内部是否有人，所述温度传感器用于检测热熔性泄压阀的环境温度，所述三维转向子***用于控制热熔性泄压阀的泄压口向车体后方、两侧中的任一方向转动，所述智能控制子***接收来自环境感知子***传递的信息，并控制三维转向子***实现如权利要求所述的太阳能智能供电的车载氢气安全方法。
作为本发明的一种优选技术方案，所述三维转向子***包括第一泄压管道、第二泄压管道和导向管，所述第二泄压管道的内部竖直方向设置有第一转杆，所述第一转杆的一端连接有第一固定杆，所述第一固定杆与第二泄压管道固定连接，所述第二泄压管道的内部水平方向设置第二转杆，所述第二转杆的一端连接有第二固定杆，所述第二固定杆与导向管固定连接，所述第一泄压管道与第二泄压管道、导向管之间密封连接，且连接处的内部均为开口结构，所述第一泄压管道与第二泄压管道、导向管均为圆柱形结构，所述第二转杆和第一转向杆的另一端连接有驱动装置。
作为本发明的一种优选技术方案，所述三维转向结构带动热熔性泄压阀的泄压口向任一方向转动的角度为45度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述***还包括能源供应子***，所述能源供应子***为***提供电能。
作为本发明的一种优选技术方案，所述能源供应子***包括半柔性太阳能板、太阳能蓄电池以及车载蓄电池，所述半柔性太阳能板覆盖整个车顶，所述太阳能蓄电池与车载蓄电池构成双路供电结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明利用三维转向结构，不仅向后，还可以向左向右泄压，提高了整体泄压的灵活性；利用超声波传感器和车载摄像头分别对人和物进行检测，使得在智能控制的过程中，能够优先保证人的安全性，进一步降低了灾难性后果的发生；
且采用太阳能为***供电，实现了***零能耗运行，同时，双路供电显著提高了火灾环境下的***可靠性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明三维转向子***的结构示意图；
图中：1、红外传感器；2、车载摄像头；3、半柔性太阳能板；4、温度传感器；5、超声波传感器；6、第一泄压管道；7、第二泄压管道；8、导向管；9、第一转杆；10、第一固定杆；11、第二转杆；12、第二固定杆；13、驱动装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种太阳能智能供电的车载氢气安全***，括三维转向子***、环境感知子***、智能控制子***，环境感知子***包括超声波传感器5、红外传感器1、车载摄像头2、温度传感器4，超声波传感器5用于检测车体后方、两侧是否有障碍物，车载摄像头2用于检测车体后方、两侧障碍物是否是人，红外线传感器1用于检测车体内部是否有人，温度传感器4用于检测热熔性泄压阀的环境温度，三维转向子***用于控制热熔性泄压阀的泄压口向车体后方、两侧中的任一方向转动，智能控制子***接收来自环境感知子***传递的信息，并控制三维转向子***实现如下的太阳能智能供电的车载氢气安全方法。
如图2所示，一种太阳能智能供电的车载氢气安全方法，包括以下步骤：
1、当温度传感器4检测到热熔性泄压阀附近的温度超过90℃时，发出报警，并利用红外线传感器1检测车内是否有人，当车内无人时，阀门将保持竖直向下的角度，使火焰包围车身，减小对车外公众的威胁；
2、当车内有人时，超声波传感器5按顺序依次检测车体后方、左侧和右侧是否有障碍物，程序将控制阀门朝车外一个无障碍物的方向转动；
3、当车外均有障碍物时，车载摄像头2按顺序依次检测车体后方、左侧和右侧是否有人，程序将控制阀门朝车外一个无人的方向转动；
4、当车内与车辆周围都有人时，阀门仍保持竖直向下角度不变。
在***布置的过程中，红外传感器1布置在车内顶部，前排后排分别安置，用于感知车内前后排是否有人。超声波传感器5布置在车尾和车的左右侧，用于感知车外是否存在人或障碍物，车尾的布置与现有的车辆倒车雷达布置类似，车的左侧因为跨度较大，而超声波传感器5探测角度范围有限，所以采用两个超声波传感器，分开布置在前后车门附近，从而实现全域探测覆盖。车的右侧布置同左侧，一共要用到6个超声波传感器。由于超声波不能分辨人和障碍物，我们采用小米智能摄像头进一步区分人和障碍物。小米摄像头最大视角为170°，需要用到三个才能完全覆盖车辆的左、右、后三个方向。如图1所示，我们拟将三个摄像头集中布置在车顶太阳能板之上，使其视野不被遮挡。温度传感器4我们设置在TPRD附近，能够实时感知阀门附近的温度，判断火灾是否发生并在第一时间启动安全***。
如图3所示，三维转向子***包括第一泄压管道6、第二泄压管道7和导向管8，第二泄压管道7的内部竖直方向设置有第一转杆9，第一转杆9的一端连接有第一固定杆10，第一固定杆10与第二泄压管道7固定连接，第二泄压管道7的内部水平方向设置第二转杆11，第二转杆11的一端连接有第二固定杆12，第二固定杆12与导向管8固定连接，第一泄压管道6与第二泄压管道7、导向管8之间密封连接，且连接处的内部均为开口结构，第一泄压管道6与第二泄压管道7、导向管8均为圆柱形结构，第二转杆9和第一转向杆11的另一端连接有驱动装置13，由驱动装置13带动第一转杆9转动，第一转杆9转动带动第一固定杆10转动，第一固定杆10与第二泄压管道7固定连接，因此，第二泄压管道7在第一转杆9的作用下转动，同理，驱动装置13带动第二转杆11转动，第二转杆11转动带动第二固定杆12转动，第二固定杆12与导向管8固定连接，因此，导向管8在第二转杆11的作用下转动，从而进行三维转向，第一泄压管道6与第二泄压管道7、导向管8均为圆柱形结构，在转动过程中可以保证其密封性。
实施例2
上述安全***的环境感知功能需24小时运行，能耗较大，为了解决***由谁提供能量的问题，我们引入了车载太阳能板来为整套***供电，尝试使新增的设备对车辆本身不增加额外能耗。目前，市面上比较成熟的太阳能电池板产品有传统单晶硅太阳能板和半柔性单晶硅太阳能板两种，后者可弯曲性能好更适合车载环境使用，因此我们选择半柔性太阳能板3。我们拟将车顶全部覆盖上半柔性太阳能电池板3，产生的电量由太阳能板配套电池储存，多余出来的电量将直接充入车载蓄电池，还可用于照明等其它车载用电需求。
此外，太阳能电池板自身携带电池，可以为各类传感器提供一个额外电源，与车载蓄电池一同形成双路供电，当一个电池故障损坏时，另一块电池仍可为安全***的设备提供电能，提高了***运行可靠性。
本田氢燃料电池汽车FCX-Clarity车顶面积大约为3.25m2，我们取太阳能电池板面积为车顶面积进行后续的能量收支分析计算。
在安全***中，泄压转向装置及警报器是火灾发生时启动的，其能耗可忽略不计，而需24小时运行的设备能耗较大，包括：三个车载摄像机、两个车内红外传感器和六个超声波传感器。这些设备的功耗如下：
(1)车载摄像机的额定功率为5w，内置图像处理芯片约为0.075w。
(2)红外传感器的额定功率为0.00036w(可忽略不计)。
(3)超声波传感器的额定功率为0.01w。
经计算得：设备每天总能耗约为1.32×106J，相当于0.36kw·h。
太阳能供电量分析
***所使用的单晶硅半柔性太阳能电池板，铺满车顶后面积取A＝3.25m2，光电转化效率η1在15％～18％之间，取中间值η1＝16.5％进行计算。我们以上海市为例，首先查询上海典型气象年份各月份的太阳辐射量，然后计算在辐射最少季度的太阳能板发电量，当该季度发电量大于设备耗电量时，即认为全年都可满足。上海市太阳辐射最少的季节为冬季(12、1、2月份)，冬季总辐射量W总＝675MJ/m2，平均每天辐射量W＝7.5MJ/m2。
车辆在停车时和行驶中太阳辐射存在不确定性，车顶会被阴影遮挡，假定一天中，车顶的太阳能板可以接收到的辐射量为理论值的一半(η2＝0.5)。
故上海市冬季平均每天太阳能板发电量E即为：E＝W×A×η1×η2＝1.97×106J，相当于0.55kw·h，大于设备耗电量0.36kw·h，因此在上海地区全年可实现能量自给自足。
实施例3
为了测试在泄压过程中泄压阀转多少度能更大程度降低灾难性的后果，我们对数值进行了模拟，当TPRD为竖直向下泄漏时，整个车辆被氢气火焰包围，前排司机和后排乘客均无法逃生，与日本汽车研究院的实验结果是一致的。当我们改变TPRD朝向为后方30度倾角时，从图上可以看出，前排司机是可以安全逃生，但后排乘客依然被火焰包围难以逃生。当我们继续改变TPRD倾角为45度时，前门后门均无氢气火焰，司机和乘客都可以顺利逃生，因此，当倾角为45度时，灾难性的后果的程度将降到最低。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳能智能供电的车载氢气安全***，其特征在于，包括三维转向子***、环境感知子***、智能控制子***，所述环境感知子***包括超声波传感器(5)、红外传感器(1)、车载摄像头(2)、温度传感器(4)，所述超声波传感器(5)用于检测车体后方、两侧是否有障碍物，所述车载摄像头(2)用于检测车体后方、两侧障碍物是否是人，所述红外线传感器(1)用于检测车体内部是否有人，所述温度传感器(4)用于检测热熔性泄压阀的环境温度，所述三维转向子***用于控制热熔性泄压阀的泄压口向车体后方、两侧中的任一方向转动，所述智能控制子***接收来自环境感知子***传递的信息，并控制三维转向子***，所述三维转向子***包括第一泄压管道(6)、第二泄压管道(7)和导向管(8)，所述第二泄压管道(7)的内部竖直方向设置有第一转杆(9)，所述第一转杆(9)的一端连接有第一固定杆(10)，所述第一固定杆(10)与第二泄压管道(7)固定连接，所述第二泄压管道(7)的内部水平方向设置第二转杆(11)，所述第二转杆(11)的一端连接有第二固定杆(12)，所述第二固定杆(12)与导向管(8)固定连接，所述第一泄压管道(6)与第二泄压管道(7)、导向管(8)之间密封连接，且连接处的内部均为开口结构，所述第一泄压管道(6)与第二泄压管道(7)、导向管(8)均为圆柱形结构，所述第二转杆(9)和第一转向杆(11)的另一端连接有驱动装置(13)，所述三维转向结构带动热熔性泄压阀的泄压口向任一方向转动的角度为45度，所述***还包括能源供应子***，所述能源供应子***为***提供电能，所述能源供应子***包括半柔性太阳能板(3)、太阳能蓄电池以及车载蓄电池，所述半柔性太阳能板(3)覆盖整个车顶，所述太阳能蓄电池与车载蓄电池构成双路供电结构。
2.一种采用权利要求1所述的太阳能智能供电的车载氢气安全***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1、当温度传感器(4)检测到热熔性泄压阀附近的温度超过90℃时，利用红外线传感器(1)检测车内是否有人，当车内无人时，阀门的泄压口将保持竖直向下的角度；
2、当车内有人时，超声波传感器(5)按顺序依次检测车体后方、左侧和右侧是否有障碍物，程序将控制阀门的泄压口朝车外一个无障碍物的方向转动；
3、当车外均有障碍物时，车载摄像头(2)按顺序依次检测车体后方、左侧和右侧是否有人，程序将控制阀门的泄压口朝车外一个无人的方向转动；
4、当车内与车辆周围都有人时，阀门的泄压口仍保持竖直向下角度不变。
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