胡金金　邱東　葛兆鳳　吳學(xué)強(qiáng)　侯欣

摘 要：車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)作為氫燃料汽車(chē)的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，需對(duì)其進(jìn)行安全可靠的控制，才可對(duì)氫燃料電池的正常運(yùn)行提供保障。本文將車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制、故障判斷等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)中氫氣剩余量、續(xù)航里程等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以供駕駛員參考。

關(guān)鍵詞：車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng) 儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制 氫氣剩余量

1 引言

氫能作為一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)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(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)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(shù)革命的重要方向。

氫能可儲(chǔ)可輸，提高氫能儲(chǔ)運(yùn)效率，降低氫能儲(chǔ)運(yùn)成本，是氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)[1]。氫的儲(chǔ)存方式主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固體儲(chǔ)氫三種方式。目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫在復(fù)合材料高壓氣瓶方面取得很好的進(jìn)展，是移動(dòng)式車(chē)載儲(chǔ)氫的主流[2]，儲(chǔ)氫瓶是車(chē)載儲(chǔ)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(fù)合氣瓶（II型氣瓶）、鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶（III型氣瓶）和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶（IV 型氣瓶）[3]。具體分類(lèi)及應(yīng)用見(jiàn)表1。目前，35MPa碳纖維纏繞III型瓶目前仍是我國(guó)燃料電池商用車(chē)的車(chē)載儲(chǔ)氫方式，70MPa碳纖維纏繞IV型瓶已是國(guó)外燃料電池乘用車(chē)車(chē)載儲(chǔ)氫的主流技術(shù)，70MPa碳纖維纏繞III型已少量用于我國(guó)燃料電池乘用車(chē)中。

2 車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制

2.1 儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及加氫供氫過(guò)程

車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要包含：儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器、一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)氫瓶（儲(chǔ)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(guān)斷閥等部件。其中，儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器信號(hào)的采集、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制、故障的診斷、執(zhí)行器信號(hào)的輸出等；儲(chǔ)氫瓶主要用于儲(chǔ)存氫氣，儲(chǔ)氫瓶口的瓶閥主要用于打開(kāi)/關(guān)斷氫氣的流動(dòng)；溫度傳感器用于監(jiān)控瓶?jī)?nèi)溫度，壓力傳感器用于監(jiān)控瓶?jī)?nèi)壓力；減壓閥主要是對(duì)從瓶?jī)?nèi)出來(lái)的氫氣進(jìn)行減壓；減壓閥后壓力傳感器對(duì)減壓后的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)；減壓后的氫氣再經(jīng)電磁關(guān)斷閥之后便與氫燃料電池直接相連，向燃料電池提供/關(guān)斷氫氣供應(yīng)。具體連接方式如圖1所示。

車(chē)載儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣的加注通常在加氫站進(jìn)行。目前，國(guó)際上普遍被接受的氫氣加注協(xié)議有美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)的SAE J2601系列標(biāo)準(zhǔn)[4]、日本的JPEC系列標(biāo)準(zhǔn)[5]等。氫氣在加注過(guò)程中，因?yàn)榻苟?湯姆森效應(yīng)會(huì)使氫氣發(fā)熱，而過(guò)高的溫度會(huì)影響車(chē)載儲(chǔ)氫瓶的安全性能[6]。因此在加注過(guò)程中需要實(shí)時(shí)關(guān)注氫瓶?jī)?nèi)溫度及壓力的變化。

氫氣加注過(guò)程中氫氣的流動(dòng)方向如圖1中藍(lán)線(xiàn)所示。具體加注過(guò)程為：首先將加氫站的加注槍與加氫口連接，氫氣依次通過(guò)加氫口的流量計(jì)和壓力表用于實(shí)時(shí)監(jiān)控加注過(guò)程中氣體的流量和壓力。同時(shí)儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器也會(huì)根據(jù)儲(chǔ)氫瓶口的溫度及壓力傳感器的值對(duì)加氫量進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)燃料電池系統(tǒng)需要?dú)錃夤?yīng)時(shí)，氫氣供應(yīng)過(guò)程中氫氣的流動(dòng)方向如圖1中紅線(xiàn)所示。儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器控制瓶閥、電磁閥打開(kāi)，瓶?jī)?nèi)氫氣依次經(jīng)瓶閥、過(guò)濾閥、減壓閥、電磁閥后進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)。

2.2 儲(chǔ)氫系統(tǒng)的控制

由于氫氣具有燃點(diǎn)低，爆炸區(qū)間范圍寬和擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被作為?；饭芾?。因此無(wú)論在加氫還是在氫氣供應(yīng)的過(guò)程中，都需要對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)于系統(tǒng)中安全問(wèn)題及時(shí)作出相應(yīng)的保護(hù)措施，并及時(shí)提醒客戶(hù)進(jìn)行維修。

本文對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的工作流程、主要的故障診斷進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

2.2.1 儲(chǔ)氫系統(tǒng)工作流程

儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器根據(jù)采集的信號(hào)對(duì)整個(gè)車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

主要工作流程如下，具體見(jiàn)圖2：

（a）儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器上電。

（b）儲(chǔ)氫系統(tǒng)進(jìn)行自檢，如果無(wú)故障則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；否則進(jìn)入故障狀態(tài)。

（c）進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，儲(chǔ)氫系統(tǒng)等待整車(chē)系統(tǒng)或者燃料電池系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的啟動(dòng)指令。如果收到啟動(dòng)指令，則系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)；否則系統(tǒng)一直處于待機(jī)狀態(tài)。整個(gè)待機(jī)過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)一直進(jìn)行故障診斷，如果出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)進(jìn)入故障狀態(tài)。

（d）進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，儲(chǔ)氫系統(tǒng)會(huì)一直判斷自身是否有故障，并實(shí)時(shí)判斷是否收到整車(chē)系統(tǒng)發(fā)過(guò)來(lái)的停機(jī)指令。如果系統(tǒng)有故障，則系統(tǒng)進(jìn)入故障狀態(tài)；如果收到停機(jī)指令，則系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

（e）系統(tǒng)如果進(jìn)入故障狀態(tài)，則會(huì)提醒駕駛員進(jìn)行相關(guān)維修。

（f）系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，則會(huì)將瓶閥、電磁閥等相關(guān)執(zhí)行器關(guān)閉。

儲(chǔ)氫控制器在上電之后及正常工作過(guò)程中，都需要對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的所有相關(guān)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，例如儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)溫度過(guò)高、壓力過(guò)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(yán)重程度進(jìn)行相應(yīng)的處理。儲(chǔ)氫系統(tǒng)常見(jiàn)的故障如下：

（1）溫度異常。儲(chǔ)氫瓶瓶口均裝有一個(gè)溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)瓶?jī)?nèi)的溫度。儲(chǔ)氫控制器通過(guò)每個(gè)溫度傳感器的值來(lái)判斷每個(gè)瓶溫是否有異常。

（2）壓力異常。儲(chǔ)氫系統(tǒng)在氫氣加注或者正常供氫過(guò)程中，都會(huì)對(duì)每組氫瓶?jī)?nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)則停止氫氣加注或者關(guān)閉氫氣供應(yīng)。

（3）氫氣泄漏故障。整車(chē)系統(tǒng)通常會(huì)在車(chē)身多處安裝氫濃度傳感器，氫濃度傳感器信號(hào)一般都會(huì)接入到儲(chǔ)氫控制器中，當(dāng)控制器接收到氫濃度傳感器反饋的氫氣濃度超過(guò)限值時(shí)，報(bào)出氫濃度過(guò)高故障。

（4）傳感器故障。傳感器為控制器提供實(shí)時(shí)的溫度、壓力等信號(hào)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。在實(shí)際使用過(guò)程中，傳感器容易出現(xiàn)線(xiàn)路連接問(wèn)題、信號(hào)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，因此需要實(shí)時(shí)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行診斷。

（5）通訊故障。儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器與整車(chē)控制器或者是一些部件通常通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，因此需要實(shí)時(shí)判斷是否出現(xiàn)通訊超時(shí)等故障。

2.2.2 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制器通常會(huì)根據(jù)采集信號(hào)進(jìn)行一些參數(shù)計(jì)算，以供駕駛員參考，比如氫氣剩余量、剩余續(xù)航里程等。關(guān)于氫氣剩余量或者剩余續(xù)航里程的計(jì)算中都會(huì)涉及到一定溫度、壓力下氫氣的剩余量的計(jì)算，氫氣剩余量的計(jì)算方法比較多，本文根據(jù)GB/T 35178-2017《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)氫氣消耗量測(cè)量方法》進(jìn)行計(jì)算。

（1）實(shí)時(shí)氫氣剩余量m：

（1）

其中：Tt—當(dāng)前時(shí)刻氫瓶?jī)?nèi)溫度；Pt—當(dāng)前時(shí)刻氫瓶?jī)?nèi)壓力；M—?dú)錃饽栙|(zhì)量；V—?dú)淦靠偢邏翰糠秩莘e和附件容積總和；Z=f（P，T），即當(dāng)前溫度、壓力下氫氣壓縮因子。

（2）氫氣加注量計(jì)算：

（2）

（3）

則加氫量Δm為：

（4）

其中：

T1—開(kāi)始加氫時(shí)氫瓶?jī)?nèi)溫度；

P1—開(kāi)始加氫時(shí)氫瓶?jī)?nèi)壓力；

T2—加注完成時(shí)刻氫瓶?jī)?nèi)溫度；

P2—加注完成時(shí)刻氫瓶?jī)?nèi)壓力；

Z1、Z1—開(kāi)始加氫時(shí)以及加氫結(jié)束時(shí)刻對(duì)應(yīng)溫度、壓力下的氫氣壓縮因子。

（3）續(xù)航里程計(jì)算：

首先需要計(jì)算出該車(chē)輛t1到t2時(shí)間間隔△t內(nèi)氫氣消耗量mΔt：

（5）

當(dāng)前氫氣剩余量m可根據(jù)公式1計(jì)算，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力一定限值（Pmin）時(shí)，氫氣無(wú)法釋放，因此當(dāng)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(duì)應(yīng)溫度、壓力下的氫氣壓縮因子；Tt1、Tt2分別對(duì)應(yīng)t1、t2時(shí)刻氫瓶?jī)?nèi)溫度；Pt1、Pt2分別對(duì)應(yīng)t1、t2時(shí)刻氫瓶?jī)?nèi)壓力。

3 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)氫系統(tǒng)是氫燃料電池車(chē)輛中非常重要的部件，其結(jié)構(gòu)及控制方案需要不斷的優(yōu)化以保證燃料電池車(chē)輛的正常運(yùn)行。本文對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、氫氣的加注及供應(yīng)做了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)其控制器的控制流程也進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，為車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的控制提供參考。對(duì)于系統(tǒng)中一些參數(shù)的計(jì)算，尤其是對(duì)當(dāng)前氫氣剩余量的計(jì)算中，本文應(yīng)用了GB/T 35178-2017中提到計(jì)算公式，當(dāng)然也可以采用其他的方法，比如數(shù)據(jù)擬合等方式，來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。后續(xù)可繼續(xù)關(guān)注并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)（2019版）.

[2]時(shí)云卿.70MPa儲(chǔ)氫氣瓶快速充氫溫度效應(yīng)的影響因素分析. 低溫工程，2021[3].

[3]詹合林.車(chē)用70MPa壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶的應(yīng)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(guó)產(chǎn)三型瓶的氫氣加注技術(shù)開(kāi)發(fā).儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2020（5）.