燃料電池汽車氫氣加注控制策略分析

陳婕

上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司 上海市 201804

1 引言

在當(dāng)今世界，“油荒”已經(jīng)是許多國(guó)家共同面臨的一大難題，已經(jīng)在很大程度上限制到了經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與水平，積極尋找石油的替代品并研究其應(yīng)用與發(fā)展是世界范圍內(nèi)科學(xué)家近年來(lái)重點(diǎn)研究的課題，可再生的氫是當(dāng)前科學(xué)界提出并已經(jīng)運(yùn)用到了實(shí)踐中的一項(xiàng)選擇。另一方面，可再生氫還具有以往的石油所不具有的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，其清潔性又為當(dāng)下污染大難關(guān)提供了一劑良藥。綜合以上兩個(gè)背景，研究并實(shí)際運(yùn)用氫燃料電池及配套的氫燃料加注協(xié)議與策略，探究這一新技術(shù)可能存在的安全問(wèn)題，排除安全隱患，應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的不可避免的問(wèn)題，提出應(yīng)急機(jī)制等一系列的問(wèn)題是重要而緊迫的。

燃料電池汽車以清潔無(wú)污染的氫氣做燃料是其最大的特色和亮點(diǎn)，其動(dòng)力是來(lái)源于氫氣與自然環(huán)境中的氧在燃料電池中產(chǎn)生的電能，一方面氫氧反應(yīng)具有較為高效的能量效率，完全可以支撐汽車運(yùn)行，且氫氣本身的特性使得這一過(guò)程可稱為零污染，其排放物只有水而已；另一方面，我們需要充分重視到其可能存在的多種問(wèn)題，氫氣本身所具有的泄露率高、易發(fā)生爆炸等長(zhǎng)期桎梏給燃料電池汽車事故的發(fā)生埋下了多種隱患，這是燃料電池汽車的購(gòu)買者和制造者們共同關(guān)注的問(wèn)題。此類安全隱患包括了氫氣儲(chǔ)備設(shè)備、車載氫氣系統(tǒng)的穩(wěn)定、電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞及其導(dǎo)致的氫氣泄露等問(wèn)題。故而，要想對(duì)燃料電動(dòng)汽車進(jìn)行更為廣泛的深入的推廣，對(duì)安全性的深入系統(tǒng)性探索迫在眉睫。

2 加氫策略分析

就當(dāng)前的需要來(lái)說(shuō)，加氫過(guò)程中的訴求一是效率方面，實(shí)現(xiàn)快速加注并保障安全；另一方面的訴求就是對(duì)于成本的降低，實(shí)現(xiàn)低成本加注并保障安全；也就是說(shuō)要在保障安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速便捷的加注。要想達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，當(dāng)下一般選擇分級(jí)優(yōu)化加注策略，輔之以氫氣預(yù)冷技術(shù)和溫度控制技術(shù)共同設(shè)計(jì)并改善方案，通過(guò)下調(diào)氫氣在注入氫瓶時(shí)的溫度，優(yōu)化工藝流程加強(qiáng)控制，達(dá)到對(duì)效率、溫度及安全性能的最優(yōu)化調(diào)整。

2.1 分級(jí)優(yōu)化加注策略

加氫站儲(chǔ)氫系統(tǒng)一般由多個(gè)數(shù)量不等的儲(chǔ)氫罐組成，如果需要多個(gè)儲(chǔ)氫罐同時(shí)工作，就可能導(dǎo)致氫氣利用率的降低，而分級(jí)優(yōu)化加注是解決這一問(wèn)題的一個(gè)有效方法，可以提高氫氣利用率，使得加氫站的功耗最小化。一般而言，加氫站的儲(chǔ)氫罐分為三個(gè)不同的級(jí)別：低級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)檔次，通過(guò)程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)加氫機(jī)的有序作業(yè)，從低到高為客戶提供氫氣加注。

舉例而言，在35兆帕加氫機(jī)研制中，選擇三路進(jìn)氣管路的設(shè)計(jì)，把加氫站的儲(chǔ)氫罐劃為三組，分別成為低級(jí)、中級(jí)和高級(jí)瓶組。通過(guò)程序控制，在加注過(guò)程中加氫機(jī)依據(jù)低級(jí)→中級(jí)→高級(jí)的次序從儲(chǔ)氫罐中獲取氫氣。在70兆帕加氫機(jī)的研制及后期運(yùn)用過(guò)程中，保留了35兆帕加氫機(jī)三路進(jìn)氣的設(shè)計(jì)，依然把儲(chǔ)氫罐劃為三組，分別成為低級(jí)瓶組、中級(jí)瓶組和高級(jí)瓶組。這一設(shè)計(jì)中我們學(xué)習(xí)借鑒了SAE J2601 輕型氣態(tài)氫汽車燃料協(xié)議的相關(guān)理念，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的較為科學(xué)的程序，從而保障加注過(guò)程根據(jù)低級(jí)→中級(jí)→高級(jí)的次序從儲(chǔ)氫罐中加注，以進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫罐中氫氣利用效率，實(shí)現(xiàn)降低加氫站儲(chǔ)氫量、提高加氫站面積使用效率，降低加氫站空間成本。

2.2 溫升控制策略

因?yàn)楦邏籂顟B(tài)下的氫氣在快速加注中會(huì)發(fā)生焦耳-湯普森效應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致大量熱量的疊加壓縮熱，以致我們必須控制氫氣加注環(huán)節(jié)中的溫度，保證其在溫度上限以下，以免帶來(lái)安全隱患，所以采用多方面策略共同保障加注過(guò)程的安全十分必要。在溫度控制這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，選擇并利用氫氣的預(yù)冷是一劑良方。舉例而言，在在70兆帕的氫氣加注環(huán)境下，氫氣的氣源是常溫的，因?yàn)榻苟?湯普森效應(yīng)，快速加注中或已注入的氫氣及氣瓶的溫度會(huì)達(dá)到八十五攝氏度以上甚至超過(guò)這一指標(biāo)，如果我們不采取特殊措施，僅僅通過(guò)自然降溫就會(huì)延長(zhǎng)加注的時(shí)間，加注時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致加注慢影響加注效率的同時(shí)又間接導(dǎo)致了時(shí)間成本的增加。而我們所選擇的氫氣預(yù)冷技術(shù)，可以在氫氣加注前通過(guò)預(yù)先制冷，將氣源的溫度控制在零下四十?dāng)z氏度左右，也就是降低了氫氣的基礎(chǔ)溫度，這樣一來(lái)，就有效控制了加注過(guò)程中的溫度增長(zhǎng)范圍，增強(qiáng)安全指數(shù)并大大縮短了加注的時(shí)間，有效提高加注的效率，在短短的幾分鐘之內(nèi)完成一輛普通轎車的氫氣加注。

除了上述的預(yù)冷技術(shù)以外，我們還可以通過(guò)溫升控制加注技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加注環(huán)境及氣瓶?jī)?nèi)溫度的控制，只有配合采用多種技術(shù)手段才能在最大范圍內(nèi)保障氣瓶溫度不超過(guò)設(shè)定的安全范圍，我們這里所提及的溫升控制加注技術(shù)的主要針對(duì)點(diǎn)在于其對(duì)加注過(guò)程中的流量控制及氣瓶?jī)?nèi)的壓力控制。所以，要想有效控制氫氣的溫度及溫升幅度，提高加注的效率與安全指數(shù)，就必須將預(yù)降溫處理與流量壓力控制結(jié)合起來(lái)，共同作用以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度控制。

2.3 機(jī)-車通訊策略

在70兆帕的氫燃料汽車加注環(huán)境中，為了達(dá)到最快加注狀態(tài)下的氫氣加入最大量，就必須獲得車載壓縮氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)的精確氫荷狀態(tài) （SOC）。一般而言額定壓力下的壓縮氫存儲(chǔ)系統(tǒng)，其存儲(chǔ)的氫的總質(zhì)量與車載壓縮氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)完全充滿狀態(tài)在理論上是可以等同的。

與此同時(shí)，為盡量避免障氫氣加注的危險(xiǎn)可能及為燃料電池汽車的加注中保障其瓶?jī)?nèi)溫度維持在安全溫度范圍之內(nèi)，在燃料加注中實(shí)時(shí)關(guān)注車載壓縮氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)目指標(biāo)，尤其是壓力溫度值是特別重要且十分必要的。

氫燃料電池車載供氫系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氫設(shè)備、安全閥、電磁閥門、截止閥、瓶閥、壓力傳感設(shè)備、瓶?jī)?nèi)溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備、氫氣泄漏探測(cè)器多個(gè)部件構(gòu)成。氫管理系統(tǒng)不但必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)并控制儲(chǔ)氫系統(tǒng)和車載供氫控制，而且必須實(shí)時(shí)觀察加氫機(jī)通訊，及時(shí)將車載壓縮氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)的各種信息數(shù)據(jù)，例如壓力、容量、溫度等，保持加氫機(jī)-燃料電池車之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)。

紅外通訊技術(shù)是多個(gè)國(guó)內(nèi)外各個(gè)地區(qū)時(shí)下采用的一種較為廣泛的無(wú)線連接方法，具有比較強(qiáng)的兼容性，能應(yīng)用于多種硬件軟件設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖與紅外光脈沖的轉(zhuǎn)換，充分保障無(wú)線信號(hào)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行收發(fā)，具有其他技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，具體如下：第一，相對(duì)于較為傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線纜連接方式，這一技術(shù)的應(yīng)用使得操作更為簡(jiǎn)便，利用更加方便；第二，小角度（小于30°錐角）、近距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的這種直線數(shù)據(jù)傳輸，使其具有保密度高的優(yōu)勢(shì)；第三，傳輸速率較高。具體在機(jī)-車通訊系統(tǒng)中涵蓋了車載供氫系統(tǒng)控制模塊、紅外數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、加氫槍，紅外數(shù)據(jù)接收模塊等。紅外數(shù)據(jù)發(fā)送接收兩個(gè)模塊都具備配套的安全隔離與自身安全檢測(cè)系統(tǒng)。SAE J2799 輕型氣態(tài)氫燃料汽車協(xié)議中還明確地對(duì)氫燃料汽車紅外通訊的軟件硬件規(guī)范作出了說(shuō)明。

3 SAE J2601 氣態(tài)氫燃料汽車協(xié)議

這一協(xié)議對(duì)于輕型車輛氫氣加注的協(xié)議與過(guò)程都給出了明確的說(shuō)明，這些過(guò)程將壓力增加率、燃料溫度、最大燃料流速等具體指標(biāo)都限制在一定的范圍之內(nèi)，結(jié)合其他因素，例如環(huán)境溫度、燃料傳送溫度等，這一協(xié)議經(jīng)過(guò)我們的詳細(xì)研究是較為完整科學(xué)的。從根本上而言，這一協(xié)議是一個(gè)以目標(biāo)性查表方法為基礎(chǔ)的關(guān)于加注過(guò)程及相關(guān)因素的一種規(guī)范。在氫氣加注過(guò)程中的一個(gè)重要指標(biāo)就是加氣站中多個(gè)加氣機(jī)的單位時(shí)間冷卻效率，以及由這一冷卻能力產(chǎn)生的燃料傳輸溫度評(píng)級(jí)。理論上，SAE J2601 輕型氣態(tài)氫汽車的燃料協(xié)議有通信和非通信加注的規(guī)范加注表與一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)、正開(kāi)發(fā)的加注協(xié)議。相對(duì)通信加注，這一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該同SAEJ2799 氫燃料汽車補(bǔ)給站的軟硬件像協(xié)調(diào)，相互配合而應(yīng)用的，有地面氫氣車輛和加氣站通信軟硬件設(shè)施組建。

4 結(jié)語(yǔ)

以燃料電池汽車加注過(guò)程、環(huán)境、策略及安全控為核心，對(duì)其進(jìn)行較為系統(tǒng)的技術(shù)分析和介紹，作為燃料電池開(kāi)發(fā)應(yīng)用的重要一環(huán)，加氫機(jī)的相關(guān)技術(shù)尚且有非常廣闊的發(fā)展?jié)摿Γ覀冃枰^續(xù)在理論研究與實(shí)踐中探索追尋，共同努力逐漸改善控氫技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)氫燃料電池汽車的普及式發(fā)展，為新能源汽車走近千家萬(wàn)戶，助力我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展特別是交通領(lǐng)域的創(chuàng)新貢獻(xiàn)一份力量。