燃料電池汽車氫氣安全系統(tǒng)介紹

燃料電池汽車氫氣安全系統(tǒng)介紹摘要：根據(jù)燃料電池汽車儲(chǔ)氫和供氫系統(tǒng)在整車行駛和停放時(shí)的實(shí)際工作環(huán)境和狀態(tài)，考慮儲(chǔ)供氫系統(tǒng)在行駛和停放過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種事故情況，參考車用儲(chǔ)氫裝置的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)儲(chǔ)供氫系統(tǒng)在整車上的布置情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)不同安全等級(jí)，多層次監(jiān)控的氫氣安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在世博燃料電池車上使用，運(yùn)行正常。關(guān)鍵詞：燃料電池，汽車，氫氣管理系統(tǒng)目前全球各種清潔能源汽車得到了廣泛的發(fā)展，出現(xiàn)了各種以氫燃料電池為動(dòng)力的燃料電池汽車。然而，氫氣燃點(diǎn)低，容易爆炸，所以設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的氫氣安全系統(tǒng)是非常必要的。1氫系統(tǒng)安全方案1.1儲(chǔ)供氫系統(tǒng)組成燃料電池轎車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要由一個(gè)帶氫瓶壓力傳感器HP1、氫瓶電磁閥V1和氫瓶溫度傳感器HT1的儲(chǔ)氫瓶，加氫管道、泄壓管道、供氫管道、供氫電磁閥V2、氫管路壓力傳感器HP2和加氫開(kāi)關(guān)組成。具體構(gòu)成詳見(jiàn)圖1。1.2氫安全系統(tǒng)從整個(gè)氫氣安全系統(tǒng)中，氫氣使用安全分兩個(gè)大的層面：一是由氫管路、泄壓球閥和排空管構(gòu)成的被動(dòng)安全系統(tǒng)，一旦管道內(nèi)氫氣超過(guò)一定的壓力，瀉壓球閥將自動(dòng)打開(kāi)，通過(guò)排空管將氫氣排到空氣中；另一個(gè)是由氫氣管理單元(HMU)為主構(gòu)成的氫氣安全主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，除了HMU控制器之外，該系統(tǒng)另外還包括HP1、HT1、VI、V2、HP2及氫氣泄漏傳感器(HL1、HL2、HL3，HL4)。氫管理系統(tǒng)在工作過(guò)程中，HMU時(shí)刻監(jiān)控氫瓶及氫管路安全、氫氣泄漏狀態(tài)及整車安全運(yùn)行狀態(tài)，只要出現(xiàn)異常，隨時(shí)主動(dòng)關(guān)閉供氫系統(tǒng)，保證燃料電池車輛安全。2儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全儲(chǔ)氫系統(tǒng)包含氫瓶和氫管路兩部分，為了保證安全，HMU需要檢測(cè)氫瓶?jī)?nèi)壓力和溫度，也需要檢測(cè)氫管路的壓力。氫瓶及氫管路內(nèi)壓力是氫瓶安全狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。HMU每100ms采樣1次氫瓶和氫管路壓力，根據(jù)最近連續(xù)6次采樣的結(jié)果采用去極值求平均值法計(jì)算出有效壓力值。計(jì)算公式如下：P=[(P+P+P+P+P+P)-P-P]/4采樣平均 采樣1采樣2采樣3采樣4采樣5采樣6 最大最小其中：P最大是指最新6次采樣的最大值；P最小是指最新6次采樣的最小值。同樣，氫瓶?jī)?nèi)溫度也是氫瓶安全狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。與壓力檢測(cè)相似，HMU每100ms采樣一次溫度，根據(jù)最近連續(xù)6次采樣的結(jié)果采用去極值求平均值法計(jì)算出有效溫度值。計(jì)算公式如下：T=[(T+T+T+T+T+T)-T-T]/4采樣平均 采樣1采樣2采樣3采樣4采樣5采樣6 最大最小其中：T最大是指最新6次采樣的最大值；T最小是指最新6次采樣的最小值。在獲取下一個(gè)有效值時(shí)HMU將重新采樣6個(gè)新值，再采用上面的公式得到一個(gè)新有效值。儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全包，含3方面的內(nèi)容：一是加氫時(shí)當(dāng)HMU檢測(cè)到儲(chǔ)氫系統(tǒng)壓力超過(guò)35MPa或低于5MPa時(shí)，HMU將向VMS(VehicleManagementSystem)發(fā)送氫瓶壓力高或氫瓶壓力低的提示信息，當(dāng)檢測(cè)到儲(chǔ)氫系統(tǒng)壓力超過(guò)36MPa或低于4MPa時(shí)，HMU將立即向VMS和加氫機(jī)發(fā)送停止加氫及氫瓶壓力過(guò)高或氫瓶壓力過(guò)低的報(bào)警信息；二是當(dāng)HMU檢測(cè)到儲(chǔ)氫系統(tǒng)中氫瓶的溫度超過(guò)80°C或低于0°C時(shí)，將立即關(guān)閉電磁閥V1和V2，并將氫瓶溫度過(guò)高或氫瓶溫度過(guò)低的報(bào)警信息發(fā)給VMS和加氫機(jī)請(qǐng)求結(jié)束正常工作；三是供氫時(shí)當(dāng)HMU檢測(cè)一級(jí)減壓閥輸出端的壓力HP2壓力超過(guò)1.8MPa或低于0.5MPa時(shí)，立即關(guān)閉電磁閥V1和V2,并將管路壓力過(guò)高或過(guò)低的報(bào)警信息發(fā)給VMS請(qǐng)求結(jié)束正常工作。3氫泄漏安全燃料電池車中，氫瓶放在燃料電池車的后艙靠乘員艙后排座位的位置，燃料電池堆放在前艙，氫管路在乘員艙的下面?；谌剂想姵剀嚨膬?chǔ)氫系統(tǒng)布置，在前艙、乘員艙、后艙和排氣管上各裝了一個(gè)氫氣泄漏檢測(cè)傳感器，分別是HL1、HL2、HL3和HL4。其布置詳見(jiàn)圖2。從圖2中氫氣泄漏傳感器的分布情況可以看出，傳感器的布置是按照氫氣管路分布來(lái)布置的，這樣基本解決了對(duì)整車氫氣泄漏監(jiān)控的要求。尾排氫泄漏傳感器HL4主要檢測(cè)燃料電池堆排出混合氣體中氫氣濃度。通過(guò)氫氣泄漏傳感器可以檢測(cè)出在燃料電池車乘員艙、前艙和后艙是否有氫氣泄漏，而氫氣泄漏傳感器實(shí)際上是檢測(cè)某一點(diǎn)氫氣聚集的濃度，因此燃料電池車中的氫氣泄漏傳感器又稱為氫氣濃度傳感器。在車輛行駛過(guò)程中，HMU將每隔100ms采樣一次4個(gè)傳感器的值，并將每個(gè)傳感器的最新采樣得到的6個(gè)值去除最大值和最小值，然后再將剩下的4個(gè)采樣值求平均值即得到一次采樣有效值。如下是計(jì)算公式：H2=[（H2+H2 +H2 +H2 +H2 +H2 ）-H2-H2]/4采樣平均 采樣1采樣2采樣3 采樣4 采樣5采樣6 最大最小其中：H2最大是指最新6次采樣的最大值；H2最小是指最新6次采樣的最小值。HMU將在新獲得的6個(gè)氫濃度傳感器（除HL4外）的值中取一個(gè)最大值作為燃料電池車的氫泄漏報(bào)警值。依此往復(fù)。HMU還會(huì)將采集到的所有4個(gè)傳感器的值發(fā)送給VMS。任何一個(gè)傳感器超過(guò)了報(bào)警限，HMU將向VMS發(fā)送報(bào)警信息，并采取相應(yīng)的措施。HMU將氫泄漏報(bào)警分三級(jí)，分別是輕度泄露報(bào)警、中度泄露報(bào)警和緊急泄漏報(bào)警。輕度泄露報(bào)警是指當(dāng)空氣中的氫氣含量超過(guò)1%（在1000-5000ppm范圍內(nèi)）時(shí)，HMU將提示司機(jī)有輕度氫氣泄露，需要注意。而中度泄露報(bào)警是指當(dāng)空氣中的氫氣含量超過(guò)5%（在5000-10000ppm范圍內(nèi)）時(shí)，HMU將提示司機(jī)現(xiàn)在有較嚴(yán)重的氫氣泄露，需要立即停車檢查。緊急泄露報(bào)警是指當(dāng)空氣中的氫氣含量超過(guò)1%（10000ppm以上）時(shí)，HMU將提示有緊急泄漏報(bào)警，HMU將進(jìn)入Error處理模式，即HMU立即關(guān)閉V1和V2.兩個(gè)電磁閥，并向整車管理單元送出緊急報(bào)警信息，同時(shí)HMU還將通過(guò)硬線將報(bào)警信號(hào)及報(bào)警等級(jí)發(fā)送給儀表，儀表將在面板上顯示氫氣泄露故障。用一根硬線發(fā)送報(bào)警等級(jí)的方法見(jiàn)圖3。通過(guò)這根線上的信號(hào)，HMU可以控制儀表上的氫氣泄露報(bào)警指示的閃爍頻率來(lái)指示報(bào)警等級(jí)。4整車應(yīng)急安全除了儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全和氫泄漏安全以外，整個(gè)氫系統(tǒng)還有一級(jí)安全系統(tǒng)，主要是為了應(yīng)對(duì)出現(xiàn)緊急情況時(shí)（如氫氣泄漏超過(guò)1%、出現(xiàn)車輛碰撞、緊急開(kāi)關(guān)被按下或燃料電池堆出現(xiàn)緊急故障等），系統(tǒng)除了通過(guò)CAN總線傳輸報(bào)警信息外，還專門設(shè)計(jì)了由硬線連接的系統(tǒng)應(yīng)急安全線，以保證系統(tǒng)的立即有效響應(yīng)。具體的硬線連接請(qǐng)見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，安全線由急停開(kāi)關(guān)、碰撞開(kāi)關(guān)、氫氣管理單元輸出控制端、整車控制單元輸出控制端控制，一旦碰撞開(kāi)關(guān)或急停開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，安全線將從高電平被拉到低電平，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入緊急處理狀態(tài)，即氫氣管理系統(tǒng)停止供氫并報(bào)警提示。在這個(gè)安全系統(tǒng)中，整車管理單元一旦發(fā)現(xiàn)整車有異常或燃料電池堆有異常將通過(guò)輸出控制端把安全線拉為低電平，使系統(tǒng)進(jìn)入緊急處理狀態(tài)。同樣HMU也可控制氫安全線的拉低使系統(tǒng)進(jìn)入緊急處理狀態(tài)。HMU控制氫安全線拉低的條件是：假使氫管理系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重氫泄漏，HMU都將控制氫安全線拉低，通知系統(tǒng)所有與此有關(guān)的部件，以便這些部件及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理，保證人員及車輛安全。5結(jié)語(yǔ)該氫氣安全系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，利用產(chǎn)品化的可靠PLC控制器平臺(tái)，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并快速實(shí)現(xiàn)在燃料電池汽車中