201bdb03008車載氫氣供應系統(tǒng)研制工作報告

1、<p>　　2014-BDB03008車載氫氣供應系統(tǒng)研制工作報告</p><p><b>　　綜述</b></p><p>　　供氫系統(tǒng)是氫燃料電池客車的燃料源頭，該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要。我們本著安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鑒國內(nèi)外的相關技術規(guī)范、標準，和已有的20MPa氫燃料電池客車供氫系統(tǒng)設計經(jīng)驗基礎上，進行了細致、嚴謹?shù)?5MPa氫供氣系

2、統(tǒng)設計，從系統(tǒng)零部件選用、關鍵件設計和電器控制方法等多方面采取措施，確保安全可靠。</p><p><b>　　供氫系統(tǒng)總體設計</b></p><p>　　整個供氫系統(tǒng)分為儲氣瓶組、系統(tǒng)管路、電控單元。</p><p>　　儲氣瓶組共有單瓶容量為140升、耐壓35MPa的儲氫瓶9個，各儲氫瓶瓶尾裝有集成圍堵，瓶口裝有組合閥，集成了壓力傳感器、

3、溫度傳感器、電磁閥、安全閥、減壓器等多項功能，可以極大地節(jié)省空間，提高了系統(tǒng)的集成度，此外，由于減壓器功能集成在了瓶口組合閥中，因此，供氣氣壓出儲氣瓶口后即為低壓，幾乎將供氫的高壓管路長度縮短為0，大大提高安全程度。</p><p>　　系統(tǒng)管路按功能可分為供氣管路、充氣管路、排放管路三部分。供氣管路主要由次級過濾器、過流關斷閥、手動球閥、高壓針閥組成。充氣管路由充氣閥、球閥、初級過濾器、低壓針閥等組成。排放管路

4、為直接對大氣放散的PRD出口管路。</p><p>　　電控單元包括供氫系統(tǒng)控制器ECM、復位傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、控制開關盒、線束等。供氫系統(tǒng)控制器對四個傳感器進行實時監(jiān)測，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，和來自上一級系統(tǒng)的控制信號，對1-9號氣瓶支路的電磁閥以及過流閥和并組總路上的總閥進行控制。</p><p>　　供氫系統(tǒng)控制器還可以通過CAN通訊向上一級控制系統(tǒng)匯報供氫系統(tǒng)數(shù)據(jù)。<

5、/p><p>　　總之，采取的安全措施包括如下幾點：</p><p>　　a.采用組合閥，提高了系統(tǒng)的集成度，縮短了高壓管路長度，提高安全程度。</p><p>　　b.供氣管路裝有安全閥、過流關斷閥，當管路發(fā)生泄漏時能自動關斷。</p><p>　　c.電控單元設計，采用逐瓶開啟供氣方式，安全、智能、低耗。</p><p&g

6、t;　　詳細配置可見供氫系統(tǒng)原理圖和配套表。</p><p>　　2.1供氫系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖 1供氫系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　2.2配套表</b></p><p>　　系統(tǒng)管路流量的設計計算</p><p>　　3.1 系統(tǒng)供氫流量的計算</p>&l

7、t;p>　　供氫管道由于是為燃料電池提供氫氣，所以其最大流量的根據(jù)就是燃料電池的最大用氣量，以 “863” 大巴車的燃料電池為例：整車選用的燃料電池功率為80kW，峰值功率100kW，最大輸出電壓360V，單片電極電壓0.6~0.65V，其電流在峰值功率時應不超過300A。通過實驗我們證實，在這種工況下，燃料電池的用氫量為0.6Nm3/kW~0.7 Nm3/kW，如果超過這一用氫量就證明該燃料電池的性能是比較差的，效率是比較低的。

8、但在實際工況中往往會有超過燃料電池峰值功率的情況發(fā)生，如汽車上坡的坡度較大時，而燃料電池的儲備功率設計小的情況下，會產(chǎn)生燃料電池過載荷的發(fā)生，從而使單片電極電壓下降，產(chǎn)生大電流的輸出來保證過載功率，這時過載電流會比正常電流高出一倍以上。燃料電池的用氫量是由燃料電池電流大小來決定的。一般情況下，燃料電池的單片電極電壓在0.7V是效率、性能比較好的情況，而燃料電池的單片電極電壓的壓降最好控制在0.6V以上，低于0.6V燃料電池的效率就太低了

9、，性能也比較差，因此在考慮給燃料電池供氫時，一般按0.6~0.7Nm3/kWh計算再乘以一個過量系數(shù)，使大客車的系統(tǒng)總流量達到10g/s。</p><p>　　電堆基本參數(shù)：Pr＝80kW，Pp＝100kW，U=360V，Imax＝300A，Us＝0.6~0.65V（Pp）</p><p>　　則有：QH＝7Imax10－3N</p><p>　　式中：QH——氫氣

10、最大理論消耗量，L/min；I——反應電流，A</p><p>　?。?）當Us＝0.6V時，N＝Pp/0.6V＝600，</p><p>　　即QH＝730010-3600（L/min）＝75.6m3/h</p><p>　?。?）當Us＝0.65V時，N＝Pp/0.65V＝554，</p><p>　　即QH＝730010-3554（L/

11、min）＝70m3/h</p><p>　　這就是燃料電池在峰值功率時的最大用氫量，用這個用氫量再乘以一個過量系數(shù)4就是系統(tǒng)管道總的流量，總流量就是300 Nm3/h。</p><p>　　3.2系統(tǒng)充氫流量的計算</p><p>　　充氫管道最大流量的確定是由車載儲氫瓶的最大儲氫量和要求在多長時間內(nèi)充完這次氫氣所決定的，當然也與加氫站充裝氫氣的最大速率能力有關，還

12、以 “863” 大巴車為例，大巴車所選用的儲氫瓶為140L/個，共9個氣瓶，儲氫壓力為35MPa，這樣其大巴車的總儲氫量為0.14m3350kg9＝441Nm3，約36.75kgH2。一般人們希望的充裝時間在15分鐘以內(nèi)，這樣其最大流量為441Nm315分鐘60＝1764Nm3/h。</p><p>　　3.3系統(tǒng)放空流量的計算</p><p>　　放空管道的流量比較好確定，不會超過車載儲

13、氫瓶的總儲氫量，一般在剛剛充裝完氫氣的汽車就發(fā)生事故的可能性不大，因此總流量可按儲氫總量的80%考慮比較合適，這樣管道要放出的氫氣量大約為350Nm3。那么氫氣放出的時間應該如何確定呢？這要根據(jù)氫氣瓶耐火燒的時間來確定，只要能在儲氫氣瓶被徹底燒壞之前將氫氣全部放出去，就能較好地保證人員的安全。一般碳纖維纏繞鋁合金內(nèi)膽的氫氣瓶的耐火時間均在15分鐘以上，這樣就確定了放空管道的最大流量應為350Nm315分鐘60分鐘＝1400Nm3/h。&

14、lt;/p><p>　　系統(tǒng)主要零部件的技術參數(shù)</p><p><b>　　電控單元設計</b></p><p>　　供氫系統(tǒng)電控單元包括供氫系統(tǒng)控制器、傳感器、控制開關盒、線束組成。具有如下功能：</p><p><b>　　a．逐瓶供氣功能</b></p><p>　　開關

15、盒上開關處于“順序開啟”模式時，所有氣瓶編組逐個供氣，當該瓶供氣壓力小于設定值時，則依次順序開啟下一儲氣瓶供氣。直至用到最后一個儲氣瓶。系統(tǒng)自動記憶供氣的儲氣瓶號，每次啟動發(fā)動機，都將繼續(xù)使用上一次的氣瓶供氣。每次加氣后，儲氣瓶編號自動復原，從新按順序供氣。</p><p><b>　　b. 全開供氣功能</b></p><p>　　開關盒上開關處于“全開”模式時，可

16、同時開啟所有儲氣瓶。</p><p><b>　　c巡檢功能</b></p><p>　　開關盒上開關處于“巡檢”模式時在外部巡檢信號下，可進行各氣瓶氣壓巡檢。先從首氣瓶開始，依此打開各氣瓶，并等待若干秒，待氣壓穩(wěn)定后檢查高壓壓力是否正常。若低于設定值則報警。</p><p><b>　　d安全報警功能</b></p

17、><p>　　運行過程中，系統(tǒng)根據(jù)供氣管路中出現(xiàn)的異常高、低氣壓發(fā)出報警信號，提示用戶及時處理，在緊急狀態(tài)下，在報警的同時切斷所有儲氣瓶：</p><p>　　關斷情況包括如下幾種：</p><p>　　高壓超過最高壓力極限值。</p><p>　　減壓器低壓輸出超過極限值。</p><p><b>　　外部強制

18、關斷信號</b></p><p>　　報警情況包括如下幾種： </p><p>　　高壓超過最高壓力極限值。</p><p>　　減壓器低壓輸出超過極限值。</p><p><b>　　外部強制關斷信號</b></p><p><b>　　巡檢時高壓異常</b>&

19、lt;/p><p>　　目前電路處于關斷狀態(tài)</p><p>　　e TTCAN傳輸：</p><p>　　供氫系統(tǒng)控制器支持TTCAN協(xié)議，可上傳剩余氣量、正在工作的儲氣瓶號、高壓、低壓報警狀態(tài)、故障代碼信息。</p><p>　　系統(tǒng)連線如下圖所示。</p><p><b>　　圖2 電器系統(tǒng)連線</b

20、></p><p><b>　　5.1電器參數(shù)</b></p><p>　　供氫系統(tǒng)控制器：輸入電壓：DC24V±8V。</p><p>　　輸入電流：≤500mA(無負載時)。</p><p>　　輸出電流：DC24V±8V，可為每一電磁閥提供≥3A電流</p><p>

21、;　　DC24V±0.1V，可為傳感器提供≥300mA電流</p><p>　　DC12V±0.1V，可為顯示器提供≥300mA電流</p><p>　　DC5V±0.1V，可為傳感器提供≥300mA電流</p><p>　　控制開關盒:為無源觸點信號，為控制器提供選通信號。</p><p>　　顯示器（可選件，

22、調(diào)試用）： 輸入電壓：DC12V±0.1V。</p><p>　　輸入電流：≤300mA。</p><p><b>　　5.2連線</b></p><p>　　各器件之間用線束相連，具體見下圖。</p><p><b>　　圖3線束接線</b></p><p>　

23、　在具備以下條件時，1-9#電磁閥才會打開供氣：</p><p>　　系統(tǒng)連線正確，24V電源已通電</p><p>　　開始工作信號（紅線）為24V高電平</p><p>　　氣路中高、低壓力都正常</p><p>　　開關盒打在“順序開啟”、“全開”，或“巡檢”模式。</p><p>　　總閥的打開除需具備以上條件

24、外，還需控制總閥的兩根線之間導通。</p><p>　　5.3供氫系統(tǒng)電控模塊原理</p><p>　　供氫系統(tǒng)電控模塊的詳細設計可見《電控單元設計報告》。</p><p>　　供氫系統(tǒng)控制器硬件電路如圖4所示。主要包括：穩(wěn)壓電路、微處理器電路、激磁線圈驅(qū)動電路、輸入采樣電路、通訊處理電路、外部看門狗電路以及報警電路。輸入采樣電路負責處理來自各傳感器的檢測信號以及外

25、部開關的信號，將各信號轉化成微處理器可接收的TTL電平信號送至微處理器IO口上，微處理器電路則根據(jù)接收到的輸入信號以及內(nèi)存記憶信息、進行邏輯判斷，根據(jù)一定規(guī)則，決定各儲氣瓶工作方式，并將驅(qū)動信號傳給激磁線圈驅(qū)動電路；激磁線圈驅(qū)動電路將接收到的驅(qū)動信號進行功率放大后，傳輸給相應的電磁閥激磁線圈，打開相對應的儲氣瓶。微處理器電路還負責對外CAN通信和RS232通訊，將相應的工作信息傳送給整車控制系統(tǒng)或筆記本電腦。報警電路是特意為異常情況而設

26、的，一旦供氫系統(tǒng)壓力異常，控制電路檢測到問題后，可以馬上通過蜂鳴器提醒相關人員注意。為使各電路穩(wěn)定、可靠，設置了穩(wěn)壓電路和外部看門狗電路。穩(wěn)壓電路將系統(tǒng)外的電源電壓穩(wěn)定到一定值后，做為提供給微處理器電路和激磁線圈驅(qū)動電路的電源。外部看門狗電路是為了防止意外情況下微處理器死機，保持系統(tǒng)長期可靠運行。</p><p><b>　　圖4電控模塊原理</b></p><p>

27、　　軟件采用模塊化設計，圖5所示為電控模塊的工作原理流程。系統(tǒng)上電后，按以下步驟工作：</p><p>　　自檢。首先檢查自檢按鍵狀態(tài)，若按下了自檢按鍵，則依此打開各儲氣瓶，檢測各儲氣瓶壓力和氣路是否暢通。</p><p>　　自檢通過后，檢查復位傳感器，判斷是否充過氣，若充過氣，則瓶號復位；當復位傳感器的壓力信號超過3MPa時，將檢查當前記憶電路中的儲氣瓶號是否為首個儲氣瓶號，若否，則恢

28、復至首個儲氣瓶號，并記憶儲氣瓶號；</p><p>　　c. 組織CAN通訊數(shù)據(jù)。</p><p>　　d. 檢查是否有按鍵按下，處理按鍵響應。</p><p>　　按照記憶打開儲氣瓶，并等待若干秒，使系統(tǒng)管路壓力達到均衡；</p><p>　　f. 檢查高低壓壓力信號是否正常, 若否，則報警并關斷儲氣瓶;</p><p&

29、gt;　　檢查高壓壓力信號是否低于極限壓力, 若否，則報警并關斷儲氣瓶;</p><p>　　檢查減壓調(diào)節(jié)器13輸出的低壓壓力是否在1.1MPa和0.7MPa之間，若不在此范圍內(nèi)，則報警并關斷儲氣瓶；</p><p>　　檢查減壓調(diào)節(jié)器13輸出的低壓壓力是否在1MPa和0.8MPa之間，若不在此范圍內(nèi)，則報警；</p><p>　　檢查儲氣瓶輸出的高壓壓力是否小于2

30、.1MPa，若否，則跳過 步驟5），若是，則按步驟5）進行；</p><p>　　如果是當前供氣的儲氣瓶是最后一個，則檢查儲氣瓶輸出的高壓壓力是否小于1.5MPa，若小于該值，則報警并關斷儲氣瓶；若大于1.5MPa，則打開全部儲氣瓶；</p><p>　　h. 根據(jù)高低壓壓力值計算剩余氣量</p><p>　　i. 返回步驟C循環(huán)運行。</p>&

31、lt;p>　　圖 5 軟件流程圖</p><p>　　此外，為了方便調(diào)試，特意增加了手持式顯示器和按鍵開關（圖4），可以實時顯示當前哪一氣瓶在開啟，減壓器前后氣壓、氣體溫度、剩余氣量、按鍵開關狀態(tài)等多項信息。</p><p>　　圖6 電控模塊的顯示內(nèi)容</p><p><b>　　檢驗</b></p><p>

32、　　供氫系統(tǒng)的檢驗按下述文件規(guī)定的內(nèi)容進行：</p><p>　　具體的檢驗結果見《供氫系統(tǒng)試驗匯總》</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　GB2423.1 1989 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗A: 低溫試驗方法</p><p>　　GB2423.2 1989

33、 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗B: 低溫試驗方法</p><p>　　QC/T413 1999 汽車電氣設備技術條件</p><p>　　GB/T 19240 2003 壓縮天然氣汽車專用裝置和安裝要求</p><p>　　GB 19344 2003 在用燃氣汽車燃氣供給系統(tǒng)泄漏安全技術要求及檢驗方法</

34、p><p>　　QC/T 746 2006 壓縮天然氣汽車高壓管路</p><p>　　NFPA 50A 1999 Standard for Gaseous Hydrogen Systems at Consumer Sites</p><p>　　NFPA 55 1998 Standard for the Storage,U