1、12014-BDB03008 车载氢气供应系统研制工作报告1. 综述供氢系统是氢燃料电池客车的燃料源头，该系统的安全稳定运行至关重要。我们本着安全、可靠、智能、低耗的思想，在借鉴国内外的相关技术规范、标准，和已有的 20MPa 氢燃料电池客车供氢系统设计经验基础上，进行了细致、严谨的 35MPa 氢供气系统设计，从系统零部件选用、关键件设计和电器控制方法等多方面采取措施，确保安全可靠。2. 供氢系统总体设计整个供氢系统分为储气瓶组、系统管路、电控单元。储气瓶组共有单瓶容量为 140 升、耐压 35MPa 的储氢瓶 9 个，各储氢瓶瓶尾装有集成围堵，瓶口装有组合阀，集成了压力传感器、温度传感器、
2、电磁阀、安全阀、减压器等多项功能，可以极大地节省空间，提高了系统的集成度，此外，由于减压器功能集成在了瓶口组合阀中，因此，供气气压出储气瓶口后即为低压，几乎将供氢的高压管路长度缩短为 0，大大提高安全程度。系统管路按功能可分为供气管路、充气管路、排放管路三部分。供气管路主要由次级过滤器、过流关断阀、手动球阀、高压针阀组成。充气管路由充气阀、球阀、初级过滤器、低压针阀等组成。排放管路为直接对大气放散的PRD 出口管路。电控单元包括供氢系统控制器 ECM、复位传感器、低压传感器、温度传感器、控制开关盒、线束等。供氢系统控制器对四个传感器进行实时监测，根据传感器数据，和来自上一级系统的控制信号，对
3、1-9 号气瓶支路的电磁阀以及过流阀和并组总路上的总阀进行控制。供氢系统控制器还可以通过 CAN 通讯向上一级控制系统汇报供氢系统数据。总之，采取的安全措施包括如下几点：a.采用组合阀，提高了系统的集成度，缩短了高压管路长度，提高安全程度。b.供气管路装有安全阀、过流关断阀，当管路发生泄漏时能自动关断。c.电控单元设计，采用逐瓶开启供气方式，安全、智能、低耗。详细配置可见供氢系统原理图和配套表。2.1 供氢系统原理图2图 1 供氢系统原理图2.2 配套表863 项目氢燃料供气系统零部件明细表序号 名称 规格 型号数量 建议供应商 备注1 加注接口 TN1 1 WEH 35MPa2 球阀 12
4、3 耐压不低于 45MPa3 过滤器 12，3 BE543M 1 耐压不低于 46MPa4 高压压力表 0-50MPa,轴向 1 加气面板用5 压力表转换接头 FNPT1/4-8 1 6 并路总成 2 耐压不低于 45MPa7 气瓶连接管 9 耐压不低于 45MPa8 组合电磁阀 8-8-8 9 带单向阀,24V9 高压氢气瓶 35MPa，140L 9 CTC 带 QF-6T 瓶阀10 集成尾堵 1 CTC 11 尾堵 9 CTC 12 组合阀 1 1 含减压器13 组合阀 2 9 不含减压器315 低压压力传感器 1 16 传感器三通 4 17 过流保护集成阀 工作压力为1400Barg氢瓶
5、电磁阀 每个氢瓶都有独立的电磁阀氢瓶手动截止阀 每个氢瓶都有独立的手动截止阀氢瓶压力安全泄压阀 每个氢瓶都有压力安全阀 泄压气体必须通过管道排出到车体外组合阀电磁阀 供电 12 VDC 满足供电范围 916 VDC手动截止阀单向阀 工作压力 350 Barg，启流压力 1psig温度传感器 量程 -2015012VDC 供电信号输出 05VDC精度：2满足供电范围 916 VDC压力传感器 量程 0 Barg400 Barg12VDC 供电信号输出 05VDC满足供电范围 916 VDCPRD 400 Barg 下开启 1105根据相关标准 GB8337 GB/T4239接口规格 37球形接头
6、溢流阀流量限制溢流阀 流量大于 400Nm3/h 自动关闭接口规格 1/2”单向阀工作压力 350 Barg启流压力 1psig接口规格 3/8”传感器及电磁阀高压氢气压力传感器 测量范围 0400 Barg供电电压 916 VDC信号输出 05 VDC该传感器测量氢瓶及高压管路中的氢气压力6低压氢气压力传感器 测量范围 040 Barg供电电压 932VDC信号输出 05 VDC该传感器测量减压后氢气出口管路的压力氢瓶电磁阀 供电 12 VDC 满足供电范围 916 VDC高压管路电磁阀 供电 12 VDC 满足供电范围 916 VDC安全阀低压超压安全阀 19.5 Barg 下开启 具体数
7、值可做更改接口规格 1/2”加注口氢气加注受气口 WEH TN5 工作压力 350barg，含50m 过滤器接口规格 1/2”过滤器工作压力 350Barg过滤粒径 7传感器及电磁阀高压氢气压力传感器 测量范围 0400 Barg供电电压 916 VDC信号输出 05 VDC该传感器测量氢瓶及高压管路中的氢气压力低压氢气压力传感器 测量范围 040 Barg供电电压 932VDC信号输出 05 VDC该传感器测量减压后氢气出口管路的压力氢瓶温度传感器 量程 -2015012VDC 供电信号输出 05VDC 精度：2满足供电范围 916 VDC氢瓶电磁阀 供电 12 VDC 满足供电范围 916
8、 VDC高压管路电磁阀 供电 12 VDC 满足供电范围 916 VDC减压器额定减压入口压力 350 Barg额定减压出口压力 14 Barg 压力波动800 Barg1/2” 不锈钢管壁厚 0.083”3/8” 不锈钢管壁厚 0.065”管路连接方式 连接方式尽量采用卡套 螺纹密封方式采用“O-7连接 Ring”管道材料 316 不锈钢5. 电控单元设计供氢系统电控单元包括供氢系统控制器、传感器、控制开关盒、线束组成。具有如下功能：a逐瓶供气功能开关盒上开关处于“顺序开启”模式时，所有气瓶编组逐个供气，当该瓶供气压力小于设定值时，则依次顺序开启下一储气瓶供气。直至用到最后一个储气瓶。系统自
9、动记忆供气的储气瓶号，每次启动发动机，都将继续使用上一次的气瓶供气。每次加气后，储气瓶编号自动复原，从新按顺序供气。b. 全开供气功能开关盒上开关处于“全开”模式时，可同时开启所有储气瓶。c 巡检功能开关盒上开关处于“巡检”模式时在外部巡检信号下，可进行各气瓶气压巡检。先从首气瓶开始，依此打开各气瓶，并等待若干秒，待气压稳定后检查高压压力是否正常。若低于设定值则报警。d 安全报警功能运行过程中，系统根据供气管路中出现的异常高、低气压发出报警信号，提示用户及时处理，在紧急状态下，在报警的同时切断所有储气瓶：关断情况包括如下几种：1) 高压超过最高压力极限值。2) 减压器低压输出超过极限值。3)
10、外部强制关断信号报警情况包括如下几种： 1) 高压超过最高压力极限值。2) 减压器低压输出超过极限值。3) 外部强制关断信号4) 巡检时高压异常5) 目前电路处于关断状态e TTCAN 传输：供氢系统控制器支持 TTCAN 协议，可上传剩余气量、正在工作的储气瓶号、高压、低压报警状态、故障代码信息。系统连线如下图所示。8图 2 电器系统连线5.1 电器参数供氢系统控制器：输入电压：DC24V8V。输入电流：500mA(无负载时)。输出电流：DC24V8V，可为每一电磁阀提供3A 电流DC24V0.1V，可为传感器提供300mA 电流DC12V0.1V，可为显示器提供300mA 电流DC5V0.
11、1V，可为传感器提供300mA 电流控制开关盒:为无源触点信号，为控制器提供选通信号。显示器（可选件，调试用）： 输入电压：DC12V0.1V。输入电流：300mA。5.2 连线各器件之间用线束相连，具体见下图。显 示 器 线 束不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不不 不 不 /不 -不 不 不 不 不不 -不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 -24V不 -不 不 /不 -CANL不 -CANH搭 铁总 阀24V电 源 输 入大 插 头 线 束电 磁 阀 -传 感 器 线 束控 制 总 阀 及过 流 保 护 电 磁 阀显 示 器开 始 工 作 信 号开 关 盒CAN接 口
12、低 压 传 感 器温 度 传 感 器 高 压 传 感 器复 位 传 感 器10#瓶 电 磁 阀9#瓶 电 磁 阀8#瓶 电 磁 阀7#瓶 电 磁 阀6#瓶 电 磁 阀5#瓶 电 磁 阀4#瓶 电 磁 阀3#瓶 电 磁 阀2#瓶 电 磁 阀1#瓶 电 磁 阀供 氢 系 统 控 制 器（ 调 试 用 ）图 3 线束接线9在具备以下条件时，1-9#电磁阀才会打开供气：1. 系统连线正确，24V 电源已通电2. 开始工作信号（红线）为 24V 高电平3. 气路中高、低压力都正常4. 开关盒打在“顺序开启” 、 “全开” ，或“巡检”模式。总阀的打开除需具备以上条件外，还需控制总阀的两根线之间导通。5.
13、3 供氢系统电控模块原理供氢系统电控模块的详细设计可见电控单元设计报告 。供氢系统控制器硬件电路如图 4 所示。主要包括：稳压电路、微处理器电路、激磁线圈驱动电路、输入采样电路、通讯处理电路、外部看门狗电路以及报警电路。输入采样电路负责处理来自各传感器的检测信号以及外部开关的信号，将各信号转化成微处理器可接收的 TTL 电平信号送至微处理器 IO 口上，微处理器电路则根据接收到的输入信号以及内存记忆信息、进行逻辑判断，根据一定规则，决定各储气瓶工作方式，并将驱动信号传给激磁线圈驱动电路；激磁线圈驱动电路将接收到的驱动信号进行功率放大后，传输给相应的电磁阀激磁线圈，打开相对应的储气瓶。微处理器电
14、路还负责对外 CAN 通信和 RS232 通讯，将相应的工作信息传送给整车控制系统或笔记本电脑。报警电路是特意为异常情况而设的，一旦供氢系统压力异常，控制电路检测到问题后，可以马上通过蜂鸣器提醒相关人员注意。为使各电路稳定、可靠，设置了稳压电路和外部看门狗电路。稳压电路将系统外的电源电压稳定到一定值后，做为提供给微处理器电路和激磁线圈驱动电路的电源。外部看门狗电路是为了防止意外情况下微处理器死机，保持系统长期可靠运行。激 磁 线 圈 驱 动 电 路去 1n#储 气 瓶 的VHHPH 高 压 压 力 传 感 器 输 入 信 号PL 低 压 压 力 传 感 器 输 入 信 号ECM插座Ps 复 位
15、 压 力 传 感 器 输 入 信 号带 单 向 阀 的 电 磁 阀 的 激 磁 线 圈去 过 流 保 护 阀 的 激 磁 线 圈去 低 压 电 磁 阀 的 激 磁 线 圈输 入 自 检 信 号CAN总 线 微 处 理 器 电 路驱动信号稳 压 电 路 VCC输 入 关 断 信 号Ts 温 度 传 感 器 输 入 信 号输 出 剩 余 气 量 值输 入 采 样电 路RS232外 部 看 门 狗电 路 报 警电 路反馈信号通 讯 处 理 电 路图 4 电控模块原理软件采用模块化设计，图 5 所示为电控模块的工作原理流程。系统上电后，按以下步骤工作：a. 自检。首先检查自检按键状态，若按下了自检按键
16、，则依此打开各储气瓶，检测各储气瓶压力和气路是否畅通。b. 自检通过后，检查复位传感器，判断是否充过气，若充过气，则瓶号复位；10当复位传感器的压力信号超过 3MPa 时，将检查当前记忆电路中的储气瓶号是否为首个储气瓶号，若否，则恢复至首个储气瓶号，并记忆储气瓶号；c. 组织 CAN 通讯数据。d. 检查是否有按键按下，处理按键响应。e. 按照记忆打开储气瓶，并等待若干秒，使系统管路压力达到均衡；f. 检查高低压压力信号是否正常, 若否，则报警并关断储气瓶;1) 检查高压压力信号是否低于极限压力, 若否，则报警并关断储气瓶;2) 检查减压调节器 13 输出的低压压力是否在 1.1MPa 和 0
17、.7MPa 之间，若不在此范围内，则报警并关断储气瓶；3) 检查减压调节器 13 输出的低压压力是否在 1MPa 和 0.8MPa 之间，若不在此范围内，则报警；4) 检查储气瓶输出的高压压力是否小于 2.1MPa，若否，则跳过 步骤 5） ，若是，则按步骤 5）进行；5) 如果是当前供气的储气瓶是最后一个，则检查储气瓶输出的高压压力是否小于 1.5MPa，若小于该值，则报警并关断储气瓶；若大于1.5MPa，则打开全部储气瓶；h. 根据高低压压力值计算剩余气量i. 返回步骤 C 循环运行。系统上电有串行通信？吗 是否需要复位吗?复位否是自检有按键吗是否处理按键否高低压是否正常是处理串行通讯计量剩余气量打开气瓶报警或关断组织C A N 数据包图 5 软件流程图
