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MC Formula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SAE J2601-1(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TOKICO System Solutions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JPEC S0003(2023)[ 8 ]。为MC-MM开发的热质量测量方法被采用为新的JPEC S0012(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SAE J2601-5 TIR[ 13 ]也提出了PRR TAPER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(MC Formula Throttle),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。
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。