车载储氢系统概述

胡金金　邱东　葛兆凤　吴学强　侯欣

摘 要：车载储氢系统作为氢燃料汽车的氢气供应系统，需对其进行安全可靠的控制，才可对氢燃料电池的正常运行提供保障。本文将车载储氢系统的结构、控制、故障判断等方面进行了简要介绍，并对储氢系统中氢气剩余量、续航里程等参数进行实时计算，以供驾驶员参考。

关键词：车载储氢系统 储氢系统控制 氢气剩余量

1 引言

氢能作为一种来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通运输等领域大规模脱碳的最佳选择。氢能及燃料电池逐步成为全球能源技术革命的重要方向。

氢能可储可输，提高氢能储运效率，降低氢能储运成本，是氢能储运技术的发展重点[1]。氢的储存方式主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式。目前高压气态储氢在复合材料高压气瓶方面取得很好的进展，是移动式车载储氢的主流[2]，储氢瓶是车载储氫系统的主要部件，气瓶按照内部材质可分为铬钼钢气瓶（I型气瓶）、钢内胆纤维缠绕复合气瓶（II型气瓶）、铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶（III型气瓶）和塑料内胆碳纤维全缠绕复合气瓶（IV 型气瓶）[3]。具体分类及应用见表1。目前，35MPa碳纤维缠绕III型瓶目前仍是我国燃料电池商用车的车载储氢方式，70MPa碳纤维缠绕IV型瓶已是国外燃料电池乘用车车载储氢的主流技术，70MPa碳纤维缠绕III型已少量用于我国燃料电池乘用车中。

2 车载储氢系统的结构及控制

2.1 储氢系统的结构及加氢供氢过程

车载储氢系统主要包含：储氢系统控制器、一个或多个储氢瓶（储氢瓶口安装有瓶阀、温度及压力传感器）、减压阀、减压阀后压力传感器、电磁关断阀等部件。其中，储氢系统控制器主要负责整个传感器信号的采集、系统运行状态的协调控制、故障的诊断、执行器信号的输出等；储氢瓶主要用于储存氢气，储氢瓶口的瓶阀主要用于打开/关断氢气的流动；温度传感器用于监控瓶内温度，压力传感器用于监控瓶内压力；减压阀主要是对从瓶内出来的氢气进行减压；减压阀后压力传感器对减压后的压力进行监测；减压后的氢气再经电磁关断阀之后便与氢燃料电池直接相连，向燃料电池提供/关断氢气供应。具体连接方式如图1所示。

车载储氢瓶内氢气的加注通常在加氢站进行。目前，国际上普遍被接受的氢气加注协议有美国汽车工程学会的SAE J2601系列标准[4]、日本的JPEC系列标准[5]等。氢气在加注过程中，因为焦耳-汤姆森效应会使氢气发热，而过高的温度会影响车载储氢瓶的安全性能[6]。因此在加注过程中需要实时关注氢瓶内温度及压力的变化。

氢气加注过程中氢气的流动方向如图1中蓝线所示。具体加注过程为：首先将加氢站的加注枪与加氢口连接，氢气依次通过加氢口的流量计和压力表用于实时监控加注过程中气体的流量和压力。同时储氢系统控制器也会根据储氢瓶口的温度及压力传感器的值对加氢量进行计算。

当燃料电池系统需要氢气供应时，氢气供应过程中氢气的流动方向如图1中红线所示。储氢系统控制器控制瓶阀、电磁阀打开，瓶内氢气依次经瓶阀、过滤阀、减压阀、电磁阀后进入燃料电池系统。

2.2 储氢系统的控制

由于氢气具有燃点低，爆炸区间范围宽和扩散系数大等特点，长期以来被作为危化品管理。因此无论在加氢还是在氢气供应的过程中，都需要对储氢系统进行严格控制，对于系统中安全问题及时作出相应的保护措施，并及时提醒客户进行维修。

本文对储氢系统的工作流程、主要的故障诊断进行介绍，同时对系统的一些参数进行相关计算。

2.2.1 储氢系统工作流程

储氢系统控制器根据采集的信号对整个车载储氢系统进行协调控制。

主要工作流程如下，具体见图2：

（a）储氢系统控制器上电。

（b）储氢系统进行自检，如果无故障则进入待机状态；否则进入故障状态。

（c）进入待机状态后，储氢系统等待整车系统或者燃料电池系统发送过来的启动指令。如果收到启动指令，则系统进入正常工作状态；否则系统一直处于待机状态。整个待机过程中系统会一直进行故障诊断，如果出现故障，则系统进入故障状态。

（d）进入正常工作状态后，储氢系统会一直判断自身是否有故障，并实时判断是否收到整车系统发过来的停机指令。如果系统有故障，则系统进入故障状态；如果收到停机指令，则系统进入停机状态。

（e）系统如果进入故障状态，则会提醒驾驶员进行相关维修。

（f）系统进入停机状态，则会将瓶阀、电磁阀等相关执行器关闭。

储氢控制器在上电之后及正常工作过程中，都需要对储氢系统的所有相关故障进行实时检测，例如储氢瓶内温度过高、压力过高、执行器短/断路等故障。一旦出现故障，系统根据故障的严重程度进行相应的处理。储氢系统常见的故障如下：

（1）温度异常。储氢瓶瓶口均装有一个温度传感器来监测对应瓶内的温度。储氢控制器通过每个温度传感器的值来判断每个瓶温是否有异常。

（2）压力异常。储氢系统在氢气加注或者正常供氢过程中，都会对每组氢瓶内的压力进行监控，当压力过高时则停止氢气加注或者关闭氢气供应。

（3）氢气泄漏故障。整车系统通常会在车身多处安装氢浓度传感器，氢浓度传感器信号一般都会接入到储氢控制器中，当控制器接收到氢浓度传感器反馈的氢气浓度超过限值时，报出氢浓度过高故障。

（4）传感器故障。传感器为控制器提供实时的温度、压力等信号，对于整个系统的运行至关重要。在实际使用过程中，传感器容易出现线路连接问题、信号不准确等问题，因此需要实时对传感器信号进行诊断。

（5）通讯故障。储氢系统控制器与整车控制器或者是一些部件通常通过CAN网络通讯，因此需要实时判断是否出现通讯超时等故障。

2.2.2 系统相关参数计算

储氢系统控制器通常会根据采集信号进行一些参数计算，以供驾驶员参考，比如氢气剩余量、剩余续航里程等。关于氢气剩余量或者剩余续航里程的计算中都会涉及到一定温度、压力下氢气的剩余量的计算，氢气剩余量的计算方法比较多，本文根据GB/T 35178-2017《燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法》进行计算。

（1）实时氢气剩余量m：

（1）

其中：Tt—当前时刻氢瓶内温度；Pt—当前时刻氢瓶内压力；M—氢气摩尔质量；V—氢瓶总高压部分容积和附件容積总和；Z=f（P，T），即当前温度、压力下氢气压缩因子。

（2）氢气加注量计算：

（2）

（3）

则加氢量Δm为：

（4）

其中：

T1—开始加氢时氢瓶内温度；

P1—开始加氢时氢瓶内压力；

T2—加注完成时刻氢瓶内温度；

P2—加注完成时刻氢瓶内压力；

Z1、Z1—开始加氢时以及加氢结束时刻对应温度、压力下的氢气压缩因子。

（3）续航里程计算：

首先需要计算出该车辆t1到t2时间间隔△t内氢气消耗量mΔt：

（5）

当前氢气剩余量m可根据公式1计算，当瓶内压力一定限值（Pmin）时，氢气无法释放，因此当前可用氢气量mavl为：

（6）

可续航里程为S：

（7）

其中：Zt1、Zt分别为对应温度、压力下的氢气压缩因子；Tt1、Tt2分别对应t1、t2时刻氢瓶内温度；Pt1、Pt2分别对应t1、t2时刻氢瓶内压力。

3 结语

储氢系统是氢燃料电池车辆中非常重要的部件，其结构及控制方案需要不断的优化以保证燃料电池车辆的正常运行。本文对储氢系统的结构、氢气的加注及供应做了简要介绍，对其控制器的控制流程也进行了简要介绍，为车载储氢系统的控制提供参考。对于系统中一些参数的计算，尤其是对当前氢气剩余量的计算中，本文应用了GB/T 35178-2017中提到计算公式，当然也可以采用其他的方法，比如数据拟合等方式，来简化计算过程。后续可继续关注并进行试验验证。

参考文献：

[1]中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）.

[2]时云卿.70MPa储氢气瓶快速充氢温度效应的影响因素分析. 低温工程，2021[3].

[3]詹合林.车用70MPa压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的应力分析.现代制造工程，2018（12）.

[4] SAE International. surface vehicle standard-Fueling protocols for light duty gaseous hydrogen surface vehicles：J2601TM[S].2016.

[5] AKI H， SUGIMOTO I， SUGAI T， et al. Optimal operation of a photovoltaic generation-powered hydrogen production system at a hydrogen refueling station[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（32）：14892-14904.

[6]何广利.基于国产三型瓶的氢气加注技术开发.储能科学与技术，2020（5）.