一种远距离无源联锁车载原位即时制氢安全系统及控制方法与流程

本发明属于车载制氢安全，特别涉及一种基于主轴远距离无源机械联锁、微量缓冲分压的车载原位即时制氢底层安全架构及运行控制方法，适用于燃油内燃机车辆、混动车辆、纯氢燃料电池车辆，下游动力负载兼容氢内燃机、质子交换膜燃料电池电堆。

背景技术：

1、现有车载氢能技术分为两大主流路线，同时市面存在各类原位化学制氢改良方案，各类方案均存在无法兼顾的使用缺陷，相关现有专利文件作为参照说明如下：

2、 专利文献1：cn113277469b 一种车载原位制氢系统，该方案完全依靠电控泵、各类转速传感器采集信号控制原料供给，没有设置纯机械式的原料切断兜底结构，当整车亏电、线路短路、传感器信号丢失或者误触发时，无法主动终止原料进料，反应器内部残留物料会持续发生化学反应，造成氢气堆积，产生爆燃安全隐患；该方案仅设置大容量储氢腔体，没有设置氢气存量安全阈值管控机制，车辆原地空挡高转速运行时会持续过量制取氢气，造成原料浪费；配套机械阀门只能够与动力轴近距离同轴装配，当发动机与制氢反应器远距离布设时，无法适配整车底盘布局，通用性较差，同时并未搭配一套完整独立的事故安全控制流程。

3、 专利文献2：us2018012345a1 70mpa高压储氢瓶多级密封结构，日韩量产氢能车辆普遍采用该类高压储氢方案，整车搭载60～100l容积的70mpa碳纤维高压储气瓶，氢气长期高压储存，车辆发生碰撞、密闭车库泄漏时极易达到爆炸临界浓度；配套加氢站点、危化品氢气储运的基建投入是常规加油站的5倍以上，储运环节管控严苛复杂，高压密封、抗氢脆的核心材料依赖海外产品与专利，产业链存在供给短板，整体体系不存在机械联锁式的主动安全管控逻辑。

4、 专利文献3：kr2023182345a 氢燃料电池整车供氢控制系统，该系统整体依托ecu电控逻辑调节氢气供给量，采集信号仅包含车轮转速、电子节气门开度来判断车辆运行负荷；车辆原地空挡踩油门、驻车救援高转速作业场景下，传动轴静止但发动机处于高转速状态，系统依旧大功率持续制氢，没有分压缓冲结构，多余氢气只能通过放空泄压处理；系统缺少主轴联动的机械式安全兜底结构，电控故障之后不存在物理切断路径，静置蓄氢的安全隐患无法根除，并未针对撞击、整车断电等极端工况设计专属的控制流程。

5、综合现有技术存在的共性痛点：

6、 1. 高压储氢方案：大容量高压罐体自带固有安全隐患，加氢设施、氢气储运基建成本高昂，密封、罐体缠绕等核心技术存在外部壁垒；

7、2. 电控式原位制氢：启停工作完全依托电路信号，断电、元器件损坏、传感器数据异常时无法切断原料供给，反应器不间断生成氢气；转速采集对象多为车轮传动轴转速，对于驻车高转速工况适配性较差；

8、3. 现有简易机械制氢阀体只支持近距离同轴安装，无法适配发动机前置、制氢设备后置的整车布置需求，不存在远距离无源机械传动匹配方案；

9、4. 缺少专用的微量缓冲分压结构，没有机械式的氢气储量阈值管控机制，车辆高转速运行时氢气大量囤积，防爆性能不足；

10、5. 未设计成套独立的多级安全控制方法，无法应对车辆撞击、整车断电等各类意外事故场景；

11、6. 底层运行架构通用性不足，无法同步适配氢内燃机、燃料电池两类动力负载，车型适配范围存在局限。

技术实现思路

1、3.1 发明目的

2、 1. 搭建远距离纯机械无源联锁架构，以整车动力输出源头的车辆动力主轴作为转速判断基准，不受动力主轴和制氢反应器的安装间距限制，整车断电、电控系统失效的状态下依旧可以物理切断原料供给，设置固定怠速转速阈值，转速低于阈值即刻切断进料，实现动力主轴运转则制氢、动力主轴停止则终止制氢的底层安全管控逻辑；

3、2. 搭配无源压力分流阀与微量缓冲储氢单元，车辆原地空挡、驻车高转速工作时仅少量补充缓冲罐氢气，罐内压力抵达安全上限便停止储气，从氢气存量层面规避爆炸条件；同时配套极端工况专属处置流程，可应对撞击、整车断电、人为高转速误操作等各类故障工况，具备本质安全属性；

4、3. 彻底取消70mpa规格大容量高压储氢瓶，车载系统只存放常温性质稳定的无氢前驱制氢原料，原料泄漏不会产生燃爆风险，省去加氢站高额的建设与运维成本；

5、4. 整体架构具备通用性，单套底层系统可兼容内燃机曲轴、驱动电机主轴两类车辆动力主轴结构，下游匹配氢内燃机与燃料电池设备，覆盖全品类氢能车辆；

6、5. 电控系统仅用作运行工况的辅助监测工作，不参与核心的原料安全切断动作，形成电控精细化调节+无源机械兜底防护的双重安全机制，弥补单一电控体系失效、信号误触发的漏洞；

7、6. 配套一套完整独立的分级安全控制方法，同时对设备硬件、运行流程进行双重保护，避免竞品只改动硬件外壳、照搬运行控制逻辑实现侵权规避。

8、 3.2 总体技术方案

9、 3.2.1 系统硬件架构

10、 一种远距离无源联锁车载原位即时制氢安全系统，其特征在于，包括制氢反应单元、微量缓冲储氢单元、无源离心切断阀、远距离机械传动耦合组件、无源压力分流阀、车载电控单元；

11、所述无源离心切断阀设置于制氢反应单元的原料总进路上，所述无源离心切断阀通过远距离机械传动耦合组件与车辆动力主轴机械刚性联动；所述远距离机械传动耦合组件仅传递纯机械旋转力矩，不存在电气信号传输部件，不受车辆动力主轴与无源离心切断阀之间的安装距离、布置角度约束，同步复刻车辆动力主轴实时转速工况；

12、所述车辆动力主轴转速低于预设怠速阈值时，远距离机械传动耦合组件输出力矩无法驱动阀芯开启，无源离心切断阀内部复位弹簧物理封堵原料总通路，彻底阻断原料进入制氢反应单元，停止制氢作业；车辆动力主轴转速达到或高于预设怠速阈值时，旋转力矩经由远距离机械传动耦合组件输送至无源离心切断阀，依靠离心力驱动阀芯导通原料通路，制氢反应单元现场生成氢气；

13、所述车辆动力主轴选自内燃机曲轴、驱动电机主轴其中任意一种，是车辆全部动力输出的源头构件，车辆启动怠速运行阶段保持持续旋转状态，和车轮传动轴无绑定关系；

14、所述无源压力分流阀集成安装在制氢反应单元氢气输出端，分流阀划分出直通车载动力负载的主气路、接入微量缓冲储氢单元的支路；微量缓冲储氢单元串联布置在氢气管路中段，罐体容积为预设固定数值，罐体内部最大储氢量仅满足车辆单次冷启动点火需求，设置固定的安全压力阈值；车辆原地空挡、车轮传动轴无行驶载荷但动力主轴高转速运行工况下，生成的氢气优先补给微量缓冲储氢单元，罐内压力抵达安全上限后，无源压力分流阀自动关闭补气支路，防止过量储氢；车辆行驶带负荷工作时，氢气主要经由主气路直接供给车载动力负载，缓冲罐仅微量补气维持最低工作气量；所述车载动力负载选自氢内燃机、燃料电池电堆中的至少一种；

15、 所述车载电控单元与制氢反应单元、微量缓冲储氢单元建立信号连接，仅用于采集管路温度、内部压力数据，辅助微调产气速率以及故障报警提醒；原料通路的通断控制、氢气气流分配全部依靠无源机械结构独立完成，电控失效不会影响系统安全锁止功能。

16、 3.2.2 系统控制方法

17、 一种远距离无源联锁车载原位即时制氢安全控制方法，应用上述远距离无源联锁车载原位即时制氢安全系统，包含常规工况分级控制流程、极端故障工况应急控制流程；

18、 1. 常规熄火停机控制流程：车辆动力主轴停止转动，转速低于预设怠速阈值，远距离机械传动耦合组件无旋转力矩输出，无源离心切断阀依靠内置复位弹簧封堵原料总通路，终止制氢反应；微量缓冲储氢单元内部留存的少量氢气逐步供给车载低压电器消耗，不会出现氢气长期囤积问题；

19、2. 驻车怠速/原地高转速控制流程：车辆动力主轴持续运转，转速达到怠速阈值标准以上，机械力矩驱动无源离心切断阀开启原料通路，系统持续制取氢气；车轮传动轴无行驶负荷，无源压力分流阀优先导通缓冲罐补气支路；缓冲罐内部压力抵达预设安全阈值后，自动切断补气支路，富余氢气经由主气路供给车载用电设备使用；

20、3. 行驶重载控制流程：车辆行驶过程中车轮传动轴承载负荷持续消耗氢气，缓冲罐内部压力长期低于安全阈值，分流阀支路保持微量导通状态，绝大部分制取的氢气直接输送至动力负载实现即产即用；

21、4. 全车断电应急控制流程：整车供电系统完全失效，电控单元停止工作，无源离心切断阀、远距离机械传动耦合组件、无源压力分流阀依靠纯机械结构独立运行，依托车辆动力主轴转速完成原料通断、气流分配管控，安全运行逻辑不受断电影响；

22、5. 撞击变形应急控制流程：车辆遭受剧烈撞击、挤压破坏，车辆动力主轴转速快速跌落至怠速阈值以下，无源离心切断阀立刻封堵原料进料通路，从源头终止制氢行为；微量缓冲罐内部氢气储量低、运行工况接近常压，储罐破损后氢气快速扩散，无法形成爆炸混合气体，液态前驱原料发生泄漏也不存在燃爆风险。

23、 3.3 各模块功能说明

24、 1. 远距离机械传动耦合组件：仅作为纯机械力矩传输载体，为本领域技术人员熟知的机械扭矩传递结构，消除机舱、底盘的布设间距限制，发动机前置、反应器后置的各类车型均可同步完成车辆动力主轴转速的远端管控，不存在线路老化、短路故障隐患。

25、2. 无源离心切断阀：纯物理执行构件，无传感器、电磁类元器件，依托车辆动力主轴远端传递的离心力驱动阀芯开启进料通路，动力主轴转速低于怠速阈值时由弹簧强制密封管路；整车断电、线束烧毁的恶劣工况下依旧可以可靠锁止原料进料，从源头杜绝设备静置状态下持续制氢的问题。

26、3. 无源压力分流阀：依托管路与缓冲罐内部气压差值自动切换气流通路，无需电控信号参与调控，可自动匹配原地驻车高转速、车辆行驶重载两类工作工况，平衡设备供气需求与储氢安全标准。

27、4. 微量缓冲储氢单元：无高压承压设计，整体容积远小于传统储氢罐体，可灵活布置在整车管路任意中段位置；罐内氢气储存量始终低于氢气爆炸临界浓度，罐体破损泄漏时气体快速扩散，不存在爆燃隐患。

28、5. 制氢反应单元：内部装填催化物料，常温环境下原料相互接触即可生成氢气，启停状态仅由无源离心切断阀管控原料供给，低温工况配套电控辅助加热为可选优化方案，不属于反应发生的必要条件。

29、6. 车载电控单元：仅负责产气精细化调节、人机交互提示、故障报警功能，不作为系统安全控制的核心部件，进料切断、气流分流等关键安全功能全部由无源机械结构独立实现。

30、 3.4 全工况完整工作流程（对应控制方法）

31、 1. 熄火停机：车辆动力主轴转速归零且低于预设怠速阈值，远距离机械传动耦合组件无有效力矩输出，无源离心切断阀受弹簧作用复位封堵原料总路，原料无法进入反应单元，停止生成氢气；缓冲罐内留存的微量氢气快速被车载电器消耗，无长期氢气蓄积问题。

32、2. 驻车怠速/原地空挡踩油门、救援高转速作业：车辆动力主轴转速达到怠速阈值以上，力矩远程驱动切断阀导通进料通路，反应器持续产气；车轮传动轴无行驶负荷，氢气经过分流阀优先填充微量缓冲罐；罐内压力抵达预设安全上限后，无源压力分流阀自动关闭补气支路，剩余少量氢气经由主气路供给空调、车灯等车载电器使用，不会出现大规模储气情况。

33、3. 行驶加速、爬坡重载：车轮传动轴承载负荷持续消耗氢气，缓冲罐压力长期低于安全阈值，分流阀支路微量常开；绝大多数新制取的氢气经由主气路直接输送至燃料电池或者氢内燃机，实现即产即用，缓冲罐只留存冷启动所需最低气量。

34、4. 全车断电、电控完全失效：电控单元停止工作，远距离机械传动耦合组件、无源离心切断阀、无源压力分流阀全部依靠纯物理作用力独立运行，动力主轴转速低于怠速阈值即可锁料，原地高转速工况依旧能够限制储氢量，安全防护功能不受电路故障影响。

35、5. 撞击挤压极端工况：车体受到冲击发生形变，车辆动力主轴转速快速下降至怠速阈值之下，离心切断阀即刻切断原料供给；整套系统无高压储氢结构，微量氢气快速散逸，液态制氢原料不存在自燃爆炸隐患。