BDB車載氫氣供應系統(tǒng)研制工作報告

1、2014-BDB03008車載氫氣供應系統(tǒng)研制工作報告1. 綜述供氫系統(tǒng)是氫燃料電池客車的燃料源頭，該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要。 我們本著安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鑒國內外的相關技術規(guī)范、 標準，和已有的 20MPa 氫燃料電池客車供氫系統(tǒng)設計經(jīng)驗基礎上， 進行了細 致、嚴謹?shù)?35MPa 氫供氣系統(tǒng)設計，從系統(tǒng)零部件選用、關鍵件設計和電器 控制方法等多方面采取措施，確保安全可靠。2. 供氫系統(tǒng)總體設計整個供氫系統(tǒng)分為儲氣瓶組、系統(tǒng)管路、電控單元。儲氣瓶組共有單瓶容量為 140 升、耐壓 35MPa 的儲氫瓶 9 個，各儲氫瓶瓶尾 裝有集成圍堵，瓶口裝有組合閥，集成了壓力傳感器、溫度

2、傳感器、電磁閥、 安全閥、減壓器等多項功能，可以極大地節(jié)省空間，提高了系統(tǒng)的集成度， 此外，由于減壓器功能集成在了瓶口組合閥中，因此，供氣氣壓出儲氣瓶口 后即為低壓，幾乎將供氫的高壓管路長度縮短為 0，大大提高安全程度。 系統(tǒng)管路按功能可分為供氣管路、充氣管路、排放管路三部分。供氣管路主 要由次級過濾器、過流關斷閥、手動球閥、高壓針閥組成。充氣管路由充氣 閥、球閥、初級過濾器、低壓針閥等組成。 排放管路為直接對大氣放散的 PRD 出口管路。電控單元包括供氫系統(tǒng)控制器 ECM、復位傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、 控制開關盒、線束等。供氫系統(tǒng)控制器對四個傳感器進行實時監(jiān)測，根據(jù)傳 感器數(shù)據(jù)，和來

3、自上一級系統(tǒng)的控制信號，對 1-9 號氣瓶支路的電磁閥以及 過流閥和并組總路上的總閥進行控制。供氫系統(tǒng)控制器還可以通過 CAN 通訊向上一級控制系統(tǒng)匯報供氫系統(tǒng)數(shù)據(jù)?？傊?，采取的安全措施包括如下幾點：a. 采用組合閥，提高了系統(tǒng)的集成度，縮短了高壓管路長度，提高安全程度。b. 供氣管路裝有安全閥、過流關斷閥，當管路發(fā)生泄漏時能自動關斷。c. 電控單元設計，采用逐瓶開啟供氣方式，安全、智能、低耗。詳細配置可見供氫系統(tǒng)原理圖和配套表。2.1 供氫系統(tǒng)原理圖安全紙耗祎能供氨京線X芫52-球解川址過話斛4.鮎ML音跑J. arnwi仏望版I電埼也直址辦恨悌）亂 iiXIfJRQ、4rf擰制懼快ilk空

4、拔過沌襦II. tiLLkKWHiI2u乎胡戲廉I憶厘管第）13. 11閥 « H£lKTif»314. 世今岡15. 您&陌力去I氣nm I角用曽蹲）門.克m匝力農ma出II訂攔 宦號乩揑肚戎 AUttS口壓璉吒撿疳険圧丸P廿踣WlTrlft圖1供氫系統(tǒng)原理圖2.2配套表863項目氫燃料供氣系統(tǒng)零部件明細表序號名稱規(guī)格型號數(shù) 量建議供應商備注1加注接口TN11WEH35MPa2球閥0 123耐壓不低于45MPa3過濾器© 12, 3BE543M1耐壓不低于46MPa4高壓壓力表0-50MPa,軸向1加氣面板用5壓力表轉換接頭FNPT1/4- &

5、#169; 816并路總成2耐壓不低于45MPa7氣瓶連接管9耐壓不低于45MPa8組合電磁閥© 8- © 8- © 89帶單向閥，24V9高壓氫氣瓶35MPa 140L9CTC帶QF-6T瓶閥10集成尾堵1CTC11尾堵9CTC12組合閥11含減壓器13組合閥29不含減壓器15低壓壓力傳感器116傳感器三通417過流保護集成閥工作壓力為4MPa124V20過濾器© 12， 0.3工作壓力為4MPa123低壓壓力表0-4MPa MNPT1/4124壓力表三通© 8-FNPT1/4- © 8125安全閥開啟壓力1.7MPa,1/21sw

6、agelok26安全閥三通© 12 - 1/2 - © 12127針閥©82swagelok6DBS628不銹高壓鋼管© 8工作壓力為45MPa5米29不銹高壓鋼管© 12工作壓力為45MPa12米不銹低壓鋼管© 12工作壓力為4MPa24米31直通© 12132錐直通NPT1/2- © 12233三通© 12©8 © 12334四通©8 ©8©8©8135HFS-ECM136加注面板福田 400*30013. 系統(tǒng)管路流量的設計計算3.1系統(tǒng)供

7、氫流量的計算供氫管道由于是為燃料電池提供氫氣，所以其最大流量的根據(jù)就是燃料電池 的最大用氣量，以 “ 863”大巴車的燃料電池為例：整車選用的燃料電池功率 為80kW 峰值功率100kW 最大輸出電壓360V，單片電極電壓0.60.65V，其電 流在峰值功率時應不超過300A。通過實驗我們證實，在這種工況下，燃料電池 的用氫量為0.6Nn1/kW0.7 NrkW,如果超過這一用氫量就證明該燃料電池的性 能是比較差的，效率是比較低的。但在實際工況中往往會有超過燃料電池峰值功 率的情況發(fā)生，如汽車上坡的坡度較大時，而燃料電池的儲備功率設計小的情況 下，會產生燃料電池過載荷的發(fā)生，從而使單片電極電壓

8、下降，產生大電流的輸 出來保證過載功率，這時過載電流會比正常電流高出一倍以上。燃料電池的用氫量是由燃料電池電流大小來決定的。一般情況下，燃料電池的單片電極電壓在0.7V是效率、性能比較好的情況，而燃料電池的單片電極電壓的壓降最好控制 在0.6V以上，低于0.6V燃料電池的效率就太低了，性能也比較差，因此在考慮 給燃料電池供氫時，一般按0.60.7Nm3/kWh計算再乘以一個過量系數(shù)，使大客 車的系統(tǒng)總流量達到10g/s。根據(jù)“ 863”大巴車用燃料電池的具體參數(shù)和實驗 可以計算出系統(tǒng)的總流量：電堆基本參數(shù)：Pr = 80kW Pp= 100kW U=360V I max= 300A,0.60.

9、65V(Pp)則有：Q= 7 I max 10 N式中：QH氫氣最大理論消耗量，L/min ; I 反應電流，A(1) 當 U = 0.6V 時，N= R/0.6V = 600，即 Q= 7 300 10-3 600 (L/min )= 75.6m3/h(2) 當 U = 0.65V 時，N= Pp/0.65V = 554，即 QH= 7 300 10-3 554 (L/min )= 70nVh這就是燃料電池在峰值功率時的最大用氫量，用這個用氫量再乘以一個過量 系數(shù)4就是系統(tǒng)管道總的流量，總流量就是 300 NnVh。3.2系統(tǒng)充氫流量的計算充氫管道最大流量的確定是由車載儲氫瓶的最大儲氫量和要

10、求在多長時間 內充完這次氫氣所決定的，當然也與加氫站充裝氫氣的最大速率能力有關，還以“ 863”大巴車為例，大巴車所選用的儲氫瓶為 140L/個，共9個氣瓶，儲氫壓 力為35MPa這樣其大巴車的總儲氫量為 0.14m3 350kg 9= 441NrK約36.75kgH2。 一般人們希望的充裝時間在15分鐘以內，這樣其最大流量為441Nm15分鐘60 =1764Nmh。3.3系統(tǒng)放空流量的計算放空管道的流量比較好確定，不會超過車載儲氫瓶的總儲氫量，一般在剛剛 充裝完氫氣的汽車就發(fā)生事故的可能性不大，因此總流量可按儲氫總量的80%考 慮比較合適，這樣管道要放出的氫氣量大約為 350Nr1。那么氫氣

11、放出的時間應該 如何確定呢？這要根據(jù)氫氣瓶耐火燒的時間來確定，只要能在儲氫氣瓶被徹底燒壞之前將氫氣全部放出去，就能較好地保證人員的安全。一般碳纖維纏繞鋁合金 內膽的氫氣瓶的耐火時間均在15分鐘以上，這樣就確定了放空管道的最大流量33應為 350Nm 15 分鐘 60 分鐘=1400Nrr/h。4. 系統(tǒng)主要零部件的技術參數(shù)項目參數(shù)要求備注基本參數(shù)工作介質氫氣儲氫瓶氫瓶種類鋁制內膽纖維纏繞氫瓶氫瓶儲氫使用壓力350Barg氫瓶容積140 L氫瓶尺寸總長：1800mm包括瓶閥及接口爆破壓力>1400Barg氫瓶電磁閥每個氫瓶都有獨立的電 磁閥氫瓶手動截止閥每個氫瓶都有獨立的手 動截止閥氫瓶壓

12、力安全泄壓閥每個氫瓶都有壓力安全 閥泄壓氣體必須通過管道排 出到車體外組合閥電磁閥供電12 VDC滿足供電范圍 916 VDC手動截止閥單向閥工作壓力350 Barg，啟流 壓力Ipsig溫度傳感器量程-20 C150C12VDC供 電信號輸出05VDC精度：土 2C 滿足供電范圍 916 VDC壓力傳感器量程 0 Barg 400 Barg 12VDC供 電信號輸出05VDC滿足供電范圍 916 VDCPRD> 400 Barg下開啟110C± 5C根據(jù)相 關標準 GB8337GB/T4239接口規(guī)格37。球形接頭溢流閥流量限制溢流閥流量大于400Nm3/h自動關閉接口規(guī)格1

13、/2 ”單向閥工作壓力350 Barg啟流壓力1psig接口規(guī)格3/8 ”傳感器及電磁閥高壓氫氣壓力傳感器測量范圍0400 Barg 供電電壓916 VDC 信號輸出05 VDC該傳感器測量氫瓶及高壓 管路中的氫氣壓力低壓氫氣壓力傳感器測量范圍040 Barg 供電電壓932VDC 信號輸出05 VDC該傳感器測量減壓后氫氣 出口管路的壓力氫瓶電磁閥供電12 VDC滿足供電范圍 916 VDC高壓管路電磁閥供電12 VDC滿足供電范圍 916 VDC安全閥低壓超壓安全閥>19.5 Barg下開啟具體數(shù)值可做更改接口規(guī)格1/2 ”加注口氫氣加注受氣口WEH TN5工作壓力 350barg,

14、含503 m過濾器接口規(guī)格1/2 ”過濾器工作壓力350Barg過濾粒徑7 3傳感器及電磁閥高壓氫氣壓力傳感器測量范圍0400 Barg 供電電壓916 VDC 信號輸出05 VDC該傳感器測量氫瓶及高壓 管路中的氫氣壓力低壓氫氣壓力傳感器測量范圍040 Barg 供電電壓932VDC 信號輸出05 VDC該傳感器測量減壓后氫氣 出口管路的壓力氫瓶溫度傳感器量程-20 C150C12VDC供 電信號輸出05VDC精度：土 2C 滿足供電范圍 916 VDC氫瓶電磁閥供電12 VDCP 滿足供電范圍 916 VDC高壓管路電磁閥供電12 VDC滿足供電范圍 916 VDC減壓器額定減壓入口壓力3

15、50 Barg額定減壓出口壓力14 Barg壓力波動< 土 1 Bar材質不銹鋼316出口壓力穩(wěn)定性14± 1 Barg壓力波動峰值 <10%額定 減壓出口壓力氫氣出氣接口1/2”不銹鋼管連接到指定接口處，可根 據(jù)要求進行更改，并提供 一套相應接口管路氫氣管路的設計使用壓 力350 Barg管路及閥的爆破壓力>800 Barg1/2”不銹鋼管壁厚0.083”3/8”不銹鋼管壁厚0.065”管路連接方式連接方式盡量米用卡套螺紋密封方式采用連接“ O-Ri ng ”管道材料316不銹鋼5. 電控單元設計供氫系統(tǒng)電控單元包括供氫系統(tǒng)控制器、傳感器、控制開關盒、線束組成 具

16、有如下功能：a. 逐瓶供氣功能開關盒上開關處于“順序開啟”模式時，所有氣瓶編組逐個供氣，當該瓶供 氣壓力小于設定值時，則依次順序開啟下一儲氣瓶供氣。直至用到最后一個 儲氣瓶。系統(tǒng)自動記憶供氣的儲氣瓶號，每次啟動發(fā)動機，都將繼續(xù)使用上 一次的氣瓶供氣。每次加氣后，儲氣瓶編號自動復原，從新按順序供氣。b. 全開供氣功能開關盒上開關處于“全開”模式時，可同時開啟所有儲氣瓶。c巡檢功能開關盒上開關處于“巡檢”模式時在外部巡檢信號下，可進行各氣瓶氣壓巡 檢。先從首氣瓶開始，依此打開各氣瓶，并等待若干秒，待氣壓穩(wěn)定后檢查 高壓壓力是否正常。若低于設定值則報警。d安全報警功能運行過程中，系統(tǒng)根據(jù)供氣管路中出

17、現(xiàn)的異常高、低氣壓發(fā)出報警信號， 提示用戶及時處理，在緊急狀態(tài)下，在報警的同時切斷所有儲氣瓶：關斷情況包括如下幾種：1）高壓超過最高壓力極限值。2）減壓器低壓輸出超過極限值。3）外部強制關斷信號報警情況包括如下幾種：1）高壓超過最高壓力極限值。2）減壓器低壓輸出超過極限值。3）外部強制關斷信號4）巡檢時咼壓異常5）目前電路處于關斷狀態(tài)e TTCAN 傳輸：供氫系統(tǒng)控制器支持TTCAN協(xié)議，可上傳剩余氣量、正在工作的儲氣瓶號、 高壓、低壓報警狀態(tài)、故障代碼信息。系統(tǒng)連線如下圖所示A止去電童列號 CANitifl | I/L JUJ*圖2電器系統(tǒng)連線51電器參數(shù)供氫系統(tǒng)控制器：輸入電壓：DC24&

18、#177; 8V。輸入電流：嶼00mA（無負載時）。 輸出電流：DC24V± 8V，可為每一電磁閥提供 邈A電流DC24V± 0.1V，可為傳感器提供 紹00mA電流 DC12V± 0.1V，可為顯示器提供 紹00mA電流 DC5V± 0.1V，可為傳感器提供 紹00mA電流 控制開關盒：為無源觸點信號，為控制器提供選通信號。顯示器（可選件，調試用）：輸入電壓：DC12± 0.1V。輸入電流： W00mA。5.2連線各器件之間用線束相連，具體見下圖圖3線束接線在具備以下條件時，1-9#電磁閥才會打開供氣：1. 系統(tǒng)連線正確，24V電源已通電2.

19、 開始工作信號（紅線）為24V高電平3. 氣路中高、低壓力都正常4. 開關盒打在“順序開啟”、“全開”，或“巡檢”模式。總閥的打開除需具備以上條件外，還需控制總閥的兩根線之間導通5.3供氫系統(tǒng)電控模塊原理供氫系統(tǒng)電控模塊的詳細設計可見電控單元設計報告。供氫系統(tǒng)控制器硬件電路如圖4所示。主要包括：穩(wěn)壓電路、微處理器電路、激 磁線圈驅動電路、輸入采樣電路、通訊處理電路、外部看門狗電路以及報警電路。 輸入采樣電路負責處理來自各傳感器的檢測信號以及外部開關的信號，將各信號轉化成微處理器可接收的TTL電平信號送至微處理器10 口上，微處理器電路則 根據(jù)接收到的輸入信號以及內存記憶信息、 進行邏輯判斷，根

20、據(jù)一定規(guī)則，決定 各儲氣瓶工作方式，并將驅動信號傳給激磁線圈驅動電路； 激磁線圈驅動電路將 接收到的驅動信號進行功率放大后， 傳輸給相應的電磁閥激磁線圈，打開相對應 的儲氣瓶。微處理器電路還負責對外CAN®信和RS232通訊，將相應的工作信息 傳送給整車控制系統(tǒng)或筆記本電腦。報警電路是特意為異常情況而設的，一旦供 氫系統(tǒng)壓力異常，控制電路檢測到問題后，可以馬上通過蜂鳴器提醒相關人員注 意。為使各電路穩(wěn)定、可靠，設置了穩(wěn)壓電路和外部看門狗電路。穩(wěn)壓電路將系 統(tǒng)外的電源電壓穩(wěn)定到一定值后，做為提供給微處理器電路和激磁線圈驅動電路 的電源。外部看門狗電路是為了防止意外情況下微處理器死機，保

21、持系統(tǒng)長期可靠運行。去過流保護閥的激磁線圈 去低壓電磁閥的激磁線圈激磁線圈驅動電路去1n#儲氣瓶的帶單向閥的電磁閥的激磁線圈號信動驅RS232通訊處理電路CA總線輸出剩余氣量值輸入自檢信號輸入關斷信號輸入采樣Ts溫度傳感器輸入信號Ps復位壓力傳感器輸入信號3 口PL低壓壓力傳感器輸入信號PH高壓壓力傳感器輸入信號外部看門狗 電路VHHT穩(wěn)壓電路微處理器電路報警電路XVCC圖4電控模塊原理軟件采用模塊化設計，圖5所示為電控模塊的工作原理流程。系統(tǒng)上電 后，按以下步驟工作：a. 自檢。首先檢查自檢按鍵狀態(tài)，若按下了自檢按鍵，則依此打開各儲氣瓶， 檢測各儲氣瓶壓力和氣路是否暢通。b. 自檢通過后，檢

22、查復位傳感器，判斷是否充過氣，若充過氣，則瓶號復位；當復位傳感器的壓力信號超過3Mpa寸，將檢查當前記憶電路中的儲氣瓶號是 否為首個儲氣瓶號，若否，則恢復至首個儲氣瓶號，并記憶儲氣瓶號；c. 組織CAN通訊數(shù)據(jù)。d. 檢查是否有按鍵按下，處理按鍵響應。e. 按照記憶打開儲氣瓶，并等待若干秒，使系統(tǒng)管路壓力達到均衡；f. 檢查高低壓壓力信號是否正常，若否，則報警并關斷儲氣瓶；1）檢查高壓壓力信號是否低于極限壓力，若否，則報警并關斷儲氣瓶；2）檢查減壓調節(jié)器13輸出的低壓壓力是否在1.1MPa和 0.7MPa之間，若 不在此范圍內，則報警并關斷儲氣瓶；3）檢查減壓調節(jié)器13輸出的低壓壓力是否在1MPa和0.8MPa之間，若不 在此范圍內，則報警；4）檢查儲氣瓶輸出的高壓壓力是否小于 2.1MPa,若否，則跳過 步驟5）， 若是，則按步驟5）進行；5）如果是當前供氣的儲氣瓶是最后一個，則檢查儲氣瓶輸出的高壓壓力是否小于1.5MPa,若小于該值，則報警并關斷儲氣瓶；若大于1.5MPa,h.i.則打開全部儲氣瓶；根據(jù)高低壓壓