李楚灝 劉佳
廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院 廣東省廣州市 510900
能源短缺、環(huán)境污染及氣候變化是目前全球關(guān)注的熱點(diǎn),世界各國(guó)選擇低能耗、低排放的低碳經(jīng)濟(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。我國(guó)通過(guò)推行低碳城市建設(shè)培育經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新動(dòng)能從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置化解能源、資源等多重難題。氫能具備燃燒熱值高、能量密度大、低碳環(huán)保、可重復(fù)再生、來(lái)源廣的特點(diǎn),成為理想的替代能源。氫燃料電池汽車是以氫氣為燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,采用電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、氫能源技術(shù)、人工智能技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化、智能化。燃料電池汽由于動(dòng)力強(qiáng)勁、加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì),稱為新能源汽車電驅(qū)動(dòng)的終極解決方案。我國(guó)發(fā)展多個(gè)燃料電池汽車示范城市群通過(guò)開(kāi)展燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān),建設(shè)加氫站、充電站等基礎(chǔ)資源來(lái)推動(dòng)氫燃料電池汽車的市場(chǎng)推廣。
當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵階段,安全作為新能源汽車的首要指標(biāo),必須將提高新能源汽車安全性放在最重要的位置。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)測(cè)燃料電池汽車氫泄漏,提前甄別燃料電池汽車狀態(tài)異常,確保新能源汽車安全可靠運(yùn)行。本文從燃料電池系統(tǒng)的組成分析氫泄漏故障點(diǎn),根據(jù)燃料電池汽車氫安全有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)結(jié)合氫氣傳感器的工作原理進(jìn)行傳感器選型設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)置報(bào)警閥值識(shí)別氫泄漏故障等級(jí)采取多種形式報(bào)警指示、切斷氫氣供給系統(tǒng)、緊急關(guān)斷等不同的控制策略。
燃料電池系統(tǒng)主要由氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、電堆、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等組成[3]。氫氣供給系統(tǒng)為燃料電池電堆供應(yīng)氫氣,由氫氣罐、氣體流動(dòng)管路、減壓閥、循環(huán)泵和尾排閥等部分組成,實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存、輸送,循環(huán)及尾氣排放??諝夤┙o系統(tǒng)向燃料電池電堆輸送氧氣;增濕系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)水濕潤(rùn)電堆的質(zhì)子交換膜;氫氣和氧氣在燃料電池電堆發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng);熱管理系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)換熱方式實(shí)現(xiàn)電堆工作溫度的控制;控制系統(tǒng)通過(guò)子系統(tǒng)的輸入和輸出決定輸出功率大小及能量管理以確保燃料電池電堆高效穩(wěn)定工作;安全系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)進(jìn)行診斷報(bào)警,提示駕駛員采取安全保護(hù)措施。
基于鋁合金材料質(zhì)量輕、密封性好、抗裂紋擴(kuò)展能力優(yōu)良,碳纖維復(fù)合材料密度小、比模量比強(qiáng)度高、耐高溫和腐蝕以及機(jī)械性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn),現(xiàn)在氫燃料電池車儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)膽是鋁合金材質(zhì),并采用碳纖維纏繞,從而使復(fù)合氣瓶具備承壓能力高、重量輕、使用年限長(zhǎng)、耐腐蝕、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)[3]。氣體流動(dòng)管路中基本選用316 不銹鋼材質(zhì),運(yùn)用其在氫氣中的良好的拉伸性能、抗疲勞性以及抗氫脆性能,避免氫氣在流動(dòng)管路中擴(kuò)散有效防止氫氣泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。氫氣和金屬材料長(zhǎng)期接觸聚合成氫分子造成氫滲透或吸氫現(xiàn)象,在金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小的裂紋導(dǎo)致材料脆化甚至開(kāi)裂,進(jìn)而發(fā)生延遲脆裂現(xiàn)象。燃料電池汽車發(fā)生氫氣泄漏故障主要由儲(chǔ)氫瓶斷裂、高壓氫氣閥破裂、氣體流動(dòng)管路漏氣、減壓閥脆裂、燃料電池電堆密封性能差等原因引起。
氫元素是化學(xué)周期表中的首個(gè)元素,氫分子密度小因此質(zhì)量輕,容易沿著管道周圍的裂縫泄露。氫氣燃點(diǎn)為574℃,極易被點(diǎn)燃,當(dāng)氫氣泄漏時(shí)氫氣的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)4% 時(shí)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)很容易快速點(diǎn)燃,氫氣體積分?jǐn)?shù)在4~75% 之間時(shí)遇火容易發(fā)生爆炸。為防止爆炸,采用氫濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控,采取風(fēng)扇排風(fēng)等方式來(lái)降低濃度將氫氣體積分?jǐn)?shù)限制在4% 以內(nèi)。采用高精度的氫氣濃度傳感器監(jiān)測(cè)燃料電池汽車的氫含量提前識(shí)別氫泄漏,選擇氫氣儲(chǔ)氫艙、燃料電池艙、前機(jī)艙、乘客艙附近等位置安裝氫氣濃度傳感器[4],若發(fā)現(xiàn)氫泄漏,第一時(shí)間采取安全措施來(lái)保障燃料電池汽車和乘客的安全。氫氣濃度傳感器布置圖如圖1 所示,圖中①為氫氣儲(chǔ)氫艙、②為乘客艙、③為前機(jī)艙、④為燃料電池艙。
圖1 氫氣濃度傳感器布置圖
氫氣濃度傳感器是利用氫元素與活性材料發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)后,產(chǎn)生和氫氣濃度成比例的電信號(hào)或光信號(hào)等響應(yīng)信號(hào)制作而成的。市場(chǎng)常見(jiàn)的氫氣濃度傳感器基于熱效應(yīng)原理、電學(xué)原理、電化學(xué)原理和光學(xué)原理可分為催化燃燒型、熱導(dǎo)型、電化學(xué)型、光纖型幾種不同類型氫氣傳感器。
1)催化燃燒型氫氣傳感器
工作原理是采用敏感元件、補(bǔ)償元件等組成惠斯通電橋,氫氣催化無(wú)焰燃燒產(chǎn)生熱量,熱量傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度升高,惠斯通電橋可變電阻的阻值跟隨溫度的升高而發(fā)生變化,電路輸出的電壓和氫氣濃度成正比。催化燃燒型氫氣濃度傳感器能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),靈敏度高,穩(wěn)定性與耐久性好,但制作工藝較復(fù)雜。
2)熱導(dǎo)型氫氣傳感器
氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)比較大,當(dāng)氫氣濃度變化時(shí),基于導(dǎo)熱系數(shù)差異原理傳感器的敏感電阻阻值隨著氫氣濃度改變,通過(guò)測(cè)量惠斯登電橋產(chǎn)生的失衡電壓來(lái)分析氫氣的濃度。熱導(dǎo)型氫氣濃度傳感器有氧或無(wú)氧的情況下都能實(shí)現(xiàn)測(cè)量,不改變敏感材料的性質(zhì),不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),響應(yīng)快速但靈敏度較低,對(duì)氫氣的選擇性較差。
3)電化學(xué)型氫氣傳感器
待測(cè)氫氣與傳感器的感應(yīng)電極表面和負(fù)電極分別發(fā)生氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)產(chǎn)生電流。電路中電流大小和待測(cè)氫氣成正比例,通過(guò)電流大小來(lái)測(cè)量氫氣濃度。電化學(xué)型氫氣濃度傳感器反應(yīng)時(shí)間短、線性度優(yōu)異但隨時(shí)間推移靈敏度降低。
4)光纖型氫氣傳感器
待測(cè)氫氣與傳感器的氫氣敏感材料發(fā)生反應(yīng)后引起光纖的光信號(hào)發(fā)生改變,通過(guò)記錄光信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的測(cè)量。光纖型氫氣濃度傳感器采用無(wú)源器件傳輸能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾強(qiáng)但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。
由于氫氣易燃易爆及易擴(kuò)散,為保障燃料電池汽車的安全性,ISO 23273:2013標(biāo)準(zhǔn)、GTR 13 法規(guī)、SAE J2578 標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 24549-2020 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車規(guī)級(jí)氫氣濃度傳感器的精度、響應(yīng)時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間、測(cè)量范圍、信號(hào)輸出等參數(shù)提出了相應(yīng)要求[5]。
1)精度高,0~4vol.% 體積分?jǐn)?shù)測(cè)量范圍內(nèi),測(cè)量誤差小于等于±10%FS。
2)啟動(dòng)時(shí)間短,快速響應(yīng),啟動(dòng)時(shí)間小于1 秒,響應(yīng)速度小于2 秒。
3)多種形式信號(hào)輸出:0.5~4.5V模擬電壓、PWM 信號(hào)、CAN 信號(hào)等數(shù)字信號(hào)輸出。
4)占用空間小使用年限長(zhǎng),滿足車載級(jí)的要求。
5)抗電磁干擾強(qiáng),符合EMC 等級(jí)的要求及防爆安全規(guī)定。
6)對(duì)氫氣具有優(yōu)先選擇性,避免甲烷、一氧化碳等其他易燃易爆氣體對(duì)傳感器的干擾從而減少誤報(bào)率。
目前燃料電池汽車上最常見(jiàn)檢測(cè)氫泄漏的是催化燃燒型氫氣濃度傳感器,如圖2所示。
圖2 車載氫氣濃度傳感器
車載氫氣濃度傳感器技術(shù)性能如表1所示。
表1 車載氫氣濃度傳感器技術(shù)性能
選擇氫氣儲(chǔ)氫艙、燃料電池艙、前機(jī)艙、乘客艙等不同位置放置氫氣濃度傳感器,氫泄漏檢測(cè)系統(tǒng)采集氫氣傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行工程處理后轉(zhuǎn)換成氫氣濃度。與預(yù)先設(shè)置的泄漏閥值進(jìn)行比較,超過(guò)預(yù)設(shè)的氫氣濃度報(bào)警值后,根據(jù)氫泄漏情況,采用報(bào)警、關(guān)閉氫氣瓶電磁閥切斷氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、啟動(dòng)排風(fēng)扇掃風(fēng)降低空氣中的氫氣濃度、切斷電源等不同的控制策略[6-9],多重保護(hù)措施確保設(shè)備和人身財(cái)產(chǎn)的安全。
1)報(bào)警裝置放置在駕駛員視野范圍內(nèi),采用文字、警告閃爍燈、聲響報(bào)警等多種形式發(fā)出報(bào)警信息。報(bào)警信號(hào)的聲級(jí)應(yīng)大于1l0 dBA,并且距離報(bào)警器1 米位置的總聲壓值小于或等于120dBA。
2)當(dāng)檢測(cè)氫氣濃度傳感器或報(bào)警裝置不在線時(shí),以黃色報(bào)警警示;當(dāng)燃料電池汽車車內(nèi)氫氣泄漏大于或等于2.0%±1.0% 時(shí),以紅色報(bào)警警示,啟動(dòng)排風(fēng)扇掃風(fēng)降低空氣中的氫氣濃度,并將報(bào)警信息上傳至燃料電池汽車整車控制系統(tǒng)。
3)通過(guò)設(shè)置三級(jí)報(bào)警閥值識(shí)別氫泄漏故障等級(jí),并實(shí)施相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)控制措施[9]。當(dāng)檢測(cè)空氣中氫氣濃度體積分?jǐn)?shù)在0.4%至1.0% 時(shí),超過(guò)設(shè)定的三級(jí)報(bào)警閥值,報(bào)警提示駕駛員有氫泄漏異常情況發(fā)生,并將信息上傳至整車控制系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)空氣中氫氣濃度體積分?jǐn)?shù)在1.0% 至2.0% 時(shí),超過(guò)設(shè)定的二級(jí)報(bào)警閥值,提示駕駛員采取緊急停車等措施,并將氫泄漏故障等級(jí)上傳至整車控制系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)空氣中氫氣濃度體積分?jǐn)?shù)大于2.0% 時(shí),超過(guò)設(shè)定的一級(jí)報(bào)警閥值,立即關(guān)閉氫氣供給系統(tǒng);當(dāng)燃料電池車配備多個(gè)氫氣供給系統(tǒng)時(shí),可以只關(guān)閉氫泄漏部分的氫氣供給系統(tǒng)。
全球汽車產(chǎn)業(yè)正朝著綠色發(fā)展、低碳轉(zhuǎn)型的方向發(fā)展,氫能環(huán)保、高效、可持續(xù)使用,氫燃料電池汽車未來(lái)的產(chǎn)業(yè)空間非常有想象力,由于氫氣易燃易爆及易擴(kuò)散,必須將提高新能源汽車安全性放在最重要的位置。隨著人工智能技術(shù)、智能傳感器技術(shù)在燃料電池汽車氫安全方面的研究和利用,更加電動(dòng)化、智能化的燃料電池汽車向我們加速駛來(lái)。