燃料電池客車氫安全方案設計

王丙虎, 陳振國, 吳光平,2, 劉 康, 劉 雷

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.中北大學, 太原 030051)

氫燃料電池汽車的燃料是氫氣。由于氫氣本身具有易燃、易爆、易擴散、易泄漏的特性,使得氫燃料電池汽車氫系統的安全性成為首要問題[1-5]。因此,為了氫燃料電池汽車的推廣和使用,有必要對其氫系統的安全性進行研究。已有文章在氫燃料電池汽車集成布置、結構設計、氫氣泄漏檢測等方面對氫安全進行了探討[6-7],但相關氫安全可行性方案仍不夠完善。本文針對中通氫燃料電池汽車氫安全問題,分別從整車控制、電氣及結構設計層面展開氫安全設計,以滿足不同類型燃料電池客車對氫安全的需求,保障燃料電池車輛安全、穩定行駛。

1 氫安全方案整車控制層面設計

整車控制層面分別從加氫、儲氫、排氫、燃料電池緊急狀態4個方面采取安全控制策略對氫氣進行安全控制。

1) 加氫安全控制策略(如圖1所示)為:①檢測加氫過程中氫氣瓶中氫氣的溫度T并計算出實時溫升梯度Tv和壓升梯度Pv,當Tv>Tvl(Tvl為溫升梯度閾值,本文為3 ℃/min)時,氫系統控制器發出警告信號,儀表發出蜂鳴聲并顯示警告字樣;另外,氫系統控制器通過紅外信號與加氫站進行通訊,將Tv和Pv反饋給加氫站,加氫站執行升溫控制和分級加注等控制策略。②實時監測氫氣瓶中氫氣壓力變化,計算上一時刻及目前時刻的壓差值ΔPp,當ΔPp>ΔPpl(ΔPpl為壓差閾值,本文為14 MPa)時,整車加氫次數n加1,當n>n1(n1為加氫次數閾值,本文為7 500)時,氫系統控制器發出警告信號,儀表發出蜂鳴聲并顯示警告字樣。

圖1 加氫安全控制策略

2) 儲氫安全控制策略(如圖2所示)為:當燃料電池車輛不使用燃料電池而只使用動力電池作為動力源進行整車驅動時,氫控制器檢測氫氣瓶中的高壓Pp及管路中的低壓Pg,并計算出氫氣瓶中的實時壓降梯度Pvp及管路中的實時壓降梯度Pvg。當Pvp>Pvpl(Pvpl為瓶壓壓降梯度閾值,本文為0.03 MPa/min)或Pvg>Pvgl(Pvgl為管壓壓降梯度閾值,本文為0.1 MPa/min)時,氫系統控制器發出警告信號,儀表發出蜂鳴聲并顯示警告字樣。

圖2 儲氫安全控制策略

3) 排氫安全控制策略(如圖3所示)為:在燃料電池尾排口加裝氫氣濃度傳感器,當燃料電池系統運行時,氫控制器檢測尾氣排管中的氫氣濃度Cw,當Cw>Cwl(Cwl為尾排氫氣濃度閾值,本文為40 000 ppm)時,氫系統控制器發出警告信號,燃料電池系統控制器接收到此信號后通過修正控制策略對尾排氫氣濃度進行調整,若發出警告信號5 s后Cw依舊大于Cwl,氫系統控制器將主動關閉氫控制系統中的主閥和瓶閥,不再響應燃料電池系統控制器指令,視燃料電池系統控制器策略修正無效。

圖3 排氫安全控制策略

4) 整車緊急狀態安全控制策略(如圖4所示)為:整車前圍裝有碰撞傳感器且儀表裝有急停開關,氫系統控制器檢測到碰撞信號后,將主動關閉氫控制系統中的主閥和瓶閥,不再響應燃料電池系統控制器指令;儀表上的急停開關由駕駛員操控,當遇到緊急狀況不得不切斷燃料電池系統時,按下急停開關,氫系統控制器檢測到急停信號后,主動控制氫系統主閥和瓶閥關閉,不再響應燃料電池系統控制器指令。

圖4 整車緊急狀態安全控制策略

5) 加氫、儲氫、排氫和整車緊急狀態共有安全控制策略(如圖5所示)為:監測氫氣瓶中的溫度T,監測氫氣瓶中的高壓Pp、低壓Ppd,監測管路中的高壓Pgg、低壓Pg,監測加氫口、乘客艙、氫瓶、后艙處的氫氣濃度C,監測溫度傳感器數字量Tszl、壓力傳感器數字量Pszl、氫氣濃度傳感器數字量Cszl等,并將監測信號與其閾值進行比較,判斷故障狀態并對故障進行分級處理。當氫系統控制器判斷為非最高級故障時,氫系統控制器給予警告;當氫系統控制器判斷為最高級故障時,氫系統控制器主動控制氫系統主閥和瓶閥關閉,不再響應燃料電池系統控制器指令。

圖5 各個狀態共有安全控制策略

6) 對氫安全控制策略中氫系統閥門的開啟和關閉進行測試。利用發光二極管代替主閥和瓶閥(模擬六瓶組氫系統,6個瓶閥和1個主閥),發光二極管的正極連接24 V電源,負極連接氫系統控制器相應的接地輸出。當氫控制器輸出接地信號時,發光二極管亮,代表閥門打開;若氫控制器未輸出接地信號,即管腳懸空,發光二極管不亮,代表閥門關閉。

將氫系統控制器與其線束端子連接,并給控制器供電源電和激活電,利用電腦及CANalyzer設備模擬發送一個尾氣排管中大于Cwl的氫氣濃度值、急停開關信號、碰撞開關信號、最高故障等級信號。報文發送后,現場觀察相應的發光二極管的響應動作是否正確。由圖6左圖可以看出,各個二極管全亮,代表各個閥門處于打開狀態;當各個模擬信號發送后,二極管由亮狀態變為暗狀態,說明氫系統主閥及瓶閥關閉(圖6右圖)。

圖6 發光二極管模擬瓶閥及主閥開關圖示

2 氫安全方案電氣層面設計

主要通過電氣層面設計實現整車氫系統供電或斷電情況下的全時域監控。全時域監控涉及的電器部件包括電池管理系統(BMS)、整車控制器(VCU)、氫管理系統(HMS)、燃料電池控制器(FCU)、降壓DC/DC、遠程監控終端。全時域監控包括如下情況:

1) 整車正常上電。BMS接收到整車ON擋信號,整車蓄電池或3 kW DC/DC或6 kW DC/DC給控制器供電,各控制器處于激活狀態。

2) 整車斷電情況下或者BMS沒有接收到整車ON擋信號。此時降壓DC/DC在滿足條件下輸出電壓為24 V的電給各控制器供電。具體供電設置為:在一個斷電周期內首次DC/DC可以通過自喚醒激活控制電路,給各個控制器供電。首次自喚醒時間是DC/DC出廠設置的0.5 h。自喚醒后,在下個喚醒周期內,DC/DC接收BMS設定的喚醒時間對自身進行喚醒。后續每次自喚醒激活后,DC/DC要重新接收BMS的喚醒時間設置,以此不斷重復。若DC/DC激活后未接收到BMS所設定的喚醒時間,DC/DC喚醒時間按照上一個喚醒周期內BMS設定的喚醒時間進行喚醒。若DC/DC所接收BMS喚醒時間超出DC/DC設定的喚醒時間閾值,則DC/DC不響應,并將喚醒時間設置為上個周期BMS設定的時間喚醒。

如圖7所示,BMS、VCU、HMS、FCU、遠程監控終端都是連接在同一條網絡上進行CAN通訊和信息交互。整車正常供電、斷電或者BMS沒有接收到整車ON擋信號的情況下,各控制器都能處于激活狀態并且開始收發報文。遠程監控平臺可以接收車輛各控制器狀態信息、有效捕捉車輛故障報文,根據故障嚴重程度和級別進行一鍵預警,并通知車輛管理人員。

圖7 全時域監控電氣架構

3 氫安全方案結構層面設計

結構層面的氫安全設計主要針對的是氫氣瓶底置的情況。由于空間相對密封,氫氣易聚集,且處于車輛的易碰撞區域,危險系數高[8-9]。因此,綜合考慮主動與被動安全設計,從防止氫氣泄漏、氫氣泄漏后的停機工作、減少氫氣聚集、降低火源及爆炸的損壞等層面最大程度地保證整車安全。

其中主動安全設計如圖8所示:

圖8 氫瓶封閉空間氫安全結構

1) 在氫瓶封閉空間兩側設計防撞梁,防撞梁的數量可靈活掌握。氫瓶瓶閥一側防撞梁垂直投射面積應覆蓋氫系統各閥門及管路,另一側防撞梁垂直投射面積應覆蓋氫瓶最突出位置,實現防撞梁安全設計的應用最大化。

2) 在氫瓶封閉空間兩側側艙門設置豎直透氣孔。當車輛運行時,豎直透氣孔有助于氣體的流通。透氣孔覆蓋整個氫瓶封閉空間兩側艙門。

3) 氫瓶封閉空間上下側應采用防爆材質,材質為纖維水泥復合鋼板。

被動安全設計包括:

1) 圖8所示的氫瓶密閉空間內配置自動滅火裝置。滅火器安裝在氫瓶封閉空間頂部,探測器可檢測到火焰、煙霧、溫度等信號。當氫系統控制器接收到探測器閾值信號后,氫系統控制器通過硬線控制滅火器釋放并控制主閥及瓶閥關閉(控制如圖9所示)。

圖9 氫瓶封閉空間氫安全控制示意圖

2) 圖8所示的氫濃度傳感器,置于中間氣瓶瓶口閥正上封閉空間的頂部,用于檢測封閉空間內氫氣濃度。氫系統控制器對氫濃度傳感器檢測到的氫氣濃度數值進行判斷,當超過濃度閾值,氫系統控制器通過硬線控制氫系統主閥和瓶閥關閉(控制如圖9所示)。

3) 圖8所示的通風設備,置于氫氣瓶安裝空間頂部中點并延伸至封閉空間兩側。當檢測到氫氣濃度超過濃度閾值,氫系統控制器通過硬線控制通風系統工作(控制如圖9所示)。

對氫氣瓶安裝密閉空間的氫安全控制效果進行測試。利用電腦及CANalyzer 設備分別模擬發送氫氣濃度閾值及探測器閾值信號報文,并通過CANalyzer讀取氫氣瓶主閥及瓶閥、通風設備及自動滅火器工作狀態。

采用六瓶組氫系統(6個瓶閥和1個主閥)的測試結果如圖10所示。當觸發探測器閾值信號后,主閥、瓶閥及自動滅火器狀態信號都檢測到上升沿;當觸發氫濃度閾值信號后,主閥、瓶閥及通風設備狀態信號都檢測到上升沿,說明控制有效。

圖10 氫瓶封閉空間氫安全控制測試結果

4 結束語

整車控制層面的氫安全設計方案需預判出加氫、儲氫、排氫、燃料電池緊急狀態等各個層面的危險因素,能夠及時對危險因素進行報警并主動關閉氫系統主閥與瓶閥。電氣設計層面的氫安全設計方案能夠實現氫燃料電池汽車的全時域監控,不管是整車正常上電還是斷電情況下,都能有效捕捉車輛故障信息并實現故障預警。結構設計層面的氫安全方案設計綜合考慮整車主動安全及被動安全,從整車防撞、防爆、防火、避免氫氣聚集等各個層面保證整車氫安全。