维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年(第29卷)第4期 汽车工程 Automotive Engineering 2007(Vo1.29)No.4 2007072 客车用燃料电池系统开发研究术 卢兰光,诸葛伟林,欧阳明高,张扬军,裴普成 (清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084) [摘要] 主要介绍清华大学客车用燃料电池系统的开发流程和设计方法。 关键词:燃料电池系统;开发;客车 The Development of Fuel Cell System for City Bus Lu Languang,Zhuge Weilin,Ouyang Minggao,Zhang vangjun&Pei Pucheng Tsinghua University,StateKey Laboratory ofAutomotiev Safety andEnergy,Beijing 100084 [Abstract] In this paper,the development process and design methods of a fuel cell system for city bus is presented in detail. Keywords:Fuel cell system;Development;City bus (系统分析与设计、部件设计及系统集成与测试阶 日IJ舌 段),并不断循环优化,系统分析与设计阶段包括车 用燃料电池系统需求分析、功能设计、系统分解。部 氢空型质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效 率高、真正零排放等优点,同时氢气来源广泛,可以 不依赖石油资源,有利于国家的能源安全,因此已经 得到了世界各国的关注。特别是质子交换膜燃料电 池膜技术(如Du Pont公司Nation系列质子交换膜 的商品化)和催化技术(贵金属用量的降低)得到突 破¨J,引起全世界的广泛关注和研发热潮,如加拿大 国防部与Ballard公司的燃料电池的发展计划、中国 863电动车重大专项中的燃料电池汽车项目 J、美 国的FreedomCAR 等等。车用燃料电池系统正处 于商业化前期,预计2015年左右将商业化。为了促 进我国车用燃料电池系统技术的交流和发展,文中 将较详细介绍该系统的研发过程。 1 客车用燃料电池系统开发流程 在开发过程中参照国际上流行的集成工程环境 (IEE)思想制定了一套开发流程,如图1所示。开 发分为2个层次(系统层次和部件层次)和3个阶段 图1燃料电池系统开发流程 国家863计划电动汽车重大专项资助项目(2005AA501100)资助。 原稿收到日期为2006年3月9日,修改稿收到日期为2006年6月19日。 维普资讯 http://www.cqvip.com 汽车工程 2007年(第29卷)第4期 件设计主要包括零部件选型测试、试制件的设计加 工。系统集成与测试包括子系统集成、功能测试与 系统确认。 的系统技术、零部件的情况及系统的可靠性等因素 考虑,确定采用部件相对少、控制相对简单、系统相 2系统方案设计与分析 车用燃料电池系统根据操作压力可以分为高压 系统和低压系统,两系统有各自的特点…。从当前 对安全可靠的低压方案。同时为了提高效率,系统 需具有空气量、冷却水量随负载变化自动调节、温度 可控等功能。 车用燃料电池系统可分为电堆模块、空气系统、 氢气系统、水热系统、电气安全系统、控制系统等6 个子系统,原理图见图2。 图2客车用燃电池系统原理图 2.1空气系统 低压空气系统拓扑结构相对简单,一般由空气 过滤器、空气流量传感器、鼓风机、增湿器等组成(图 2)。流量传感器的选择是为了通过控制系统精确控 制过量空气系数,达到优化控制的目的。 低压系统空气增湿方案是影响燃料电池性能的 燃料电池系统;水一气膜增湿器利用了部分冷却水能 量,可以大幅度减小系统热负荷,同时可以提高电堆 功率;将回流增湿和膜增湿相结合,可以获得更好的 系统水管理性能。由于回流增湿增加了系统的复杂 性,因此在研究中采用水一气膜增湿方式。 关键。目前增湿方案主要有焓轮增湿、气一气膜增 湿、多孔金属泡沫增湿、尾气回流增湿和喷射雾化增 湿等5种方式,膜增湿和焓轮增湿方式被证实为最 佳的增湿方案 J,这两种增湿方式均利用反应的湿 尾气对干的进气进行增湿,并且具有换热器(冷凝) 的功能,能够较容易保持系统的水热平衡。气一气膜 增湿方式无运动部件,不需要控制,且湿度随负载变 化而自动调节,简单可靠实用,因此在系统的设计中 采用该增湿方式。 2.2氢气系统 2.3水热系统 (a) (b) (c) 1一阳极2一喷射泵或回流风机3一混合室4一膜增湿器 图3典型的阳极增湿拓扑结构 低压氢气系统主要由电磁阀、减压阀及增湿装 置及脉冲放气电磁阀等组成(图2)。增湿拓扑结构 主要有3种:氢气回流增湿、水一气膜增湿和膜增湿 加氢气回流增湿结构,如图3所示 。文献[6]通 过仿真分析认为:回流增湿方式十分适合于高压型 水热系统拓扑结构主要有单一循环结构 和内 外双循环结构 J。内外双循环结构特点是便于与 整车其它散热部件统一设计;单一循环结构系统相 对,便于温度的控制。系统采用单一循环结构。 为了今后能采用防冻液作为冷却介质(即使目 维普资讯 http://www.cqvip.com 卢兰光,等:客车用燃料电池系统开发研究 ・315・ 前采用去离子水作为冷却介质,也可以避免散热水 箱对膜增湿器的污染),同时为了能利用电堆的废 动在当地控制节点完成,从而使当地控制环对总线 信号的依赖程度降低,减小总线通信量,CAN总线 上传输的数据主要为主控节点对子节点的控制要 求,系统运行状态等。分布式控制系统由3层控制 网络组成:整车CAN网络、发动机CAN网络和单片 电压监测(CVM)CAN网络。 热、降低系统的热负荷及提高系统效率,采用氢气增 湿水循环回路和冷却循环回路两个循环,两个回路 问采用不锈钢换热器达到介质的隔离和进行热量交 换的目的。 为了尽快升高系统温度,提高系统效率,并在冬 季能对系统进行保温,采用大小循环的结构(采用节 温器),在小循环中串联加热器,同时采用膨胀水箱 3 系统部件选型与设计 进行放气与补水,减小整个水热系统的热容。 为了减小电堆中冷却液与反应气体之问的压力 差,电堆置于冷却循环的最末端。 水热系统包括冷却循环和阳极反应气体增湿水 循环。冷却循环主要由冷却水泵、换热器、节温器、 散热器、加热器及被冷却的电堆等组成;阳极增湿水 循环由增湿水泵、水—气膜增湿器、增湿水箱等组成。 2.4电气与安全系统 电气与安全系统包括低压控制电气、高压电气、 氢安全和电气安全等,整个系统由安全互锁电路、风 机、水泵、加热器等用电设备的供电电路组成。 从安全考虑,须在电堆电源输出的地方安装直 流接触器,起到切断或允许功率输出的作用;并加装 反向功率二极管,防止电堆的逆向电解。每一个电 气子系统的电源输入都配有保险管或熔断器;在电 源处理单元中有防电压反接功能。 从系统的电磁兼容性考虑,对不同用电种类的 子系统分别供电。 从安全冗余的角度考虑,除了控制系统的软件 保护外,还需增加的紧急安全互锁控制回路,包 括氢泄漏、超温(包括阴极出口温度和冷却剂出口温 度)、电堆氢氧压差超限、驾驶员紧急停机等保护功 能,任何一个紧急故障的出现将自动触发停机,起到 自动保护系统的功能。 2.5控制系统 分布式控制具有接线简单,调试方便,升级灵活 和电磁兼容性好的优点,尤其适用于较大较分散的 被控对象。燃料电池客车,子系统的功能相对。 且部件往往分散安装在不同的位置,一般宜采用分 布式控制,Ballard公司的燃料电池系统就采用3层 CAN网络的分布式控制 。 文中系统采用分布式控制系统方案。子系统成 节点是主要设计思路,空问距离接近原则和功能集 中原则为辅助设计原则。这样的设计能够保证控制 算法具有很强的模块性,即尽可能使采集、运算和驱 3.1 空气系统部件选型与设计 系统需要的空气流量 i 为 rh出:3.57×10一 A× ×60 (1) … P 式中 为单电池电压,一般额定工况时取0.7V,过 载工况取U =0.66V;|p为标准状态下空气密度取P =1.293kg/m ;P 为电堆功率,额定工况取P = 71kW,过载工况取P =85kW;A为过量空气系数, 一般取A=2.5。由此计算得出系统需要的空气流 量:额定工况时为 i =4.20m /min,最大工况时为 i :5.3m /min。 另外,需要估算系统的阻力特性。除管道外,系 统阻力主要由空滤器、流量计、增湿器和燃料电池堆 产生。因此,需要先选定空滤器总成、增湿器和燃料 电池堆。 燃料电池堆模块阻力由合作厂家提供,在空气 最大流量时的压力降为10kPa。 空滤器总成的选型原则是尽量采用现成的车用 产品,其选型方法有2种。 (1)根据燃油消耗率方法计算 假设内燃机燃油消耗率为22Og/kW・h,则 100kW功率1h油耗为22kg,即0.37kg/min,而燃油 理论空气量(完全燃烧)Lo=11.4m /kg。所以。 100kW的汽油机(过量空气系数取1.0)的耗气量约 为4.5m /min。 ’ (2)从汽油热值来计算 100kW的汽油机1 min的能耗为6000kJ/min。汽 油热值约为44MJ/kg。假设发动机的热效率为 33%,则发动机的油耗量约为0.41kg/min。燃油理 论空气量(完全燃烧)Lo=11.4m /kg。所以100kW 的汽油机的耗气量约为4.7m /min。 从以上2种计算方法均可得出输出功率为 65kW的燃料电池系统与120kW的汽油机所需的空 气量相当。因此选择最大功率为120kW发动机的 维普资讯 http://www.cqvip.com 汽车工程 2007年(第29卷)第4期 空滤器总成即能满足系统的要求。由于车用空滤器 总成外形与燃料电池系统不配,因此对其外形进行 了设计制作。通过对空滤器总成阻力特性的测试, 空滤器总成的压降为0.5kPa。 增湿器采用气—气膜增湿,一般增湿器根据最大 流量时的露点温差来选择。电堆湿度的操作范围为 6o%~100%,且低压电堆工作温度为65℃,因此最 大流量时露点温差在1O℃以内即能满足要求。增 湿器阻力特性可以从产品性能中得到,最大流量时 的压降为8kPa。 根据选择的部件,采用CAD获得空气系统的草 图,计算出管的长度,弯头个数;根据允许流速设计 管道直径。计算结果管道通径为3in。利用流体计 算方法估算出系统管道阻力约为1.5kPa。由此得 出系统总的管道特性曲线如图4所示。根据管道曲 线选择对应的鼓风机。由管道特性曲线和鼓风机特 能曲线估算鼓风机的工作点,即图4两条曲线的交 点。鼓风机工作点压差约为24 kPa,流量约为 4.8m /min,满足电堆需求。 空气流 ̄/m3.min 图4管道阻力曲线与鼓风机匹配图 3.2氢气系统 氢气系统关键部件为减压阀、增湿器。选择减 压阀必须考虑阀的流通能力。最大氢气流量出现在 脉冲排气时刻,为了达到排水要求,最大氢气流量大 约选取为最大反应率的5倍左右。氢气反应率南 可由下式计算。 r/-/‘2,H: — ×22.4× 2・4×60 (2)(2) 式中P 为堆输出功率; 为单片工作电压,取 0.66V;F为法拉利常数,F=96485C。 因此燃料电池堆要产生85kW的功率,反应的 氢气量为897L/rain。选择最大流量为4500L/min 左右(在工作压力下)的减压阀即可。 增湿器为水一气膜增湿器,选择原则与气一气膜 增湿器相似。 为了便于脉冲流量的调节,在脉冲电磁阀后加 装可以变截面的手动阀。∞ 如 加=2 m 0 3.3水热系统 水热系统主要的选型或设计部件为水泵、换热 器、节温器、散热水箱。 首先计算冷却系统的流量,一般在最大负荷时 电堆效率为50%,则系统需要散热功率为85kW。 由式(3)可以计算水泵的流量。 crhwaterAT=Q (3) 式中C为冷却水定压热容,C=4.18kJ/kg;rn 。 为冷 却水质量流量,kg/s;AT为电堆冷却剂进出口温差; Q为散热功率。计算得出冷却水流量为10.4m /h; 再根据系统的管道阻力选择水泵。 换热器选择原则是保证阳极增湿得到足够的热 功率,电堆阳极湿度要求80%~100%。选择最大 功率时增湿水温与冷却剂温差为5 ̄C即能满足要 求。 低压燃料电池一般工作在6O℃左右,选择节温 器的大循环开启与全开时的温度分别为48℃和 58℃。 燃料电池的工作温度较低(最小达到2O℃),与 环境的温差较小,一个普通的车用散热器不能满足 需要(普通散热器设计温差为6O℃左右),可采用多 个散热器组合。经过测试,系统需要4个即可。 3.4电气与安全系统 根据方案设计及电流、电压容量来选择布置电 气元件。 3.5控制系统[12](1)系统组成 控制系统方案如图5所示,系统由整车接口的 网络、燃料电池系统网络和单片电压采集(CVM)网 CAN总线 I (1)整车网络 32位平台:主控制器、 Pc-单片采集管理节点 程&监控在线编I广]制器MCU l主管理控 单片电压采 CAN总线I (2)燃料电池陂动机网络 集管理节点 (CVMM) 州 供气系统0水热系统ll电气系统l 度信号 子控制器II子控制器lI子控制器lI集子节点 (GSS)ll(WHS)l l(Es)0(TAS) … 8子控制器l位平台1:l I l度采集子节点I 8位平台2:温l l l片采集子节点 8位平台3:单 图5燃料电池控制系统 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007(Vo1.29)No.4 卢兰光,等:客车用燃料电池壅 壅 络组成。系统主管理控制器负责与整车网络通信, 并管理整个燃料电池;供气系统子控制器管理空气 系统和氢气系统;水热系统子控制器管理水热系统; 电气系统子控制器管理安全与电气系统;温度信号 采集子控制器负责整个系统温度的采集,并通过 CAN网络通知各个控制器。单片电压采集管理节 点负责电堆每片电压的监控,并及时通知主节点。 (2)硬件设计 根据系统要求,选择32位单片机MC68376和8 位单片机C805117040高低搭配,分别作为主控节点 和其他子节点的平台。硬件平台的设计核心为确定 数字核心、信号处理、功率驱动、通信、电源以及电磁 兼容等。 供气系统、水热系统、电气系统子节点采用8位 C8051F040单片机,除了其64KB的在片FLASH外, 还外扩64KB的RAM,并设计有较多的输入输出通 道,保证系统通用互换性。 温度采集节点的原理在于镜像恒流源的设计, 镜像恒流源可以精确补偿由导线电阻引起的误差; 同样采用8位C8051F040单片机。 单片电压采集系统采用多片采集单板(系统根 据电堆片数不同)和一个采集管理节点组成。采集 管理节点因为计算量大,采用一_.雠..一.f一 一一 一一 ;: 32位单片机 MC68376。采集单板采用8位C805117040单片机。 采集单板硬件设计的难点在于消除累积电势、保障 采集安全、解决浮地问题。每块单板实现124路单 片电压采集,相邻光控继电器的交替导通将单片电 压顺次选通至后级处理电路,高达400V的耐压值可 保证累积电势作用下的安全;引入精密隔离运放解 决浮地问题,降低采集系统所受的干扰;精密绝对值 电路将光控继电器交替导通带来的正负跳变电压处 理为可由C8051F040的AD模块处理的单端信号。 (3)软件设计 主控制器和子控制器分别基于以MicroC/OS—II 为内核的实时操作系统和以c语言实现的有限状态 机,并对各节点的任务进行了充分解耦。图6为主 节点的软件框图。 系统网络与CVM网络均引入时间触发 (33"CAN)概念,增强了系统CAN网络的有序性,避 免了因冲突而丢帧,使各节点的工作和谐一致。通 过改造普通CAN控制器的用户软件层实现TFCAN。 虽然系统基准时间精度有所下降,软件负担略有增 大,但经过计算,基准时间精度仍能足够保证燃料电 池控制系统的要求,额外软件负担也非常小。在实 冈l1 CAN接收l ................ 周期性任务 中断触发任务 实时操作系统平台 图6主节点控制软件框图 时操作系统的管理下,主控制器周期性发出参考消 息,子控制器通过CAN网络收到参考消息后立即启 动自身定时器,除温度及单片采集节点中的背景任 务外,每个任务(如采集、通信、操作执行器)均有自 己相应的定时器时间预设值,当系统时间运行至预 设值,定时器即触发相应的任务。 开发了CAN烧写flash软件技术。系统标定采 用PC Master软件,数据采集采用NI—CAN卡。 3.6系统的CAD设计 采用Pro/Engineer软件,并用有限元软件AN— SYS建模对主支架进行校核。图7为辅助系统的模 装图。 图7辅助系统模装图 系统CAD设计分为2个阶段:(1)方案设计阶 段,根据各个子系统的方案、初步选择的部件、部件 允许布置的位置以及系统允许的布置空间(燃料电 池客车机舱尺寸),设计出系统三维模装图,并对支 架进行强度校核,将获得系统的布置结构和管路参 数(如弯头、变径接头、管长度等)提供给子系统设 计进行校核,然后根据子系统核算后修改情况,适当 对三维模装图进行完善,再反馈给系统设计,直至系 统的确认;(2)系统分解、部件绘制加工阶段。 (下转第364页) 维普资讯 http://www.cqvip.com ・364・ 汽车工程 2007年(第29卷)第4期 充,因而仍将占据一席之地;随着汽车经销商的不断 发展,拥有多个品牌特许经营权的经销商将越来越 多,多品牌专营模式会有较大发展;网络营销模式虽 然目前在汽车销售中所占比例很小,但其发展潜力 经营模式)有利时,由于因素也会对其他因素如 制造商的策略、经销商的偏好等产生影响,结果会使 该模式的市场占有率以更快的速度增加,即因 素的影响有一定的放大作用,反之亦然。 同样互联网因素对营销模式乃至整个营销模式 不可低估,发展速度将会是各种营销模式中最快的。 各种营销模式将会在较长的时期内共存,我国 庞大的轿车市场中,既存在不同需求的消费者(有的 格局的影响不容忽视,特别是随着互联网越来越广 泛地应用,将会对特许经营模式的主导地位形成有 对价格非常敏感,有的则看重品牌和售后服务),也 力地冲击。 存在不同的经销商(有的规模较小,有的则具备垄断 区域市场的实力),同时还存在着不同的制造商(有 参考文献 的实力强,有的实力弱),它们往往根据自身的市场 [1]王其藩.高级系统动力学[M].北京:清华大学出版社,1994. 拓展战略,制定相应的渠道策略。不同的营销模式 [2]王其藩.社会经济复杂系统动态分析[M].上海:复旦大学出版 社.1992. 反映这种供求关系的多样性,满足了各种不同的需 [3]贾建国.加入WTO对中国轿车市场需求影响研究[J].系统工 求,它们将在较长的一段时期内同时存在。 程理论方法实践,2001(1O). (3)和互联网等因素对营销模式的发展有 [4] 国家信息中心.2004年中国汽车市场展望[M].机械工业出版 较大影响当因素对某种营销模式(例如特许 社.2004. (上接第317页) gram FY 2004 Progress Report[R].IV.H.3,2004. 4结论 [6] 包成.车用质子交换膜燃料电池系统建模与控制方法研究 [D].北京:清华大学,2005. [7] Ogbum Michael James.Systems Integration,Modeling,and Vali— 按照制定的开发流程开发出首轮样机,包括空 dation of a Fuel Cell Hybrid Electirc Vehicle[D]. rginia:Vir- 气系统、氢气系统、水热系统、电气与安全系统、控制 ginia Polytechnic Institute and State University,2000.j 系统等,经过测试性能基本达到预期要求。 [8]Adams JA,YangW—C,Oglesby KA,OsborneKD.TheDevel— opment of Ford’s P2000 Fuel Cell Vehicle[C].SAE Paper 2000— 参考文献 01—1O61. [9] College of the Desert.Hydrogen Fuel Cell Engines and Related [1]衣宝廉.燃料电池一原理・技术・应用[M].北京:化学工业出 Technologies Course Manual,Module 5:Fuel Cell Systems[EB/ 版社,2003:160—161. 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