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车载储氢系统概述

作者：胡金金邱东葛兆凤吴学强侯欣
来源：《时代汽车》2024年第01期

摘要：车载储氢系统作为氢燃料汽车的氢气供应系统，需对其进行安全可靠的控制，才
可对氢燃料电池的正常运行提供保障。本文将车载储氢系统的结构、控制、故障判断等方面进
行了简要介绍，并对储氢系统中氢气剩余量、续航里程等参数进行实时计算，以供驾驶员参
考。

关键词：车载储氢系统储氢系统控制氢气剩余量

引言1

氢能作为一种来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁
高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通运输等领域大规模脱碳
的最佳选择。氢能及燃料电池逐步成为全球能源技术革命的重要方向。

氢能可储可输，提高氢能储运效率，降低氢能储运成本，是氢能储运技术的发展重点
[1]。氢的储存方式主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式。目前高压气态储氢在复
合材料高压气瓶方面取得很好的进展，是移动式车载储氢的主流[2]，储氢瓶是车载储氢系统
的主要部件，气瓶按照内部材质可分为铬钼钢气瓶（I型气瓶）、钢内胆纤维缠绕复合气瓶
（II型气瓶）、鋁内胆碳纤维全缠绕复合气瓶（III型气瓶）和塑料内胆碳纤维全缠绕复合气瓶
（IV型气瓶）[3]。具体分类及应用见表1。目前，35MPa碳纤维缠绕III型瓶目前仍是我国燃
料电池商用车的车载储氢方式，70MPa碳纤维缠绕IV型瓶已是国外燃料电池乘用车车载储氢
的主流技术，70MPa碳纤维缠绕III型已少量用于我国燃料电池乘用车中。

车载储氢系统的结构2及控制

储氢系统的结构2.1及加氢供氢过程

车载储氢系统主要包含：储氢系统控制器、一个或多个储氢瓶（储氢瓶口安装有瓶阀、温
度及压力传感器）、减压阀、减压阀后压力传感器、电磁关断阀等部件。其中，储氢系统控制
器主要负责整个传感器信号的采集、系统运行状态的协调控制、故障的诊断、执行器信号的输
出等；储氢瓶主要用于储存氢气，储氢瓶口的瓶阀主要用于打开/关断氢气的流动；温度传感
器用于监控瓶内温度，压力传感器用于监控瓶内压力；减压阀主要是对从瓶内出来的氢气进行
减压；减压阀后压力传感器对减压后的压力进行监测；减压后的氢气再经电磁关断阀之后便与
氢燃料电池直接相连，向燃料电池提供/关断氢气供应。具体连接方式如图1所示。
车载储氢瓶内氢气的加注通常在加氢站进行。目前，国际上普遍被接受的氢气加注协议有
美国汽车工程学会的SAEJ2601系列标准[4]、日本的JPEC系列标准[5]等。氢气在加注过程
中，因为焦耳-汤姆森效应会使氢气发热，而过高的温度会影响车载储氢瓶的安全性能[6]。因
此在加注过程中需要实时关注氢瓶内温度及压力的变化。

氢气加注过程中氢气的流动方向如图1中蓝线所示。具体加注过程为：首先将加氢站的加
注枪与加氢口连接，氢气依次通过加氢口的流量计和压力表用于实时监控加注过程中气体的流
量和压力。同时储氢系统控制器也会根据储氢瓶口的温度及压力传感器的值对加氢量进行计
算。

当燃料电池系统需要氢气供应时，氢气供应过程中氢气的流动方向如图1中红线所示。储
氢系统控制器控制瓶阀、电磁阀打开，瓶内氢气依次经瓶阀、过滤阀、减压阀、电磁阀后进入
燃料电池系统。

储氢系统的控制2.2

由于氢气具有燃点低，爆炸区间范围宽和扩散系数大等特点，长期以来被作为危化品管
理。因此无论在加氢还是在氢气供应的过程中，都需要对储氢系统进行严格控制，对于系统中
安全问题及时作出相应的保护措施，并及时提醒客户进行维修。

本文对储氢系统的工作流程、主要的故障诊断进行介绍，同时对系统的一些参数进行相关
计算。

2.2.1储氢系统工作流程

储氢系统控制器根据采集的信号对整个车载储氢系统进行协调控制。

主要工作流程如下，具体见图2：

（a）储氢系统控制器上电。

（b）储氢系统进行自检，如果无故障则进入待机状态；否则进入故障状态。

（c）进入待机状态后，储氢系统等待整车系统或者燃料电池系统发送过来的启动指令。
如果收到启动指令，则系统进入正常工作状态；否则系统一直处于待机状态。整个待机过程中
系统会一直进行故障诊断，如果出现故障，则系统进入故障状态。

（d）进入正常工作状态后，储氢系统会一直判断自身是否有故障，并实时判断是否收到
整车系统发过来的停机指令。如果系统有故障，则系统进入故障状态；如果收到停机指令，则
系统进入停机状态。
（e）系统如果进入故障状态，则会提醒驾驶员进行相关维修。

（f）系统进入停机状态，则会将瓶阀、电磁阀等相关执行器关闭。

储氢控制器在上电之后及正常工作过程中，都需要对储氢系统的所有相关故障进行实时检
测，例如储氢瓶内温度过高、压力过高、执行器短/断路等故障。一旦出现故障，系统根据故
障的严重程度进行相