0 引言
随着世界范围内的资源紧张不断加剧，寻找石油替代品已经成为摆在科学家面前的重要课题，可以再生的氢因此进入人们的视野。氢在地球上不但有巨大的蕴藏量，可以通过阳光、水能、风力、植物提取，而且可以作为汽车的新能源，排放污染几乎为零。氢能源车与传统汽车相比有更高的效率，零尾气排放，能减少温室气体的排放，并且使用的是可再生能源。氢能源动力汽车，目前在一些技术实力雄厚的跨国公司有了实质性的推进。在国内，随着各主流汽车厂商对燃料电池汽车的研发，逐步实现氢燃料电池关键技术和核心产品的国产化和产业化。为了实现燃料电池汽车的普及，氢能源车需要在加注时间和行驶里程及安全保护等方面等同或优于传统汽车。
目前，国内外燃料电池汽车多采用高压气态储氢，储氢压力主要有35 MPa和70 MPa两个等级。在高压H2加注过程中，由于压缩和H2的焦汤效应的双重作用，车载氢瓶内H2容易快速升温，存在安全隐患。随着燃料电池汽车的快速发展，其氢燃料的加注设施及相关控氢技术也取得了很大突破和发展。同济大学与上海舜华新能源系统有限公司合作研究，35 MPa加氢机已产业化应用，并且最新开发出的70 MPa高压气态H2加氢机应用于大连新源加氢站。SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议是目前国际通行的H2加注标准，也在不断完善，标准定义了加注协议和操作中的加注变量，保证加氢站和车辆在进行加注过程时能满足安全要求。
1 加氢策略
为实现70 MPa高压H2安全快速加注，提高加注效率，降低H2加注成本，综合采用了分级优化加注策略、H2预冷技术、温升控制加注设计相结合的设计方案，降低进入氢瓶的H2温度，确保H2升温后的温度在设计要求内。根据分级加注原理，合理设计分级策略，并通过工艺流程优化及控制原理，实现对加注速率、温度及安全的合理控制。
1.1 分级优化加注策略
加氢站储氢系统通常由一定数量的储氢罐组成，如果一起同时为车辆供气加注，会造成H2的利用率相对较低，因此采用分级优化加注可以提高H2利用率，降低加氢站功耗。分级取气即将加氢站的储氢罐分成三组，分别成为低级瓶组、中级瓶组和高级瓶组。通过程序设计，在加注时加氢机将按从低到高的顺序依次从储氢罐中取气。
在35 MPa加氢机研究过程中，采用三路进气管路的设计方式，将加氢站的储氢罐分成三组，分别成为低级瓶组、中级瓶组和高级瓶组。通过程序设计，在加注时加氢机将按低级→中级→高级的顺序依次从储氢罐中取气。在70 MPa加氢机的研究中沿用35 MPa加氢机三路进气管路的设计方式，将加氢站的储氢罐分成三组，分别成为低级瓶组、中级瓶组和高级瓶组。本研究中借鉴SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议设计了以气瓶内平均压力速率（APRR）为切换点的气源阶梯切换判断程序，从而可按照低级→中级→高级的顺序依次从储氢罐中取气，从而提高储氢罐中H2的利用率，达到减少加氢站储氢量、缩小加氢站面积的目的。三级取气流程图如图1。
1.2 温升控制策略
由于高压H2快速加注过程中焦耳-汤普森效应产生的热量叠加压缩热，使得不加控制的H2加注过程的温升超过氢气瓶使用温度上限，带来安全隐患，因此需要采取额外措施来确保加注过程安全。加氢机的温升控制策略中，选用如H2预冷及合理的加注控制策略。
H2预冷技术：在70 MPa加注中，H2气源为常温，快速加注使温度快速增加并且气瓶温度远大于85 ℃，如果采用自然降温，则需要较长的加注时间，这样就无法满足快速加注的需求，因此采用H2预冷方式，在H2加注之前启动制冷，使H2气源的温度保持在-40 ℃左右后进行H2加注，这样就大大缩短了加注时间，使一辆轿车加注至70 MPa的时间缩短至几分钟。
温升控制加注技术：即使采取了对气源预冷的处理，并不能完全保证在大流量的工况下气瓶内的温度始终维持在安全限值以内，所以在追寻温度控制和加注速度最优化的加注中，仍需通过加注控制流量或气瓶内的压力上升速率的加注方式对气瓶温度加以控制。
基于上述考虑，为控制H2的温升、提高加注效率和安全性，可以在加注前对H2进行预冷降温处理并控制H2加注的流量或压力上升速率，从而保证H2在加注过程中的温度不超过气瓶规定的使用温度。
1.3 机-车通讯策略
在70 MPa氢燃料汽车的加注策略中，为了实现给轿车最快地加注最大量H2，则需要获取车载压缩氢储氢系统的精确氢荷状态（SOC）。压缩氢存储系统在额定工作压力（15 ℃时）存储的氢的总质量相当于车载压缩氢气存储系统100%充满状态。同时，为了保证加氢过程的安全及在燃料电池汽车的加注过程中其瓶内温度不超过安全温度，在汽车氢燃料加注过程中时刻检测车载压缩氢气存储系统内的各压力温度等重要参数显得尤为必要。
氢燃料电池的车载供氢系统主要包括储氢瓶、电磁阀、手动截止阀、安全阀、瓶阀、压力传感器、瓶内温度传感器、氢气泄漏探测器等部件。
氢管理系统不仅需要对储氢系统进行氢安全检测及车载供氢控制，同时需要与加氢机通讯，发送车载压缩氢气存储系统的压力、容量、温度及授权指令等数据，加氢机-燃料电池车之间的数据通讯模块和通讯协议的设计基于红外数据传输机理进行。
红外通讯技术是目前在世界范围内被广泛使用的无线连接技术，被众多硬件和软件平台所支持：a) 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；b) 主要是用来取代点对点的线缆连接；c)小角度（30°锥角以内）、短距离、点对点直线数据传输，保密性强；d) 传输速率较高。
机-车通讯系统包括车载供氢系统控制模块、红外数据发送模块、加氢枪，红外数据接收模块等组成，如图2。红外数据发送及接收模块均自带安全隔离、自身安全自检等功能。SAE J2799 轻型气态氢汽车的燃料协议中详细规定了氢燃料汽车红外通讯的软硬件规范。
2 SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议简介
SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议规定了轻型车辆H2加注协议和过程限制。这些过程限制（包括燃料温度、最大燃料流速、压力增加率和最终压力）是受如环境温度、燃料传送温度及车辆压缩氢存储系统的初始压力等的因素影响。SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议建立标准加注协议是基于一个有着目标性能的查表方法。在H2加注性能中的一个重要因素是加气站的加气机的冷却能力和由此产生的燃料输送温度“T”的评级。
SAE J2601 轻型气态氢汽车的燃料协议包括通信和非通信加注的标准加注表及一个非标准、正开发的加注协议。对于通信加注，这个标准是用来和SAEJ2799 氢燃料汽车补给站软件及硬件标准一起使用的，包括地面H2车辆和加气站通信的硬件和软件。
3 结语
围绕燃料电池汽车加注策略及安全控制作简要技术分析和介绍，加氢机作为燃料电池汽车普及的关键环节，其相关技术仍有很大的提高空间，需要在实践中不断探索及追寻，才能将控氢技术逐步完善，进而推动氢燃料电池汽车的发展。
