車載儲氫系統概述

胡金金　邱東　葛兆鳳　吳學強　侯欣

摘 要：車載儲氫系統作為氫燃料汽車的氫氣供應系統，需對其進行安全可靠的控制，才可對氫燃料電池的正常運行提供保障。本文將車載儲氫系統的結構、控制、故障判斷等方面進行了簡要介紹，并對儲氫系統中氫氣剩余量、續航里程等參數進行實時計算，以供駕駛員參考。

關鍵詞：車載儲氫系統 儲氫系統控制 氫氣剩余量

1 引言

氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發展的理想互聯媒介，也是實現交通運輸等領域大規模脫碳的最佳選擇。氫能及燃料電池逐步成為全球能源技術革命的重要方向。

氫能可儲可輸，提高氫能儲運效率，降低氫能儲運成本，是氫能儲運技術的發展重點[1]。氫的儲存方式主要有氣態儲氫、液態儲氫和固體儲氫三種方式。目前高壓氣態儲氫在復合材料高壓氣瓶方面取得很好的進展，是移動式車載儲氫的主流[2]，儲氫瓶是車載儲氫系統的主要部件，氣瓶按照內部材質可分為鉻鉬鋼氣瓶（I型氣瓶）、鋼內膽纖維纏繞復合氣瓶（II型氣瓶）、鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶（III型氣瓶）和塑料內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶（IV 型氣瓶）[3]。具體分類及應用見表1。目前，35MPa碳纖維纏繞III型瓶目前仍是我國燃料電池商用車的車載儲氫方式，70MPa碳纖維纏繞IV型瓶已是國外燃料電池乘用車車載儲氫的主流技術，70MPa碳纖維纏繞III型已少量用于我國燃料電池乘用車中。

2 車載儲氫系統的結構及控制

2.1 儲氫系統的結構及加氫供氫過程

車載儲氫系統主要包含：儲氫系統控制器、一個或多個儲氫瓶（儲氫瓶口安裝有瓶閥、溫度及壓力傳感器）、減壓閥、減壓閥后壓力傳感器、電磁關斷閥等部件。其中，儲氫系統控制器主要負責整個傳感器信號的采集、系統運行狀態的協調控制、故障的診斷、執行器信號的輸出等；儲氫瓶主要用于儲存氫氣，儲氫瓶口的瓶閥主要用于打開/關斷氫氣的流動；溫度傳感器用于監控瓶內溫度，壓力傳感器用于監控瓶內壓力；減壓閥主要是對從瓶內出來的氫氣進行減壓；減壓閥后壓力傳感器對減壓后的壓力進行監測；減壓后的氫氣再經電磁關斷閥之后便與氫燃料電池直接相連，向燃料電池提供/關斷氫氣供應。具體連接方式如圖1所示。

車載儲氫瓶內氫氣的加注通常在加氫站進行。目前，國際上普遍被接受的氫氣加注協議有美國汽車工程學會的SAE J2601系列標準[4]、日本的JPEC系列標準[5]等。氫氣在加注過程中，因為焦耳-湯姆森效應會使氫氣發熱，而過高的溫度會影響車載儲氫瓶的安全性能[6]。因此在加注過程中需要實時關注氫瓶內溫度及壓力的變化。

氫氣加注過程中氫氣的流動方向如圖1中藍線所示。具體加注過程為：首先將加氫站的加注槍與加氫口連接，氫氣依次通過加氫口的流量計和壓力表用于實時監控加注過程中氣體的流量和壓力。同時儲氫系統控制器也會根據儲氫瓶口的溫度及壓力傳感器的值對加氫量進行計算。

當燃料電池系統需要氫氣供應時，氫氣供應過程中氫氣的流動方向如圖1中紅線所示。儲氫系統控制器控制瓶閥、電磁閥打開，瓶內氫氣依次經瓶閥、過濾閥、減壓閥、電磁閥后進入燃料電池系統。

2.2 儲氫系統的控制

由于氫氣具有燃點低，爆炸區間范圍寬和擴散系數大等特點，長期以來被作為?；饭芾?。因此無論在加氫還是在氫氣供應的過程中，都需要對儲氫系統進行嚴格控制，對于系統中安全問題及時作出相應的保護措施，并及時提醒客戶進行維修。

本文對儲氫系統的工作流程、主要的故障診斷進行介紹，同時對系統的一些參數進行相關計算。

2.2.1 儲氫系統工作流程

儲氫系統控制器根據采集的信號對整個車載儲氫系統進行協調控制。

主要工作流程如下，具體見圖2：

（a）儲氫系統控制器上電。

（b）儲氫系統進行自檢，如果無故障則進入待機狀態；否則進入故障狀態。

（c）進入待機狀態后，儲氫系統等待整車系統或者燃料電池系統發送過來的啟動指令。如果收到啟動指令，則系統進入正常工作狀態；否則系統一直處于待機狀態。整個待機過程中系統會一直進行故障診斷，如果出現故障，則系統進入故障狀態。

（d）進入正常工作狀態后，儲氫系統會一直判斷自身是否有故障，并實時判斷是否收到整車系統發過來的停機指令。如果系統有故障，則系統進入故障狀態；如果收到停機指令，則系統進入停機狀態。

（e）系統如果進入故障狀態，則會提醒駕駛員進行相關維修。

（f）系統進入停機狀態，則會將瓶閥、電磁閥等相關執行器關閉。

儲氫控制器在上電之后及正常工作過程中，都需要對儲氫系統的所有相關故障進行實時檢測，例如儲氫瓶內溫度過高、壓力過高、執行器短/斷路等故障。一旦出現故障，系統根據故障的嚴重程度進行相應的處理。儲氫系統常見的故障如下：

（1）溫度異常。儲氫瓶瓶口均裝有一個溫度傳感器來監測對應瓶內的溫度。儲氫控制器通過每個溫度傳感器的值來判斷每個瓶溫是否有異常。

（2）壓力異常。儲氫系統在氫氣加注或者正常供氫過程中，都會對每組氫瓶內的壓力進行監控，當壓力過高時則停止氫氣加注或者關閉氫氣供應。

（3）氫氣泄漏故障。整車系統通常會在車身多處安裝氫濃度傳感器，氫濃度傳感器信號一般都會接入到儲氫控制器中，當控制器接收到氫濃度傳感器反饋的氫氣濃度超過限值時，報出氫濃度過高故障。

（4）傳感器故障。傳感器為控制器提供實時的溫度、壓力等信號，對于整個系統的運行至關重要。在實際使用過程中，傳感器容易出現線路連接問題、信號不準確等問題，因此需要實時對傳感器信號進行診斷。

（5）通訊故障。儲氫系統控制器與整車控制器或者是一些部件通常通過CAN網絡通訊，因此需要實時判斷是否出現通訊超時等故障。

2.2.2 系統相關參數計算

儲氫系統控制器通常會根據采集信號進行一些參數計算，以供駕駛員參考，比如氫氣剩余量、剩余續航里程等。關于氫氣剩余量或者剩余續航里程的計算中都會涉及到一定溫度、壓力下氫氣的剩余量的計算，氫氣剩余量的計算方法比較多，本文根據GB/T 35178-2017《燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法》進行計算。

（1）實時氫氣剩余量m：

（1）

其中：Tt—當前時刻氫瓶內溫度；Pt—當前時刻氫瓶內壓力；M—氫氣摩爾質量；V—氫瓶總高壓部分容積和附件容積總和；Z=f（P，T），即當前溫度、壓力下氫氣壓縮因子。

（2）氫氣加注量計算：

（2）

（3）

則加氫量Δm為：

（4）

其中：

T1—開始加氫時氫瓶內溫度；

P1—開始加氫時氫瓶內壓力；

T2—加注完成時刻氫瓶內溫度；

P2—加注完成時刻氫瓶內壓力；

Z1、Z1—開始加氫時以及加氫結束時刻對應溫度、壓力下的氫氣壓縮因子。

（3）續航里程計算：

首先需要計算出該車輛t1到t2時間間隔△t內氫氣消耗量mΔt：

（5）

當前氫氣剩余量m可根據公式1計算，當瓶內壓力一定限值（Pmin）時，氫氣無法釋放，因此當前可用氫氣量mavl為：

（6）

可續航里程為S：

（7）

其中：Zt1、Zt分別為對應溫度、壓力下的氫氣壓縮因子；Tt1、Tt2分別對應t1、t2時刻氫瓶內溫度；Pt1、Pt2分別對應t1、t2時刻氫瓶內壓力。

3 結語

儲氫系統是氫燃料電池車輛中非常重要的部件，其結構及控制方案需要不斷的優化以保證燃料電池車輛的正常運行。本文對儲氫系統的結構、氫氣的加注及供應做了簡要介紹，對其控制器的控制流程也進行了簡要介紹，為車載儲氫系統的控制提供參考。對于系統中一些參數的計算，尤其是對當前氫氣剩余量的計算中，本文應用了GB/T 35178-2017中提到計算公式，當然也可以采用其他的方法，比如數據擬合等方式，來簡化計算過程。后續可繼續關注并進行試驗驗證。

參考文獻：

[1]中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019版）.

[2]時云卿.70MPa儲氫氣瓶快速充氫溫度效應的影響因素分析. 低溫工程，2021[3].

[3]詹合林.車用70MPa壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶的應力分析.現代制造工程，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.基于國產三型瓶的氫氣加注技術開發.儲能科學與技術，2020（5）.