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浅谈燃料电池客车碰撞保护传感系统设计与工作原理

发布时间:2020-04-23 13:40 作者:原创 浏览:234

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 摘    要: 介绍燃料电池客车碰撞安全保护系统的传感器系统的设计要求及工作原理。

浅谈燃料电池客车碰撞保护传感系统设计与工作原理

  关键词: 燃料电池客车; 氢系统; 碰撞传感器; 安全保护;

  Abstract: This paper introduces the design requirements and working principle of the sensor system of the fuel cell buses collision safety protection system.

  Keyword: fuel cell bus; hydrogen system; collision sensor; safety protection;

  氢气易挥发、易燃、易爆及氢脆等特性[1],使得氢燃料电池客车在使用过程中存在一定的安全隐患。对于车载供氢系统的安全措施,已具备过压保护、过流保护、过温保护、低压报警等功能[2,3],还具备了氢气泄漏的检测和控制。但燃料电池客车发生碰撞的时候存在火灾风险,因此燃料电池客车还要具备车载氢系统碰撞安全设计[4]。其中碰撞传感器是车载氢系统碰撞安全保护系统的“神经末稍”,它主要检测、判断汽车发生碰撞时的撞击信号[5],并将信号输入到整车和氢系统控制器,以便它们及时启动一系列安全保护措施。

  1、 碰撞保护传感系统设计

  1.1、 布置及安装要求

  目前,对燃料电池氢安全的碰撞防护设计除了关键零部件具有防撞能力外,还通过位置布置、固定装置保护、主动碰撞保护系统监控碰撞并与整车控制系统联动、自动断电、自动关闭阀门等措施来避免灾难的发生。在氢燃料电池客车上可安装多个碰撞传感器,与整车控制器组成燃料电池氢安全的碰撞主动防护系统。

  一般氢燃料电池客车设置2~5个碰撞传感器[5],多路并联使用,分别安装在车辆前方大梁、车辆后方大梁及车辆重要部位处的侧面,如安装在前后保险杠中间、左右侧围、加氢口和燃料电池处,但一定要保持与车辆前后方向和车身左右方向对齐一致,切勿倾斜安装,角度误差应≤5°[6]。由于大型车辆底盘有一定韧性,距离较远的碰撞能量无法全部传递到碰撞传感器,所以需要在车辆前方大梁、车辆后方大梁及车辆重要部位处的侧面分别布置,多路传感器并联使用,最大程度地减轻车身变形对瞬时加速度的影响。
 

  为了保证检测信号的准确性,碰撞传感器必须具备一定的刚性,以免碰撞后发生吸能变形导致加速度检测不准确[7]。选用合金塑料作为传感器的外壳,同时灌封环氧树脂,让电路板上器件和整个安装底座形成一个刚性的连接体。碰撞传感器应适应汽车上的恶劣环境,整体防护等级达到IP67,在-40~+85℃范围内都能可靠工作,输出信号必须稳定,不易受车辆电气环境干扰。能防意外溅水,低温结冰环境应能正常工作,高温时寿命和可靠性也不受影响。

  1.2、 主要参数要求

  碰撞传感器负责检测碰撞的激烈程度,为了保证碰撞检测信号的准确性,有两个重要指标,一是加速度阈值,二是精度,防止因碰撞传感器误动作而造成系统意外保护。

  1)加速度阈值。车身在碰撞过程中产生的加速度分为两个主要阶段:在碰撞初期,车身加速度有一个很大的峰值出现;随后车身及吸能部件依次发生压溃变形,进入相对稳定的吸能阶段。加速度的峰值通常高出稳态阶段的2~3倍。

  如汽车以60 km/h(16.67 m/s)速度正面碰撞1 m后停止,假设碰撞过程中汽车是匀减速直线行驶,则其加速度a=(vt2-v02)/(2st)=(0-16.672)/(2×1)=-138.9 m/s2。即匀减速碰撞过程中a≈-14.2g,g为重力加速度。

  如碰撞过程中加速度的峰值按稳定阶段的2倍估算,则有am=2a=-14.2g×2≈-30g。

  碰撞传感器加速度阈值是由客车性能及其碰撞特性(如速度、正面、侧面等)而定,为保证燃料电池客车碰撞检测的准确性,碰撞传感器的加速度阈值按25%提前量设定,即-7.5g。

  2)精度。结合加速度阈值和碰撞检测的准确度要求,碰撞传感器的精度要求达到0.1g。

  2 碰撞传感器工作原理

  燃料电池客车碰撞保护系统核心部件是碰撞传感器,如图1所示,主要由电源、双轴加速度传感器、CAN收发器电路、单片机及其外围电路和软件组成。碰撞传感器内部集成有加速度计AIS2120SX,实时检测汽车前后和左右方向上的碰撞加速度,当实时检测出当前的碰撞加速度超过设定阈值时,通过CAN接收器U1及时输出报警报文和报警信号给整车控制器,整车控制器立即给氢系统控制器发出指令关闭储氢瓶阀门,断开氢气供应和整车电源,将氢气的泄漏量降至最低,从而起到保护车辆的作用,减少火灾的发生。

  图1 碰撞传感器工作原理图
图1 碰撞传感器工作原理图

  报警信号采用双组冗余设计[8]:报警低电平信号ALARM1;报警高电平信号ALARM2。同时报警信号动作后需锁存,直到电源重启后才可解锁。碰撞信号持续时间在额定输出电流情况下应可维持50 ms,防止碰撞瞬间电源丢失,导致触发信号无效。

  1)电源部分。车辆不稳定的电源(通常为DC18~32 V)经过线性直流稳压芯片U5得到+5 V电源,+5 V再经过LDO电源芯片U6得到+3.3 V电源。3.3 V电源为主电源,给单片机及双轴加速度计AIS2120SX芯片U3供电,+5 V电源给CAN收发器U1供电。为了提高电源系统的可靠性及稳定性,增加了2个输入电路TVS,对后面的电源芯片进行保护,提高了系统的EMC和EMI能力。

  2)双轴加速度传感器AIS2120SX。U3为双轴加速度检测芯片,集成了X轴、Y轴2个独立加速度检测通道,集成了精密的温度补偿装置,通过数字低通滤波器抵消由于失调电压造成的速度偏移误差,滤除由于碰撞造成的噪声和振动高频分量,最终得到真实的加速度。内置的上电自检功能确保可靠性和运行实时诊断[9,10]。

  3)CAN收发器电路。U1为CAN收发器电路,MCU通过读到的X轴、Y轴方向的加速度值,通过CAN总线发送出去。

  4)单片机MCU。采用的是STM8A系列车规级芯片,TM8单片机由意法半导体(ST)于2009年推出,它具有3级流水线架构、性价比高、开发方便等优点。MCU通过SPI总线读到X轴、Y轴方向的加速度,当大于设定阈值时,ALARM1输出低电平(正常悬空状态)。报警时ALARM2输出高电平(正常悬空状态)。

  5)单片机外围电路。保证MCU在上电期间能够进行正常复位及初始化,为单片机提供稳定的时钟信号。

  6)软件。碰撞传感器软件主要包含上电初始化设置、加速度值读取及报警输出、CAN总线数据发送3个流程。使用ST TOOLS进行软件开发,ST TOOLS包含STVD和STVP两个工具包,是STM8芯片集成的软件开发环境;使用C语言和汇编语音混合编程。STVD提供芯片在线仿真和脱机软件仿真功能,在线仿真为非侵入式仿真,通过STLINK工具可连接到目标板,观察CPU的实际运行状态,包括各种变量变化和设置、程序调整、断点设置等实用功能。但在使用前须根据芯片规格进行开发工具的配置(Toolset)选项和选择编译器。STM8可选IAR和Cosmic作为编译器,但Cosmic编译出来的代码比IAR更好。

  3 结束语

  燃料电池客车已经开始商业示范运营,以碰撞传感器为核心的燃料电池氢安全的碰撞防护系统已广泛应用,可以有效降低燃料电池客车发生碰撞时的火灾风险。

  参考文献:学霸论文网是一家专业提供论文定制修改服务的网站,上10年的论文经验,无论是本科论文、硕士论文还是期刊论文,博士论文,我们都能为您提供方便、快捷、安全的论文服务

  [1] 冯文,王淑娟,倪维斗,等.氢能的安全性和燃料电池汽车的氢安全问题[J].太阳能学报,2003,24(5):677-682.
  [2] 赵艳男.燃料电池汽车供氢系统及系统安全策略[J].上海汽车,2006(12):6-8.
  [3] 冷宏祥,赵斌良.燃料电池汽车氢气安全系统介绍[J].上海汽车,2010(4):21-23.


  [4] 王琦,罗马吉,罗仲.燃料电池汽车车载氢气安全研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2011,33(2):232-235.
  [5] 李向荣,万当水,白鹏,等.燃料电池轿车正面碰撞安全研究[J].汽车工程,2010,32(3):213-216.
  [6] 郁有文.传感器原理及工程运用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007:270.
  [7] 周宗马,聂孝辉,王新明.汽车安全气囊滚球式碰撞传感器结构设计[J].汽车工程师,2011(7):39-41.
  [8] 黄伟科,朱平.燃料电池轿车整车碰撞氢安全评价方法[J].机械制造,2010,48(3):32-35.
  [9] 刘艳丰.我国安全气囊应用现状及发展特性[J].农业科技与装备,2010(10):41-45.
  [10] 王有信,王赟松.汽车安全气囊(SRS)碰撞传感器[J].汽车实用技术,2002(7):25-26.

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