燃料电池汽车氢气安全系统介绍

燃料电池汽车氢气安全系统介绍冷宏祥赵斌良上海捷能汽车技术有限公司，上海201804【摘要】根据燃料电池汽车储氢和供氢系统在整车行驶和停放时的实际工作环境和状态，考虑储供氢系统在行驶和停放过程中可能出现的各种事故情况，参考车用储氢装置的现行标准，针对储供氢系统在整车上的布置情况，设计了一个不同安全等级，多层次监控的氢气安全系统。该系统已在世博燃料电池车上使用，运行正常。【ABSTRACT】THEARTICLEINTRODUCESAHYDROGENSAFETYSYSTEMWITHDIFFERENTSAFETYLEVELSANDLEVELSOFSUPERVISIONTHESAFETYSYSTEMISDESIGNEDACCORDINGTOTHEACTUALOPERATIONENVIRONMENTANDSTATUSOFHYDROGENTANKANDHYDROGENLINEOFFUELCELLVEHICLEANDALLKINDSOFPOSSIBLEFAULTSWHENTHEVEHICLEISRUNNINGANDSTOPPED，ANDBASEDONCURRENTSAFETYSTANDARDSANDPACKAGEOFHYDROGENTANKANDHYDROGENLINEINTHEVEHICLE【主题词】燃料电池汽车氢气管理系统目前全球各种清洁能源汽车得到了广泛的发展，出现了各种以氢燃料电池为动力的燃料电池汽车。然而，氢气燃点低，容易爆炸，所以设计一个安全可靠的氢气安全系统是非常必要的。1氢系统安全方案11储供氢系统组成燃料电池轿车的储氢系统主要由一个带氢瓶压力传感器HP1、氢瓶电磁阀V1和氢瓶温度传感器HT1的储氢瓶，加氢管道、泄压管道、供氢管道、供氢电磁阀V2、氢管路压力传感器HP2和加氢开关组成。具体构成详见图1。12氢安全系统从整个氢气安全系统中，氢气使用安全分两个大的层面一是由氢管路、泄压球阀和排空管构成的被动安全系统，一旦管道内氢气超过一定的压力，泻压球阀将自动打开，通过排空管将氢气排到空气中；另一个是由氢气管理单元HMU为主构成的氢气安全主动监控系统，除了HMU控制器收稿日期20100413上海汽车201006信号输入加氨开关泄口IJI泄空管LI控制输出俩II1目L1球阀丫5霪智草苘阀蜇黼螽L瓶I氢瓶图1功能框图之外，该系统另外还包括HP1、HT1、V1、V2、HP2及氢气泄漏传感器HL1、HL2、HL3，HIA。氢管理系统在工作过程中，HMU时刻监控氢瓶及氢管路安全、氢气泄漏状态及整车安全运行状态，只要出现异常，随时主动关闭供氢系统，保证燃料电池车辆安全。2储氢系统安全储氢系统包含氢瓶和氢管路两部分，为了保证安全，HMU需要检测氢瓶内压力和温度，也需21要检测氢管路的压力。氢瓶及氢管路内压力是氢瓶安全状态的一个重要指标。HMU每100MS采样1次氢瓶和氢管路压力，根据最近连续6次采样的结果采用去极值求平均值法计算出有效压力值。计算公式如下P采样平均P采样1P采样2P采样3P采样4P采样5P采样6一尸最大一P最小4其中P最大是指最新6次采样的最大值；P最小是指最新6次采样的最小值。同样，氢瓶内温度也是氢瓶安全状态的一个重要指标。与压力检测相似，HMU每100MS采样一次温度，根据最近连续6次采样的结果采用去极值求平均值法计算出有效温度值。计算公式如下样平均采样L样2样3样4样5样6一大一小4其中大是指最新6次采样的最大值；小是指最新6次采样的最小值。在获取下一个有效值时HMU将重新采样6个新值，再采用上面的公式得到一个新有效值。储氢系统安全包含3方面的内容一是加氢时当HMU检测到储氢系统压力超过35MPA或低于5MPA时，HMU将向VMSVEHICLEMANAGEMENTSYSTEM发送氢瓶压力高或氢瓶压力低的提示信息，当检测到储氢系统压力超过36MPA或低于4MPA，HMU将立即向VMS和加氢机发送停止加氢及氢瓶压力过高或氢瓶压力过低的报警信息；二是当HMU检测到储氢系统中氢瓶的温度超过80CC或低于0时，将立即关闭电磁阀V1和V2，并将氢瓶温度过高或氢瓶温度过低的报警信息发给VMS和加氢机请求结束正常工作；三是供氢时当HMU检测一级减压阀输出端的压力HP2压力超过18MPA或低于05MPA时，立即关闭电磁阀V1和V2，并将管路压力过高或过低的报警信息发给VMS请求结束正常工作。3氢泄漏安全燃料电池车中，氢瓶放在燃料电池车的后舱靠乘员舱后排座位的位置，燃料电池堆放在前舱，22氢管路在乘员舱的下面。基于燃料电池车的储氢系统布置，在前舱、乘员舱、后舱和排气管上各装了一个氢气泄漏检测传感器，分别是HL1、HL2、HL3和HIA。其布置详见图2。图2氢泄漏传感器分布图从图2中氢气泄漏传感器的分布情况可以看出，传感器的布置是按照氢气管路分布来布置的，这样基本解决了对整车氢气泄漏监控的要求。尾排氢泄漏传感器HIA主要检测燃料电池堆排出混合气体中氢气浓度。通过氢气泄漏传感器可以检测出在燃料电池车乘员舱、前舱和后舱是否有氢气泄漏，而氢气泄漏传感器实际上是检测某一点氢气聚集的浓度，因此燃料电池车中的氢气泄漏传感器又称为氢气浓度传感器。在车辆行驶过程中，HMU将每隔100MS采样一次4个传感器的值，并将每个传感器的最新采样得到的6个值去除最大值和最小值，然后再将剩下的4个采样值求平均值即得到一次采样有效值。如下是计算公式月2采样平均月2采样L月R2采样2月2采样3日2采样4日2采样52采样6一2最大一2最小4其中最大是指最新6次采样的最大值；2剐、是指最新6次采样的最小值。HMU将在新获得的6个氢浓度传感器除HIA外的值中取一个最大值作为燃料电池车的氢泄漏报警值。依此往复。HMU还会将采集到的所有4个传感器的值发送给VMS。任何一个传感器超过了报警限，HMU将向VMS发送报警信息，并采取相应的措施。HMU将氢泄漏报警分三级，分别是轻度泄露报警、中度泄露报警和紧急泄漏报警。轻度泄露报警是指当空气中的氢气含量超过1O在1000上海汽车2010065000PPM范围内时，HMU将提示司机有轻度氢气泄露，需要注意。而中度泄露报警是指当空气中的氢气含量超过5C在500010000PPM范围内时，HMU将提示司机现在有较严重的氢气泄露，需要立即停车检查。紧急泄露报警是指当空气中的氢气含量超过110000PPM以上时，HMU将提示有紧急泄漏报警，HMU将进入E卜ROR处理模式，即HMU立即关闭V1和V2两个电磁阀，并向整车管理单元送出紧急报警信息，同时HMU还将通过硬线将报警信号及报警等级发送给仪表，仪表将在面板上显示氢气泄露故障。用一根硬线发送报警等级的方法见图3。通过这根线上的信号，HMU可以控制仪表上的氢气泄露报警指示的闪烁频率来指示报警等级。40轻度泄露报警中度泄露报警紧急泄露报警160MS图3氢安全硬线报警信号4整车应急安全除了储氢系统安全和氢泄漏安全以外，整个氢系统还有一级安全系统，主要是为了应对出现紧急情况时如氢气泄漏超过1、出现车辆碰撞、紧急开关被按下或燃料电池堆出现紧急故障等，系统除了通过CAN总线传输报警信息外，还专门设计了由硬线连接的系统应急安全线，以保证系统的立即有效响应。具体的硬线连接请见图4。从图4可以看出，安全线由急停开关、碰撞开关、氢气管理单元输出控制端、整车控制单元输出控制端控制，一旦碰撞开关或急停开关断开，安全线将从高电平被拉到低电平，整个系统进入紧急上海汽车201006电源图4系统应急安全原理图处理状态，即氢气管理系统停止供氢并报警提示。在这个安全系统中，整车管理单元一旦发现整车有异常或燃料电池堆有异常将通过输出控制端把安全线拉为低电平，使系统进入紧急处理状态。同样HMU也可控制氢安全线的拉低使系统进入紧急处理状态。HMU控制氢安全线拉低的条件是假使氢管理系统出现严重氢泄漏，HMU都将控制氢安全线拉低，通知系统所有与此有关的部件，以便这些部件及时进行应急处理，保证人员及车辆安全。5结语该氢气安全系统在实际实施过程中，利用产品化的可靠PLC控制器