質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全分析

摘要：為解決質(zhì)子交換膜燃料電池車輛的安全問題，運(yùn)用故障樹方法，分析了質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全影響要素及燃料電池系統(tǒng)、動力電池、高壓電氣線路安全隱患，闡述了當(dāng)前國內(nèi)外質(zhì)子交換膜燃料電池車輛儲氫罐、氫氣泄漏、動力電池、電氣安全方面的防控策略及方法。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全措施能夠防控可預(yù)見的安全風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜 燃料電池 車輛安全 安全分析

中圖分類號：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240113

Safety Analysis of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Vehicle

Xie Xianshu

（Guizhou College of Electronic Science and Technology， Guiyang 550023）

Abstract： To address the safety concerns of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Electric Vehicles （PEMFCEV）， this paper uses the fault tree method to explore the factors affecting the safety of PEMFCEV， analyzes the potential safety hazards of proton exchange membrane fuel cell systems， power batteries and high-voltage electrical circuits， and elaborates the current domestic and foreign PEMFCEV manufacturers’ safety prevention and control strategies adopted for hydrogen leakage， power battery， and electrical safety. The results show that the current safety measures for PEMFCEV can prevent and control foreseeable safety risks.

Key words： Proton exchange membrane， Fuel cell， Vehicle safety， Safety analysis

1 前言

相較于純電動車輛，質(zhì)子交換膜燃料電池車輛增加了燃料電池系統(tǒng)，其安全控制更為復(fù)雜，存在氫氣泄漏、動力電池?zé)崾Э氐蕊L(fēng)險。

李雪芳等[1]針對氫氣意外泄漏展開了系列研究，建立了高壓氫氣泄漏的計(jì)算模型。何靜等[2]研究了燃料電池汽車在車庫內(nèi)氫氣意外泄漏后的濃度分布情況和不同通風(fēng)方式對氫氣意外泄漏擴(kuò)散的影響。張磊等[3]研究了燃料電池汽車氫氣泄漏燃燒爆炸的危險性，發(fā)現(xiàn)燃料電池汽車氫系統(tǒng)氫氣泄漏危險極大，嚴(yán)重威脅乘員生命安全。董文妍等[4]分析了燃料電池汽車氫系統(tǒng)失效的潛在模式及原因。針對燃料電池汽車安全問題，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會出臺了《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》。

質(zhì)子交換膜燃料電池車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境振動大，存在部件失效、碰撞、氫氣泄漏等安全風(fēng)險。開展車用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)安全防控分析，探索質(zhì)子交換膜燃料電池車輛的安全特性，分析車用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)隱患，探索其安全控制策略，有助于推動質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全防控設(shè)計(jì)。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)安全要素

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)通常由燃料電池堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)等組成，其中，對車輛安全性影響較大的系統(tǒng)主要是氫氣供給系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)。

2.1 氫氣對質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全的影響

氫氣在常溫常壓條件下無色無味無毒，密度為0.089 g/L。當(dāng)空氣中的氫氣濃度為4%～70%時，遇到火源易燃易爆，當(dāng)空氣中氫氣濃度小于4%或大于75%時，即使遇到火源，也不會爆炸[5]。由于氫分子直徑小且質(zhì)量輕，易發(fā)生泄漏，與其他氣體和液體燃料相比，氫氣易擴(kuò)散[6]，從高壓儲氫罐泄漏的氫氣會形成射流，其擴(kuò)散長度及可燃范圍是安全距離和危險區(qū)范圍的重要影響因素[7]，氫氣在車庫、廠房等通風(fēng)不良空間中泄漏后易發(fā)生積聚，形成爆炸混合物。另外，金屬材料與氫長期接觸后，通常會出現(xiàn)氫滲透現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其機(jī)械性能，進(jìn)而易出現(xiàn)脆斷。

氫氣儲存于高壓儲氫罐中，施加一定壓力后經(jīng)氫氣供給系統(tǒng)輸送至燃料電池堆參加化學(xué)反應(yīng)。在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中，由于氫氣的易泄性、易爆性和車輛的密閉性，一旦氫氣泄漏進(jìn)入車內(nèi)，氫氣濃度極易達(dá)到4%。另外，當(dāng)室內(nèi)停車場的燃料電池車輛氫氣泄漏時，氫氣較難擴(kuò)散，易發(fā)生爆炸。因此，氫氣是質(zhì)子交換膜燃料電池車輛內(nèi)部最大的危險源，質(zhì)子交換膜燃料電池車輛氫氣供給系統(tǒng)須具有較高的密封性。

氫氣泄漏率模型是儲氫罐壓縮存儲氫氣的函數(shù)，氫氣的泄漏質(zhì)量可由氫氣泄漏速度計(jì)算獲得，氫氣泄漏速度取決于儲氫罐內(nèi)壓力與環(huán)境壓力之差和氫氣特性。氫氣流量與湍流和等熵流出口速度計(jì)算如下[8]：

[Vs=γPρ（1+γ-12）-0.5] （1）

[G=VsAleakρ] （2）

式中：[Vs]為泄漏出口速度，[γ]為絕熱膨脹系數(shù)，[P]為儲氫罐壓力，[ρ]為壓力為20 MPa、溫度為298 K時的氫氣密度，[G]為氫氣質(zhì)量流率，[Aleak]為泄漏面積。

2.2 燃料電池堆退化的安全影響

典型的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)通常使用磺化四氟乙烯聚合物作為質(zhì)子傳導(dǎo)膜，杜邦公司Nafion質(zhì)子交換膜應(yīng)用較為廣泛。在使用過程中，質(zhì)子交換膜存在明顯的機(jī)械性能退化、化學(xué)性能退化、熱退化?；瘜W(xué)性能退化是因燃料電池在高溫下運(yùn)行所致，當(dāng)燃料電池工作溫度高于15 [℃]時，質(zhì)子交換膜因干燥出現(xiàn)熱退化，由于過氧化物自由基腐蝕，聚合物鏈出現(xiàn)分解。熱退化會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜出現(xiàn)氣孔和機(jī)械性能退化（膜破裂）[9]，一旦破裂，其隔離氫氣和氧氣的功能失效，氫氣將直接與氧氣接觸并發(fā)生爆炸[10]。

目前，多數(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池衰減電壓為1～2 [μ]V/h，其工作溫度不高于75 [℃]，進(jìn)入燃料電池堆的空氣相對濕度接近100%，進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力、氫氣與氧氣的比例均須滿足技術(shù)要求，基于對當(dāng)前質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工作條件，應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ完P(guān)系，構(gòu)建質(zhì)子交換膜退化模型表征質(zhì)子交換膜退化關(guān)系。

基于設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件變化的膜厚度退化比例計(jì)算如下[9]：

Ra=[a0+a1T+a2RH+a3P+a4/ln （L0）a0+a1Tref+a2RHref+a3pref+a4/ln （Lref0）] （3）

式中：Ra為當(dāng)前條件與運(yùn)行條件下膜厚度退化比例；[a0]、[ a1]、[ a2]、[ a3]、[ a4]分別為膜退化比例經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值分別為-2.649 2、0.018、0.036、0.599 2、10.84；T為系統(tǒng)運(yùn)行溫度；P為系統(tǒng)運(yùn)行壓力；RH為系統(tǒng)進(jìn)氣相對濕度；[L0]為膜初始厚度；[Tref]為膜退化率半經(jīng)驗(yàn)方程的參考溫度；[RHref]為膜退化率半經(jīng)驗(yàn)方程的參考相對濕度；[pref]為膜退化率半經(jīng)驗(yàn)方程的參考相對壓力；[Lref0]=23 μm為膜退化率半經(jīng)驗(yàn)方程的參考厚度。

膜厚度相對減少速率計(jì)算如下[9]：

[rcurrL=rrefLRa] （4）

式中：[rcurrL]為當(dāng)前條件下膜厚度的相對減少速率，[rrefL]=3.72×10-4 h-1為基準(zhǔn)條件下膜厚度相對減少速率。

質(zhì)子交換膜瞬時導(dǎo)電性計(jì)算如下：

[σt=σ0（1-trcurrσ]） （5）

式中：[σt]為質(zhì)子交換膜瞬時導(dǎo)電性，[σ0]為質(zhì)子交換膜初始導(dǎo)電性，[t]為瞬時時刻，[rcurrσ]為當(dāng)前條件下膜導(dǎo)電性退化比率。

半經(jīng)驗(yàn)方程式各參數(shù)取值為[9][rrefL=3.72×10-4 h-1]，[Tref=343 K·pref=1 atm·RHref]。

參照質(zhì)子交換膜燃料電池設(shè)計(jì)運(yùn)行的過往參數(shù)和當(dāng)前參數(shù)，同時利用半經(jīng)驗(yàn)方程式有助于估算當(dāng)前質(zhì)子交換膜退化[11]。質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心部件，其技術(shù)性能退化不僅影響燃料電池功率輸出，還影響燃料電池車輛安全。另外，質(zhì)子交換膜與雙極板之間利用密封膠密封，密封面存在氫氣泄漏風(fēng)險[12]，導(dǎo)致燃料電池堆產(chǎn)生一定安全隱患。

2.3 儲氫罐的安全影響

儲氫罐是質(zhì)子交換膜燃料電池車輛必不可少的燃料存儲器，可儲存70 MPa高壓氫氣。儲氫罐上通常配裝有壓力傳感器、溫度傳感器、單向閥、高壓閥等部件，任一部件性能退化或與儲氫罐密封不嚴(yán)，均會導(dǎo)致氫氣泄漏，氫氣泄漏的概率與儲氫罐的故障概率成正比[13]，儲氫罐的故障概率取決于儲氫罐及其附件的故障概率，儲氫罐及附件的故障均影響燃料電池車輛安全。

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞、翻車等事故時，儲氫罐的泄漏風(fēng)險難以避免，當(dāng)高壓儲氫罐內(nèi)的氫氣泄漏到大氣中時，可視為不受約束的自由膨脹，會對車輛及人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。另外，當(dāng)儲氫罐溫度過高時有爆炸風(fēng)險。

2.4 氫氣供給系統(tǒng)部件失效的影響

氫氣供給系統(tǒng)通常包括截止閥、調(diào)壓器、壓力傳感器、氫氣噴射器及氫氣管。在車輛運(yùn)行過程中，由于車輛振動和可能出現(xiàn)的外力破壞（如發(fā)生車輛碰撞），氫氣管、調(diào)壓器等部件有性能退化和功能失效的風(fēng)險。另外，在振動影響下，管道接頭也可能出現(xiàn)密封不良，氫氣供給系統(tǒng)存在氫氣泄漏風(fēng)險。

2.5 動力電池對安全的影響

當(dāng)前質(zhì)子交換膜燃料電池汽車通常使用動力電池作為輔助能源，主要為鋰電池，鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性差，溫度達(dá)到70～120 ℃會出現(xiàn)鼓脹，釋放易燃有毒氣體。當(dāng)溫度達(dá)到150～200 ℃時，鋰電池進(jìn)入發(fā)熱加速階段，可能出現(xiàn)熱失控。若單體電池出現(xiàn)熱失控，會造成電池箱破損、燃燒或爆炸等[14]。動力電池在充放電過程中會產(chǎn)生熱量，電解液存在泄漏風(fēng)險，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞或翻車事故時，若動力電池受到碰撞、擠壓，則可能會產(chǎn)生嚴(yán)重變形、破裂、漏液，甚至爆炸。另外，部分制造商使用水冷方式對動力電池進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻系統(tǒng)部件失效或電動汽車發(fā)生激烈碰撞時，冷卻液易出現(xiàn)泄漏從而導(dǎo)致動力電池短路起火[15]。動力電池是決定電動汽車安全性的關(guān)鍵部件，電動汽車的安全性在很大程度上取決于動力電池的安全性[16]。

3 質(zhì)子交換膜燃料電池車輛工作安全隱患分析

車輛安全分析應(yīng)貫穿系統(tǒng)整個生命周期[17]。基于之前對質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)車輛各系統(tǒng)的功能分析，可初步推斷出質(zhì)子交換膜燃料電池車輛在運(yùn)行過程中主要存在3類安全隱患，如圖1所示：系統(tǒng)氫氣泄漏、車輛因發(fā)生碰撞或發(fā)生翻車事故致氫氣泄漏導(dǎo)致燃燒爆炸的隱患；動力電池受擠壓變形爆炸、動力電池?zé)崾Э貙?dǎo)致燃燒爆炸的隱患；高壓電氣部分絕緣層被破壞的觸電隱患。

3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)安全隱患分析

運(yùn)用故障樹原理分析氫氣燃燒爆炸原因，如圖2所示。氫氣泄漏燃料爆炸的主要原因是氫氣泄漏，且氫氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)失效。引起氫氣泄漏的原因是氫氣供給系統(tǒng)、儲氫罐、燃料電池堆退化失效。氫氣供給系統(tǒng)泄漏點(diǎn)主要在氫氣管、接頭、部件；造成氫氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)失效的原因主要是系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器、電控單元或控制電路故障。

儲氫罐破裂原因分析如圖3所示，儲氫罐遭受外力撞擊、性能退化、內(nèi)部壓力過高均可能會導(dǎo)致儲氫罐破裂出現(xiàn)氫氣泄漏，儲氫罐內(nèi)部壓力過高原因?yàn)榘踩y失效，儲氫罐周圍存在燃燒會使儲氫罐壓力上升，燃燒物主要是氫氣供給系統(tǒng)和燃料電池堆泄漏的氫氣。氫氣供給系統(tǒng)出現(xiàn)氫氣泄漏可能的原因是氫氣管破裂、接頭密封不良、減壓閥退化或其他部件故障；燃料電池堆氫氣泄漏的原因是質(zhì)子交換膜性能退化和電堆密封不良。

3.2 動力電池安全隱患分析

動力電池是質(zhì)子交換膜燃料電池車輛的重要組成部分，研究分析動力電池安全特性對提升質(zhì)子交換膜燃料電池車輛整體安全性非常重要。當(dāng)前，質(zhì)子交換膜燃料電池車輛通常選用鋰離子電池作為動力電池。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2019年1月至7月底，國內(nèi)外媒體報道的與動力電池相關(guān)的安全事故達(dá)40起[18]，事故中的鋰離子電池存在物理損壞[19]，其最大的安全隱患是電池隨機(jī)發(fā)生的內(nèi)短路，產(chǎn)生現(xiàn)場失效，引發(fā)熱失控[20]。盡管已經(jīng)制定多個鋰離子電池的安全性標(biāo)準(zhǔn)，但通過安全標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的鋰離子電池仍存在安全隱患[20]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)測試均不能完全反映動力電池存在的安全隱患。

引起鋰離子電池?zé)崾Э氐脑蚝芏?，主要分為機(jī)械類、電池類、高溫類，如圖4所示：機(jī)械類包括碰撞造成的鋰離子電池變形、針刺等；電池類損壞原因包括電池內(nèi)部短路、外部短路、過充等；高溫類故障原因包括電池溫度過高、散熱系統(tǒng)失效等。

3.3 高壓電氣線路絕緣層破損安全隱患分析

高壓電氣線路絕緣層破損觸電的安全隱患原因分析如圖5所示，其主要原因是當(dāng)車輛發(fā)生事故時，因碰撞導(dǎo)致高壓電氣線路絕緣層破損，且高壓互鎖系統(tǒng)失效。另外，檢修過程中作業(yè)不規(guī)范、高壓線安裝不當(dāng)也會導(dǎo)致高壓電氣線路絕緣層破損。

4 質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全防控策略

質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全是不可忽視的問題，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了燃料電池車輛相應(yīng)的安全要求，如ISO 23273： 2013 Fuel cell road vehicles — Safety specifications — Protection against hydrogen hazards for vehicles fuelled with compressed hydrogen、SAE J2875-201408 Recommended Practice for General Fuel Cell Vehicle Safety、UN GTR No.13《燃料電池電動汽車安全全球技術(shù)法規(guī)》，燃料電池車輛安全性能提升策略如下。

4.1 儲氫罐安全防控策略

儲氫罐存儲高壓氫氣，具有較高的安全隱患，儲氫罐破裂概率控制目標(biāo)為0.003 5%，計(jì)算如下[17]：

[λTarget=ln1-PTarget1βt0γ（1+1β）] （6）

式中：[λTarget]為被優(yōu)化系統(tǒng)部件故障率，PTarget為儲氣罐設(shè)計(jì)壓力，t0為初始壓力持續(xù)時間，[β=1.5]為威布爾分布概率密度的函數(shù)參考值。

為提高儲氫罐的安全可靠性，主機(jī)廠從材料、結(jié)構(gòu)、安裝、檢測等方面強(qiáng)化儲氫罐的安全性，如豐田Mirai車型的高壓氫氣罐采用迭片結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為塑料，可提高密封性，包圍層為碳纖維復(fù)合材料，提升儲氫罐高壓承載能力，最外層為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，使儲氫罐具有高抗沖擊性能。相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)提出將儲氫罐布置在車輛底盤中部或車頂，可降低儲氫罐受到外力撞擊風(fēng)險。

由于鋁合金和不銹鋼材料對氫脆敏感性較低，在高壓氫氣環(huán)境下仍具有較好的韌性、塑性和強(qiáng)度[21]，因此，為防止出現(xiàn)氫脆，儲氫罐中與氫接觸的高壓部件采用鋁合金或不銹鋼材料；為預(yù)防碰撞對儲氫罐造成損傷，采用高強(qiáng)度的專用儲氫罐固定支架將氫氣罐組、溫控安全閥和高壓管路集成在一起，并用鋼帶穩(wěn)固，以降低儲氫罐在碰撞過程中的動態(tài)位移，降低連接管路的斷裂和變形導(dǎo)致氫氣大量泄漏的風(fēng)險。

為避免質(zhì)子交換膜燃料電池車輛發(fā)生碰撞事故時儲氫罐爆炸造成二次傷害，在質(zhì)子交換膜燃料電池車輛前保險杠和底板后部配置碰撞傳感器，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞事故時，碰撞傳感器將信號發(fā)送給管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)發(fā)出泄壓指令，電磁閥開始泄壓，將儲氫罐內(nèi)的氫氣快速排放到大氣中。另外，儲氫罐配置溫控安全閥、電磁閥、截止閥、壓力傳感器，在罐內(nèi)安裝溫度傳感器，利用管理系統(tǒng)對儲氫罐的壓力、溫度實(shí)施監(jiān)測，當(dāng)壓力或溫度過高時，管理系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)策略，溫控安全閥自動打開，按預(yù)定措施釋放氫氣，避免儲氫罐爆炸。

4.2 氫氣泄漏安全防控策略

氫氣泄漏是質(zhì)子交換膜燃料電池車輛最大的安全隱患，對氫氣泄漏的監(jiān)測和氫氣泄漏的處理非常重要，質(zhì)子交換膜燃料電池車輛均設(shè)計(jì)有氫安全管理系統(tǒng)，如圖6所示，氫安全管理系統(tǒng)主要包括氫安全控制單元、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、壓力調(diào)節(jié)器、氫氣濃度傳感器、溫控安全閥、排氣通風(fēng)裝置等，當(dāng)氫氣泄漏、氫氣壓力異常或發(fā)生車輛碰撞時，氫安全控制單元會根據(jù)危險級別發(fā)出警報并啟動排氣通風(fēng)系統(tǒng)降低氫氣濃度、自動關(guān)閉閥門停止輸出氫氣、自動排放氫氣。

氫氣泄漏位置主要為儲氫罐和氫氣供給系統(tǒng)的管道、閥門、接頭位置，因此，燃料電池車輛安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對可能泄漏氫氣的儲氫罐、溫控安全閥、截止閥、管道接頭、燃料電池堆、氫氣管進(jìn)行嚴(yán)格的氣密性測試和可靠性測試，在儲氫罐、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池堆和乘員艙空間安裝氫氣濃度傳感器，利用氫氣泄漏監(jiān)控控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測氫氣濃度，當(dāng)氫氣濃度達(dá)到一定限值時，啟動排氣通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)通風(fēng)以降低氫氣濃度，控制系統(tǒng)警報并自動關(guān)閉氫氣輸出，隔離氫氣源與電源。當(dāng)氫氣濃度傳感器出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出故障報警信號[22]。

由于車輛事故形式多樣，零部件在事故中損壞的概率較大，為防止零部件在事故中泄漏氫氣，須在車身設(shè)置慣性開關(guān)，當(dāng)發(fā)生碰撞時慣性開關(guān)被激活，將信號傳輸至電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），ECU發(fā)出指令關(guān)閉儲氫罐閥門，斷開氫氣供應(yīng)，降低氫氣的泄漏程度[23]。

另外，燃料電池車輛還配置有煙霧探測報警系統(tǒng)，實(shí)時采集空氣中的煙霧顆粒濃度，分析氮氧化合物等特殊氣體成分，實(shí)時監(jiān)測車艙內(nèi)的煙霧和氣體濃度，一旦煙霧和氣體濃度達(dá)到限值，系統(tǒng)發(fā)出警報[24]。

4.3 動力電池安全防控策略

鋰離子電池具有高功率、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用作燃料電池車輛能源存儲裝置，鋰離子電池故障原因主要有制造缺陷、過熱、過充和機(jī)械損傷[25]，最大的安全隱患為熱失控，熱失控會產(chǎn)生易燃?xì)怏w，導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。主機(jī)廠通常采取防熱失控設(shè)計(jì)，改進(jìn)電池內(nèi)部材料，使用高穩(wěn)定性的電極材料，優(yōu)化動力電池布置，提高抗碰撞機(jī)械性能，強(qiáng)化熱管理，配置電池管理系統(tǒng)等措施提高其安全可靠性。

4.3.1 提高電池內(nèi)部關(guān)鍵性材料安全性

鋰離子電池主要由正極片、負(fù)極片、隔膜和電解液組成，其材料性質(zhì)決定了鋰離子安全性。電解液在鋰離子電池中作為離子傳輸?shù)妮d體，對鋰離子電池的容量、工作溫度、使用壽命及安全性能有重要影響。傳統(tǒng)的電解液高度易燃，燃燒反應(yīng)強(qiáng)烈且難以抑制[26]?？赏ㄟ^降低電解液可燃性來提高鋰離子電池的安全性[27]，添加阻燃劑形成性能優(yōu)良的固體電解質(zhì)界面膜，改進(jìn)電解質(zhì)的配方，進(jìn)而提升其熱穩(wěn)定性[14]。

鋰離子電池?zé)崾Э亻_始于正極材料與電解液結(jié)合面，同時，鋰離子電池溫度迅速升高，正極材料與電解液發(fā)生分解反應(yīng)，并產(chǎn)生氧氣，會導(dǎo)致燃燒和爆炸。因此，可在正極材料上涂覆一層熱穩(wěn)定好的[Li+]良導(dǎo)體保護(hù)層（如碳層、Al2O3等無機(jī)保護(hù)層，聚二烯丙基二甲基氯化銨、多組分添加劑等形成的有機(jī)保護(hù)層），防止正極材料與電解液直接接觸，從而減少副反應(yīng)和熱量的產(chǎn)生[28]，同時提高正極材料的熱穩(wěn)定性。另外，鋰離子電池負(fù)極材料在充放電過程中會產(chǎn)生鋰枝晶及固-液相界面膜的熱分解副反應(yīng)，會影響鋰離子電池的安全性，對此，研究者提出制備保護(hù)膜包覆負(fù)極[29]，從而提高鋰離子電池性能。

隔膜是鋰離子電池的主要組成部分，功能是隔離正、負(fù)極，防止極片直接接觸發(fā)生短路，因此，隔膜對鋰離子電池的安全性影響較大。目前常用的隔膜主要有陶瓷涂層隔膜、聚丙烯膜（Propathene，PP）、復(fù)合隔膜等，不同的隔膜材質(zhì)具有不同的物理性能，對鋰離子電池安全的影響程度也不相同，經(jīng)研究，采用PP+陶瓷涂層隔膜制備電池可提高電池的安全性能[30]。

4.3.2 強(qiáng)化電池管理系統(tǒng)安全防控功能

動力電池容量大，串聯(lián)節(jié)數(shù)多，受溫度、電壓限制，對安全性影響較大，對此，主機(jī)廠采用電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對動力電池進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測、熱管理、充電控制、故障診斷、安全控制與報警等，電池管理系統(tǒng)運(yùn)用傳感器采集動力電池的總電壓、單體電池電壓、溫度、絕緣性等，估算電池健康狀態(tài)，通過執(zhí)行器實(shí)施有效控制和管理，充分保證動力電池的安全性和可靠性。當(dāng)出現(xiàn)危險時，電池管理系統(tǒng)能保護(hù)動力電池系統(tǒng)和單體電池[31]?，F(xiàn)有的鋰離子動力電池均經(jīng)過安全性標(biāo)準(zhǔn)測試，同時配合電池管理系統(tǒng)中的安全措施，動力電池系統(tǒng)的安全性已有很大提高[32]。

4.4 電氣安全防控策略

汽車的行駛時會產(chǎn)生振動，還可能會發(fā)生碰撞、翻車等事故，可能導(dǎo)致高壓電氣線路和部件絕緣層被破壞，引起電氣火災(zāi)或觸電事故，因此，電氣安全防控是燃料電池汽車安全防控的重要方面。針對燃料電池車輛的電氣系統(tǒng)安全問題，除采用常見的自動斷開裝置進(jìn)行過壓保護(hù)、過電流保護(hù)外，還采取以下安全防控策略：

a. 高壓線用橙色覆蓋材料，便于識別；

b. 設(shè)計(jì)高壓觸電保護(hù)系統(tǒng)；

c. 在燃料電池車輛中，直流電（Direct Current，DC）高電壓總線配備車載絕緣監(jiān)測系統(tǒng)[33]，當(dāng)絕緣電阻下降到一定限值時，系統(tǒng)發(fā)出警報并切斷高壓電源；

d. 為避免高壓設(shè)備對人員造成直接或間接傷害，對安全隱患較大的設(shè)備實(shí)施加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣[34]；

e. 當(dāng)車輛發(fā)生碰撞事故時，控制器收到碰撞傳感器信號后，切斷動力電路，或碰撞傳感器信號直接觸發(fā)高壓電氣系統(tǒng)斷路器切斷高壓電源[34]；

f. 采用高壓互鎖防護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)高壓互鎖防護(hù)系統(tǒng)識別出高壓回路存在異常斷開或破損時，系統(tǒng)會及時斷開高壓電[35]，達(dá)到安全防護(hù)的目的。

5 結(jié)束語

質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全影響要素主要包括氫氣泄漏、儲氫罐安全性、氫氣供給系統(tǒng)部件可靠性、動力電池安全性等，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)子交換膜燃料電池車輛作了部分規(guī)范性要求。為確保質(zhì)子交換膜燃料電池車輛的安全，主機(jī)廠以防止氫氣泄漏燃燒爆炸為主要預(yù)防控制目標(biāo)，從結(jié)構(gòu)、材料、控制系統(tǒng)等方面不斷優(yōu)化，對儲氫罐、供氫系統(tǒng)、動力電池、控制系統(tǒng)等影響安全的對象采取了相應(yīng)的防控策略，有效提高了質(zhì)子交換膜燃料電池車輛安全性。未來建議從設(shè)計(jì)之初，系統(tǒng)提升部件及整車安全可靠性，設(shè)置失效監(jiān)測防控系統(tǒng)。

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