車載儲氫系統(tǒng)概述

胡金金　邱東　葛兆鳳　吳學強　侯欣

摘 要：車載儲氫系統(tǒng)作為氫燃料汽車的氫氣供應系統(tǒng)，需對其進行安全可靠的控制，才可對氫燃料電池的正常運行提供保障。本文將車載儲氫系統(tǒng)的結(jié)構、控制、故障判斷等方面進行了簡要介紹，并對儲氫系統(tǒng)中氫氣剩余量、續(xù)航里程等參數(shù)進行實時計算，以供駕駛員參考。

關鍵詞：車載儲氫系統(tǒng) 儲氫系統(tǒng)控制 氫氣剩余量

1 引言

氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，也是實現(xiàn)交通運輸?shù)阮I域大規(guī)模脫碳的最佳選擇。氫能及燃料電池逐步成為全球能源技術革命的重要方向。

氫能可儲可輸，提高氫能儲運效率，降低氫能儲運成本，是氫能儲運技術的發(fā)展重點[1]。氫的儲存方式主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固體儲氫三種方式。目前高壓氣態(tài)儲氫在復合材料高壓氣瓶方面取得很好的進展，是移動式車載儲氫的主流[2]，儲氫瓶是車載儲氫系統(tǒng)的主要部件，氣瓶按照內(nèi)部材質(zhì)可分為鉻鉬鋼氣瓶（I型氣瓶）、鋼內(nèi)膽纖維纏繞復合氣瓶（II型氣瓶）、鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復合氣瓶（III型氣瓶）和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞復合氣瓶（IV 型氣瓶）[3]。具體分類及應用見表1。目前，35MPa碳纖維纏繞III型瓶目前仍是我國燃料電池商用車的車載儲氫方式，70MPa碳纖維纏繞IV型瓶已是國外燃料電池乘用車車載儲氫的主流技術，70MPa碳纖維纏繞III型已少量用于我國燃料電池乘用車中。

2 車載儲氫系統(tǒng)的結(jié)構及控制

2.1 儲氫系統(tǒng)的結(jié)構及加氫供氫過程

車載儲氫系統(tǒng)主要包含：儲氫系統(tǒng)控制器、一個或多個儲氫瓶（儲氫瓶口安裝有瓶閥、溫度及壓力傳感器）、減壓閥、減壓閥后壓力傳感器、電磁關斷閥等部件。其中，儲氫系統(tǒng)控制器主要負責整個傳感器信號的采集、系統(tǒng)運行狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制、故障的診斷、執(zhí)行器信號的輸出等；儲氫瓶主要用于儲存氫氣，儲氫瓶口的瓶閥主要用于打開/關斷氫氣的流動；溫度傳感器用于監(jiān)控瓶內(nèi)溫度，壓力傳感器用于監(jiān)控瓶內(nèi)壓力；減壓閥主要是對從瓶內(nèi)出來的氫氣進行減壓；減壓閥后壓力傳感器對減壓后的壓力進行監(jiān)測；減壓后的氫氣再經(jīng)電磁關斷閥之后便與氫燃料電池直接相連，向燃料電池提供/關斷氫氣供應。具體連接方式如圖1所示。

車載儲氫瓶內(nèi)氫氣的加注通常在加氫站進行。目前，國際上普遍被接受的氫氣加注協(xié)議有美國汽車工程學會的SAE J2601系列標準[4]、日本的JPEC系列標準[5]等。氫氣在加注過程中，因為焦耳-湯姆森效應會使氫氣發(fā)熱，而過高的溫度會影響車載儲氫瓶的安全性能[6]。因此在加注過程中需要實時關注氫瓶內(nèi)溫度及壓力的變化。

氫氣加注過程中氫氣的流動方向如圖1中藍線所示。具體加注過程為：首先將加氫站的加注槍與加氫口連接，氫氣依次通過加氫口的流量計和壓力表用于實時監(jiān)控加注過程中氣體的流量和壓力。同時儲氫系統(tǒng)控制器也會根據(jù)儲氫瓶口的溫度及壓力傳感器的值對加氫量進行計算。

當燃料電池系統(tǒng)需要氫氣供應時，氫氣供應過程中氫氣的流動方向如圖1中紅線所示。儲氫系統(tǒng)控制器控制瓶閥、電磁閥打開，瓶內(nèi)氫氣依次經(jīng)瓶閥、過濾閥、減壓閥、電磁閥后進入燃料電池系統(tǒng)。

2.2 儲氫系統(tǒng)的控制

由于氫氣具有燃點低，爆炸區(qū)間范圍寬和擴散系數(shù)大等特點，長期以來被作為?；饭芾?。因此無論在加氫還是在氫氣供應的過程中，都需要對儲氫系統(tǒng)進行嚴格控制，對于系統(tǒng)中安全問題及時作出相應的保護措施，并及時提醒客戶進行維修。

本文對儲氫系統(tǒng)的工作流程、主要的故障診斷進行介紹，同時對系統(tǒng)的一些參數(shù)進行相關計算。

2.2.1 儲氫系統(tǒng)工作流程

儲氫系統(tǒng)控制器根據(jù)采集的信號對整個車載儲氫系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。

主要工作流程如下，具體見圖2：

（a）儲氫系統(tǒng)控制器上電。

（b）儲氫系統(tǒng)進行自檢，如果無故障則進入待機狀態(tài)；否則進入故障狀態(tài)。

（c）進入待機狀態(tài)后，儲氫系統(tǒng)等待整車系統(tǒng)或者燃料電池系統(tǒng)發(fā)送過來的啟動指令。如果收到啟動指令，則系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)；否則系統(tǒng)一直處于待機狀態(tài)。整個待機過程中系統(tǒng)會一直進行故障診斷，如果出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)進入故障狀態(tài)。

（d）進入正常工作狀態(tài)后，儲氫系統(tǒng)會一直判斷自身是否有故障，并實時判斷是否收到整車系統(tǒng)發(fā)過來的停機指令。如果系統(tǒng)有故障，則系統(tǒng)進入故障狀態(tài)；如果收到停機指令，則系統(tǒng)進入停機狀態(tài)。

（e）系統(tǒng)如果進入故障狀態(tài)，則會提醒駕駛員進行相關維修。

（f）系統(tǒng)進入停機狀態(tài)，則會將瓶閥、電磁閥等相關執(zhí)行器關閉。

儲氫控制器在上電之后及正常工作過程中，都需要對儲氫系統(tǒng)的所有相關故障進行實時檢測，例如儲氫瓶內(nèi)溫度過高、壓力過高、執(zhí)行器短/斷路等故障。一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)根據(jù)故障的嚴重程度進行相應的處理。儲氫系統(tǒng)常見的故障如下：

（1）溫度異常。儲氫瓶瓶口均裝有一個溫度傳感器來監(jiān)測對應瓶內(nèi)的溫度。儲氫控制器通過每個溫度傳感器的值來判斷每個瓶溫是否有異常。

（2）壓力異常。儲氫系統(tǒng)在氫氣加注或者正常供氫過程中，都會對每組氫瓶內(nèi)的壓力進行監(jiān)控，當壓力過高時則停止氫氣加注或者關閉氫氣供應。

（3）氫氣泄漏故障。整車系統(tǒng)通常會在車身多處安裝氫濃度傳感器，氫濃度傳感器信號一般都會接入到儲氫控制器中，當控制器接收到氫濃度傳感器反饋的氫氣濃度超過限值時，報出氫濃度過高故障。

（4）傳感器故障。傳感器為控制器提供實時的溫度、壓力等信號，對于整個系統(tǒng)的運行至關重要。在實際使用過程中，傳感器容易出現(xiàn)線路連接問題、信號不準確等問題，因此需要實時對傳感器信號進行診斷。

（5）通訊故障。儲氫系統(tǒng)控制器與整車控制器或者是一些部件通常通過CAN網(wǎng)絡通訊，因此需要實時判斷是否出現(xiàn)通訊超時等故障。

2.2.2 系統(tǒng)相關參數(shù)計算

儲氫系統(tǒng)控制器通常會根據(jù)采集信號進行一些參數(shù)計算，以供駕駛員參考，比如氫氣剩余量、剩余續(xù)航里程等。關于氫氣剩余量或者剩余續(xù)航里程的計算中都會涉及到一定溫度、壓力下氫氣的剩余量的計算，氫氣剩余量的計算方法比較多，本文根據(jù)GB/T 35178-2017《燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法》進行計算。

（1）實時氫氣剩余量m：

（1）

其中：Tt—當前時刻氫瓶內(nèi)溫度；Pt—當前時刻氫瓶內(nèi)壓力；M—氫氣摩爾質(zhì)量；V—氫瓶總高壓部分容積和附件容積總和；Z=f（P，T），即當前溫度、壓力下氫氣壓縮因子。

（2）氫氣加注量計算：

（2）

（3）

則加氫量Δm為：

（4）

其中：

T1—開始加氫時氫瓶內(nèi)溫度；

P1—開始加氫時氫瓶內(nèi)壓力；

T2—加注完成時刻氫瓶內(nèi)溫度；

P2—加注完成時刻氫瓶內(nèi)壓力；

Z1、Z1—開始加氫時以及加氫結(jié)束時刻對應溫度、壓力下的氫氣壓縮因子。

（3）續(xù)航里程計算：

首先需要計算出該車輛t1到t2時間間隔△t內(nèi)氫氣消耗量mΔt：

（5）

當前氫氣剩余量m可根據(jù)公式1計算，當瓶內(nèi)壓力一定限值（Pmin）時，氫氣無法釋放，因此當前可用氫氣量mavl為：

（6）

可續(xù)航里程為S：

（7）

其中：Zt1、Zt分別為對應溫度、壓力下的氫氣壓縮因子；Tt1、Tt2分別對應t1、t2時刻氫瓶內(nèi)溫度；Pt1、Pt2分別對應t1、t2時刻氫瓶內(nèi)壓力。

3 結(jié)語

儲氫系統(tǒng)是氫燃料電池車輛中非常重要的部件，其結(jié)構及控制方案需要不斷的優(yōu)化以保證燃料電池車輛的正常運行。本文對儲氫系統(tǒng)的結(jié)構、氫氣的加注及供應做了簡要介紹，對其控制器的控制流程也進行了簡要介紹，為車載儲氫系統(tǒng)的控制提供參考。對于系統(tǒng)中一些參數(shù)的計算，尤其是對當前氫氣剩余量的計算中，本文應用了GB/T 35178-2017中提到計算公式，當然也可以采用其他的方法，比如數(shù)據(jù)擬合等方式，來簡化計算過程。后續(xù)可繼續(xù)關注并進行試驗驗證。

參考文獻：

[1]中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019版）.

[2]時云卿.70MPa儲氫氣瓶快速充氫溫度效應的影響因素分析. 低溫工程，2021[3].

[3]詹合林.車用70MPa壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶的應力分析.現(xiàn)代制造工程，2018（12）.

[4] SAE International. surface vehicle standard-Fueling protocols for light duty gaseous hydrogen surface vehicles：J2601TM[S].2016.

[5] AKI H， SUGIMOTO I， SUGAI T， et al. Optimal operation of a photovoltaic generation-powered hydrogen production system at a hydrogen refueling station[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（32）：14892-14904.

[6]何廣利.基于國產(chǎn)三型瓶的氫氣加注技術開發(fā).儲能科學與技術，2020（5）.