201bdb03008車載氫氣供應(yīng)系統(tǒng)研制工作報(bào)告

1、<p>　　2014-BDB03008車載氫氣供應(yīng)系統(tǒng)研制工作報(bào)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(yùn)行至關(guān)重要。我們本著安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鑒國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，和已有的20MPa氫燃料電池客車供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?5MPa氫供氣系

2、統(tǒng)設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)零部件選用、關(guān)鍵件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　整個(gè)供氫系統(tǒng)分為儲(chǔ)氣瓶組、系統(tǒng)管路、電控單元。</p><p>　　儲(chǔ)氣瓶組共有單瓶容量為140升、耐壓35MPa的儲(chǔ)氫瓶9個(gè)，各儲(chǔ)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(xiàng)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(chǔ)氣瓶口后即為低壓，幾乎將供氫的高壓管路長(zhǎng)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(jí)過濾器、過流關(guān)斷閥、手動(dòng)球閥、高壓針閥組成。充氣管路由充氣閥、球閥、初級(jí)過濾器、低壓針閥等組成。排放管路

4、為直接對(duì)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(fù)位傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、控制開關(guān)盒、線束等。供氫系統(tǒng)控制器對(duì)四個(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，和來自上一級(jí)系統(tǒng)的控制信號(hào)，對(duì)1-9號(hào)氣瓶支路的電磁閥以及過流閥和并組總路上的總閥進(jìn)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(jí)控制系統(tǒng)匯報(bào)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(diǎn)：</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(zhǎng)度，提高安全程度。</p><p>　　b.供氣管路裝有安全閥、過流關(guān)斷閥，當(dāng)管路發(fā)生泄漏時(shí)能自動(dòng)關(guān)斷。</p><p>　　c.電控單元設(shè)計(jì)，采用逐瓶開啟供氣方式，安全、智能、低耗。</p><p&g

6、t;　　詳細(xì)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(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　3.1 系統(tǒng)供氫流量的計(jì)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(shí)應(yīng)不超過300A。通過實(shí)驗(yàn)我們證實(shí)，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(shí)際工況中往往會(huì)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(shí)，而燃料電池的儲(chǔ)備功率設(shè)計(jì)小的情況下，會(huì)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(shí)過載電流會(huì)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(shí)，一般按0.6~0.7Nm3/kWh計(jì)算再乘以一個(gè)過量系數(shù)，使大客車的系統(tǒng)總流量達(dá)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——?dú)錃?/p>

10、最大理論消耗量，L/min；I——反應(yīng)電流，A</p><p>　?。?）當(dāng)Us＝0.6V時(shí)，N＝Pp/0.6V＝600，</p><p>　　即QH＝730010-3600（L/min）＝75.6m3/h</p><p>　?。?）當(dāng)Us＝0.65V時(shí)，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(shí)的最大用氫量，用這個(gè)用氫量再乘以一個(gè)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(jì)算</p><p>　　充氫管道最大流量的確定是由車載儲(chǔ)氫瓶的最大儲(chǔ)氫量和要求在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)充完這次氫氣所決定的，當(dāng)然也與加氫站充裝氫氣的最大速率能力有關(guān)，還

12、以 “863” 大巴車為例，大巴車所選用的儲(chǔ)氫瓶為140L/個(gè)，共9個(gè)氣瓶，儲(chǔ)氫壓力為35MPa，這樣其大巴車的總儲(chǔ)氫量為0.14m3350kg9＝441Nm3，約36.75kgH2。一般人們希望的充裝時(shí)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(jì)算</p><p>　　放空管道的流量比較好確定，不會(huì)超過車載儲(chǔ)

13、氫瓶的總儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)間應(yīng)該如何確定呢？這要根據(jù)氫氣瓶耐火燒的時(shí)間來確定，只要能在儲(chǔ)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(shí)間均在15分鐘以上，這樣就確定了放空管道的最大流量應(yīng)為350Nm315分鐘60分鐘＝1400Nm3/h。&

14、lt;/p><p>　　系統(tǒng)主要零部件的技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　電控單元設(shè)計(jì)</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(guān)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(guān)

15、盒上開關(guān)處于“順序開啟”模式時(shí)，所有氣瓶編組逐個(gè)供氣，當(dāng)該瓶供氣壓力小于設(shè)定值時(shí)，則依次順序開啟下一儲(chǔ)氣瓶供氣。直至用到最后一個(gè)儲(chǔ)氣瓶。系統(tǒng)自動(dòng)記憶供氣的儲(chǔ)氣瓶號(hào)，每次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，都將繼續(xù)使用上一次的氣瓶供氣。每次加氣后，儲(chǔ)氣瓶編號(hào)自動(dòng)復(fù)原，從新按順序供氣。</p><p><b>　　b. 全開供氣功能</b></p><p>　　開關(guān)盒上開關(guān)處于“全開”模式時(shí)，可

16、同時(shí)開啟所有儲(chǔ)氣瓶。</p><p><b>　　c巡檢功能</b></p><p>　　開關(guān)盒上開關(guān)處于“巡檢”模式時(shí)在外部巡檢信號(hào)下，可進(jìn)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(shè)定值則報(bào)警。</p><p><b>　　d安全報(bào)警功能</b></p

17、><p>　　運(yùn)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(bào)警信號(hào)，提示用戶及時(shí)處理，在緊急狀態(tài)下，在報(bào)警的同時(shí)切斷所有儲(chǔ)氣瓶：</p><p>　　關(guān)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(qiáng)制

18、關(guān)斷信號(hào)</b></p><p>　　報(bào)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(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)</b></p><p><b>　　巡檢時(shí)高壓異常</b>&

19、lt;/p><p>　　目前電路處于關(guān)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(chǔ)氣瓶號(hào)、高壓、低壓報(bào)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(fù)載時(shí))。</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(guān)盒:為無源觸點(diǎn)信號(hào)，為控制器提供選通信號(hào)。</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(shí)，1-9#電磁閥才會(huì)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(hào)（紅線）為24V高電平</p><p>　　氣路中高、低壓力都正常</p><p>　　開關(guān)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(dǎo)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(xì)設(shè)計(jì)可見《電控單元設(shè)計(jì)報(bào)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(dòng)電路、輸入采樣電路、通訊處理電路、外部看門狗電路以及報(bào)警電路。輸入采樣電路負(fù)責(zé)處理來自各傳感器的檢測(cè)信號(hào)以及外

25、部開關(guān)的信號(hào)，將各信號(hào)轉(zhuǎn)化成微處理器可接收的TTL電平信號(hào)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(hào)以及內(nèi)存記憶信息、進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)一定規(guī)則，決定各儲(chǔ)氣瓶工作方式，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳給激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路；激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路將接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大后，傳輸給相應(yīng)的電磁閥激磁線圈，打開相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)氣瓶。微處理器電路還負(fù)責(zé)對(duì)外CAN通信和RS232通訊，將相應(yīng)的工作信息傳送給整車控制系統(tǒng)或筆記本電腦。報(bào)警電路是特意為異常情況而設(shè)

26、的，一旦供氫系統(tǒng)壓力異常，控制電路檢測(cè)到問題后，可以馬上通過蜂鳴器提醒相關(guān)人員注意。為使各電路穩(wěn)定、可靠，設(shè)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(dòng)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(jī)，保持系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。</p><p><b>　　圖4電控模塊原理</b></p><p>

27、　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(chǔ)氣瓶，檢測(cè)各儲(chǔ)氣瓶壓力和氣路是否暢通。</p><p>　　自檢通過后，檢查復(fù)位傳感器，判斷是否充過氣，若充過氣，則瓶號(hào)復(fù)位；當(dāng)復(fù)位傳感器的壓力信號(hào)超過3MPa時(shí)，將檢查當(dāng)前記憶電路中的儲(chǔ)氣瓶號(hào)是否為首個(gè)儲(chǔ)氣瓶號(hào)，若否，則恢

28、復(fù)至首個(gè)儲(chǔ)氣瓶號(hào)，并記憶儲(chǔ)氣瓶號(hào)；</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(yīng)。</p><p>　　按照記憶打開儲(chǔ)氣瓶，并等待若干秒，使系統(tǒng)管路壓力達(dá)到均衡；</p><p>　　f. 檢查高低壓壓力信號(hào)是否正常, 若否，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)氣瓶;</p><p&

29、gt;　　檢查高壓壓力信號(hào)是否低于極限壓力, 若否，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)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(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)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(bào)警；</p><p>　　檢查儲(chǔ)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(jìn)行；</p><p>　　如果是當(dāng)前供氣的儲(chǔ)氣瓶是最后一個(gè)，則檢查儲(chǔ)氣瓶輸出的高壓壓力是否小于1.5MPa，若小于該值，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)氣瓶；若大于1.5MPa，則打開全部?jī)?chǔ)氣瓶；</p><p>　　h. 根據(jù)高低壓壓力值計(jì)算剩余氣量</p><p>　　i. 返回步驟C循環(huán)運(yùn)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(guān)（圖4），可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)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(guān)狀態(tài)等多項(xiàng)信息。</p><p>　　圖6 電控模塊的顯示內(nèi)容</p><p><b>　　檢驗(yàn)</b></p><p>

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

33、 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)B: 低溫試驗(yàn)方法</p><p>　　QC/T413 1999 汽車電氣設(shè)備技術(shù)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?xì)馄嚾細(xì)夤┙o系統(tǒng)泄漏安全技術(shù)要求及檢驗(yàn)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