bdb03008车载氢气供应系统研制工作报告.docx
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bdb03008车载氢气供应系统研制工作报告
车载氢气供应系统研制工作报告
1.综述
供氢系统是氢燃料电池客车的燃料源头，该系统的安全稳定运行至关重要。
我们本着安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鉴国内外的相关技术规范、标准，和已有的氢燃料电池客车供氢系统设计经验基础上，进行了细致、严谨的氢供气系统设计，从系统零部件选用、关键件设计和电器控制方法等多方面采取措施，确保安全可靠。
2.供氢系统总体设计
整个供氢系统分为储气瓶组、系统管路、电控单元。
储气瓶组共有单瓶容量为升、耐压的储氢瓶个，各储氢瓶瓶尾装有集成围堵，瓶口装有组合阀，集成了压力传感器、温度传感器、电磁阀、安全阀、减压器等多项功能，可以极大地节省空间，提高了系统的集成度，此外，由于减压器功能集成在了瓶口组合阀中，因此，供气气压出储气瓶口后即为低压，几乎将供氢的高压管路长度缩短为，大大提高安全程度。
系统管路按功能可分为供气管路、充气管路、排放管路三部分。
供气管路主要由次级过滤器、过流关断阀、手动球阀、高压针阀组成。
充气管路由充气阀、球阀、初级过滤器、低压针阀等组成。
排放管路为直接对大气放散的出口管路。
电控单元包括供氢系统控制器、复位传感器、低压传感器、温度传感器、控制开关盒、线束等。
供氢系统控制器对四个传感器进行实时监测，根据传感器数据，和来自上一级系统的控制信号，对号气瓶支路的电磁阀以及过流阀和并组总路上的总阀进行控制。
供氢系统控制器还可以通过通讯向上一级控制系统汇报供氢系统数据。
总之，采取的安全措施包括如下几点：
.采用组合阀，提高了系统的集成度，缩短了高压管路长度，提高安全程度。
.供气管路装有安全阀、过流关断阀，当管路发生泄漏时能自动关断。
.电控单元设计，采用逐瓶开启供气方式，安全、智能、低耗。
详细配置可见供氢系统原理图和配套表。
供氢系统原理图
图供氢系统原理图
配套表
项目氢燃料供气系统零部件明细表
序号
名称
规格
型号
数量
建议供应商
备注
加注接口
球阀
φ
耐压不低于
过滤器
φ，µ
耐压不低于
高压压力表
轴向
加气面板用
压力表转换接头
φ
并路总成
耐压不低于
气瓶连接管
耐压不低于
组合电磁阀
φφφ
带单向阀
高压氢气瓶
，
带瓶阀
集成尾堵
尾堵
组合阀
含减压器
组合阀
不含减压器
低压压力传感器
传感器三通
过流保护集成阀
工作压力为<
过滤器
φ，µ
工作压力为<
低压压力表
压力表三通
φφ
安全阀
开启压力，
安全阀三通
φ－－φ
针阀
φ
不锈高压钢管
φ
工作压力为<
米
不锈高压钢管
φ
工作压力为<
米
不锈低压钢管
φ
工作压力为<
米
直通
φ
锥直通
φ
三通
φφφ
四通
φφφφ
加注面板
福田*
3.系统管路流量的设计计算
系统供氢流量的计算
供氢管道由于是为燃料电池提供氢气，所以其最大流量的根据就是燃料电池的最大用气量，以“”大巴车的燃料电池为例：
整车选用的燃料电池功率为，峰值功率，最大输出电压，单片电极电压，其电流在峰值功率时应不超过。
通过实验我们证实，在这种工况下，燃料电池的用氢量为，如果超过这一用氢量就证明该燃料电池的性能是比较差的，效率是比较低的。
但在实际工况中往往会有超过燃料电池峰值功率的情况发生，如汽车上坡的坡度较大时，而燃料电池的储备功率设计小的情况下，会产生燃料电池过载荷的发生，从而使单片电极电压下降，产生大电流的输出来保证过载功率，这时过载电流会比正常电流高出一倍以上。
燃料电池的用氢量是由燃料电池电流大小来决定的。
一般情况下，燃料电池的单片电极电压在是效率、性能比较好的情况，而燃料电池的单片电极电压的压降最好控制在以上，低于燃料电池的效率就太低了，性能也比较差，因此在考虑给燃料电池供氢时，一般按计算再乘以一个过量系数，使大客车的系统总流量达到。
根据“”大巴车用燃料电池的具体参数和实验可以计算出系统的总流量：
电堆基本参数：
＝，＝，，＝，＝（）
则有：
＝⨯⨯－⨯
式中：
——氢气最大理论消耗量，；——反应电流，
（）当＝时，＝＝，
即＝⨯⨯⨯（）＝
（）当＝时，＝＝，
即＝⨯⨯⨯（）＝
这就是燃料电池在峰值功率时的最大用氢量，用这个用氢量再乘以一个过量系数就是系统管道总的流量，总流量就是。
系统充氢流量的计算
充氢管道最大流量的确定是由车载储氢瓶的最大储氢量和要求在多长时间内充完这次氢气所决定的，当然也与加氢站充装氢气的最大速率能力有关，还以“”大巴车为例，大巴车所选用的储氢瓶为个，共个气瓶，储氢压力为，这样其大巴车的总储氢量为⨯⨯＝，约。
一般人们希望的充装时间在分钟以内，这样其最大流量为÷分钟⨯＝。
系统放空流量的计算
放空管道的流量比较好确定，不会超过车载储氢瓶的总储氢量，一般在刚刚充装完氢气的汽车就发生事故的可能性不大，因此总流量可按储氢总量的考虑比较合适，这样管道要放出的氢气量大约为。
那么氢气放出的时间应该如何确定呢？
这要根据氢气瓶耐火烧的时间来确定，只要能在储氢气瓶被彻底烧坏之前将氢气全部放出去，就能较好地保证人员的安全。
一般碳纤维缠绕铝合金内胆的氢气瓶的耐火时间均在分钟以上，这样就确定了放空管道的最大流量应为÷分钟⨯分钟＝。
4.系统主要零部件的技术参数
项目
参数要求
备注
基本参数
工作介质
氢气
储氢瓶
氢瓶种类
铝制内胆纤维缠绕氢瓶
氢瓶储氢使用压力
氢瓶容积
氢瓶尺寸
总长：
包括瓶阀及接口
爆破压力
>
氢瓶电磁阀
每个氢瓶都有独立的电磁阀
氢瓶手动截止阀
每个氢瓶都有独立的手动截止阀
氢瓶压力安全泄压阀
每个氢瓶都有压力安全阀
泄压气体必须通过管道排出到车体外
组合阀
电磁阀
供电
满足供电范围～
手动截止阀
单向阀
工作压力，启流压力
温度传感器
量程℃～℃
供电
信号输出～
精度：
±℃
满足供电范围～
压力传感器
量程～
供电
信号输出～
满足供电范围～
≥下开启
℃±℃
根据相关标准
接口规格
°球形接头
溢流阀
流量限制溢流阀
流量大于自动关闭
接口规格
”
单向阀
工作压力
启流压力
接口规格
”
传感器及电磁阀
高压氢气压力传感器
测量范围～
供电电压～
信号输出～
该传感器测量氢瓶及高压管路中的氢气压力
低压氢气压力传感器
测量范围～
供电电压～
信号输出～
该传感器测量减压后氢气出口管路的压力
氢瓶电磁阀
供电
满足供电范围～
高压管路电磁阀
供电
满足供电范围～
安全阀
低压超压安全阀
>下开启
具体数值可做更改
接口规格
”
加注口
氢气加注受气口
工作压力，含μ过滤器
接口规格
”
过滤器
工作压力
过滤粒径
μ
传感器及电磁阀
高压氢气压力传感器
测量范围～
供电电压～
信号输出～
该传感器测量氢瓶及高压管路中的氢气压力
低压氢气压力传感器
测量范围～
供电电压～
信号输出～
该传感器测量减压后氢气出口管路的压力
氢瓶温度传感器
量程℃～℃
供电
信号输出～
精度：
±℃
满足供电范围～
氢瓶电磁阀
供电
满足供电范围～
高压管路电磁阀
供电
满足供电范围～
减压器
额定减压入口压力
额定减压出口压力
压力波动<±
材质
不锈钢
出口压力稳定性
±
压力波动峰值<额定减压出口压力
氢气出气接口
”不锈钢管
连接到指定接口处，可根据要求进行更改，并提供一套相应接口
管路
氢气管路的设计使用压力
管路及阀的爆破压力
>
”不锈钢管壁厚
”
”不锈钢管壁厚
”
管路连接方式
连接方式尽量采用卡套连接
螺纹密封方式采用“”
管道材料
不锈钢
5.电控单元设计
供氢系统电控单元包括供氢系统控制器、传感器、控制开关盒、线束组成。
具有如下功能：
．逐瓶供气功能
开关盒上开关处于“顺序开启”模式时，所有气瓶编组逐个供气，当该瓶供气压力小于设定值时，则依次顺序开启下一储气瓶供气。
直至用到最后一个储气瓶。
系统自动记忆供气的储气瓶号，每次启动发动机，都将继续使用上一次的气瓶供气。
每次加气后，储气瓶编号自动复原，从新按顺序供气。
.全开供气功能
开关盒上开关处于“全开”模式时，可同时开启所有储气瓶。
巡检功能
开关盒上开关处于“巡检”模式时在外部巡检信号下，可进行各气瓶气压巡检。
先从首气瓶开始，依此打开各气瓶，并等待若干秒，待气压稳定后检查高压压力是否正常。
若低于设定值则报警。
安全报警功能
运行过程中，系统根据供气管路中出现的异常高、低气压发出报警信号，提示用户及时处理，在紧急状态下，在报警的同时切断所有储气瓶：
关断情况包括如下几种：
1）高压超过最高压力极限值。
2）减压器低压输出超过极限值。
3）外部强制关断信号
报警情况包括如下几种：
1）高压超过最高压力极限值。
2）减压器低压输出超过极限值。
3）外部强制关断信号
4）巡检时高压异常
5）目前电路处于关断状态
传输：
供氢系统控制器支持协议，可上传剩余气量、正在工作的储气瓶号、高压、低压报警状态、故障代码信息。
系统连线如下图所示。
图电器系统连线
电器参数
供氢系统控制器：
输入电压：
±。
输入电流：
≤（无负载时）。
输出电流：
±，可为每一电磁阀提供≥电流
±，可为传感器提供≥电流
±，可为显示器提供≥电流
±，可为传感器提供≥电流
控制开关盒:
为无源触点信号，为控制器提供选通信号。
显示器（可选件，调试用）：
输入电压：
±。
输入电流：
≤。
连线
各器件之间用线束相连，具体见下图。
图线束接线
在具备以下条件时，电磁阀才会打开供气：
1.系统连线正确，电源已通电
2.开始工作信号（红线）为高电平
3.气路中高、低压力都正常
4.开关盒打在“顺序开启”、“全开”，或“巡检”模式。
总阀的打开除需具备以上条件外，还需控制总阀的两根线之间导通。
供氢系统电控模块原理
供氢系统电控模块的详细设计可见《电控单元设计报告》。
供氢系统控制器硬件电路如图所示。
主要包括：
稳压电路、微处理器电路、激磁线圈驱动电路、输入采样电路、通讯处理电路、外部看门狗电路以及报警电路。
输入采样电路负责处理来自各传感器的检测信号以及外部开关的信号，将各信号转化成微处理器可接收的电平信号送至微处理器口上，微处理器电路则根据接收到的输入信号以及内存记忆信息、进行逻辑判断，根据一定规则，决定各储气瓶工作方式，并将驱动信号传给激磁线圈驱动电路；激磁线圈驱动电路将接收到的驱动信号进行功率放大后，传输给相应的电磁阀激磁线圈，打开相对应的储气瓶。
微处理器电路还负责对外通信和通讯，将相应的工作信息传送给整车控制系统或笔记本电脑。
报警电路是特意为异常情况而设的，一旦供氢系统压力异常，控制电路检测到问题后，可以马上通过蜂鸣器提醒相关人员注意。
为使各电路稳定、可靠，设置了稳压电路和外部看门狗电路。
稳压电路将系统外的电源电压稳定到一定值后，做为提供给微处理器电路和激磁线圈驱动电路的电源。
外部看门狗电路是为了防止意外情况下微处理器死机，保持系统长期可靠运行。
图电控模块原理
软件采用模块化设计，图所示为电控模块的工作原理流程。
系统上电后，按以下步骤工作：
a.自检。
首先检查自检按键状态，若按下了自检按键，则依此打开各储气瓶，检测各储气瓶压力和气路是否畅通。
b.自检通过后，检查复位传感器，判断是否充过气，若充过气，则瓶号复位；当复位传感器的压力信号超过时，将检查当前记忆电路中的储气瓶号是否为首个储气瓶号，若否，则恢复至首个储气瓶号，并记忆储气瓶号；
.组织通讯数据。
.检查是否有按键按下，处理按键响应。
e.按照记忆打开储气瓶，并等待若干秒，使系统管路压力达到均衡；
.检查高低压压力信号是否正常,若否，则报警并关断储气瓶;
1）检查高压压力信号是否低于极限压力,若否，则报警并关断储气瓶;
2）检查减压调节器输出的低压压力是否在和之间，若不在此范围内，则报警并关断储气瓶；
3）检查减压调节器输出的低压压力是否在和之间，若不在此范围内，则报警；
4）检查储气瓶输出的高压压力是否小于，若否，则跳过步骤），若是，则按步骤）进行；
5）如果是当前供气的储气瓶是最后一个，则检查储气瓶输出的高压压力是否小于，若小于该值，则报警并关断储气瓶；若大于，则打开全部储气瓶；
.根据高低压压力值计算剩余气量
.返回步骤循环运行。
图软件流程图
此外，为了方便调试，特意增加了手持式显示器和按键开关（图），可以实时显示当前哪一气瓶在开启，减压器前后气压、气体温度、剩余气量、按键开关状态等多项信息。
图电控模块的显示内容
6.检验
供氢系统的检验按下述文件规定的内容进行：
燃料电池汽车车载高压供氢系统基本要求
燃料电池汽车车载高压供氢系统主要零部件一般要求与定义
燃料电池汽车车载高压供氢系统电控模块一般要求与定义
燃料电池汽车车载高压供氢系统性能与一般试验方法
具体的检验结果见《供氢系统试验汇总》
7.参考文献
电工电子产品基本环境试验规程试验:
低温试验方法
电工电子产品基本环境试验规程试验:
低温试验方法
汽车电气设备技术条件
压缩天然气汽车专用装置和安装要求
在用燃气汽车燃气供给系统泄漏安全技术要求及检验方法
压缩天然气汽车高压管路
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