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70Mpa燃料电池车载储氢系统控制研究

发布日期:2021-08-19        新闻来源:网络

张乐 乐煜 王惠荣

(上海舜华新能源系统有限公司,上海 202008

【摘要】针对70Mpa燃料电池车载储氢系统进行研究,车载储氢控制系统通过与氢系统的瓶阀、高压压力传感器、中压压力传感器、氢浓度传感器、温度传感器相连接对储氢系统进行数据采集及控制,同时通过CAN通讯与外部信号进行信息交互,通过与外部加氢机进行数据通讯,实现储氢、供氢、加氢及安全监测等功能。

主题词:70Mpa燃料电池车  车载储氢控制系统

 

前言

气候变化是目前全球最重要、最紧迫的议题之一,在全国两会政府工作报告中,明确提出了我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和。能源的角度来看,要实现碳中和、碳达峰目标,需要更多地发展可再生能源。其中,氢气具有来源多样化、驱动高效率、运行零排放等特征。而燃料电池汽车则可以广泛地应用于交通、建筑、工业和更高效的储能领域,可推动汽车产业碳达峰、碳中和的目标的如期达成

车载储氢系统作为燃料电池车的重要组成部分,主要承担着能源供给等功能,通过供应稳定压力的氢气给燃料电池进行发电,驱动整车行使。该系统由储氢、供氢、加氢等三部分组成,管阀件及传感器种类繁多,由于氢气的易燃易爆、密度小、易扩散等特性,车载储氢系统需要一套完备的控制系统保证整车运行的安全。本文通过对70Mpa燃料电池车载储氢系统进行研究,以某乘用车项目为例,针对车载储氢控制系统进行阐述。

车载储氢系统及控制系统的描述

车载储氢系统主要气瓶、瓶阀、加氢口、减压阀、压力传感器、安全阀等组成(图1)。瓶阀内部集成了电磁阀、温度传感器等功能,通过瓶阀的开启关闭实现氢气供给的连通与切断;减压阀主要是将氢瓶内的高压压力(0-70Mpa)减压阀至满足燃料电池工作的额定压力范围内;加氢口通过与外部加氢机连接实现氢气的加注功能。

 

1 车载储氢系统结构示意图

车载储氢控制系统由氢控制单元(HCU)及红外控制模块(IRM)组成。氢控制单元通过采集瓶阀内部的温度传感器信号,高压压力传感器信号,中压压力传感器信号,氢浓度传感器信号对氢系统的状态进行安全监控;通过与整车控制器(VCU)进行CAN通信,接收整车的指令,控制瓶阀开启关闭,实现气源供应与切断功能;通过与红外控制模块进行CAN通信,发送加氢相关指令,实现氢气加注功能;

 

 

2 车载储氢控制系统电气示意图

车载储氢控制系统控制策略设计

根据上述车载储氢系统功能描述结合整车需求,储氢控制系统主要包括以下5个方面的功能:

1)提供燃料;

2)补充燃料;

3)传感器信号采集监控与故障诊断;

4)氢气剩余质量百分比计算(SOC);

5)休眠功能;

下面将对功能进行详细介绍。

3.1 提供燃料

整车控制器(VCU)通过CAN向氢控制单元(HCU)发送模式选择信号,HCU根据指令进行模式切换,根据整车控制器指令实现瓶阀开闭。其中维护模式主要用于检修及氢气置换时使用。控制流程图见图3。

1)维护模式:

VCU通过CAN发送“瓶阀1开启”“瓶阀2开启”指令,HCU强制控制对应瓶阀开启;VCU通过CAN发送“瓶阀1关闭”“瓶阀2关闭”指令,HCU强制控制对应瓶阀关闭。

2)自动模式:

VCU通过CAN发送“启动”指令,HCU检测氢系统故障,无欠压故障、无对应瓶阀的温度过高故障无加氢使能信号温度传感器故障,瓶阀开路故障,HCU控制对应瓶阀开启;

 

3 瓶阀控制流程图

3.2 补充燃料

整车控制器(VCU)向氢控制器(HCU)单元发送加氢指令,氢控制器收到信号后与红外控制模块(IRM)进行CAN数据交互,条件满足后,红外控制单元将相关数据通过红外线与加氢机进行无线通讯,实现车辆加氢,加氢交互流程见图4。具体流程如下:
1)IRM与HCU建立握手信息,模块接收HCU发送来的车辆加注系统类型、车辆红外模块系统版本、车辆氢瓶容量、车辆加注类型信息;

2)IRM校核数据是否正常,如异常则停止加氢流程,并将报警信号通过CAN通信反馈给HCU;
3)模块接收HCU发送来的车辆加注过程状态、车辆加注压力、车辆氢瓶温度。
4)模块将数据转换为红外线,通过红外的形式,按照SAE-J2799[1]SAE J2601[2]的通讯制式要求,将车辆加注系统类型、车辆红外模块系统版本、车辆氢瓶容量、车辆加注口类型、车辆加注过程状态、车辆加注压力、车辆氢瓶温度等信息发射到加氢机,加氢机根据指令进行加注操作。

 

 

4 加氢交互流程

3.3 传感器信号采集监控与故障诊断

传感器信号采集与故障诊断主要包括:温度传感器信号采集与诊断、氢浓度传感器信号采集与诊断、压力传感器信号采集与诊断、瓶阀电磁阀故障诊断等。

  1. 温度传感器信号采集与诊断

氢控制单元(HCU)采集瓶阀温度传感器输入信号,根据传感器特性表,判断传感器采样是否在传感器检测信号范围,如不在正常范围,输出传感器故障。

HCU将采样值换算为实时温度,根据不同的阈值判断对应的故障等级并输出对应的故障码,通过CAN总线向整车发送报警信息。故障报警等级及阈值设定例举如下:75℃<温度≤80℃,且持续1s,设定为轻微报警;80℃<温度≤85℃,设定为一般报警;温度>85℃,且持续1s,设定为严重报警。整车根据不同的报警等级,进行不同的逻辑处理。

  1. 氢浓度传感器信号采集与诊断

氢控制单元(HCU)采集输入氢浓度传感器信号,采样周期为10ms,根据传感器特性曲线,判断传感器采样是否在传感器检测信号范围,如不在正常范围,输出传感器故障。

HCU将采样值换算为实时氢浓度,根据不同的阈值判断对应的故障等级并输出对应的故障码,同时通过CAN总线向整车发送报警信息;故障报警等级及阈值设定例举如下:5000ppm<氢浓度≤15000ppm,且持续1s,设定为轻微报警;15000ppm<氢浓度≤25000ppm,且持续1s,设定为一般报警;氢浓度>25000ppm,且持续1s,设定为严重报警。整车根据不同的报警等级,进行不同的逻辑处理。

  1. 压力传感器信号采集与诊断

氢控制单元(HCU)采集高压和中压压力信号,采样周期为10ms,根据传感器特性曲线,判断传感器采样是否在传感器检测信号范围,如不在正常范围,输出传感器故障。

HCU将采样值换算为实时压力,并在瓶阀开阀3s后,根据不同的阈值判断对应的故障等级并输出对应的故障码,同时通过CAN总线向整车发送报警信息。

  1. 瓶阀电磁阀故障诊断

氢控制单元(HCU)通过内部采样电路检测瓶阀的端电压与工作电流,根据瓶阀的数据手册设定的阈值,判断是否存在短路、过载、开路故障,输出相应的故障码及故障等级,通过CAN总线向整车发送报警信息。

3.4 氢气剩余质量百分比计算(SOC)

氢气剩余质量可以有效的表征氢瓶内气体使用情况,整车可以根据此数据评估续驶里程及能耗。根据GTR133】标准中的质量计算公式,氢控制单元(HCU)通过当前温度、压力、体积计算当前瓶内质量M0。

HCU通过当前体积、氢瓶数量计算瓶M总(70Mpa、15℃)及M总(2.5Mpa、15℃)时的质量。

当前质量减去M2得出有效质量。M1减去m2得出加满氢气的有效质量。两者相除得到SOC。

公式如下:

 

 

3.5 休眠功能

由于燃料电池的特性,在钥匙断电后氢系统不能立即停止供应,需要等待燃料电池“吹扫”完成方能断电休眠,控制逻辑如下:

1)氢控制单元(HCU)接收到钥匙信号丢失后,至多300s进入休眠状态(燃料电池关机时间一般小于300s);

2)通过CAN总线交互,当HCU检测到燃料电池关机完成后,将本次运行的氢气质量及故障码等数据存入控制器数据存储区后,提前进入休眠状态。

车载储氢系统控制策略验证

通过编制测试用例,从模型在环测试到硬件在环测试,针对控制策略做了全方位的验证,并且搭建了测试台架,进行实际的测试验证,通过测试,控制系统满足输入的要求。测试过程见图5,图6;

 

车载储氢控制系统实车验证

实车验证是针对控制系统进行真实全面的测试,该控制系统搭载某乘用车在牙克石、新疆、海南等地进行了极寒、高温、耐久等上万公里极限工况测试,通过持续的优化控制策略,实现了燃料电池车辆安全稳定可靠地运行。

7为冬标路试数据图,在极低温环境下,氢系统仍然能够安全可靠的给燃料电池供应,燃料电池以50KW在发电。

8为整车在加氢站加氢,验证加氢逻辑,从曲线可以看出加氢前压力温度23℃@15.5Mpa,结束加氢时温度51℃@70Mpa,可以实现全过程加注。

 

 


 

结束语

该控制系统按照车规级开发流程进行设计开发,本文对车载储氢控制系统功能需求、控制策略、开发测试验证进行了较为详细的介绍,为后续开发人员提供了一定的借鉴。

参考文献

1】 SAE J2799 Hydrogen Surface Vehicle to Station Communications Hardware and Software

2】 SAE J 2601-2014 establishes the protocol and process limits for hydrogen fueling of light duty vehicles

3】 Global technical regulation No. 13 on hydrogen and fuel cell vehicles

 

 

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