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基于最小二乘法的70 MPa梯级加氢站压力配置优化

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化学工业与工程 2024年第5期 114-120页

作者：钟勇斌吴轩欧阳彦超祝乔杨锦东方电气集团东方锅炉股份有限公司西南交通大学机械工程学院

利用最小二乘方法(LSM)快速准确求解70 MPa梯级加氢站最适宜的压力配置，并获得各级储氢罐的最适宜压力级。首先在梯级加氢系统下建立氢气状态、车载储氢瓶、加氢机和压缩机的数学模型，并与初始压力为5.5 MPa、环境温度为298 K的实验... 详细信息

利用最小二乘方法(LSM)快速准确求解70 MPa梯级加氢站最适宜的压力配置，并获得各级储氢罐的最适宜压力级。首先在梯级加氢系统下建立氢气状态、车载储氢瓶、加氢机和压缩机的数学模型，并与初始压力为5.5 MPa、环境温度为298 K的实验数据进行对比，验证了模型的正确性。其次建立加氢站补氢过程的能耗模型，将压力配置转换为压力比优化问题，基于LSM方法，获得了最适宜压力比公式。最后针对氢源为20 MPa长管拖车的梯级加氢站，利用LSM可得三级加氢站的最适宜压力分别为30、57和88 MPa。与传统序列搜索方法相比，总能耗降低了约2.4%。而与传统单级加氢站相比，梯级加氢的能效提高了36%。

关键词： 70 MPa梯级加氢站车载储氢瓶最小二乘法压力配置

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燃料电池汽车快速加氢过程建模及优化控制

燃料电池汽车快速加氢过程建模及优化控制

作者：白云锋重庆大学

学位级别：硕士

近年来,随着燃料电池汽车产业化进程加速,氢能基础设施加氢站的建设得到越来越多的关注,各国政府也开始支持加氢站的建设。当前加氢站大多采用高压储氢方式,但是在氢气加注过程中,为了实现快速加注和提高车载氢气瓶的储氢量（SOC）,造... 详细信息

近年来,随着燃料电池汽车产业化进程加速,氢能基础设施加氢站的建设得到越来越多的关注,各国政府也开始支持加氢站的建设。当前加氢站大多采用高压储氢方式,但是在氢气加注过程中,为了实现快速加注和提高车载氢气瓶的储氢量（SOC）,造成气瓶内部剧烈升温,过高的温度会导致氢气瓶失效甚至带来安全隐患。为了有效降低温升,缩短氢气加注时间,本文开展了一系列研究,主要内容如下:（1）分析了当前加氢站种类及工作模式原理,以三级加注系统为研究对象,提出了加氢站-车载氢系统的建模方案;（2）研究了氢气加注过程中氢气瓶升温的热力学原理,给出了加氢过程中的温升机理;基于修正后的真实气体状态方程、质量守恒方程及能量守恒方程,建立了高压储氢瓶氢气加注过程的系统理论模型。提出了加氢站工作过程中的预冷能耗及压缩能耗的计算方法,最后通过模型研究了不同参数对氢气加注过程的影响,为快速加氢控制策略的开发提供依据;（3）完成了试验用140 L-35 MPa-III型氢气瓶及气瓶内部热电偶测温支架的设计加工工作。依托国内某加氢示范站,完成了高压氢气/氮气充放气过程中气瓶内部及外壁温度的变化情况,并对气瓶内部及外壁的温度曲线进行记录分析,测试结果数据可以有效支撑仿真模型;（4）针对三级加注系统引入了压力切换系数（PSC）的定义,对三级加注系统进行系统级仿真研究。以压力切换系数和氢气的预冷温度为优化参数,氢气加注时间、氢气瓶SOC值和加氢站能耗量为优化目标,建立了多因素优化模型,考虑计算效率及准确性,采用顺序搜索算法完成了模型最优值求解,根据加氢站实际工作情况,提出了预冷系统实时控制策略。

关键词：加氢站车载储氢瓶快速加氢建模仿真控制策略

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燃料电池汽车加氢过程的建模与热力学分析

燃料电池汽车加氢过程的建模与热力学分析

作者：胡华为华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

燃料电池汽车是国内氢能发展不可或缺的一环,是氢能使用的重要方向。为普及使用燃料电池汽车,加氢站的建设就显得至关重要。为了满足燃料电池汽车车载储氢瓶的加氢需求,并降低加氢站运行过程的成本,对车载储氢瓶站内加氢过程的研究是十... 详细信息

燃料电池汽车是国内氢能发展不可或缺的一环,是氢能使用的重要方向。为普及使用燃料电池汽车,加氢站的建设就显得至关重要。为了满足燃料电池汽车车载储氢瓶的加氢需求,并降低加氢站运行过程的成本,对车载储氢瓶站内加氢过程的研究是十分必要的。针对加氢站的核心—由多个储氢罐组成的级联储氢系统,从储氢罐容积比、压力比和容量等方面,研究了这些热力学参数变化对加氢过程的比能耗和利用率的影响。此外,还研究了车载储氢系统容积比和级数变化对加氢过程造成的影响。本文的主要研究内容及成果如下:(1)建立了燃料电池汽车加氢过程的热力学模型,并对模型进行了验证。结果表明:仿真和实验所得的压力和温升均随时间的增大而不断的增大,两者最终状态压力的误差为0.43%,最终温升的误差为0.85%,表明了模型的正确性。(2)应用了多个不同容积的车载储氢瓶,分析了车载储氢系统的级数、容积比对加氢过程的比能耗以及利用率的影响。结果表明,级数从1级到5级,加氢过程比能耗降低了 8.1%,利用率提高了 32%。随着级数的增加,比能耗下降趋势趋于平缓,利用率上升趋势也趋于平缓。储氢瓶的容积比和加注顺序对加注过程的比能耗和利用率几乎没有什么影响。(3)应用了多个不同压力水平和容积的站内储氢罐,分析了级联储氢系统容积比、压力比、容量变化对加氢过程的比能耗以及利用率的影响。结果表明,容积比变化的过程中,比能耗和利用率均随着低压储罐容积比例的增加而降低,当容积比为4:3:2时,比能耗及利用率最低。此外,容量变化不改变容积比变化的结果。压力比变化的过程中,随着中压级的公称压力与高压级的公称压力比的不断增加,加氢站比能耗和氢气利用率在不断减小。此外容量变化仅微小的改变压力比变化造成的结果。因此可以通过固定利用率,通过改变压力比例,寻找到最低的比能耗比例。例如,在本文中,若站内氢气总质量为600kg,要求氢气利用率不低于12%,各级的最佳压力分别为50.2MPa、65MPa、86.7MPa。

关键词：氢能加氢站储氢罐燃料电池汽车车载储氢瓶加氢过程

基于负泊松比结构的车载氢气瓶保护壳优化设计

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基于负泊松比结构的车载氢气瓶保护壳优化设计

作者：闫鹏飞南京航空航天大学

学位级别：硕士

耐撞性作为汽车被动安全领域至关重要的一环,其相关性能的好坏不仅决定了车身相关零部件的损伤程度,更是对车内乘员的安全造成了重大的影响。车载储氢瓶作为燃料电池汽车车载储氢系统中具有最大安全隐患的部件,其内部所储存的高压氢气... 详细信息

耐撞性作为汽车被动安全领域至关重要的一环,其相关性能的好坏不仅决定了车身相关零部件的损伤程度,更是对车内乘员的安全造成了重大的影响。车载储氢瓶作为燃料电池汽车车载储氢系统中具有最大安全隐患的部件,其内部所储存的高压氢气极易由于高温或者高速碰撞吸能而产生剧烈膨胀从而发生爆炸。现阶段市面上所采用的车载储氢瓶多以III型瓶为主,布置于车身底盘的中、后部,在车体发生后碰撞时极易对其安全性能产生影响。由于负泊松比结构具有吸能效果好、抗冲击能力强、质量轻等优异性能,本文结合负泊松比蜂窝结构提出一种车载储氢瓶保护壳结构,以提升其碰撞安全性,以下为本文的主要研究内容:首先,采用周向设计的方法,提出三种负泊松比蜂窝结构和一种传统蜂窝结构用以填充保护壳内芯。通过四种单胞元的圆周阵列、轴向拉伸来设计保护壳的蜂窝结构内芯,并将其刚性连接于储氢瓶的直壁段和最外部用以固定的铝合金薄壳。基于C-NCAP标准对所建立的模型进行正面碰撞的分析和验证并对比四种蜂窝内芯方案和三种内芯材料方案下保护壳结构的耐撞性,以此来确定本文中所要选用的最佳结构方案以及材料方案。其次,基于最优拉丁超立方试验设计方法对设计变量在其取值范围内进行采样,再基于响应面模型方法建立各评价指标与设计变量数学关系的近似模型。应用自适应变异遗传算法(AMGA),第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)和自适应模拟退火算法(ASA)作为优化算法针对耐撞性对保护壳结构进行优化设计,并对优化结果进行比较,初步提升车载储氢瓶的耐撞性。最后,将所设计的保护壳结构应用于更改后的整车模型,基于ECE R32后碰撞标准对整车模型加以验证和分析。之后以保护壳的负泊松比结构内芯的总质量、负泊松比结构内芯的总体比能量吸收以及储氢瓶瓶身上的最大应力为目标,通过灵敏度分析对结构设计参数进行评估与筛选,再结合最优拉丁超立方试验设计、Kriging模型以及第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)和标准边界交叉法(NBI)对结构进行优化设计并选取最优解,从而进一步提升车载储氢瓶在整车后碰撞中的耐撞性。本文将负泊松比结构引入车载储氢瓶的耐撞性设计,可有效提高其碰撞安全性。为今后车载燃料电池储氢系统的保护设计提供了新的思路。

关键词：负泊松比结构车载储氢瓶碰撞安全优化设计

基于高效建模系统的纤维缠绕储氢瓶扩孔工艺优化研究

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基于高效建模系统的纤维缠绕储氢瓶扩孔工艺优化研究

作者：宋春雨合肥工业大学

学位级别：硕士

纤维缠绕储氢瓶凭借其质量轻、强度高等特点,在车载燃料电池领域具有良好的适用性。由于其特殊的成型方式,导致其相比全金属储氢瓶而言具有更复杂的力学性能。在结构设计方面,工程上通常使用有限元方法进行性能预测,但由于纤维缠绕储氢... 详细信息

纤维缠绕储氢瓶凭借其质量轻、强度高等特点,在车载燃料电池领域具有良好的适用性。由于其特殊的成型方式,导致其相比全金属储氢瓶而言具有更复杂的力学性能。在结构设计方面,工程上通常使用有限元方法进行性能预测,但由于纤维缠绕储氢瓶在封头区域变厚度变角度的特点,有限元模型的精度会严重影响分析结果,因此对纤维缠绕储氢瓶进行精细、高效地建模具有重要意义。在缠绕工艺方面,为了缓解纤维缠绕储氢瓶封头上的厚度堆积,工程上一般凭借缠绕经验,通过扩孔工艺解决,但相关的理论研究较少。针对以上问题,本文结合理论分析与数值模拟,以Ⅲ型纤维缠绕储氢瓶为研究对象,进行了以下几个方面的研究:(1)研究了复合材料力学基础理论,总结了正交各向异性材料的本构关系以及目前使用的复合材料失效判据;基于经典层合板理论和网格理论确定了纤维缠绕储氢瓶的一般设计方法;完成了复合材料的基本力学测试,测量得到了基本的力学性能参数。(2)针对纤维缠绕储氢瓶建模精度的不足,基于ABAQUS二次开发方法,搭建了高效建模系统。通过该系统建立了渐进损伤模型,并通过水压爆破试验与其对照。结果表明:渐进损伤模型与水压爆破试验的结果误差在3%以内,验证了建模系统的可靠性。(3)针对纤维缠绕储氢瓶封头上纤维的厚度堆积,提出了带宽扩孔法和极值扩孔法两种扩孔工艺方法。以工作压力为70MPa的纤维缠绕储氢瓶为研究对象,基于高效建模系统建立了不同扩孔方案下的渐进损伤模型,通过比较数值模拟的结果研究不同扩孔工艺对纤维缠绕储氢瓶性能的影响。结果表明:(1)对于该种规格的纤维缠绕储氢瓶,采用1.5倍带宽扩孔为最佳;(2)扩孔工艺不仅可以有效的缓解封头上的厚度堆积,还可以使封头上的纤维分布更加均匀;(3)在采用适当的扩孔方案的情况下,扩孔工艺可以降低纤维缠绕储氢瓶的整体应力水平,提高承载能力;(4)扩孔顺序应当以全缠绕和扩孔缠绕交替进行为宜。

关键词：车载储氢瓶纤维缠绕扩孔工艺高效建模系统有限单元法