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基于MC法的氢气加注的应用
Steven Maathison, Ryan Harty, Joseph Cohen, Nikunj Gupta and Herie Soto
摘要
为了解决氢气加注的困难，目前已发展出一种简便精确的MC法来增大加注量并减少加注时间。MC法中包含了一组热力学参数，加氢站可以使用这组参数计算出准确的充气结果。MC法目前作为一种充气协议应用在标识充气（ID Fill）或者非通信充气中。标识充气用的是特定罐子的MC参数，而非通信充气用的是边界条件罐的MC参数。
本文叙述了在加利福尼亚州托兰斯的壳牌管道站中，MC标识充气和非通信充气的实际应用与充气结果，以及相应的影响因素。测试结果表明，MC标识充气的性能优于SAE TIR J2601的数据表法；而MC非通信充气的安全性与数据表法相近但充气性能更好。所以，MC法可以作为一种更优秀的协议框架应用在SAE J2601中，同时也为非通信充气的使用提供了一个更简单灵活的方法。
引言
随着SAE J2601的出版，氢气加注方法已趋于成熟。这份文件作为第一份工业级指导方针，规定了气体温度不超过85℃，同时SOC不超过100%；文件中也根据最坏的充气情况，比如罐内有残余热量（大VI型罐）或者罐壁吸收热量（小III型罐），规定了充气过程，以此保证所有情况下的安全性能。但是， 保证安全性能的代价就是牺牲了充气性能。
本文介绍的氢气加注方法为MC法。该方法通过消除一些未知数来提高充气性能。关于MC法的推导和解释已有相关文献，这里不做讨论。本文叙述的是该方法在加利福尼亚州托兰斯的壳牌氢气管道站中的实际应用。
管道站使用了两种途径来实现MC法，一是MC标识充气，二是MC非通信充气。MC标识充气用于35MPa的分配器，参数与本田FCX Clarity氢燃料电池车上的储氢罐相匹配；而MC非通信充气用于70MPa的分配器，参数与J2601 H70 1-7kg 数据表上的边界条件罐相匹配。
表一展示了不同充气协议中参数的已知状态。J2601数据表法中的参数均未知，所以我们必须做出一个可以应用于所有汽车与所有站点的假设；MC非通信充气中预冷温度，充气速率等参数可以通过实时测量获得；MC标识充气中未知数最少，并且都有很严格的约束条件。所以，MC标识充气有最好的充气性能。
表1 三种不同充气协议在充气过程中的已知量和未知量
MC法充气协议
MC法充气过程可以分为两个步骤：1.计算充气速率使得终止气体温度le;85℃；2.计算当SOC达到100%时的终止压力。图1和2分别展示了步骤1和步骤2的流程图。
步骤1——充气速率
该步骤是用来计算出最合适的充气速率。为此站点需要考虑汽车的储氢能力和输氢能力。
根据J2601的规定，加注过程中管内气体平均温度不能超过85℃且压力不能超过1.25倍的额定工作压力（NWP）。在加注之前，站点基于环境温度和热浸边界条件（即汽车停在一个温度较高的一个环境里，如一个热的车库或停车场），为罐内平均气体温度做出假设。对于标识充气来说，合适的热浸温差T取决于原始设备制造商（OEM）；而对于MC非通信充气来说，则取决于J2601中附表A，图A1里的热浸温度曲线。
站点还可以假设温度和测量罐压来判断出汽车大概的初始气体余量（SOC），并计算出需要输送多少（质量）氢气给汽车以及相应的焓值，从而获得充气时间数据。站点使用迭代的方法来判断充气时间是否合适。第一次计算会使用较短的充气时间（比如一分钟）。如果这段时间足够完成充气且温度没有超过85℃，那么站点就会使用这个数据。否则，它就会增加一个时间增量（如10s），并且重新计算MC值，直到它找到一个可以使气体终温小于85℃的时间（实际加氢站使用一种更先进快捷的迭代方法。这种方法用曲线拟合，在前一次错误的猜想的基础上得出模糊的更接近正确的猜想）。这个过程表现在图1中。
图1 协议中的步骤1—充气速率的计算
步骤2——目标压力
一旦步骤1中已经确定好了适当的充气速率，那么下一步就是决定什么时候，或者在什么压力下停止充气。站点假设在开始充气时罐中气体温度比环境温度低，且会随压力的下降而下降。这些因素都包含进参数Delta;Tcold里，并在Tambient中减去这部分来确定假设的初温，以此计算出目标压力。适当的Delta;Tcold是由原始设备制造商（OEM）为标识充气（基于特定的汽车最大放气速率）和MC非通信充气决定的，同时也是由低温工况和分别从J2601的附表A中图A1和表A2得出的放气速率决定的。
一旦确定了初始条件，站点就可以计算出当SOC达到100%时加入罐中的质量，并通过流量计测算出整个过程的质量流率；但是目前流量计精度还未达到这个标准。
第二个选择，同时也是本文详述的一项，是使用与步骤1中相同的方程组来计算目标压力。Tfinal的值可以通过步骤1中的充气速率计算出来，并且Ptarget也可以在SOC达到100%时通过Tfinal计算得到。通过使用图2中所示的公式，我们可以更容易地理解这个过程。
图2 协议中的步骤2—目标压力的计算
与步骤1一样，步骤2也是在充气过程中连续进行的。因此，充气的控制可以基于实际情况（即实际的充气压力升高率和输入车辆的焓值）进行自动调整而不是像J2601查表法一样规定了一系列参数范围。这是MC充气方法的一个关键优势，它给了站点建造商更多的灵活性和自由度，同时也提供了更好的充气性能。
MC标识充气
MC法使用罐子独特的热力学特性来提高充气性能，所以其本身就是一种标识充气。 如表1所示，MC标识充气从根本上消除了加油过程中的一些未知参数，从而提高了充气性能。
图3 基于HVAS RFID的加氢站汽车认证通信系统
为了证明MC标识充气的可行性，管道站在H35加氢器中采用MC充气协议编程且不进行预冷。该协议采用本田燃料电池汽车FCX Clarity的MC参数；为了识别Clarity，管道站部署了一个基于射频识别（RFID）的氢能汽车授权系统（HVAS）。该系统使用基于第二代超高频（UHF）ISO 18000 6C协议的射频识别。如图3所示，RFID天线位于喷嘴手柄上，小型RFID标签位于车辆的插座附近。RFID标签存储了汽车的识别号码（VIN）。充气之前，站点将车上的号码和列表上的已授权号码进行对比。虽然该系统在审查之中，但在管道站的使用已经证明了它有很好的适用性。
协议在加氢站性能方面的应用
MC充气协议除了上文讨论过的应用之外，在加氢器中的使用还存在一些限制，这正需要我们进行一些细微的调整来获得更好的充气性能。
如步骤1所示，MC充气协议在85℃条件下对汽车进行充气，但是过程中仍存在一些问题。由于Clarity的储氢罐使用了铝制内衬（III型罐），因此在大多数情况下它都可以以低于85℃的状态进行快充。举例来说，如果环境温度为20℃，假设热浸条件为 7.5℃，初始压力为5MPa，则Clarity可以在45秒内从5MPa充气至1.25倍的额定工作压力（NWP）或是43.75MPa。这相当于平均76g/s的流速，比J2601中所允许的最高流速60g/s还要高。这个充气速率过大的问题在于加氢器压力传感器和氢罐内部的压力差导致最终温度过高，也意味着即使充气在目标压力处停止，罐内实际压力依然比目标压力低。所以，在某种意义上，这就要我们在充气速率和终止SOC之间做出权衡。
为了抵消这个压降，我们测量了不同充气速率条件下，加氢器压力传感器和罐内压力之间的差值，得出Delta;P关于充气速率的方程，如图4所示。这个方程本质上为指数型，意味着当充气速率很快时，Delta;P大到无法控制，并且难以抵消。这是因为站点压力被限制在43.75PMa之下（不超过1.25倍的额定工作压力），并且管道站还有一个42.5PMa的自加限制。当站点设定平均压力升高率（APRR）为10MPa/min，即相当于3.5分钟的充气时间时，压降大约为1.8MPa，这会导致最大罐内压力仅为40.7MPa。在大多数充气条件下，这个充气速率可以提供良好的SOC且保证较低的充气终温，如图5所示。从本质上看，这个策略可以为顾客提供可接受的充气时间，并最大化充气终止时的SOC。
图4 站点测量值与罐内值之间的压降随流速的变化
图5 APRR上限导致较低的充气终温和较高的SOC
图6展示了将这些策略应用在充气过程中的好处。这个案例中，在没有APRR限制和压降补偿的情况下，SOC约为91%，显著低于目标SOC。当应用APRR限制后，SOC跃升到97%以上；当同时应用APRR限制和压降补偿后，SOC增加至99%以上。
图6 最大化充气性能的策略应用
充气结果
为了理解充气参数对充气性能的影响，MC标识充气进行了编程，用户可以将实际气体初温输入到用户界面（UI）中，让程序模拟传输过程，同时将气体初温传送给站点。目前HVAS RFID系统无法实现这种通信，但未来可以设计出一个能够将内部气体温度实时传输给站点的增强型HVAS系统并投入使用。同样地，目前由SAE TIR J2799 定义的红外数据通讯（IRDA）也可将罐内气体初温传输给站点。如果用户没有在界面上输入气体初温，那么MC标识充气会假定热浸和冷浸/放气两种条件来计算合适的充气速率和目标压力。
MC标识充气的目标是，在使用气体初温时，充气时间小于3.5分钟并且SOC大于97.5%；在使用热浸和冷浸/放气假设时，充气时间小于3.5分钟并且SOC大于95%。如图7,8所示，尽管J2601的充气测试只进行了两次，但MC标识充气的性能已明显优于J2601，符合预计结果。另外，如图8所示，在温和的环境温度下，J2601充气时间在初始SOC大于50%时，是MC标识充气平均时间的两倍；在低SOC时则变为6倍。J2601中附表G的表G-8说明，较热的环境温度会导致更长的充气时间，在一些例子中甚至会超过2小时。
图7 管道站中H35 MC标识充气的性能—SOC
图8管道站中H35 MC标识充气的性能—充气时间
总而言之，迄今为止的测试数据表明MC标识充气在管道站中的应用已经超过了性能目标，并且证明了充气性能与J2601型站点的动态传输方式一样好。我们将继续监控充气质量，并且作为下一步，我们正在研究如何集成增强型HVAS系统，以便自动地将罐内气体温度传输到加氢器中，来进一步证明MC标识充气协议的功效。
MC非通信充气
MC法的优势在于，通过监测充气过程中的数据，它消除了一些未知参数，如氢罐系统的压降，充气速率公差等，但气体初温依旧未知（表1）。图9说明了压降会直接影响输送到氢罐的气体的焓值。由于在充气过程中测得了平均焓值，并且平均压力升高率是焓的函数，所以压降更低的氢罐可以更快地进行充气。这就是MC法的优势所在。
图9 MC法自动考虑氢罐的压降
图10显示了在当前的J2601中MC法优于数据表的一些优点。如图所示，当前的J2601只允许气体温度在-22.5℃至-17.5℃（B型加氢站）和-40℃至-33℃（A型加氢站）进行充气。这意味着，即使B型加氢站在-22.5℃时输送氢气，站点仍然必须假设在-17.5℃条件下。相对的，MC法在实际压降的基础上，使用实际输送气体的温度来确定平均压力升高率。对于压降与在J2601中建模的大VI型热罐相同的罐子，平均压力升高率遵循图10中的蓝线；但对于压降低于大VI型热罐的罐子，平均压力升高率将调整得更高，遵循图10中的绿色虚线。基于这一点，MC非通信充气可以提供比J2601数据表更好更一致的性能。
图10 MC法为任意气体温度和罐内压降计算出适合的APRR
MC非通信充气的另一个优势在于它给了加氢站设计很大的灵活性。如果使用J2601数据表，加氢站的设计就应满足非常严格的传输气体平均压力升高率和预冷温度公差。如果超过了这些公差，充气就需要停止或者降低性能。但是，在MC非通信充气中，除了重要的边界条件，如最大质量流率，其他参数不需要严格的公差，这就可以让加氢站设计得更贴近环境，并且设计师也可以使用性价比最高的组件和系统设计，而不是限制在一些刚性的要求中。
MC非通信充气最后一项优势在于更容易更新。压缩储氢罐技术正在不断发展，未来储氢罐可能会使用更轻且更划算的材料与制造技术，但是这意味着热力学性能可能会发生变化。在J2601数据表中，如果一个原始设备制造商开发了一种不同于J2601数据表中的氢罐模型的新型储氢罐，那么制造商就需要向学会申请更新J2601文件。如果同意更新，学会工作组就需要构建一组包含新型储氢罐热力学性能的数据表，其中需要投入大量的时间精力，另外还要获得模型持有者的许可。所以，数据表这种方式可能会成为未来储氢罐设计与制造技术发展的阻力。相反，MC非通信充气法可以通过简单地插入一组新的MC参数来实现边界条件罐的更新。这些参数都可以从一个罐子中推导出来。MC法可以使J2601文件相对更容易、更快捷地进行技术更新。
MC参数的推导
MC参数推导的最好方法是进行充气测试，然后直接测量出多种参数，如时间，质量流率等。关于参数推导的内容已在其他文献中提及，在此不做赘述。但是，对于1-7千克类型的H70 MC非通信充气，用于构建J2601 1-7千克数据表的罐子是假想的数学模型，所以不可能通过充气测试来得出MC参数。这里就用从数学模型中得出的数据来替代实际
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