氫燃料電池汽車氫泄漏壓力控制策略

關(guān)鍵詞：燃料電池；氫泄漏；壓力控制策略；新能源汽車

0 前言

目前，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云服務(wù)和大數(shù)據(jù)等新興信息通信技術(shù)，融合電動化、低碳化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化的新能源汽車新業(yè)態(tài)、新模式正在成為汽車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向［1-2］。發(fā)展壯大新能源汽車，推動汽車大國走向汽車強(qiáng)國，破解環(huán)境污染、能源短缺和氣候變化難題，實現(xiàn)低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展，助力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的市場競爭力，減少溫室氣體排放，踐行大國責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，順應(yīng)綠色環(huán)保低碳可重復(fù)再生發(fā)展主旋律，是當(dāng)今市場關(guān)注的熱點(diǎn)問題。氫能作為高熱值清潔能源，由于其轉(zhuǎn)換效率高效、易提取、可循環(huán)使用、來源廣等特點(diǎn)，被視為未來清潔能源的終極替代解決方案［3-4］。全國五大城市群分別從加氫儲氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、公交物流航空等領(lǐng)域應(yīng)用拓展、燃料電池技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)、燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)打造等多方面布局，探索氫能在能源轉(zhuǎn)型過程中的示范應(yīng)用。氫燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，唯一的產(chǎn)物只有水，可以達(dá)到零排放。由于氫氣高度的可燃性及易擴(kuò)散性，當(dāng)發(fā)生氫泄漏時必須采取有效的應(yīng)急措施來保障人員的安全、減少損失。因此，有必要在探測氫泄漏零部件失效時進(jìn)行故障診斷，及時報警警示，清除導(dǎo)致系統(tǒng)性失效的影響因素，或降低這些影響，以保證系統(tǒng)安全可靠。

1 氫燃料電池系統(tǒng)原理

氫燃料電池系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要由氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池堆、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成［5］，如圖1 所示。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將儲氫艙的高壓儲氫氫氣通過壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)確保在合適的壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定輸送至燃料電池堆，由儲氫罐、氣體輸送管路、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氫氣循環(huán)系統(tǒng)等部分構(gòu)成，完成氫氣的高壓儲存、安全穩(wěn)定輸送，實現(xiàn)回收再利用及氫氣排放；氧氣供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將空氣中的氧氣通過氣體引入口、空氣過濾裝置和通風(fēng)系統(tǒng)輸送至燃料電池堆，確保氧氣充足供應(yīng)及適宜的壓力范圍；燃料電池堆作為燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，將氫氣供應(yīng)系統(tǒng)輸送來的氫氣和氧氣供應(yīng)系統(tǒng)輸送的氧氣混合后發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，并釋放水蒸氣，以實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換；冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)將燃料電池堆中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過冷卻液、水泵和散熱器有效散發(fā)熱量，進(jìn)而使電堆溫度保持在合適的溫度范圍；電氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)燃料電池系統(tǒng)直流電能的處理、監(jiān)控和管理，通過直流-直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器和電池管理系統(tǒng)（BMS）提供相關(guān)設(shè)備適配的電壓和電流，并對電池進(jìn)行實時監(jiān)測、保護(hù)和均衡，管理保障其能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并滿足不同設(shè)備的用電供給；控制系統(tǒng)通過傳感器采集溫度、壓力、電壓、電流等重要參數(shù)，并采用先進(jìn)的控制算法，根據(jù)實時狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，協(xié)調(diào)燃料電池系統(tǒng)各組件協(xié)同工作高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

2 壓力傳感器

氫燃料電池系統(tǒng)中采用多款壓力傳感器，來測量氫氣供給系統(tǒng)中的氫氣壓力、空氣供給系統(tǒng)中的氧氣壓力，以及冷卻液循環(huán)中水的循環(huán)壓力。測量介質(zhì)包括儲氫艙高壓氫氣、進(jìn)電堆中壓氫氣、出電堆循環(huán)低壓氫氣（含水）、進(jìn)電堆空氣和循環(huán)水等，壓力測量范圍為0.5～90.0 MPa?；谌剂想姵叵到y(tǒng)的氫氣循環(huán)與金屬材料會產(chǎn)生氫滲透或吸氫現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氫氣泄漏，因此燃料電池系統(tǒng)中壓力傳感器的選型對傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料均有較高要求。

壓力傳感器是利用傳感器內(nèi)部的某一部件在受到外部壓力作用下產(chǎn)生形變或變形，進(jìn)而產(chǎn)生與形變或變形成比例的電信號。市面上常見的壓力傳感器可分為壓電式、電容式、壓阻式和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等不同類型。

2. 1 工作原理

2. 1. 1 壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器的工作原理是采用壓電材料，如特定陶瓷材料或晶體在外部壓力的影響下而產(chǎn)生微小的機(jī)械形變，傳感器的內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致壓電材料表面的電荷發(fā)生變化，測量電荷變化并轉(zhuǎn)換成與被測壓力成比例的電信號。壓電式壓力傳感器動態(tài)響應(yīng)速度快、靈敏度高、使用壽命長，且具備較高的可靠性，但其存在溫度漂移大、需溫度補(bǔ)償，不適合靜態(tài)測量等局限性。

2. 1. 2 電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器的工作原理是當(dāng)外界施加壓力于傳感器的金屬薄膜時會發(fā)生微小形變，引起固定電極與金屬薄膜間產(chǎn)生的電容量發(fā)生變化，通過測量傳感器電路中電容的變化，將被測微小形變的壓力物理量轉(zhuǎn)換成與輸出電壓成比例關(guān)系的電信號，實現(xiàn)對外部壓力的測量。電容式壓力傳感器具備良好溫度穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)時間短，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單易于制造，然而其輸出特性的非線性特點(diǎn)，以及邊緣電容和寄生電容對干擾的敏感性限制了其在實際工程中的應(yīng)用。

2. 1. 3 壓阻式壓力傳感器

壓阻式傳感器的工作原理是由單晶硅半導(dǎo)體材料封裝而成的傳感器受到與壓力相關(guān)的幾何形變時電阻率發(fā)生變化，導(dǎo)致由惠斯登電橋的4 個電阻組成的電橋臂失去平衡，通過恒壓源或恒流源給電橋供電，測量電路輸出正比例于壓力變化的電信號。壓阻式傳感器具備響應(yīng)速度快、分辨率高、適應(yīng)范圍廣、體積小，且價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但同時存在線性度低、對溫度和振動敏感、穩(wěn)定性差等缺陷。

2. 1. 4 MEMS 壓力傳感器

MEMS 壓力傳感器采用微型加工技術(shù)集成，由微懸臂梁、微膜片等組成微機(jī)械結(jié)構(gòu)在外部壓力作用時發(fā)生微小的撓曲或形變引起電容、電阻等微結(jié)構(gòu)電學(xué)性能的變化，通過信號調(diào)理、放大和處理轉(zhuǎn)換成與外部壓力成比例的數(shù)字信號或電壓。MEMS 壓力傳感器因其體積小、精度高、功耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的壓力傳感器。

2. 2 技術(shù)參數(shù)

由于氫氣具有易燃、易爆和易擴(kuò)散的特性，為保障燃料電池汽車的安全性，ISO 23273：2013《 燃料電池道路車輛. 安全性規(guī)范. 帶壓縮氫燃料汽車用氫危險防護(hù)措施》、GB/T 24549—2020《 燃料電池電動汽車 安全要求》、GB/T 29126—2012《 燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng)》、GB/T 34872—2017《質(zhì)子交換膜燃料電池供氫系統(tǒng)技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)對車規(guī)級壓力傳感器的參數(shù)給出了以下相應(yīng)要求：

（1） 對于加氫口與儲氫瓶間管路的檢測，其泄漏檢測壓力是工作標(biāo)稱壓力的1.25 倍。

（2） 氫泄漏測量壓力的準(zhǔn)確度小于等于1.5 級，壓力測量量程是被測量值的1.5～3 倍。

（3） 兼容模擬信號、PWM 或CAN 等多種形式信號輸出。

（4） 空間占用緊湊，且使用年限達(dá)到車載級需求。

（5） 抗電磁干擾強(qiáng)，符合EMC 等級需求和防爆安全相關(guān)規(guī)定。

目前，燃料電池汽車常見的壓力傳感器為陶瓷壓敏電容與擴(kuò)散硅壓敏電阻兩類，主要測量燃料儲氫艙高壓壓力、儲氫艙減壓后的氫氣系統(tǒng)中壓壓力及電堆進(jìn)氣低壓壓力，如圖2 所示。

氫燃料電池車載儲氫艙壓縮氫氣儲存壓力為35 MPa 或70 MPa。高壓壓力傳感器的技術(shù)性能參數(shù)見表1。由表1可以看出：氫燃料電池車載高壓、中壓、低壓壓力傳感器壓力范圍、最大壓力、爆破壓力由于所處環(huán)境略有不同，而輸出信號、精度、工作穩(wěn)定性等其他參數(shù)則類似。

3氫泄漏壓力控制策略

燃料電池汽車的高壓儲氫瓶磨損、位移、錯位或氫氣閥破裂，氣體流動管路松動或破損，燃料電池電堆密封不良或堵塞等因素均會引發(fā)氫泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。氫泄漏往往伴隨著壓力的異常變化，實時檢測氫氣供應(yīng)系統(tǒng)壓力能夠保障燃料電池堆氫氣平穩(wěn)供給，避免基于壓力波動引發(fā)的安全問題。通過監(jiān)控氧氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓力，確保氫氣和氧氣濃度的混合比例，以提高電化學(xué)反應(yīng)的速率，從而實現(xiàn)最佳的燃料電池效率和輸出性能［6-7］。

探測壓力傳感器信號短路、斷路、離線等異常情況發(fā)生時，可采取文字顯示、聲音或閃爍報警等多種控制策略進(jìn)行提醒。采集系統(tǒng)壓力超過設(shè)置報警臨界值實施報警、關(guān)斷等壓力保護(hù)控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力超過設(shè)計壓力時，應(yīng)及時啟動壓力釋放裝置，采取應(yīng)急排氫措施，快速降低系統(tǒng)壓力，避免氫氣聚積導(dǎo)致安全事故。對于多個儲氫艙情況，當(dāng)檢測氫氣泄漏體積分?jǐn)?shù)超過4% 時應(yīng)自動實施氫供應(yīng)關(guān)斷控制，可以僅關(guān)斷發(fā)生氫氣泄漏的供氫系統(tǒng)。

4 結(jié)語

隨著燃料電池技術(shù)和智能傳感技術(shù)，如MEMS 傳感器的不斷發(fā)展，氫泄漏監(jiān)測能夠更加精準(zhǔn)和快速，通過多傳感器融合、智能化算法等創(chuàng)新手段，遵循環(huán)境變化及實際工況進(jìn)行氫氣壓力控制自適應(yīng)調(diào)整，采取更可控、更高效的壓力釋放技術(shù)，確保在氫氣泄漏時能夠迅速安全釋放氫氣，確保燃料電池汽車在穩(wěn)定、安全的環(huán)境下運(yùn)行，為清潔能源交通的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)保障，促進(jìn)燃料電池汽車技術(shù)更好地服務(wù)社會。燃料電池汽車將成為未來城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，有助于提供清潔、綠色、便捷的出行方式，提升城市環(huán)境質(zhì)量。