燃料電池汽車被動(dòng)安全性能檢測(cè)方法的研究

王立民，李志，何成，李君

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燃料電池汽車被動(dòng)安全性能檢測(cè)方法的研究

王立民，李志，何成，李君

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

燃料電池汽車是未來(lái)新能源汽車主要類型之一，為確保其在道路事故中的安全性能，需要對(duì)其在碰撞過(guò)程中的乘員保護(hù)性能做相應(yīng)的檢測(cè)與鑒定。根據(jù)燃料電池電動(dòng)汽車的特性，從燃料泄漏和觸電防護(hù)兩個(gè)方面，研究適用于燃料電池汽車的被動(dòng)安全檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。

燃料電池；電動(dòng)汽車；碰撞；安全性能檢測(cè)

隨著居民生活水平的提高，汽車逐漸走進(jìn)千家萬(wàn)戶，便利了人們的出行。同時(shí)，持續(xù)上升的汽車產(chǎn)量和保有量使得化石燃料的消耗量日益增加，對(duì)環(huán)境的污染也越來(lái)越嚴(yán)重。為了解決能源和環(huán)境問(wèn)題，對(duì)新能源的開發(fā)成為解決問(wèn)題的一條重要路徑。

時(shí)下最流行的新能源汽車莫過(guò)于電動(dòng)汽車。與純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車相比，燃料電池電動(dòng)汽車是未來(lái)電動(dòng)汽車發(fā)展的方向與趨勢(shì)。為保障今后燃料電池電動(dòng)汽車在道路上行駛安全，需要對(duì)其安全性能進(jìn)行研究分析，通過(guò)制定相關(guān)的法規(guī)要求，檢測(cè)燃料電池電動(dòng)汽車在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中是否滿足安全性能要求。在道路事故中，碰撞是造成傷害的主要原因，所以研究燃料電池電動(dòng)汽車碰撞安全性能顯得格外重要。

1 燃料電池電動(dòng)汽車碰撞安全性問(wèn)題

燃料電池汽車作為新型汽車有其獨(dú)特之處，既攜帶易燃易爆的活性氣體燃料，又通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)車輛，所以其被動(dòng)安全性能評(píng)價(jià)更為嚴(yán)苛復(fù)雜。各類型汽車的被動(dòng)安全性能評(píng)價(jià)內(nèi)容如表1所示。為了更好了解燃料電池電動(dòng)汽車的特征，分析其安全性能，參考汽車碰撞的方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從結(jié)構(gòu)防護(hù)與氣體泄漏、乘員損傷以及試驗(yàn)后電氣安全等主要影響因素出發(fā)，研究燃料電池電動(dòng)汽車的碰撞試驗(yàn)方法。

表1 四種類型車輛被動(dòng)安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目

汽車類型評(píng)價(jià)項(xiàng)目 傳統(tǒng)燃油汽車乘員損傷車身變形量燃料泄漏 混合動(dòng)力汽車乘員損傷車身變形量燃料泄漏電安全 純電動(dòng)汽車乘員損傷車身變形量 電安全 燃料電池汽車乘員損傷車身變形量氣體泄漏電安全

1.1 燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)特征

為了更好地保護(hù)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，燃料電池電動(dòng)汽車在車輛結(jié)構(gòu)方面，有了一定的改變。車身底部布置了燃料電池堆、動(dòng)力控制單元、儲(chǔ)氫裝置及管路等模塊，后艙布置動(dòng)力電池、儲(chǔ)氫裝置等。

1.2 碰撞安全性問(wèn)題

作為新型電動(dòng)汽車，燃料電池電動(dòng)汽車主要包括儲(chǔ)氫裝置、氫氣供給管路、燃料電池堆、動(dòng)力電池以及電動(dòng)機(jī)。對(duì)于高速碰撞來(lái)說(shuō)，巨大減速度會(huì)給車內(nèi)乘員帶來(lái)傷害。對(duì)于儲(chǔ)氫裝置和氫氣供給管路來(lái)說(shuō)，碰撞使其存在泄漏和爆炸等問(wèn)題。而對(duì)于燃料電池、動(dòng)力電池和電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，碰撞則會(huì)帶來(lái)觸電等問(wèn)題。

2 碰撞試驗(yàn)方法的研究

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)燃料電池電動(dòng)車進(jìn)行碰撞測(cè)試的要求和說(shuō)明。相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)有《燃料電池汽車安全要求》（GB/T 24549—2009）和《氫系統(tǒng)安全的基本要求》（GB/T 29729—2013），其標(biāo)準(zhǔn)主要是對(duì)使用氫氣的相關(guān)設(shè)備和環(huán)境以及安全方面提出了相關(guān)要求。結(jié)合整車碰撞的試驗(yàn)方法以及燃料電池電動(dòng)汽車碰撞的危害因素，將碰撞試驗(yàn)分為以下兩步。

2.1 試驗(yàn)前車輛危險(xiǎn)源因素的處理

氫氣的內(nèi)在特征，決定了燃料電池電動(dòng)汽車有不同于傳統(tǒng)新能源汽車的危險(xiǎn)特性，它有著易燃、易泄漏等諸多危險(xiǎn)。氫又是最輕的元素，比液體燃料和其他氣體燃料更容易從小孔中泄漏。一旦發(fā)生泄漏，氫氣就會(huì)迅速擴(kuò)散。與汽油、丙烷、天然氣相比，氫氣在空氣中具有較大的快速上浮能力和較強(qiáng)的擴(kuò)散性，而且氫的燃燒范圍很廣，著火點(diǎn)很低。氫氣火焰幾乎是看不到的，因?yàn)樵诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)，燃燒的氫放出的能量很少。因此接近氫氣火焰的人可能會(huì)不知道火焰的存在，增加了危險(xiǎn)性。

為降低試驗(yàn)危險(xiǎn)，提高試驗(yàn)的安全系數(shù)，同時(shí)又能準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)中燃料電池電動(dòng)汽車碰撞的場(chǎng)景，可以利用氦氣替代氫氣作為試驗(yàn)中的燃料氣體。試驗(yàn)前，需要抽空所有儲(chǔ)氫裝置中的氫燃料以及管道中的氫氣，用相同質(zhì)量的氦氣來(lái)替代。氫氣的排空和氦氣的置換需要經(jīng)過(guò)多次重復(fù)，目的是把儲(chǔ)氫罐中的氫氣濃度降低到4%以下。同時(shí)，為了排空管路中的剩余氫氣，完成氦氣置換后，需要啟動(dòng)車輛至車輛自動(dòng)滅火。

2.2 碰撞過(guò)程中的相關(guān)檢測(cè)

將燃料電池電動(dòng)汽車中的氫氣用氦氣替代，其他操作按正常法規(guī)要求進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中除了需要對(duì)乘員損傷做相關(guān)評(píng)價(jià)外，還需檢測(cè)試驗(yàn)后燃料氣體的泄漏及高壓電氣安全。

3 碰撞后氦氣介質(zhì)泄漏檢測(cè)

大部分燃料電池汽車的儲(chǔ)氣機(jī)構(gòu)是一種中部為圓柱形、兩端為橢球形的氣罐。碰撞發(fā)生后，不論是輸氣管路破裂泄漏還是氣罐破裂泄漏，儲(chǔ)氣罐內(nèi)部氣壓都會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)在儲(chǔ)氣機(jī)構(gòu)內(nèi)部加裝氣壓傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)碰撞過(guò)程中氣壓的變化，同時(shí)這些試驗(yàn)前后的氣壓值也是計(jì)算氣體泄漏量的依據(jù)。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)這種兩端橢球形結(jié)構(gòu)的氣瓶在出氣口與封頭的過(guò)渡處產(chǎn)生應(yīng)力集中，是容易發(fā)生材料破裂的危險(xiǎn)位置，如圖1紅色區(qū)域所示。在此位置附近加裝氣壓傳感器能有效檢測(cè)氣壓變化。

圖1 試驗(yàn)工況下氣罐的總體應(yīng)力分布云圖

對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車，碰撞過(guò)程中，利用氦氣代替氫氣進(jìn)行試驗(yàn)，氣體的泄漏率應(yīng)按以下程序計(jì)算。在碰撞前和碰撞后的規(guī)定時(shí)間間隔△內(nèi)，應(yīng)測(cè)量氦氣的壓力0和溫度0，℃。時(shí)間區(qū)間△數(shù)值通過(guò)以下公式計(jì)算，如果計(jì)算時(shí)間小于60 min，則按60 min測(cè)試，大于60 min以計(jì)算時(shí)間為準(zhǔn)：

式（1）中：CHSS為儲(chǔ)氫系統(tǒng)的容積，L；為公稱工作壓力，MPa；S=S/.

儲(chǔ)氫系統(tǒng)中氦氣的初始質(zhì)量0公式為：

式（2）中：0為初始?jí)毫Φ臏y(cè)試值，MPa；0為初始溫度的測(cè)試值，℃；CHSS為儲(chǔ)氫系統(tǒng)的容積，L。

在時(shí)間間隔（△）結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)中氦氣的最終質(zhì)量（f）可按以下公式計(jì)算：

式（3）中：f為時(shí)間間隔（△）結(jié)束時(shí)的最終壓力測(cè)試值，MPa；f為最終溫度測(cè)試值，℃。

在時(shí)間間隔（△）內(nèi)氦氣的平均流量He公式為：

式（4）中：He為時(shí)間間隔內(nèi)的平均體積流量，NL/min；0/target為用于抵消初始?jí)毫y(cè)試值0與目標(biāo)充裝壓力target之間的差異。

將氦氣的平均流量轉(zhuǎn)化為氫氣平均流量：

4 碰撞后高壓電氣安全檢測(cè)

燃料電池電動(dòng)汽車在碰撞后也存在高壓電氣安全的問(wèn)題，所以在碰撞試驗(yàn)的過(guò)程中，需要對(duì)其相關(guān)的性能進(jìn)行檢測(cè)。參考法規(guī)《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》（GB/T 31498—2015）以及燃料電池電動(dòng)汽車的特征，將高壓電氣安全檢測(cè)分為以下幾個(gè)部分。

4.1 觸電防護(hù)要求

為了防止高壓對(duì)乘員帶來(lái)電擊傷害，燃料電池電動(dòng)汽車碰撞后應(yīng)滿足觸電防護(hù)要求。

絕緣電阻檢測(cè)：測(cè)量負(fù)載端和REESS端的絕緣電阻阻值，判斷在基本防護(hù)或單點(diǎn)失效的情況下，流進(jìn)人體的電流是否在安全電流范圍以內(nèi)。具體測(cè)量方法參考《電動(dòng)汽車碰撞后安全要求》（GB/T 31498—2015）。

低電能檢測(cè)：從能量角度出發(fā)，要求在碰撞后5～60 s后，負(fù)載端所釋放的電能小于0.2 J。

低電壓檢測(cè)：為確保安全電壓，要求在碰撞試驗(yàn)結(jié)束后5～60 s間測(cè)量電力系統(tǒng)負(fù)載端高壓母線的電壓值均不大于30 V交流或60 V直流。

物理防護(hù)檢測(cè)：碰撞試驗(yàn)后對(duì)車輛進(jìn)行直接接觸測(cè)試和間接接觸測(cè)試，要求車身直接防護(hù)能滿足IPXXD的要求以及外露的可導(dǎo)電部件與電平臺(tái)之間電阻值小于0.1 Ω。

4.2 REESS端安全要求

對(duì)于燃料電池電池汽車來(lái)說(shuō)，碰撞后存在電池起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)和燃料起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，所以在碰撞后，要切斷各類供需系統(tǒng)之間的聯(lián)系，主要為氫燃料與燃料電池堆、電池與電力負(fù)載。主要檢測(cè)項(xiàng)為REESS端不起火爆炸，REESS端氣體泄漏不得超過(guò)出規(guī)定值，REESS電解液泄露不得超過(guò)出規(guī)定值。

4.3 REESS位移要求

為確保安全，要求碰撞結(jié)束后，REESS端不得伸入乘員艙，內(nèi)部元器件不得不得伸出保護(hù)殼，對(duì)于氫氣瓶和電池的位移不得超過(guò)規(guī)定值。

5 試驗(yàn)后的安全評(píng)價(jià)

根據(jù)上面試驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，建立氫燃料電池電動(dòng)汽車碰撞安全性能評(píng)價(jià)體系（不包含乘員損傷評(píng)價(jià)），如表2所示。從表2中可以看出，所建立的評(píng)價(jià)體系基本涵蓋了燃料電池所存在的安全問(wèn)題，其次這一評(píng)價(jià)體系也適用于當(dāng)下現(xiàn)有的各類標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。

綜上所述，為了使燃料電池電動(dòng)汽車有更好的發(fā)展方向，我國(guó)應(yīng)盡早制訂出一個(gè)完善的、有針對(duì)性的燃料電池電動(dòng)汽車碰撞安全綜合性標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。

表2 燃料電池電動(dòng)汽車碰撞安全性能評(píng)價(jià)體系

序號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)指標(biāo) 1儲(chǔ)氫裝置的泄漏碰撞前和碰撞后規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量燃料氣體的的溫度和壓力燃料系統(tǒng)的平均氫氣泄漏率不得超過(guò)118 NL/min 2管路泄漏利用氣體探測(cè)儀或泄漏檢測(cè)儀對(duì)管路易破損以及接頭處進(jìn)行氣密性檢測(cè)泄漏速率不得超過(guò)0.005 mg/s 3氣體濃度檢測(cè)檢測(cè)在駕駛員上方車頂250 mm以內(nèi)、乘員艙頂部中心附近以及行李艙頂部的濃度傳感器中的氣體濃度變化平均氫氣濃度不超過(guò)4%，氦氣濃度不超過(guò)3% 4高壓觸電防護(hù)檢測(cè)B級(jí)電路的絕緣電阻絕緣電阻大于500 Ω/V 檢測(cè)車身電器的物理防護(hù)滿足IPXXD的要求以及等電位要求 測(cè)量試驗(yàn)后60 s內(nèi)B級(jí)電路電壓電壓低于60 V直流、30 V交流 計(jì)算試驗(yàn)后試驗(yàn)后60 s內(nèi)的電能電能小于0.2 J 5位移要求碰撞后，檢測(cè)動(dòng)力電池和氫瓶保護(hù)裝置的位移變化要求動(dòng)力電池沒(méi)有穿入的乘員艙及其他危險(xiǎn)區(qū)域（如氣體泄漏口） 氫瓶固定裝置不松動(dòng)，氣瓶位移量小于13 mm 6電解液泄漏碰撞30 min內(nèi)，電解液的泄漏量泄漏量小于5 L

6 結(jié)論

對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車進(jìn)行的各類形式的碰撞試驗(yàn)，不但需要按照各類形式的碰撞標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，還需做到以下幾點(diǎn)：①試驗(yàn)前，按照碰撞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛進(jìn)行處理，同時(shí)將氫氣排空，用相同體積的氦氣替代進(jìn)行試驗(yàn)；②試驗(yàn)過(guò)程中除了考核乘員損傷指標(biāo)以外，還需增加表2中的相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)按照表格內(nèi)的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的考核；③需要對(duì)試驗(yàn)后的車輛進(jìn)行隔離觀察，待確認(rèn)安全以后，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

［1］劉桂彬，孫振東，李玉剛，等.GB/T 31498—2015 電動(dòng)汽車碰撞后安全要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

［2］何云堂，馮力中，趙靜煒，等.GB/T 24549—2009 燃料電池電動(dòng)汽車安全要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］李向榮.燃料電池汽車正面碰撞安全性研究［J］.汽車工程，2010（3）：213-216.

［4］孫振東.基于氫燃料電池汽車碰撞安全性的研究［J］.北京汽車，2009（2）：27-30.

［5］李建秋.燃料電池汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014（5）：17-29.

2095－6835（2019）07－0013－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.013

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕