丰田“Mirai”高压氢气储存系统的开发

摘要目前的加氢站正在使用恒定分配器压力斜坡率方法。当重型车辆流量增加时，会产生较大的压力损失，从而减慢加油速度。这项研究开发了一种新方法（cTPR方法），该方法通过补偿管道压力损失来实现罐内恒定的压力斜坡率，而无需来自车辆的任何反馈。加油模拟证实，随着最终气体温度的降低，加油时间缩短了-49s。测试证实，cTPR方法只需改变控制即可实现，无需任何硬件修改。关键词燃料电池汽车、加氢站、加油HDV、压力损失1.介绍美国汽车工程师学会（SAE）制定了高压氢气安全加注J2601-1标准[1]，为燃料电池乘用车（轻型车：LDV）加氢，并采用查表法（L/T方法）于2014年发布。根据ANSI标准[2]等要求，加氢时车辆油箱内的温度需要在85℃以下，因此氢气被冷却（预冷）至-40℃左右C用于加油。本田独立研究加氢技术[[3]、[4]、[5]]，开发出MCFormula加氢方法，即使预冷氢气温度波动，也可以实时可变地控制压力斜坡率。该方法被SAEJ2601-1(2016)[1]采用，将加油时间缩短了-30%左右。实际市场的加氢调查结果[6]显示，燃料电池汽车氢罐内的温度仅达到70℃左右。这些结果表明，建模场景裕度过大，预冷温度可以放宽。HONDA、ENEOS和TOKICOSystemSolutions在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助下进行了研究[7]，以放宽预冷温度。开发了MC多图（MC-MM）方法，根据加氢管系统的热容量和FCV的初始压力，具有多个加氢控制图。MC-MM可以反映前一辆车因加油而导致的管子冷状态。这使得可以放宽预冷温度。MC-MM被采纳为JPECS0003(2023)[8]。为MC-MM开发的热质量测量方法被采用为新的JPECS0012（2023）[9]。这些LDV加油方法以恒定速率升高加氢站加油机的压力，因此此处将它们称为恒定加油机压力升高速率方法（图1-A）。图1现有方法与新方法压力控制方法的差异。另外，这是基本上不使用FCV传感器信息，仅使用站侧传感器的信息进行流量控制的前馈方法。该方法具有以下优点。1.站内压力控制简单2.FCV上的简单且廉价的系统3.即使由于某种原因加油暂时中断然后恢复，压力斜坡率（PRR）也与第一次PRR相同，并且稳定性很高。4.特别是在低压时，压力损失大，流量受到限制。5.油箱内压力逐渐上升，但由于管压损失，加油结束时不易达到结束SOC，加油时间延日本经济产业省（METI）宣布推广大型卡车（重型车辆：HDV）等燃料电池汽车[10]，NEDO于2017年建设了“福岛加氢技术研究中心”[11]。日本福岛县浪江町。HDV的油箱内容积比LDV大一个数量级。由于流量大，即使HRS（加氢站）加氢管直径增大，管压损失也增大。因此，恒定分配器压力斜率方法存在以下问题。需要较高的分配器供应压力来增加低压下的流量，但这与恒定分配器压力斜坡速率方法的概念相反。卢等人。提出了两阶段APRR方法[12]。而SAEJ2601-5TIR[13]也提出了PRRTAPER方法。这些在加油过程中改变了PRR，那么还需要两个参数，即PRR何时改变？以及如何改变？在美国，国家可再生能源实验室（NREL）为重型汽车建造了一座实验加氢站[14]。在欧盟，一个名为PRHYDE[15]的研究项目从2020年起进行了两年。代替恒定分配器压力斜坡率方法，提出了一种方法（MCFormulaThrottle），其中来自温度传感器的信号该罐被反馈到站并用于流量控制。另一种容易想到的选择是反馈FCV压力传感器信号的方法。这些方法可以通过相对简单的控制来处理HDV的高压力损失。此外，还提出了一种结合实时模拟的方法[16]。但实际上存在以下问题。6.FCV传感器需要与站点和定期检查相同的精度水平。7.尤其是在检查罐内温度传感器时，需要将罐内的氢气全部排出，维护成本极高。8.由于所有燃料电池汽车都涉及到加站的压力爬坡率控制，相关零部件的数量增加了几个数量级，市场上的故障率也大幅增加。9.FCV车主往往是个人，也存在非法改装等可能性。因此，这种反馈方式增加了用户的维护成本负担，也给加油安全保障带来了问题。换句话说，需要一种加油方法来解决HDV特有的压力损失问题，同时像以前一样使用前馈方法。但由于加氢站是由不同厂家建造的，规格也不尽相同。同样，燃料电池汽车也有多种型号，每种型号都有不同的油箱尺寸和管道。即使是同一型号，由于过滤器堵塞状态等，压力损失状态也会不同。换句话说，商业加氢站的一个特点是每次加油时压力损失状态不同。流体工程中众所周知，即使采用相同的管道系统，由于压力、流量和温度的变化，压力损失也有很大差异。需要先进的理论来处理这种动态变化的压力损失。本田发明了一种新的控制方法，实现了高压力损失的前馈加油方法。作者小组自2023年6月以来一直在用这种新方法开发一种新的加油协议技术[17]。本文介绍了这种新的控制方法2.发展目标开发了一种高压力损失加氢新方法，其目标如下。(1)基本上不使用FCV信号的前馈方法。(2)加油时间可以缩短和控制。(3)只需改变控制方式即可实现。3.新控制方法的开发采用以下三种技术，通过前馈控制实现高压力损失条件下更短的加油时间。(1)FCV储罐（而不是分配器）中的恒定压力斜坡速率。(2)加油机测量每次加油时的管压损失状态。(3)管道压力损失得到补偿，分配器提供更高的压力。由于罐中的压力以恒定速率斜坡上升，因此该方法被命名为恒定罐压斜坡速率(cTPR)方法。图2显示了整个控件的图像。图2.新的压力控制3.1.恒定罐压变化率（cTPR方法）如引言中所述，恒定加油机压力斜坡率方法不适合具有高压力损失的车辆。因此，2021年11月，作者独立设计了cTPR方法（图1-B），其中恒压爬坡率方法的压力控制参考在罐中，而不是在分配器中。由于无论管道压力损失如何，油箱中的压力都会以恒定的速率上升，因此加油结束不会延迟。此外，即使暂停也能保持加油的连续性。cTPR方法通过反馈FCV的压力传感器信息很容易实现。然而，由于引言中描述的原因，反馈方法并不可取。因此，为了通过不使用FCV的压力传感器信息的前馈方法来实现cTPR方法，需要补偿管压力损失。该技术的关键在于如何量化压力损失，并将其纳入加油控制中，压力损失因管道状态和流量等因素而变化很大。结合求解罐体状态方程和可压缩管压力损失方程，建立了站内压力控制方程。3.1.1.cTPR方法中的储罐压力引入假设时间t以方便数学处理。罐内的压力斜坡率标记为，当t=0时压力为零。方程式(1)给出了罐压力。3.1.2.真实气体方程的简化首先，获得方程中压力所需的氢气质量流量。1.由于FCV加氢采用高压，无法用理想气体处理，需要真实的气体方程。通常众所周知的方法是使用压缩因子Z(P，T)来处理式(3)中的气体状态方程。然而，由于Z是P和T的多项式函数，因此无法解析处理。尽管可以通过重复计算获得收敛解，但是希望通过在氢气加注器中进行控制来减少计算负荷。尝试使用范德华状态方程(方程(4))来获得下文中描述的加油控制方程，但由于项数较多，这是一个挑战。因此，进行了以下简化。式(4)中，a反映分子间吸引力，影响低温下的凝结现象，b反映分子体积的影响，影响高压下的压缩系数。燃料电池汽车加氢时，压力达数十兆帕，温度在85℃左右。因此，认为b的影响占主导地位，a的影响可以忽略不计。这在这里被称为简单的范德华方程（方程（5））。图3所示为气体温度45℃和85℃条件下式（6）与NIST[18]密度值的比较结果误差小于0.4%，表明简单的范德华方程具有足够的实际使用精度。图3.通过新方程计算氢密度作为参考，压缩因子Z可以从简单的范德华方程导出。将方程(5)展开得到方程(8)，因此Z如方程(9)所示。附带说明一下，作者尝试将简单的范德华方程应用于传统的恒定分配器压力斜坡率方法，但无法求解。这提出了更大的数学挑战。需要注意的是，式(11)中的内容积V是影响下文整个控制的关键参数。需要测量内部容积并确认TV正确，而不是照原样使用所通信的加油信号发送的内部容积值(TV)。3.2.补偿管压损失为了实现具有前馈控制的cTPR方法，站必须提供压力来补偿管道压力损失。管道压力损失还受到车辆和车站管道的形状以及过滤器和其他部件的堵塞程度等因素的影响。这就需要每次加油时了解管子的压力损失状态。HONDA报道了一种在LDV加氢站加油时利用停止加油时的压力波动来实时获取从加油机到FCV储罐的压力损失系数k0的方法[20]。该方法用于补偿管内压力损失。图4.k0对P分配器的影响与传统的恒定分配器压力斜坡率方法不同，cTPR方法的特点是初始供应压力较高，并且分配器压力在100秒左右之前相当恒定。此后，分配器压力开始增加并接近罐中的压力。这是因为当压力升高时，气体密度升高，体积流量减小，因此压力损失减小。3.5.与传统方法的比较通过手动操作的Excel数据生成和NREL的H2FILLVer.3.1[21,22]进行模拟，以将cTPR与恒定分配器压力斜坡率进行比较。3.5.1.模拟条件作为cTPR的一个例子，计算了具有大压力损失的大体积情况。选择SAEJ2601-5（截至2023年7月讨论中）最大的内部容积为5000L的储罐作为模拟模型。其他条件为Tamb=25°C，热均温度=33.3°C，初始压力=5MPa，预冷温度=-26°C（T20的上限）。SAEJ2601/5的最大流量(300g/s)限制压力斜坡速率=5.2MPa/min。之前使用H2FILL进行的模拟显示，SAEJ2601/5管模型的k0=8.42×109m-4。点胶机压力通过Excel工作表计算并作为“供应条件”输入到H2FILL中。3.5.2.仿真结果图5-A示出了压力计算的结果。cTPR方法的加油时间比传统方法缩短了-49s。尽管cTPR方法的最高温度比传统方法低-1.2°C，但即使加油时间较短。由于cTPR的流量较高，早期cTPR的气体升温速率高于传统方法。因此，气体和罐壁之间的温差越大，传热效果越好。因此，假定最终气体温度较低。图5两种方法的比较图5-B示出了质量流量计算的结果。cTPR方法的最大质量流量高于传统方法。在cTPR方法中，质量流量在加油开始时最高，然后依次减小。这是由于压缩因子的影响，特别是等式(11)的分母中的b的影响。图5-C示出了温度计算的结果。即使加油时间较短，cTPR方法的最高温度也比传统方法低-1.2°C。由于cTPR的流量较高，早期cTPR的气体升温速率高于传统方法。因此，气体和罐壁之间的温差越大，传热能力越高。因此，假定最终气体温度较低。3.6.流程图传统的内容积检测是根据添加少量气体所产生的压力变化来计算内容积。然而，如果内部容积较大，则压力变化会变小，因此精度会变差。本田提出了一种通过将主加油纳入内容积检测来提高精度的方法[23]。这种方法适用于大容积的罐体。初始压力测量后，以暂定内容积和k0开始主加油，然后在加油30s（暂定值）后停止一次。由于cTPR方法不会以恒定速率增加分配器压力，因此它是按时间分段的。测量罐内的压力并计算内容积和k0。图6显示了新加油方法中压力变化的图像。此后，基于测量的内部容积和k0继续加油。图6.新方法中的压力变化。图7.新加油控制流程图。4.实验采用LDV储罐进行了小规模验证测试，以确定cTPR方法是否可以在实际的LDV加氢站中实现。验证内容包括以下两点。(1)cTPR方法可以通过简单改变控制来实现吗？(2)k0方法适用于实际加氢站吗？4.1.实验设施测试是在位于日本山梨县甲府市的HySUT氢技术中心(HTC)[24]进行的。控制PLC的CPU单元是加氢站已经使用的通用CPU单元，并且软件进行了部分修改。4.2.试验罐及车辆一辆配备第一代MIRAI油箱系统的卡车正在加油。由于LDV的油箱系统压力损失较小，因此采用在加油路径上增加针阀来增加压力损失的装置（压力损失单元，图8）来增加压力损失。图8.HTC的附加压力损失装置。4.3.检测结果4.3.1.压力验证图9显示了压力的转变。分配器供给压力（红色实线）很大程度上跟踪目标控制压力（浅蓝色虚线）。在某些时期，压力在205秒左右无法很好地跟踪，但这是由于切换蓄压器组和压降而导致的，而不是控制问题。罐中的压力（蓝色实线）以大致恒定的速率上升。但加油前半程压力降至2MPa左右。这将在下一节中描述。图9.新压力控制的测试结果。因此，即使使用现有的加油机，也有望通过简单地改变控制软件而无需改变硬件来实现罐内恒定压力斜坡率的加油。4.3.2.质量流量的验证图10显示了质量流量的转变。质量流量（红色实线）直到70秒才能跟踪目标（黑色虚线）并且几乎恒定。流量限制似乎是由于管内粉化而发生的。另一方面，质量流量从70s到190s都超过了目标。直到70秒之前，似乎由于罐压不足而发生了过量流量。这样，阻塞结束后，流量不足的情况就自动恢复了。图10。质量流量测试结果顺便说一句，在加油结束时，即几乎最高温度时，质量流量与原始目标相同。然后窒息的效果就消失了。4.3.3.压力损失系数k0的验证当加油增大后30秒有意暂停气流时，自动测量不同条件下的许多k0。图11表示k0的分布。即使硬件和设置一致，平均k0为2.41±0.14×1011m−4，分布率为6%。条件和k0之间没有显着的依赖性。压力测量不得出现6%级的误差。另一方面，质量流量由方程(12)求平方。该计算和质量流量传感器的响应可能会增加误差。图11。k0的测试结果5.讨论5.1.人为错误检测由于cTPR方法在时间-压力图中具有直线，因此通过人的检查很容易发现错误。这是cTPR方法的好处之一。其他方法压力曲线复杂，不易察觉误差。5.2.压力损失方程方程（12）基本上适用于非压缩流，并且与具有阻塞的声速流不匹配。另一方面，JISB8390-1[25]或ISO6358–2:2013[26]为气动流体动力系统提供了声波传导方法。它可以计算亚音速流和音速流。但亚音速流中的压力损失太小，与试验结果不符。然后我们放弃了声波电导法。k0方法在加油的后半段表现出更好的效果。5.3.地图制作根据作者要求，H2FillSVer.之后3.0具有自动循环计算功能，制作PRR图。然而，H2FillS或动态模拟[[27]、[28]、[29]]只能计算恒定的分配器压力斜坡率。需要对软件进行修改才能计算cTPR的图。在我们的项目中，九州大学一直致力于修改动态模拟。6.结论发明了一种新的加氢方法（cTPR方法），在高压力损失的加氢中，在不增加车辆和维护成本的情况下，缩短加氢时间并保持加氢质量。(1)采用与之前相同的前馈方法，并且车辆传达的加油信息基本不用于压力斜坡率控制，因此FCV成本没有增加。(2)采用以恒定速率升高车辆油箱压力的cTPR方法来消除管压损失的影响。(3)加油机采用k0法预测管内压力损失，通过补偿压力损失进行加油。(4)即使在传统站中，该方法也可以通过简单地改变软件来实现。本文来源；Hydrogenrefuelingmethodforheavy-dutyFCVwithpressurelosscompensation来源：气瓶设计的小工程师