燃料電池客車(chē)系統(tǒng)集成安全與碰撞防護(hù)研究

房永強(qiáng)

（廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司， 福建 廈門(mén) 361023）

0 引言

燃料電池汽車(chē)是新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向之一，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一定規(guī)模的推廣應(yīng)用[1-2]，相關(guān)的安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善[3]，但由于氫能不同于傳統(tǒng)燃料能源的物理特性，還存在著車(chē)載用氫的安全問(wèn)題[4-5]。

本文基于某燃料電池公路客車(chē)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目， 從整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成的安全管理與結(jié)構(gòu)碰撞防護(hù)角度出發(fā)， 對(duì)整車(chē)主被動(dòng)安全進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 動(dòng)力系統(tǒng)集成方案

某項(xiàng)目燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成方案總體架構(gòu)如圖1 所示， 集成了大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、 高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)，以及動(dòng)力電池、雙電機(jī)兩檔行星排變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多合一集成控制器等關(guān)鍵子系統(tǒng)部件。

圖1 燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of fuel cell bus power system integration

其中，動(dòng)力電源方案采用燃料電池-動(dòng)力電池混合動(dòng)力方案， 以彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有限、 過(guò)載功率低、不能回收制動(dòng)電能等問(wèn)題。 車(chē)輛加速、爬坡或高速行駛時(shí)，優(yōu)先燃料電池提供電能，當(dāng)功率不能夠滿(mǎn)足整車(chē)功率需求時(shí)，動(dòng)力電池及時(shí)補(bǔ)充，與燃料電池組成混合電源跟隨整車(chē)功率需求變化， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直驅(qū)后橋?yàn)檎?chē)提供動(dòng)力。在燃料電池功率能夠滿(mǎn)足整車(chē)功率需求時(shí)，動(dòng)力電池吸收富余功率進(jìn)行補(bǔ)電， 車(chē)輛減速制動(dòng)時(shí)也能回收制動(dòng)電能。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由燃料電池電堆及其輔助系統(tǒng)構(gòu)成，輔助系統(tǒng)包括了燃料供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)[6]。 其中，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部電壓、電流、氣壓、流量、溫度等多個(gè)變量，根據(jù)燃料電池工作狀態(tài)對(duì)參量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，并與整車(chē)控制器進(jìn)行通信交互，在整車(chē)運(yùn)行工況下保障燃料電池運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。

儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用70MPa 高壓IV 型碳纖維儲(chǔ)氫瓶，由塑料內(nèi)膽纏繞碳纖維增強(qiáng)層形成耐壓氣瓶，與瓶口閥、管路系統(tǒng)、防護(hù)框架等配套組件集成為車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)。根據(jù)續(xù)駛里程要求選型140L 的8 瓶組方案，氣瓶組通過(guò)框架集中固定，為充分利用安裝空間，氣瓶組采用斜向疊加方式布置，縮小縱向尺寸，更好的適應(yīng)整車(chē)布置。

2 系統(tǒng)集成安全管理

燃料電池客車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輛控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控各系統(tǒng)部件狀態(tài)和故障信息，對(duì)電壓、電流、溫度、絕緣電阻、煙霧、氫氣、碰撞等與安全相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行綜合檢測(cè)，根據(jù)故障部件及嚴(yán)重程度執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施。 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成主要的安全管理單元由圖2 所示構(gòu)成。

圖2 燃料電池整車(chē)主要的安全管理單元Fig.2 Main safety management units of fuel cell vehicles

參考ASIL 等級(jí)的安全目標(biāo)[7]總體定義，從整車(chē)安全行駛考慮進(jìn)行功能分解， 定義了一種四級(jí)分類(lèi)故障及相應(yīng)的處理機(jī)制：

（1）四級(jí)故障：最高級(jí)別起火風(fēng)險(xiǎn)故障，整車(chē)立即切斷電機(jī)扭矩，車(chē)速低于5km/h 時(shí)切斷所有高壓回路；系統(tǒng)進(jìn)入鎖止?fàn)顟B(tài)，未重新上電不能復(fù)位。

（2）三級(jí)故障：次高級(jí)別系統(tǒng)嚴(yán)重故障，整車(chē)限功率直至切斷電機(jī)扭矩， 當(dāng)車(chē)速低于5km/h 時(shí)根據(jù)故障類(lèi)型切斷相應(yīng)高壓回路；停車(chē)后若故障消除，系統(tǒng)進(jìn)入扭矩恢復(fù)模式。

（3）二級(jí)故障：一般性故障，整車(chē)維持限功率、限車(chē)速的跛行回廠(chǎng)模式。

（4）一級(jí)故障：充電/加氫提醒、里程不足、一般性設(shè)備故障等儀表提示告警。

燃料電池系統(tǒng)集成的安全性是燃料電池客車(chē)整車(chē)安全的重要保障[8]。 在以上整車(chē)級(jí)故障處理機(jī)制基礎(chǔ)上，結(jié)合燃料電池系統(tǒng)從輕到重的故障特征， 可進(jìn)一步制定相應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)故障分級(jí)響應(yīng)策略：

（1）當(dāng)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，燃料電池控制系統(tǒng)向整車(chē)控制系統(tǒng)請(qǐng)求停機(jī)， 而后整車(chē)依靠動(dòng)力電池輔助電源，可切換為純電行駛狀態(tài)下的限功率、限車(chē)速跛行模式。

（2）當(dāng)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生一般性故障，燃料電池還能降額使用時(shí)， 整車(chē)控制系統(tǒng)可以根據(jù)燃料電池功率限額調(diào)整能量管理策略，使整車(chē)進(jìn)入燃料電池-動(dòng)力電池混動(dòng)狀態(tài)下限功率、限車(chē)速跛行模式。

（3）燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生警告提示故障時(shí)，按整車(chē)一級(jí)故障級(jí)別發(fā)送儀表提示。

此外，其他系統(tǒng)安全管理單元的主動(dòng)請(qǐng)求保護(hù)，以及煙霧報(bào)警、氫氣報(bào)警、碰撞報(bào)警等安全特征發(fā)生時(shí)，也應(yīng)觸發(fā)燃料電池系統(tǒng)響應(yīng)控制或進(jìn)入停機(jī)保護(hù)流程， 尤其是當(dāng)報(bào)警達(dá)到最嚴(yán)重程度時(shí)， 需同步控制氫氣瓶閥門(mén)關(guān)閉，以確保燃料電池、氫系統(tǒng)及整車(chē)始終處于安全狀態(tài)，主要措施有：

（1）為了保障極端情況下，駕駛員能主動(dòng)切斷供氫系統(tǒng)保障車(chē)輛安全，車(chē)輛儀表臺(tái)設(shè)置“氫閥急斷”控制開(kāi)關(guān)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令， 控制燃料電池系統(tǒng)停機(jī)并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

（2）當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧顆粒濃度過(guò)高時(shí)，觸發(fā)煙霧報(bào)警，整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令，控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

（3）當(dāng)氫濃度檢測(cè)傳感器檢測(cè)到氫氣達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，觸發(fā)氫泄漏報(bào)警，整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令，控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

（4）當(dāng)車(chē)輛發(fā)生碰撞事故，碰撞檢測(cè)傳感器觸發(fā)報(bào)警時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令，控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

（5）當(dāng)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器等其他安全部件，發(fā)生嚴(yán)重過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、絕緣過(guò)低等整車(chē)四級(jí)故障時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令， 控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)；發(fā)生整車(chē)三級(jí)故障時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)送待機(jī)指令，燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；發(fā)生整車(chē)二級(jí)故障時(shí)，整車(chē)控制器按燃料電池系統(tǒng)中、低檔發(fā)電功率發(fā)送請(qǐng)求指令，限制燃料電池系統(tǒng)發(fā)電功率；發(fā)生整車(chē)一級(jí)故障時(shí)，燃料電池系統(tǒng)工作不影響。

綜上， 燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的故障分級(jí)響應(yīng)處理流程邏輯如圖3 所示。

圖3 基于整車(chē)故障分級(jí)流程的燃料電池系統(tǒng)安全管理思路Fig.3 A safety management approach for fuel cell systems based on the whole vehicle fault classification process

3 關(guān)鍵部位碰撞分析

相比于其他新能源汽車(chē)類(lèi)型，燃料電池車(chē)輛增加了燃料電池系統(tǒng)和車(chē)載氫系統(tǒng)，這兩個(gè)關(guān)鍵部件涉及到儲(chǔ)氫、用氫的整車(chē)安全，如果在碰撞事故中受到侵入破壞，可能會(huì)造成氫氣泄漏引發(fā)火災(zāi)[9]，因此重點(diǎn)對(duì)兩者安裝部位防護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行碰撞仿真分析。

3.1 整車(chē)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

首先， 對(duì)燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行布置設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全考慮。 項(xiàng)目原基礎(chǔ)車(chē)型平臺(tái)側(cè)圍骨架、頂蓋骨架及艙立柱均采用封閉環(huán)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行燃料電池整車(chē)平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)需提升中段承重能力與碰撞保護(hù)能力[10]，以適應(yīng)車(chē)載氫系統(tǒng)安裝集成； 后部層疊式骨架也需適應(yīng)性調(diào)整，形成足夠的安裝空間，滿(mǎn)足大功率型燃料電池系統(tǒng)的布置。

基于以上思路， 對(duì)圖1 中整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行三維總布置設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖4 燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成布置方案Fig.4 Integrated layout plan for the power system of fuel cell buses

由于燃料電池客車(chē)車(chē)身較高， 氫氣瓶如果頂置對(duì)造型影響較大，并且對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求極高，側(cè)翻安全性也有較大風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到公路客車(chē)下部行李艙空間較大，可用來(lái)承載氫系統(tǒng)，因此氫氣瓶組集中布置于行李艙中部，避免車(chē)輛因前、后碰撞受到擠壓。氫氣瓶艙兩側(cè)設(shè)計(jì)有防護(hù)裝置，從側(cè)面加強(qiáng)氫氣瓶的結(jié)構(gòu)安全，側(cè)面碰撞防護(hù)在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行仿真分析?？紤]到涉氫安全性，中部艙體還需進(jìn)行氫氣逸散及排放的特殊設(shè)計(jì)，包括：①艙體立面及頂部采用無(wú)縫、無(wú)孔設(shè)計(jì)，避免縫隙及孔洞出現(xiàn)；②頂部中間位置跑道梁取消檢修面板，改至車(chē)內(nèi)地板檢修口，防止氫氣進(jìn)入跑道梁內(nèi)積聚，產(chǎn)生危險(xiǎn)；同時(shí)，艙頂部采用斜面設(shè)計(jì)，將氫氣引流至車(chē)身邊緣排出；③艙門(mén)高處增加格柵，保證艙體內(nèi)氣流流動(dòng)，有利于艙內(nèi)空氣流暢；④氫系統(tǒng)排空口、泄放口均通過(guò)管路引至車(chē)頂排放，確保排出的氫氣不在艙內(nèi)停留；⑤由于燃料電池系統(tǒng)布置于后艙，氫氣管路通過(guò)跑道梁引至車(chē)尾部，內(nèi)部對(duì)高壓線(xiàn)束、低壓線(xiàn)束及管路采用分離布置設(shè)計(jì)，保持安全距離。

車(chē)輛后部高壓設(shè)備艙， 主要布置燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、多合一集成控制器、動(dòng)力電池等部件。其中，多合一集成控制器布置于右側(cè)，冷卻及進(jìn)排氣放置于車(chē)輛左側(cè)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)布置于中間位置，離地高度達(dá)530mm；燃料電池電堆集成于本體框架內(nèi)，與車(chē)架尾橫梁構(gòu)成雙重防護(hù)，保證燃料電池電堆不易受外部碰撞。 動(dòng)力電池箱采用中2 后2方式布置于車(chē)輛中部和后部空間，動(dòng)力電池組側(cè)面設(shè)計(jì)有防護(hù)裝置，離地高度達(dá)400mm，滿(mǎn)足車(chē)輛涉水深度要求。

3.2 側(cè)面碰撞仿真

對(duì)燃料電池客車(chē)中部氫氣瓶組安裝部位的碰撞防護(hù)進(jìn)行仿真分析。試驗(yàn)時(shí)，移動(dòng)壁障對(duì)車(chē)輛最薄弱位置進(jìn)行撞擊，并同步分析碰撞對(duì)氫氣瓶組的影響。

首先，將整車(chē)三維CAD 模型導(dǎo)出的STEP 格式文件，導(dǎo)入到HyperMesh 中建立整車(chē)有限元CAE 模型， 在建模過(guò)程中，有限元模型進(jìn)行相應(yīng)合理簡(jiǎn)化[11]，如圖5 所示。定義移動(dòng)臺(tái)車(chē)、 碰撞裝置為剛性的鋼制結(jié)構(gòu)， 碰撞速度為（50±2）km/h，移動(dòng)臺(tái)車(chē)和碰撞裝置總質(zhì)量為（1100±20）kg。

圖5 側(cè)面碰撞有限元分析模型Fig.5 Finite element analysis model for side impact

側(cè)面碰撞過(guò)程的能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果如圖6 所示。 從圖中可知，撞擊過(guò)程分為撞擊和回彈兩個(gè)階段，從開(kāi)始時(shí)刻到0.04s 是撞擊階段，之后是回彈過(guò)程。 整個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換為材料變形的內(nèi)能，到終止時(shí)間0.12s 最大能量損耗比值為-7.4%，質(zhì)量增加比例為3.2%，能量損耗結(jié)果和質(zhì)量增加比例都處于正常范圍。

圖6 側(cè)面碰撞能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of side impact energy curve

側(cè)艙門(mén)上分布的各處測(cè)量點(diǎn)侵入距離仿真結(jié)果如圖7 所示。最大侵入量為132.349mm，未碰及氫氣瓶組，氫氣瓶處于安全位置，骨架設(shè)計(jì)的側(cè)面強(qiáng)度可靠。

圖7 側(cè)艙門(mén)測(cè)量點(diǎn)侵入量Fig.7 Side hatch measurement point intrusion volume

氫氣瓶組及安裝支架應(yīng)力分布如圖8 所示， 結(jié)果顯示氫氣瓶支架最大應(yīng)力值為266.2MPa， 低于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖8 氫氣瓶組支架應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of hydrogen bottle group bracke

3.3 后部碰撞仿真

客車(chē)后碰撞時(shí)，后圍骨架和車(chē)架是主要的受力區(qū)域，也是主要的力傳遞路徑，側(cè)圍骨架、頂蓋骨架是次要的力傳遞路徑，碰撞力由后圍蒙皮、后圍骨架以及同車(chē)架尾端相連的后保險(xiǎn)杠、后縱梁、后橫梁依次向車(chē)身前段骨架傳遞[12]。 進(jìn)一步的，設(shè)置后部碰撞邊界條件，通過(guò)網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定、質(zhì)量配重，定義碰撞臺(tái)車(chē)屬性，建立后部碰撞的CAE 仿真模型，如圖9 所示。

圖9 后部碰撞有限元分析模型Fig.9 Finite element analysis model for rear impact

后部碰撞過(guò)程的能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果如圖10 所示，能量數(shù)值沒(méi)有發(fā)生突變，能量轉(zhuǎn)換正常，沙漏能與接觸能比值小于5%； 側(cè)碰壁障與后圍發(fā)生了劇烈的碰撞與摩擦，總能量一部分被接觸摩擦消耗掉了，轉(zhuǎn)換成了接觸能，總體來(lái)說(shuō)，能量變化在合理的范圍內(nèi)。

圖10 后部碰撞能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of rear collision energy curve

同樣，通過(guò)軟件分析碰撞歷程，避障小車(chē)與車(chē)身最大接觸時(shí)刻為60ms，此時(shí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)框架沒(méi)有受到外部侵入，燃料電池電堆未受到破壞，后尾骨架和防護(hù)措施能起到保護(hù)效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成主被動(dòng)安全問(wèn)題，特別是故障安全管理與布置結(jié)構(gòu)防護(hù)兩方面進(jìn)行了研究，提出了基于整車(chē)故障處理流程的燃料電池系統(tǒng)安全管理的思路，以及完成了燃料電池整車(chē)涉氫結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)力系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)，相關(guān)的思路和措施能有益于提高燃料電池客車(chē)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)安全，保障車(chē)輛的安全使用。