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)燃料電池汽車儲氫和供氫系統(tǒng)在整車行駛和停放時的實際工作環(huán)境和狀態(tài)，考慮儲供氫系統(tǒng)在行駛和停放過程中可能出現(xiàn)的各種事故情況，參考車用儲氫裝置的現(xiàn)行標準，針對儲供氫系統(tǒng)在整車上的布置情況，設計了一個不同安全等級，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，運行正常。關鍵詞：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力的燃料電池汽車。然而，氫氣燃點低，容易爆炸，所以設計一個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儲供氫系統(tǒng)組成燃料電池轎車的儲氫系統(tǒng)主要由一個帶氫瓶壓力傳感器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和加氫開關組成。具體構成詳見圖1。1.2氫安全系統(tǒng)從整個氫氣安全系統(tǒng)中，氫氣使用安全分兩個大的層面：一是由氫管路、泄壓球閥和排空管構成的被動安全系統(tǒng)，一旦管道內氫氣超過一定的壓力，瀉壓球閥將自動打開，通過排空管將氫氣排到空氣中；另一個是由氫氣管理單元(HMU)為主構成的氫氣安全主動監(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)在工作過程中，HMU時刻監(jiān)控氫瓶及氫管路安全、氫氣泄漏狀態(tài)及整車安全運行狀態(tài)，只要出現(xiàn)異常，隨時主動關閉供氫系統(tǒng)，保證燃料電池車輛安全。2儲氫系統(tǒng)安全儲氫系統(tǒng)包含氫瓶和氫管路兩部分，為了保證安全，HMU需要檢測氫瓶內壓力和溫度，也需要檢測氫管路的壓力。氫瓶及氫管路內壓力是氫瓶安全狀態(tài)的一個重要指標。HMU每100ms采樣1次氫瓶和氫管路壓力，根據(jù)最近連續(xù)6次采樣的結果采用去極值求平均值法計算出有效壓力值。計算公式如下：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，氫瓶內溫度也是氫瓶安全狀態(tài)的一個重要指標。與壓力檢測相似，HMU每100ms采樣一次溫度，根據(jù)最近連續(xù)6次采樣的結果采用去極值求平均值法計算出有效溫度值。計算公式如下：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。在獲取下一個有效值時HMU將重新采樣6個新值，再采用上面的公式得到一個新有效值。儲氫系統(tǒng)安全包，含3方面的內容：一是加氫時當HMU檢測到儲氫系統(tǒng)壓力超過35MPa或低于5MPa時，HMU將向VMS(VehicleManagementSystem)發(fā)送氫瓶壓力高或氫瓶壓力低的提示信息，當檢測到儲氫系統(tǒng)壓力超過36MPa或低于4MPa時，HMU將立即向VMS和加氫機發(fā)送停止加氫及氫瓶壓力過高或氫瓶壓力過低的報警信息；二是當HMU檢測到儲氫系統(tǒng)中氫瓶的溫度超過80°C或低于0°C時，將立即關閉電磁閥V1和V2，并將氫瓶溫度過高或氫瓶溫度過低的報警信息發(fā)給VMS和加氫機請求結束正常工作；三是供氫時當HMU檢測一級減壓閥輸出端的壓力HP2壓力超過1.8MPa或低于0.5MPa時，立即關閉電磁閥V1和V2,并將管路壓力過高或過低的報警信息發(fā)給VMS請求結束正常工作。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湎到y(tǒng)布置，在前艙、乘員艙、后艙和排氣管上各裝了一個氫氣泄漏檢測傳感器，分別是HL1、HL2、HL3和HL4。其布置詳見圖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布置的，這樣基本解決了對整車氫氣泄漏監(jiān)控的要求。尾排氫泄漏傳感器HL4主要檢測燃料電池堆排出混合氣體中氫氣濃度。通過氫氣泄漏傳感器可以檢測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際上是檢測某一點氫氣聚集的濃度，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。在車輛行駛過程中，HMU將每隔100ms采樣一次4個傳感器的值，并將每個傳感器的最新采樣得到的6個值去除最大值和最小值，然后再將剩下的4個采樣值求平均值即得到一次采樣有效值。如下是計算公式：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個氫濃度傳感器（除HL4外）的值中取一個最大值作為燃料電池車的氫泄漏報警值。依此往復。HMU還會將采集到的所有4個傳感器的值發(fā)送給VMS。任何一個傳感器超過了報警限，HMU將向VMS發(fā)送報警信息，并采取相應的措施。HMU將氫泄漏報警分三級，分別是輕度泄露報警、中度泄露報警和緊急泄漏報警。輕度泄露報警是指當空氣中的氫氣含量超過1%（在1000-5000ppm范圍內）時，HMU將提示司機有輕度氫氣泄露，需要注意。而中度泄露報警是指當空氣中的氫氣含量超過5%（在5000-10000ppm范圍內）時，HMU將提示司機現(xiàn)在有較嚴重的氫氣泄露，需要立即停車檢查。緊急泄露報警是指當空氣中的氫氣含量超過1%（10000ppm以上）時，HMU將提示有緊急泄漏報警，HMU將進入Error處理模式，即HMU立即關閉V1和V2.兩個電磁閥，并向整車管理單元送出緊急報警信息，同時HMU還將通過硬線將報警信號及報警等級發(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)送報警等級的方法見圖3。通過這根線上的信號，HMU可以控制儀表上的氫氣泄露報警指示的閃爍頻率來指示報警等級。4整車應急安全除了儲氫系統(tǒng)安全和氫泄漏安全以外，整個氫系統(tǒng)還有一級安全系統(tǒng)，主要是為了應對出現(xiàn)緊急情況時（如氫氣泄漏超過1%、出現(xiàn)車輛碰撞、緊急開關被按下或燃料電池堆出現(xiàn)緊急故障等），系統(tǒng)除了通過CAN總線傳輸報警信息外，還專門設計了由硬線連接的系統(tǒng)應急安全線，以保證系統(tǒng)的立即有效響應。具體的硬線連接請見圖4。從圖4可以看出，安全線由急停開關、碰撞開關、氫氣管理單元輸出控制端、整車控制單元輸出控制端控制，一旦碰撞開關或急停開關斷開，安全線將從高電平被拉到低電平，整個系統(tǒng)進入緊急處理狀態(tài)，即氫氣管理系統(tǒng)停止供氫并報警提示。在這個安全系統(tǒng)中，整車管理單元一旦發(fā)現(xiàn)整車有異?；蛉剂想姵囟延挟惓⑼ㄟ^輸出控制端把安全線拉為低電平，使系統(tǒng)進入緊急處理狀態(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)所有與此有關的部件，以便這些部件及時進行應急處理，保證人員及車輛安全。5結語該氫氣安全系統(tǒng)在實際實施過程中，利用產(chǎn)品化的可靠PLC控制器平臺，進一步增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并快速實現(xiàn)在燃料電池汽車中