BDB车载氢气供应系统研制工作报告

1、2014-BDB03008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 20MPa 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 35MPa 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 140 升、耐压 35MPa 的储氢瓶 9 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

2、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 0，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 PRD 出口管路。电控单元包括供氢系统控制器 ECM、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

3、自上一级系统的控制信号，对 1-9 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 CAN 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：a. 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。b. 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。c. 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。2.1 供氢系统原理图安全紙耗祎能供氨京线X芫52-球解川址过話斛4.鮎ML音跑J. arnwi仏望版I电埼也直址办恨悌）乱 iiXIfJRQ、4rf拧制惧快ilk空

4、拔过沌襦II. tiLLkKWHiI2u乎胡戲廉I忆厘管第）13. 11阀 « H£lKTif»314. 世今岡15. 您&陌力去I氣nm I角用曽蹲）门.克m匝力农ma出II订拦 宦号乩揑肚戎 AUttS口压琏吒捡疳険圧丸P廿踣WlTrlft图1供氢系统原理图2.2配套表863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1加注接口TN11WEH35MPa2球阀0 123耐压不低于45MPa3过滤器© 12, 3BE543M1耐压不低于46MPa4高压压力表0-50MPa,轴向1加气面板用5压力表转换接头FNPT1/4- &

5、#169; 816并路总成2耐压不低于45MPa7气瓶连接管9耐压不低于45MPa8组合电磁阀© 8- © 8- © 89带单向阀，24V9高压氢气瓶35MPa 140L9CTC带QF-6T瓶阀10集成尾堵1CTC11尾堵9CTC12组合阀11含减压器13组合阀29不含减压器15低压压力传感器116传感器三通417过流保护集成阀工作压力为4MPa124V20过滤器© 12， 0.3工作压力为4MPa123低压压力表0-4MPa MNPT1/4124压力表三通© 8-FNPT1/4- © 8125安全阀开启压力1.7MPa,1/21sw

6、agelok26安全阀三通© 12 - 1/2 - © 12127针阀©82swagelok6DBS628不锈高压钢管© 8工作压力为45MPa5米29不锈高压钢管© 12工作压力为45MPa12米不锈低压钢管© 12工作压力为4MPa24米31直通© 12132锥直通NPT1/2- © 12233三通© 12©8 © 12334四通©8 ©8©8©8135HFS-ECM136加注面板福田 400*30013. 系统管路流量的设计计算3.1系统供

7、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 “ 863”大巴车的燃料电池为例：整车选用的燃料电池功率 为80kW 峰值功率100kW 最大输出电压360V，单片电极电压0.60.65V，其电 流在峰值功率时应不超过300A。通过实验我们证实，在这种工况下，燃料电池 的用氢量为0.6Nn1/kW0.7 NrkW,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

8、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0.7V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0.6V以上，低于0.6V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0.60.7Nm3/kWh计算再乘以一个过量系数，使大客 车的系统总流量达到10g/s。根据“ 863”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：Pr = 80kW Pp= 100kW U=360V I max= 300A,0.60.

9、65V(Pp)则有：Q= 7 I max 10 N式中：QH氢气最大理论消耗量，L/min ; I 反应电流，A(1) 当 U = 0.6V 时，N= R/0.6V = 600，即 Q= 7 300 10-3 600 (L/min )= 75.6m3/h(2) 当 U = 0.65V 时，N= Pp/0.65V = 554，即 QH= 7 300 10-3 554 (L/min )= 70nVh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4就是系统管道总的流量，总流量就是 300 NnVh。3.2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

10、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“ 863”大巴车为例，大巴车所选用的储氢瓶为 140L/个，共9个气瓶，储氢压 力为35MPa这样其大巴车的总储氢量为 0.14m3 350kg 9= 441NrK约36.75kgH2。 一般人们希望的充装时间在15分钟以内，这样其最大流量为441Nm15分钟60 =1764Nmh。3.3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80%考 虑比较合适，这样管道要放出的氢气量大约为 350Nr1。那么氢气

11、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15分钟以上，这样就确定了放空管道的最大流量33应为 350Nm 15 分钟 60 分钟=1400Nrr/h。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350Barg氢瓶容积140 L氢瓶尺寸总长：1800mm包括瓶阀及接口爆破压力>1400Barg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

12、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12 VDC满足供电范围 916 VDC手动截止阀单向阀工作压力350 Barg，启流 压力Ipsig温度传感器量程-20 C150C12VDC供 电信号输出05VDC精度：土 2C 满足供电范围 916 VDC压力传感器量程 0 Barg 400 Barg 12VDC供 电信号输出05VDC满足供电范围 916 VDCPRD> 400 Barg下开启110C± 5C根据相 关标准 GB8337GB/T4239接口规格37。球形接头溢流阀流量限制溢流阀流量大于400Nm3/h自动关闭接口规格1

13、/2 ”单向阀工作压力350 Barg启流压力1psig接口规格3/8 ”传感器及电磁阀高压氢气压力传感器测量范围0400 Barg 供电电压916 VDC 信号输出05 VDC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040 Barg 供电电压932VDC 信号输出05 VDC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12 VDC满足供电范围 916 VDC高压管路电磁阀供电12 VDC满足供电范围 916 VDC安全阀低压超压安全阀>19.5 Barg下开启具体数值可做更改接口规格1/2 ”加注口氢气加注受气口WEH TN5工作压力 350barg,

14、含503 m过滤器接口规格1/2 ”过滤器工作压力350Barg过滤粒径7 3传感器及电磁阀高压氢气压力传感器测量范围0400 Barg 供电电压916 VDC 信号输出05 VDC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040 Barg 供电电压932VDC 信号输出05 VDC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-20 C150C12VDC供 电信号输出05VDC精度：土 2C 满足供电范围 916 VDC氢瓶电磁阀供电12 VDCP 满足供电范围 916 VDC高压管路电磁阀供电12 VDC满足供电范围 916 VDC减压器额定减压入口压力3

15、50 Barg额定减压出口压力14 Barg压力波动< 土 1 Bar材质不锈钢316出口压力稳定性14± 1 Barg压力波动峰值 <10%额定 减压出口压力氢气出气接口1/2”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350 Barg管路及阀的爆破压力>800 Barg1/2”不锈钢管壁厚0.083”3/8”不锈钢管壁厚0.065”管路连接方式连接方式尽量米用卡套螺纹密封方式采用连接“ O-Ri ng ”管道材料316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

16、有如下功能：a. 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。b. 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。c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。d安全报警功能运行过程中，系统根据供气管路中出

17、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）巡检时咼压异常5）目前电路处于关断状态e TTCAN 传输：供氢系统控制器支持TTCAN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A止去电童列号 CANitifl | I/L JUJ*图2电器系统连线51电器参数供氢系统控制器：输入电压：DC24&

18、#177; 8V。输入电流：屿00mA（无负载时）。 输出电流：DC24V± 8V，可为每一电磁阀提供 邈A电流DC24V± 0.1V，可为传感器提供 绍00mA电流 DC12V± 0.1V，可为显示器提供 绍00mA电流 DC5V± 0.1V，可为传感器提供 绍00mA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：DC12± 0.1V。输入电流： W00mA。5.2连线各器件之间用线束相连，具体见下图图3线束接线在具备以下条件时，1-9#电磁阀才会打开供气：1. 系统连线正确，24V电源已通电2.

19、 开始工作信号（红线）为24V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5.3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4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TTL电平信号送至微处理器10 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

20、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CAN®信和RS232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

21、持系统长期可靠运行。去过流保护阀的激磁线圈 去低压电磁阀的激磁线圈激磁线圈驱动电路去1n#储气瓶的带单向阀的电磁阀的激磁线圈号信动驱RS232通讯处理电路CA总线输出剩余气量值输入自检信号输入关断信号输入采样Ts温度传感器输入信号Ps复位压力传感器输入信号3 口PL低压压力传感器输入信号PH高压压力传感器输入信号外部看门狗 电路VHHT稳压电路微处理器电路报警电路XVCC图4电控模块原理软件采用模块化设计，图5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

22、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3Mpa寸，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；c. 组织CAN通讯数据。d. 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；f. 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13输出的低压压力是否在1.1MPa和 0.7MPa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13输出的低压压力是否在1MPa和0.8MPa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 2.1MPa,若否，则跳过 步骤5）， 若是，则按步骤5）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1.5MPa,若小于该值，则报警并关断储气瓶；若大于1.5MPa,h.i.则打开全部储气瓶；根据高低压压