燃料電池客車氫安全方案設(shè)計(jì)

王丙虎, 陳振國, 吳光平,2, 劉 康, 劉 雷

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.中北大學(xué), 太原 030051)

氫燃料電池汽車的燃料是氫氣。由于氫氣本身具有易燃、易爆、易擴(kuò)散、易泄漏的特性,使得氫燃料電池汽車氫系統(tǒng)的安全性成為首要問題[1-5]。因此,為了氫燃料電池汽車的推廣和使用,有必要對(duì)其氫系統(tǒng)的安全性進(jìn)行研究。已有文章在氫燃料電池汽車集成布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氫氣泄漏檢測等方面對(duì)氫安全進(jìn)行了探討[6-7],但相關(guān)氫安全可行性方案仍不夠完善。本文針對(duì)中通氫燃料電池汽車氫安全問題,分別從整車控制、電氣及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面展開氫安全設(shè)計(jì),以滿足不同類型燃料電池客車對(duì)氫安全的需求,保障燃料電池車輛安全、穩(wěn)定行駛。

1 氫安全方案整車控制層面設(shè)計(jì)

整車控制層面分別從加氫、儲(chǔ)氫、排氫、燃料電池緊急狀態(tài)4個(gè)方面采取安全控制策略對(duì)氫氣進(jìn)行安全控制。

1) 加氫安全控制策略(如圖1所示)為:①檢測加氫過程中氫氣瓶中氫氣的溫度T并計(jì)算出實(shí)時(shí)溫升梯度Tv和壓升梯度Pv,當(dāng)Tv>Tvl(Tvl為溫升梯度閾值,本文為3 ℃/min)時(shí),氫系統(tǒng)控制器發(fā)出警告信號(hào),儀表發(fā)出蜂鳴聲并顯示警告字樣;另外,氫系統(tǒng)控制器通過紅外信號(hào)與加氫站進(jìn)行通訊,將Tv和Pv反饋給加氫站,加氫站執(zhí)行升溫控制和分級(jí)加注等控制策略。②實(shí)時(shí)監(jiān)測氫氣瓶中氫氣壓力變化,計(jì)算上一時(shí)刻及目前時(shí)刻的壓差值ΔPp,當(dāng)ΔPp>ΔPpl(ΔPpl為壓差閾值,本文為14 MPa)時(shí),整車加氫次數(shù)n加1,當(dāng)n>n1(n1為加氫次數(shù)閾值,本文為7 500)時(shí),氫系統(tǒng)控制器發(fā)出警告信號(hào),儀表發(fā)出蜂鳴聲并顯示警告字樣。

圖1 加氫安全控制策略

2) 儲(chǔ)氫安全控制策略(如圖2所示)為:當(dāng)燃料電池車輛不使用燃料電池而只使用動(dòng)力電池作為動(dòng)力源進(jìn)行整車驅(qū)動(dòng)時(shí),氫控制器檢測氫氣瓶中的高壓Pp及管路中的低壓Pg,并計(jì)算出氫氣瓶中的實(shí)時(shí)壓降梯度Pvp及管路中的實(shí)時(shí)壓降梯度Pvg。當(dāng)Pvp>Pvpl(Pvpl為瓶壓壓降梯度閾值,本文為0.03 MPa/min)或Pvg>Pvgl(Pvgl為管壓壓降梯度閾值,本文為0.1 MPa/min)時(shí),氫系統(tǒng)控制器發(fā)出警告信號(hào),儀表發(fā)出蜂鳴聲并顯示警告字樣。

圖2 儲(chǔ)氫安全控制策略

3) 排氫安全控制策略(如圖3所示)為:在燃料電池尾排口加裝氫氣濃度傳感器,當(dāng)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),氫控制器檢測尾氣排管中的氫氣濃度Cw,當(dāng)Cw>Cwl(Cwl為尾排氫氣濃度閾值,本文為40 000 ppm)時(shí),氫系統(tǒng)控制器發(fā)出警告信號(hào),燃料電池系統(tǒng)控制器接收到此信號(hào)后通過修正控制策略對(duì)尾排氫氣濃度進(jìn)行調(diào)整,若發(fā)出警告信號(hào)5 s后Cw依舊大于Cwl,氫系統(tǒng)控制器將主動(dòng)關(guān)閉氫控制系統(tǒng)中的主閥和瓶閥,不再響應(yīng)燃料電池系統(tǒng)控制器指令,視燃料電池系統(tǒng)控制器策略修正無效。

圖3 排氫安全控制策略

4) 整車緊急狀態(tài)安全控制策略(如圖4所示)為:整車前圍裝有碰撞傳感器且儀表裝有急停開關(guān),氫系統(tǒng)控制器檢測到碰撞信號(hào)后,將主動(dòng)關(guān)閉氫控制系統(tǒng)中的主閥和瓶閥,不再響應(yīng)燃料電池系統(tǒng)控制器指令;儀表上的急停開關(guān)由駕駛員操控,當(dāng)遇到緊急狀況不得不切斷燃料電池系統(tǒng)時(shí),按下急停開關(guān),氫系統(tǒng)控制器檢測到急停信號(hào)后,主動(dòng)控制氫系統(tǒng)主閥和瓶閥關(guān)閉,不再響應(yīng)燃料電池系統(tǒng)控制器指令。

圖4 整車緊急狀態(tài)安全控制策略

5) 加氫、儲(chǔ)氫、排氫和整車緊急狀態(tài)共有安全控制策略(如圖5所示)為:監(jiān)測氫氣瓶中的溫度T,監(jiān)測氫氣瓶中的高壓Pp、低壓Ppd,監(jiān)測管路中的高壓Pgg、低壓Pg,監(jiān)測加氫口、乘客艙、氫瓶、后艙處的氫氣濃度C,監(jiān)測溫度傳感器數(shù)字量Tszl、壓力傳感器數(shù)字量Pszl、氫氣濃度傳感器數(shù)字量Cszl等,并將監(jiān)測信號(hào)與其閾值進(jìn)行比較,判斷故障狀態(tài)并對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)處理。當(dāng)氫系統(tǒng)控制器判斷為非最高級(jí)故障時(shí),氫系統(tǒng)控制器給予警告;當(dāng)氫系統(tǒng)控制器判斷為最高級(jí)故障時(shí),氫系統(tǒng)控制器主動(dòng)控制氫系統(tǒng)主閥和瓶閥關(guān)閉,不再響應(yīng)燃料電池系統(tǒng)控制器指令。

圖5 各個(gè)狀態(tài)共有安全控制策略

6) 對(duì)氫安全控制策略中氫系統(tǒng)閥門的開啟和關(guān)閉進(jìn)行測試。利用發(fā)光二極管代替主閥和瓶閥(模擬六瓶組氫系統(tǒng),6個(gè)瓶閥和1個(gè)主閥),發(fā)光二極管的正極連接24 V電源,負(fù)極連接氫系統(tǒng)控制器相應(yīng)的接地輸出。當(dāng)氫控制器輸出接地信號(hào)時(shí),發(fā)光二極管亮,代表閥門打開;若氫控制器未輸出接地信號(hào),即管腳懸空,發(fā)光二極管不亮,代表閥門關(guān)閉。

將氫系統(tǒng)控制器與其線束端子連接,并給控制器供電源電和激活電,利用電腦及CANalyzer設(shè)備模擬發(fā)送一個(gè)尾氣排管中大于Cwl的氫氣濃度值、急停開關(guān)信號(hào)、碰撞開關(guān)信號(hào)、最高故障等級(jí)信號(hào)。報(bào)文發(fā)送后,現(xiàn)場觀察相應(yīng)的發(fā)光二極管的響應(yīng)動(dòng)作是否正確。由圖6左圖可以看出,各個(gè)二極管全亮,代表各個(gè)閥門處于打開狀態(tài);當(dāng)各個(gè)模擬信號(hào)發(fā)送后,二極管由亮狀態(tài)變?yōu)榘禒顟B(tài),說明氫系統(tǒng)主閥及瓶閥關(guān)閉(圖6右圖)。

圖6 發(fā)光二極管模擬瓶閥及主閥開關(guān)圖示

2 氫安全方案電氣層面設(shè)計(jì)

主要通過電氣層面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整車氫系統(tǒng)供電或斷電情況下的全時(shí)域監(jiān)控。全時(shí)域監(jiān)控涉及的電器部件包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、整車控制器(VCU)、氫管理系統(tǒng)(HMS)、燃料電池控制器(FCU)、降壓DC/DC、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。全時(shí)域監(jiān)控包括如下情況:

1) 整車正常上電。BMS接收到整車ON擋信號(hào),整車蓄電池或3 kW DC/DC或6 kW DC/DC給控制器供電,各控制器處于激活狀態(tài)。

2) 整車斷電情況下或者BMS沒有接收到整車ON擋信號(hào)。此時(shí)降壓DC/DC在滿足條件下輸出電壓為24 V的電給各控制器供電。具體供電設(shè)置為:在一個(gè)斷電周期內(nèi)首次DC/DC可以通過自喚醒激活控制電路,給各個(gè)控制器供電。首次自喚醒時(shí)間是DC/DC出廠設(shè)置的0.5 h。自喚醒后,在下個(gè)喚醒周期內(nèi),DC/DC接收BMS設(shè)定的喚醒時(shí)間對(duì)自身進(jìn)行喚醒。后續(xù)每次自喚醒激活后,DC/DC要重新接收BMS的喚醒時(shí)間設(shè)置,以此不斷重復(fù)。若DC/DC激活后未接收到BMS所設(shè)定的喚醒時(shí)間,DC/DC喚醒時(shí)間按照上一個(gè)喚醒周期內(nèi)BMS設(shè)定的喚醒時(shí)間進(jìn)行喚醒。若DC/DC所接收BMS喚醒時(shí)間超出DC/DC設(shè)定的喚醒時(shí)間閾值,則DC/DC不響應(yīng),并將喚醒時(shí)間設(shè)置為上個(gè)周期BMS設(shè)定的時(shí)間喚醒。

如圖7所示,BMS、VCU、HMS、FCU、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端都是連接在同一條網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行CAN通訊和信息交互。整車正常供電、斷電或者BMS沒有接收到整車ON擋信號(hào)的情況下,各控制器都能處于激活狀態(tài)并且開始收發(fā)報(bào)文。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可以接收車輛各控制器狀態(tài)信息、有效捕捉車輛故障報(bào)文,根據(jù)故障嚴(yán)重程度和級(jí)別進(jìn)行一鍵預(yù)警,并通知車輛管理人員。

圖7 全時(shí)域監(jiān)控電氣架構(gòu)

3 氫安全方案結(jié)構(gòu)層面設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)層面的氫安全設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是氫氣瓶底置的情況。由于空間相對(duì)密封,氫氣易聚集,且處于車輛的易碰撞區(qū)域,危險(xiǎn)系數(shù)高[8-9]。因此,綜合考慮主動(dòng)與被動(dòng)安全設(shè)計(jì),從防止氫氣泄漏、氫氣泄漏后的停機(jī)工作、減少氫氣聚集、降低火源及爆炸的損壞等層面最大程度地保證整車安全。

其中主動(dòng)安全設(shè)計(jì)如圖8所示:

圖8 氫瓶封閉空間氫安全結(jié)構(gòu)

1) 在氫瓶封閉空間兩側(cè)設(shè)計(jì)防撞梁,防撞梁的數(shù)量可靈活掌握。氫瓶瓶閥一側(cè)防撞梁垂直投射面積應(yīng)覆蓋氫系統(tǒng)各閥門及管路,另一側(cè)防撞梁垂直投射面積應(yīng)覆蓋氫瓶最突出位置,實(shí)現(xiàn)防撞梁安全設(shè)計(jì)的應(yīng)用最大化。

2) 在氫瓶封閉空間兩側(cè)側(cè)艙門設(shè)置豎直透氣孔。當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí),豎直透氣孔有助于氣體的流通。透氣孔覆蓋整個(gè)氫瓶封閉空間兩側(cè)艙門。

3) 氫瓶封閉空間上下側(cè)應(yīng)采用防爆材質(zhì),材質(zhì)為纖維水泥復(fù)合鋼板。

被動(dòng)安全設(shè)計(jì)包括:

1) 圖8所示的氫瓶密閉空間內(nèi)配置自動(dòng)滅火裝置。滅火器安裝在氫瓶封閉空間頂部,探測器可檢測到火焰、煙霧、溫度等信號(hào)。當(dāng)氫系統(tǒng)控制器接收到探測器閾值信號(hào)后,氫系統(tǒng)控制器通過硬線控制滅火器釋放并控制主閥及瓶閥關(guān)閉(控制如圖9所示)。

圖9 氫瓶封閉空間氫安全控制示意圖

2) 圖8所示的氫濃度傳感器,置于中間氣瓶瓶口閥正上封閉空間的頂部,用于檢測封閉空間內(nèi)氫氣濃度。氫系統(tǒng)控制器對(duì)氫濃度傳感器檢測到的氫氣濃度數(shù)值進(jìn)行判斷,當(dāng)超過濃度閾值,氫系統(tǒng)控制器通過硬線控制氫系統(tǒng)主閥和瓶閥關(guān)閉(控制如圖9所示)。

3) 圖8所示的通風(fēng)設(shè)備,置于氫氣瓶安裝空間頂部中點(diǎn)并延伸至封閉空間兩側(cè)。當(dāng)檢測到氫氣濃度超過濃度閾值,氫系統(tǒng)控制器通過硬線控制通風(fēng)系統(tǒng)工作(控制如圖9所示)。

對(duì)氫氣瓶安裝密閉空間的氫安全控制效果進(jìn)行測試。利用電腦及CANalyzer 設(shè)備分別模擬發(fā)送氫氣濃度閾值及探測器閾值信號(hào)報(bào)文,并通過CANalyzer讀取氫氣瓶主閥及瓶閥、通風(fēng)設(shè)備及自動(dòng)滅火器工作狀態(tài)。

采用六瓶組氫系統(tǒng)(6個(gè)瓶閥和1個(gè)主閥)的測試結(jié)果如圖10所示。當(dāng)觸發(fā)探測器閾值信號(hào)后,主閥、瓶閥及自動(dòng)滅火器狀態(tài)信號(hào)都檢測到上升沿;當(dāng)觸發(fā)氫濃度閾值信號(hào)后,主閥、瓶閥及通風(fēng)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)都檢測到上升沿,說明控制有效。

圖10 氫瓶封閉空間氫安全控制測試結(jié)果

4 結(jié)束語

整車控制層面的氫安全設(shè)計(jì)方案需預(yù)判出加氫、儲(chǔ)氫、排氫、燃料電池緊急狀態(tài)等各個(gè)層面的危險(xiǎn)因素,能夠及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行報(bào)警并主動(dòng)關(guān)閉氫系統(tǒng)主閥與瓶閥。電氣設(shè)計(jì)層面的氫安全設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)氫燃料電池汽車的全時(shí)域監(jiān)控,不管是整車正常上電還是斷電情況下,都能有效捕捉車輛故障信息并實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面的氫安全方案設(shè)計(jì)綜合考慮整車主動(dòng)安全及被動(dòng)安全,從整車防撞、防爆、防火、避免氫氣聚集等各個(gè)層面保證整車氫安全。