BDB車(chē)載氫氣供應(yīng)系統(tǒng)研制工作報(bào)告

1、2014-BDB03008車(chē)載氫氣供應(yīng)系統(tǒng)研制工作報(bào)告1. 綜述供氫系統(tǒng)是氫燃料電池客車(chē)的燃料源頭，該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。 我們本著安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鑒國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、 標(biāo)準(zhǔn)，和已有的 20MPa 氫燃料電池客車(chē)供氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上， 進(jìn)行了細(xì) 致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?35MPa 氫供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)零部件選用、關(guān)鍵件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)整個(gè)供氫系統(tǒng)分為儲(chǔ)氣瓶組、系統(tǒng)管路、電控單元。儲(chǔ)氣瓶組共有單瓶容量為 140 升、耐壓 35MPa 的儲(chǔ)氫瓶 9 個(gè)，各儲(chǔ)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(xiàng)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(chǔ)氣瓶口 后即為低壓，幾乎將供氫的高壓管路長(zhǎng)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(jí)過(guò)濾器、過(guò)流關(guān)斷閥、手動(dòng)球閥、高壓針閥組成。充氣管路由充氣 閥、球閥、初級(jí)過(guò)濾器、低壓針閥等組成。 排放管路為直接對(duì)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(fù)位傳感器、低壓傳感器、溫度傳感器、 控制開(kāi)關(guān)盒、線束等。供氫系統(tǒng)控制器對(duì)四個(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)傳 感器數(shù)據(jù)，和來(lái)

3、自上一級(jí)系統(tǒng)的控制信號(hào)，對(duì) 1-9 號(hào)氣瓶支路的電磁閥以及 過(guò)流閥和并組總路上的總閥進(jìn)行控制。供氫系統(tǒng)控制器還可以通過(guò) CAN 通訊向上一級(jí)控制系統(tǒng)匯報(bào)供氫系統(tǒng)數(shù)據(jù)?？傊?，采取的安全措施包括如下幾點(diǎn)：a. 采用組合閥，提高了系統(tǒng)的集成度，縮短了高壓管路長(zhǎng)度，提高安全程度。b. 供氣管路裝有安全閥、過(guò)流關(guān)斷閥，當(dāng)管路發(fā)生泄漏時(shí)能自動(dòng)關(guān)斷。c. 電控單元設(shè)計(jì)，采用逐瓶開(kāi)啟供氣方式，安全、智能、低耗。詳細(xì)配置可見(jiàn)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(guò)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(guò)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(mén).克m匝力農(nóng)ma出II訂攔 宦號(hào)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(xiàng)目氫燃料供氣系統(tǒng)零部件明細(xì)表序號(hào)名稱規(guī)格型號(hào)數(shù) 量建議供應(yīng)商備注1加注接口TN11WEH35MPa2球閥0 123耐壓不低于45MPa3過(guò)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(zhuǎn)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(guò)流保護(hù)集成閥工作壓力為4MPa124V20過(guò)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(kāi)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(shè)計(jì)計(jì)算3.1系統(tǒng)供

7、氫流量的計(jì)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(chē)的燃料電池為例：整車(chē)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(shí)應(yīng)不超過(guò)300A。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們證實(shí)，在這種工況下，燃料電池 的用氫量為0.6Nn1/kW0.7 NrkW,如果超過(guò)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(shí)際工況中往往會(huì)有超過(guò)燃料電池峰值功 率的情況發(fā)生，如汽車(chē)上坡的坡度較大時(shí)，而燃料電池的儲(chǔ)備功率設(shè)計(jì)小的情況 下，會(huì)產(chǎn)生燃料電池過(guò)載荷的發(fā)生，從而使單片電極電壓

8、下降，產(chǎn)生大電流的輸 出來(lái)保證過(guò)載功率，這時(shí)過(guò)載電流會(huì)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(lái)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(shí)，一般按0.60.7Nm3/kWh計(jì)算再乘以一個(gè)過(guò)量系數(shù)，使大客 車(chē)的系統(tǒng)總流量達(dá)到10g/s。根據(jù)“ 863”大巴車(chē)用燃料電池的具體參數(shù)和實(shí)驗(yàn) 可以計(jì)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(yīng)電流，A(1) 當(dāng) U = 0.6V 時(shí)，N= R/0.6V = 600，即 Q= 7 300 10-3 600 (L/min )= 75.6m3/h(2) 當(dāng) U = 0.65V 時(shí)，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(shí)的最大用氫量，用這個(gè)用氫量再乘以一個(gè)過(guò)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(jì)算充氫管道最大流量的確定是由車(chē)載儲(chǔ)氫瓶的最大儲(chǔ)氫量和要

10、求在多長(zhǎng)時(shí)間 內(nèi)充完這次氫氣所決定的，當(dāng)然也與加氫站充裝氫氣的最大速率能力有關(guān)，還以“ 863”大巴車(chē)為例，大巴車(chē)所選用的儲(chǔ)氫瓶為 140L/個(gè)，共9個(gè)氣瓶，儲(chǔ)氫壓 力為35MPa這樣其大巴車(chē)的總儲(chǔ)氫量為 0.14m3 350kg 9= 441NrK約36.75kgH2。 一般人們希望的充裝時(shí)間在15分鐘以內(nèi)，這樣其最大流量為441Nm15分鐘60 =1764Nmh。3.3系統(tǒng)放空流量的計(jì)算放空管道的流量比較好確定，不會(huì)超過(guò)車(chē)載儲(chǔ)氫瓶的總儲(chǔ)氫量，一般在剛剛 充裝完氫氣的汽車(chē)就發(fā)生事故的可能性不大，因此總流量可按儲(chǔ)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(shí)間應(yīng)該 如何確定呢？這要根據(jù)氫氣瓶耐火燒的時(shí)間來(lái)確定，只要能在儲(chǔ)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(nèi)膽的氫氣瓶的耐火時(shí)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(yīng)為 350Nm 15 分鐘 60 分鐘=1400Nrr/h。4. 系統(tǒng)主要零部件的技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)要求備注基本參數(shù)工作介質(zhì)氫氣儲(chǔ)氫瓶氫瓶種類鋁制內(nèi)膽纖維纏繞氫瓶氫瓶?jī)?chǔ)氫使用壓力350Barg氫瓶容積140 L氫瓶尺寸總長(zhǎng)：1800mm包括瓶閥及接口爆破壓力>1400Barg氫瓶電磁閥每個(gè)氫瓶都有獨(dú)立的電 磁閥氫瓶手動(dòng)截止閥每個(gè)氫瓶都有獨(dú)立的手 動(dòng)截止閥氫瓶壓

12、力安全泄壓閥每個(gè)氫瓶都有壓力安全 閥泄壓氣體必須通過(guò)管道排 出到車(chē)體外組合閥電磁閥供電12 VDC滿足供電范圍 916 VDC手動(dòng)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(hào)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(hào)輸出05VDC滿足供電范圍 916 VDCPRD> 400 Barg下開(kāi)啟110C± 5C根據(jù)相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 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(dòng)關(guān)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(cè)量范圍0400 Barg 供電電壓916 VDC 信號(hào)輸出05 VDC該傳感器測(cè)量氫瓶及高壓 管路中的氫氣壓力低壓氫氣壓力傳感器測(cè)量范圍040 Barg 供電電壓932VDC 信號(hào)輸出05 VDC該傳感器測(cè)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(kāi)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(guò)濾器接口規(guī)格1/2 ”過(guò)濾器工作壓力350Barg過(guò)濾粒徑7 3傳感器及電磁閥高壓氫氣壓力傳感器測(cè)量范圍0400 Barg 供電電壓916 VDC 信號(hào)輸出05 VDC該傳感器測(cè)量氫瓶及高壓 管路中的氫氣壓力低壓氫氣壓力傳感器測(cè)量范圍040 Barg 供電電壓932VDC 信號(hào)輸出05 VDC該傳感器測(cè)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(hào)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(dòng)< 土 1 Bar材質(zhì)不銹鋼316出口壓力穩(wěn)定性14± 1 Barg壓力波動(dòng)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(jìn)行更改，并提供 一套相應(yīng)接口管路氫氣管路的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)盒、線束組成 具

16、有如下功能：a. 逐瓶供氣功能開(kāi)關(guān)盒上開(kāi)關(guān)處于“順序開(kāi)啟”模式時(shí)，所有氣瓶編組逐個(gè)供氣，當(dāng)該瓶供 氣壓力小于設(shè)定值時(shí)，則依次順序開(kāi)啟下一儲(chǔ)氣瓶供氣。直至用到最后一個(gè) 儲(chǔ)氣瓶。系統(tǒng)自動(dòng)記憶供氣的儲(chǔ)氣瓶號(hào)，每次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，都將繼續(xù)使用上 一次的氣瓶供氣。每次加氣后，儲(chǔ)氣瓶編號(hào)自動(dòng)復(fù)原，從新按順序供氣。b. 全開(kāi)供氣功能開(kāi)關(guān)盒上開(kāi)關(guān)處于“全開(kāi)”模式時(shí)，可同時(shí)開(kāi)啟所有儲(chǔ)氣瓶。c巡檢功能開(kāi)關(guān)盒上開(kāi)關(guān)處于“巡檢”模式時(shí)在外部巡檢信號(hào)下，可進(jìn)行各氣瓶氣壓巡 檢。先從首氣瓶開(kāi)始，依此打開(kāi)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(shè)定值則報(bào)警。d安全報(bào)警功能運(yùn)行過(guò)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(bào)警信號(hào)， 提示用戶及時(shí)處理，在緊急狀態(tài)下，在報(bào)警的同時(shí)切斷所有儲(chǔ)氣瓶：關(guān)斷情況包括如下幾種：1）高壓超過(guò)最高壓力極限值。2）減壓器低壓輸出超過(guò)極限值。3）外部強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)報(bào)警情況包括如下幾種：1）高壓超過(guò)最高壓力極限值。2）減壓器低壓輸出超過(guò)極限值。3）外部強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)4）巡檢時(shí)咼壓異常5）目前電路處于關(guān)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(chǔ)氣瓶號(hào)、 高壓、低壓報(bào)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(hào) 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(wú)負(fù)載時(shí)）。 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(kāi)關(guān)盒：為無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)，為控制器提供選通信號(hào)。顯示器（可選件，調(diào)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(jiàn)下圖圖3線束接線在具備以下條件時(shí)，1-9#電磁閥才會(huì)打開(kāi)供氣：1. 系統(tǒng)連線正確，24V電源已通電2.

19、 開(kāi)始工作信號(hào)（紅線）為24V高電平3. 氣路中高、低壓力都正常4. 開(kāi)關(guān)盒打在“順序開(kāi)啟”、“全開(kāi)”，或“巡檢”模式。總閥的打開(kāi)除需具備以上條件外，還需控制總閥的兩根線之間導(dǎo)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(xì)設(shè)計(jì)可見(jiàn)電控單元設(shè)計(jì)報(bào)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(qū)動(dòng)電路、輸入采樣電路、通訊處理電路、外部看門(mén)狗電路以及報(bào)警電路。 輸入采樣電路負(fù)責(zé)處理來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信號(hào)以及外部開(kāi)關(guān)的信號(hào)，將各信號(hào)轉(zhuǎn)化成微處理器可接收的TTL電平信號(hào)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(hào)以及內(nèi)存記憶信息、 進(jìn)行邏輯判斷，根

20、據(jù)一定規(guī)則，決定 各儲(chǔ)氣瓶工作方式，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳給激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路； 激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路將 接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大后， 傳輸給相應(yīng)的電磁閥激磁線圈，打開(kāi)相對(duì)應(yīng) 的儲(chǔ)氣瓶。微處理器電路還負(fù)責(zé)對(duì)外CAN®信和RS232通訊，將相應(yīng)的工作信息 傳送給整車(chē)控制系統(tǒng)或筆記本電腦。報(bào)警電路是特意為異常情況而設(shè)的，一旦供 氫系統(tǒng)壓力異常，控制電路檢測(cè)到問(wèn)題后，可以馬上通過(guò)蜂鳴器提醒相關(guān)人員注 意。為使各電路穩(wěn)定、可靠，設(shè)置了穩(wěn)壓電路和外部看門(mén)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(qū)動(dòng)電路 的電源。外部看門(mén)狗電路是為了防止意外情況下微處理器死機(jī)，保

21、持系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。去過(guò)流保護(hù)閥的激磁線圈 去低壓電磁閥的激磁線圈激磁線圈驅(qū)動(dòng)電路去1n#儲(chǔ)氣瓶的帶單向閥的電磁閥的激磁線圈號(hào)信動(dòng)驅(qū)RS232通訊處理電路CA總線輸出剩余氣量值輸入自檢信號(hào)輸入關(guān)斷信號(hào)輸入采樣Ts溫度傳感器輸入信號(hào)Ps復(fù)位壓力傳感器輸入信號(hào)3 口PL低壓壓力傳感器輸入信號(hào)PH高壓壓力傳感器輸入信號(hào)外部看門(mén)狗 電路VHHT穩(wěn)壓電路微處理器電路報(bào)警電路XVCC圖4電控模塊原理軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(kāi)各儲(chǔ)氣瓶， 檢測(cè)各儲(chǔ)氣瓶壓力和氣路是否暢通。b. 自檢通過(guò)后，檢

22、查復(fù)位傳感器，判斷是否充過(guò)氣，若充過(guò)氣，則瓶號(hào)復(fù)位；當(dāng)復(fù)位傳感器的壓力信號(hào)超過(guò)3Mpa寸，將檢查當(dāng)前記憶電路中的儲(chǔ)氣瓶號(hào)是 否為首個(gè)儲(chǔ)氣瓶號(hào)，若否，則恢復(fù)至首個(gè)儲(chǔ)氣瓶號(hào)，并記憶儲(chǔ)氣瓶號(hào)；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(yīng)。e. 按照記憶打開(kāi)儲(chǔ)氣瓶，并等待若干秒，使系統(tǒng)管路壓力達(dá)到均衡；f. 檢查高低壓壓力信號(hào)是否正常，若否，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)氣瓶；1）檢查高壓壓力信號(hào)是否低于極限壓力，若否，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)氣瓶；2）檢查減壓調(diào)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(nèi)，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)氣瓶；3）檢查減壓調(diào)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(nèi)，則報(bào)警；4）檢查儲(chǔ)氣瓶輸出的高壓壓力是否小于 2.1MPa,若否，則跳過(guò) 步驟5）， 若是，則按步驟5）進(jìn)行；5）如果是當(dāng)前供氣的儲(chǔ)氣瓶是最后一個(gè)，則檢查儲(chǔ)氣瓶輸出的高壓壓力是否小于1.5MPa,若小于該值，則報(bào)警并關(guān)斷儲(chǔ)氣瓶；若大于1.5MPa,h.i.則打開(kāi)全部?jī)?chǔ)氣瓶；根據(jù)高低壓壓