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| 标准编号 | GB/T 38954-2020 (GB/T38954-2020) | | 中文名称 | 无人机用氢燃料电池发电系统 | | 英文名称 | Hydrogen fuel cell power system for unmanned aerial vehicles | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | K82 | | 国际标准分类 | 27.070 | | 字数估计 | 18,117 | | 发布日期 | 2020-06-02 | | 实施日期 | 2020-12-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 38954-2020
无人机用氢燃料电池发电系统
Hydrogen fuel cell power system for unmanned aerial vehicles
1 范围
本标准规定了无人机用氢燃料电池发电系统的通用要求、技术要求、试验方法以及标志、包装和运输要求。
本标准适用于以压缩氢气为燃料,为空载质量不超过116kg且最大起飞质量不超过150kg的无
人机提供动力和非动力用电的燃料电池发电系统。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
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YD/T 122 邮电工业产品铭牌
3 术语和定义
GB/T 20042.1、GB/T 28816界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
无人机
由遥控系统控制管理(包括远程操纵或自主飞行)的无人驾驶航空器。
3.2
无人机燃料电池发电系统
为无人机提供动力和非动力用电的燃料电池发电系统。
注:在本标准中,燃料电池发电系统包括燃料电池系统(含辅助储能模块)和为之提供氢气的燃料储存模块和燃料供应模块(两者统称为燃料系统)。
3.3
启动时间
燃料电池发电系统从上电时刻(手动开机从开机动作开始的时刻)到有净电功率输出时刻的时长。
3.4
关机时间
燃料电池发电系统从收到关机指令时刻(手动关机从关机动作开始的时刻)到所有部件停止工作时
刻的时长。
3.5
额定输出功率
在生产商规定的正常运行条件下燃料电池发电系统的最大连续输出功率。
3.6
输出电压范围
在生产商规定的正常运行条件下,燃料电池发电系统从启动、运行到关机整个过程中输出电压的
范围。
3.7
连续运行时间
在生产商规定的正常运行条件下,燃料电池发电系统在额定输出功率下运行时其输出电压不超出
输出电压范围的连续时间。
3.8
燃料储存模块
用于储存氢气的压力装置(如储氢瓶)。
3.9
燃料供应模块
从储氢瓶到电堆氢气入口用于把氢气输送到燃料电池氢气入口的所有部件、管接件及其控制的
总成。
注:燃料供应模块由下列部分或全部的部件组成:截止阀、过滤器(可选)、电磁阀(可选)、减压阀、熔断阀(可选)、过流阀(可选)、泄压阀(可选)、单向阀(可选)、燃料加注接口、压力传感器、温度传感器(可选)、压力表(可选)、流量计(可选)、电控装置(可选)等。
3.10
氢气泄漏率
氢气泄漏量与燃料电池发电系统在额定功率下所需理论氢气量的比值。
3.11
告警
将报警状态、故障状态传递给告警装置并给出声、光报警的功能。
4 通用要求
4.1 总则
无人机用质子交换膜燃料电池发电系统边界示意图如图1所示。
图1 无人机用氢燃料电池发电系统边界示意图
根据实际需求,无人机燃料电池发电系统由下列部分或全部模块组成:
---燃料电池模块(必选):由一个或多个电堆、输送电堆产生电能的电连接装置以及监控装置等
构成;
---空气供应模块(必选):对燃料电池发电系统所需的空气进行计量、调节、加压及其他处理的装
置总称;
---燃料储存模块(必选):用于储存氢气的装置;
---燃料供应模块(必选):从储氢瓶到电堆氢气入口用于储存氢气并把氢气输送到燃料电池氢气
入口的所有部件、管接件及其控制的总成;
---控制模块(必选):由传感器、执行器、阀门、开关和逻辑元件组成的模块,用于将燃料电池发电
系统参数维持在制造商设定范围内而无需人工进行干预;
---热管理模块(可选):提供冷却和散热功能以保持燃料电池发电系统内部处于正常温度范围,必
要时还可以回收余热以及在启动过程中加热系统的相关部件;
---水管理模块(可选):对燃料电池系统所需水或所产生的水进行管理的模块;
---电力调节模块:用于使电堆模块和辅助储能模块产生的电能与指定的用电需求相匹配的模块;
---通风模块(可选):通过自然或机械的方法,向燃料电池发电系统周围空间输送空气的模块;
---辅助储能模块(可选):系统内部所带的储能装置,用于储存电能、启动燃料电池发电系统、配合
燃料电池模块向内部或外部负载供电。
4.2 通用安全要求
4.2.1 燃料电池发电系统的设计和制造应充分考虑在正常或非正常使用过程中可能遇到的各种故障和/或事故的安全风险,并能采取相应的处理措施避免安全风险或降低安全风险到可接受的程度。
4.2.2 对可能出现的安全风险,燃料电池发电系统应提供安全提示标识或者声、光、电等告警信号,并提供自动和/或手动处理措施。
4.2.3 针对燃料电池发电系统的发热部件,应采取相应措施,避免人员因接触或靠近热表面部件而造成伤害。
4.2.4 燃料电池发电系统的设计应保证系统部件的单一故障不会升级。防止故障升级的方法包括但不限于:
---在燃料电池发电系统内设置保护装置(例如联锁防护装置和脱扣装置);
---设置电路的保护性联锁功能;
---使用被证明可行的技术和部件;
---提供部分或完整的冗余装置或使保护性措施多样化;
---向燃料电池发电系统的上级系统发出告警。
4.2.5 构成无人机用燃料电池发电系统的各主要部件应满足各自领域的专用安全要求,具体可参照下列文件执行:
---燃料电池模块的安全应按照GB/T 36288-2018规定的要求;
---控制装置部件应按照GB/T 20438.1的规定进行设计;
---软管及软管组合件应符合GB/T 15329-2019中1TE型软管的规定;
---金属管路及其连接件应符合GB/T 20972.1的规定。
4.3 外观和结构
4.3.1 燃料电池发电系统外表应清洁,无机械损伤,不应有裂纹、污迹及明显变形,接口触点无锈蚀。
4.3.2 燃料电池发电系统的可接触部件不应具有可能造成人身伤害的尖锐的边和角。
4.3.3 在燃料电池发电系统正常运行过程中,其零部件及其连接件应稳固、可靠,不应出现失稳、变形、断裂或磨损等现象。
4.3.4 燃料电池发电系统的通信接口、电源接口、用户接口、氢气进出口等应有明确的标识。
4.3.5 燃料电池发电系统的正、负极端子及极性应有明显标识,便于连接。
4.4 其他通用技术要求
4.4.1 燃料电池发电系统的使用环境要求:温度:-5℃~40℃;相对湿度:≤100%;海拔:≤3000m。
4.4.2 燃料电池发电系统应能够为无人机正常飞行提供充足的电力。
4.4.3 在通信信号正常传输的情况下,燃料电池发电系统自身或通过无人机的通信系统应能够和地面控制系统进行正常通信。
4.4.4 燃料电池发电系统的主要参数应能被实时监控。
4.4.5 在无人机和地面控制系统失去通信联系的情况下,燃料电池发电系统应能够继续为无人机提供电力,并执行预定方案。
4.4.6 燃料电池发电系统中的氢气瓶在使用过程中应有详细的充装记录。
4.4.7 燃料电池发电系统中的氢气瓶最小设计爆破压力及氢气瓶的设计耐充放疲劳次数应符合国家标准的相关要求;在没有这些标准的情况下,可参考附录A。
5 技术要求
5.1 启动时间
燃料电池发电系统的启动时间应小于1min。
5.2 达到额定功率时间
当环境温度高于0℃时,燃料电池发电系统达到额定功率的时间应小于1min。
当环境温度介于-5℃~0℃时,燃料电池发电系统达到额定功率的时间应小于5min。
5.3 额定输出功率
燃料电池发电系统的额定输出功率应不低于制造商的标示值,且在此功率下,燃料电池发电系统的
连续运行时间不低于制造商的标示值。
在规定的最短连续运行时间内,燃料电池发电系统的输出功率应保持在标称额定输出功率±5%。
5.4 功率过载率
燃料电池发电系统应能够在额定输出功率的150%下连续输出大于2min。
5.5 输出电压范围
燃料电池发电系统的输出电压应在制造商标示的燃料电池发电系统的输出电压范围内。
5.6 电效率
在额定功率输出下,燃料电池发电系统电效率应大于40%。
5.7 启动/关机方式
燃料电池发电系统应至少具备以下启动/关机方式之一:
---手动;
---遥控;
---自动。
5.8 关机时间
燃料电池发电系统的关机时间应小于2min。
5.9 连续运行时间
使用在固定翼无人机上的燃料电池发电系统的连续运行时间应不小于6h;使用在多旋翼无人机
上的燃料电池发电系统连续运行时间应不小于3h。连续运行时间也可依据燃料电池发电系统采购协议确定。
5.10 噪声
在额定功率输出下,燃料电池发电系统噪声应不大于78dB。
5.11 抗振能力
在正常运行条件下,燃料电池发电系统应能具备抗振能力,保持其机械和电气连接正常,氢气泄漏
率满足5.19中的要求,舱内燃料浓度满足5.15中的要求。
5.12 电磁兼容限值
燃料电池发电系统静电放电抗扰度限值应符合GB/T 17626.2-2018中试验等级3的规定。试验
期间,被测样品不应被损坏、出现故障或发生状态改变,但允许指示灯闪烁,试验后系统应能正常工作。
燃料电池发电系统射频电磁场辐射抗扰度限值应符合GB/T 17626.3-2016中试验等级3的规
定。试验后设备性能不应发生永久性的损伤或降低,系统应能正常工作。
5.13 数据传输
燃料电池发电系统应具有如RS232、RS485、CAN等通信接口。
5.14 供氢流量
燃料系统向燃料电池模块提供的稳定供氢流量应达到制造商标示的数值。
5.15 舱内燃料浓度
燃料电池发电系统舱室内燃料浓度应小于50%最低可燃极限(LFL)。
5.16 尾气中燃料浓度限制
燃料电池发电系统尾气中燃料浓度大于50%LFL的连续时间应小于5s。
5.17 舱室防护等级
燃料电池发电系统舱室防护等级应至少符合IP53。
5.18 寿命
燃料电池发电系统的累积运行时间应不小于500h,或启停次数不小于200次。
5.19 氢气泄漏率
氢气泄漏率应不大于0.5%。
5.20 告警功能与监控功能
5.20.1 告警功能
当以下情况发生时,燃料电池发电系统应能够向用户提供告警功能:
---氢气压力异常(如氢气瓶出口氢气压力低于规定的最低压力,减压阀减压后的氢气压力低于设
定的最低压力或高于设定的最高压力);
---输出过/欠压、燃料电池模块输出电压低;
---电力输出超过过载保护设定值;
---环境温度过高/过低;
---燃料电池模块温度过高;
---辅助储能模块电压低;
---舱内燃料浓度过高。
5.20.2 监控功能
燃料电池发电系统应具备以下监控功能:
---遥测:远程测量系统输出电压、系统输出电流、辅助储能模块电压、燃料电池模块输出电压、燃料电池模块输出电流、储氢瓶氢气压力、燃料电池模块入口氢气压力、燃料电池模块温度、环境温度;
---遥信:远程提供信号,包括燃料电池模块过温、燃料电池模块入口氢气压力低/高、燃料电池系
统输出过/欠压、燃料电池系统输出过流、氢气瓶氢气压力低/高、辅助储能模块电压低、环境温
度低/高;
---遥控:系统开/关机。
6 试验方法
6.1 试验准备
6.1.1 试验一般要求
根据制造商要求,将燃料电池发电系统置于特定的环境中,连接气体管路和负载。整个试验过程
中,用电流表测试输出电流、电压表测试输出电压,测试数据能够实时采集并保存,采样频率1次/s。
6.1.2 试验环境要求
海拔不大于1000m;环境温度为5℃~40℃。
如果实际应用时海拔高度超过1000m,或环境温度超出5℃~40℃,制造商应考虑到燃料电池发
电系统一些参数的变化。
6.1.3 测量仪器及精度
主要试验用测量仪器及精度要求见表1。
6.2 启动时间试验
根据制造商要求,将燃料电池发电系统置于特定的环境中,连接气体管路和负载,待一切就绪后,给
燃料电池发电系统发出启动命令,测量从发出启动指令开始到燃料电池发电系统有净电功率输出的时长(单位:s)。
6.3 达到额定功率时间试验
将燃料电池发电系统在测试的环境温度中静置2h后,测量燃料电池系统从启动完毕后时刻到燃
料电池发电系统输出额定功率的时长。
6.4 额定输出功率试验
在供应商标示的燃料电池发电系统额定输出功率下,燃料电池发电系统连续运行不短于供应商标
识的连续运行时间,每秒钟记录一次燃料电池发电系统的输出电压,其值在整个测试过程中的任何时刻不应超出供应商标示的输出电压范围。
6.5 功率过载率试验
使燃料电池发电系统在不低于制造商标称额定输出功率的150%下运行,监测燃料电池发电系统
在该状态下的持续运行时间。运行时间超过2min后,根据制造商规定的关机方法关闭燃料电池发电系统。
6.6 输出电压范围试验
在6.2~6.5的整个试验过程中,以1s为间隔监测并记录燃料电池发电系统的输出电压。在从启
动到关机的整个过程中,燃料电池发电系统从低值到高值的电压范围即为燃料电池发电系统的输出电压范围。
6.7 电效率试验
启动燃料电池发电系统,断开辅助储能模块,在额定功率W 额定下运行燃料电池发电系统30min,
用该时间段内累积净发电能量除以累积消耗的氢气量Q消耗所对应的能量(采用低热焓值242kJ/mol),通过式(1)计算燃料电池发电系统的电效率η发电(1kW·h=3600kJ)。
6.8 启动/关机方式试验
启动/关机方式的试验根据以下方法进行:
---测试手动方式时,手动启动或关闭燃料电池发电系统,检查系统是否正常启动或关闭;
---测试遥控方式时,远程启动或关闭燃料电池发电系统,检查系统是否正常启动或关闭;
---测试自动方式时,定时启动或关闭燃料电池发电系统,检查系统是否正常启动或关闭。产品附
带软件提示可以作为判据之一。
6.9 关机时间试验
燃料电池发电系统在额定功率运行的状态下,以手动、遥控或自动的方式向燃料电池发电系统发出关机指令,测量从发出关机指令的时刻到燃料电池发电系统所有部件停止工作时刻的时长。
6.10 连续运行时间试验
在额定功率下连续运行燃料电池发电系统,测量燃料电池发电系统输出电压不超出制造商标示的
输出电压范围的时长。
6.11 噪声试验
燃料电池发电系统在额定输出功率下运行,用噪声计分别在距离燃料电池发电系统前、后、左、右、上、下各测量平面中心点1m远的地方测量噪声,各方向测量平面按照GB/T 4980-2003中4.4规定方法确定。噪声计在有待测噪声与无待测噪声时的读数差应不小于10dB,否则应用表2来调整。
6.12 抗振能力试验
将燃料电池发电系统刚性连接到振动台面上,燃料电池发电系统在额定输出功率下运行,在X、Y、Z 三个方向,按图2的振动功率谱形和加速度谱均方根值进行试验,每个方向振动5min。记录燃料电池发电系统的运行情况,在试验结束后检查各种机械和电气连接是否正常,并进行(或重复)氢气泄漏率试验(见6.20)和系统舱内燃料浓度试验(见6.16)。
6.13 电磁兼容限值试验
从启动、额定功率运行、150%额定功率运行到关机的整个过程中,进行电磁兼容性试验,记录每个环节的测试结果。
静电放电抗扰度试验根据GB/T 17626.2-2018进行:
---接触放电,试验电压6kV;
---空气放电,试验电压8kV。
射频电磁场辐射抗扰度试验根据GB/T 17626.3-2016进行:试验场强10V/m,频率范围80MHz~
100MHz。
6.14 数据传输试验
检查燃料电池发电系统是否具有通信接口或数据传输接口,数据传输是否正常工作。
6.15 氢气流量试验
将氢气充装到气瓶的公称工作压力,在燃料系统氢气出口处顺序安装一个压力表和一个氢气流量
计。打开燃料系统的所有阀门,流量计有气体通过后关闭流量计。稳定30s后记录此时的压力表读
数,该读数为锁死压力(即没有氢气流动时的压力)。然后逐渐调节流量计的开关,使流量计的数值达到燃料系统制造商提供的稳定供氢流量数值,直至氢气瓶的压力低于制造商提供的最低供氢压力为止。
在此过程中,压力表的压力不低于燃料系统厂家给出的燃料系统最低输出氢气压力为合格。
6.16 舱内燃料浓度试验
将燃料电池发电系统置于其对应的无人机内,或将燃料电池发电系统置于与其对应的无人机具有
相同样放置空间及密闭条件的壳体内,让燃料电池发电系统在额定输出功率下运行,利用氢气浓度检测仪测定燃料电池发电系统所处舱室最高处氢气的浓度,每秒记录一个数值,直至氢气浓度不再有明显变化。
6.17 尾气中燃料浓度试验
燃料电池发电系统在额定输出功率下运行,在气体排放口中轴延长线10cm处安放氢气浓度检测
仪,测量在不小于10min的运行时间内排放气体中氢气的浓度,每秒记录一个数值。
6.18 舱室防护等级试验
按照GB/T 4208-2017中13.4和14.2.3分别进行防尘和防水试验。对于安装在舱室内或无人机
外壳内的燃料电池发电系统或其部分部件,该试验进行时需要把燃料电池发电系统或其部分部件安装在舱室内或无人机外壳内。
6.19 寿命试验
根据无人机实际使用情形,依据采购协议确定在制造商标示的连续运行时间内燃料电池发电系统
的运行工况,以此作为一个循环,反复运行燃料电池发电系统。当燃料电池发电系统在某一循环中其输出电压超出制造商标示的电压输出范围时,记录燃料电池发电系统累积运行的时间和启停次数。
在循环过程中燃料电池发电系统处于关闭和停机状态的时间不能计算在累积运行时间内。
典型寿命试验方法参见附录B。
6.20 氢气泄漏率试验
在燃料电池模块氢气入口前气体管路上安装一个流量计。把进入燃料电池模块氢气的入口压力设置在其工作压力(即为燃料电池模块提供氢气的燃料储供模块的氢气出口压力),在燃料电池模块氢气出口处于开启状态下通气1min,然后关闭燃料电池模块氢气出口,在该压力保持10min,记录流量计的数值,该数值为泄漏量(把其单位转换为 mol/s)。
6.21 告警与监控功能试验
6.21.1 告警功能
观察当氢气压力异常(如氢气瓶出口氢气压力低于规定的最低压力,通过减压阀减压后的氢气压力
低于设定的最低压力或高于设定的最高压力)、燃料电池发电系统电力输出过/欠压、燃料电池模块输出电压低、电力输出超过过载保护设定值、环境温度过高/过低、燃料电池模块温度过高时,系统是否发出告警。
6.21.2 监控功能
检查燃料电池发电系统是否具有5.20.2所述的遥测、遥信和遥控功能。
7 标志、包装、运输
7.1 标志
7.1.1 产品标志
在燃料电池发电系统的......
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