燃料電池汽車被動安全性能檢測方法的研究

王立民，李志，何成，李君

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燃料電池汽車被動安全性能檢測方法的研究

王立民，李志，何成，李君

（中國汽車技術(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，需要對其在碰撞過程中的乘員保護性能做相應(yīng)的檢測與鑒定。根據(jù)燃料電池電動汽車的特性，從燃料泄漏和觸電防護兩個方面，研究適用于燃料電池汽車的被動安全檢測評價方法。

燃料電池；電動汽車；碰撞；安全性能檢測

隨著居民生活水平的提高，汽車逐漸走進千家萬戶，便利了人們的出行。同時，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，對環(huán)境的污染也越來越嚴重。為了解決能源和環(huán)境問題，對新能源的開發(fā)成為解決問題的一條重要路徑。

時下最流行的新能源汽車莫過于電動汽車。與純電動汽車和混合動力汽車相比，燃料電池電動汽車是未來電動汽車發(fā)展的方向與趨勢。為保障今后燃料電池電動汽車在道路上行駛安全，需要對其安全性能進行研究分析，通過制定相關(guān)的法規(guī)要求，檢測燃料電池電動汽車在設(shè)計和制造過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汽車碰撞安全性能顯得格外重要。

1 燃料電池電動汽車碰撞安全性問題

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

表1 四種類型車輛被動安全評價項目

汽車類型評價項目 傳統(tǒng)燃油汽車乘員損傷車身變形量燃料泄漏 混合動力汽車乘員損傷車身變形量燃料泄漏電安全 純電動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 燃料電池電動汽車的結(jié)構(gòu)特征

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

1.2 碰撞安全性問題

作為新型電動汽車，燃料電池電動汽車主要包括儲氫裝置、氫氣供給管路、燃料電池堆、動力電池以及電動機。對于高速碰撞來說，巨大減速度會給車內(nèi)乘員帶來傷害。對于儲氫裝置和氫氣供給管路來說，碰撞使其存在泄漏和爆炸等問題。而對于燃料電池、動力電池和電動機來說，碰撞則會帶來觸電等問題。

2 碰撞試驗方法的研究

目前，國內(nèi)還沒有相關(guān)的標準是針對燃料電池電動車進行碰撞測試的要求和說明。相關(guān)聯(lián)的標準有《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），其標準主要是對使用氫氣的相關(guān)設(shè)備和環(huán)境以及安全方面提出了相關(guān)要求。結(jié)合整車碰撞的試驗方法以及燃料電池電動汽車碰撞的危害因素，將碰撞試驗分為以下兩步。

2.1 試驗前車輛危險源因素的處理

氫氣的內(nèi)在特征，決定了燃料電池電動汽車有不同于傳統(tǒng)新能源汽車的危險特性，它有著易燃、易泄漏等諸多危險。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，氫氣就會迅速擴散。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的擴散性，而且氫的燃燒范圍很廣，著火點很低。氫氣火焰幾乎是看不到的，因為在可見光范圍內(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不知道火焰的存在，增加了危險性。

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

2.2 碰撞過程中的相關(guān)檢測

將燃料電池電動汽車中的氫氣用氦氣替代，其他操作按正常法規(guī)要求進行，試驗過程中除了需要對乘員損傷做相關(guān)評價外，還需檢測試驗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

大部分燃料電池汽車的儲氣機構(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，儲氣罐內(nèi)部氣壓都會發(fā)生變化。通過在儲氣機構(gòu)內(nèi)部加裝氣壓傳感器來監(jiān)測碰撞過程中氣壓的變化，同時這些試驗前后的氣壓值也是計算氣體泄漏量的依據(jù)。通過仿真可以發(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渡處產(chǎn)生應(yīng)力集中，是容易發(fā)生材料破裂的危險位置，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氣壓變化。

圖1 試驗工況下氣罐的總體應(yīng)力分布云圖

對于燃料電池電動汽車，碰撞過程中，利用氦氣代替氫氣進行試驗，氣體的泄漏率應(yīng)按以下程序計算。在碰撞前和碰撞后的規(guī)定時間間隔△內(nèi)，應(yīng)測量氦氣的壓力0和溫度0，℃。時間區(qū)間△數(shù)值通過以下公式計算，如果計算時間小于60 min，則按60 min測試，大于60 min以計算時間為準：

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

儲氫系統(tǒng)中氦氣的初始質(zhì)量0公式為：

式（2）中：0為初始壓力的測試值，MPa；0為初始溫度的測試值，℃；CHSS為儲氫系統(tǒng)的容積，L。

在時間間隔（△）結(jié)束時，儲氫系統(tǒng)中氦氣的最終質(zhì)量（f）可按以下公式計算：

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

在時間間隔（△）內(nèi)氦氣的平均流量He公式為：

式（4）中：He為時間間隔內(nèi)的平均體積流量，NL/min；0/target為用于抵消初始壓力測試值0與目標充裝壓力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

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

4.1 觸電防護要求

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

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

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

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

物理防護檢測：碰撞試驗后對車輛進行直接接觸測試和間接接觸測試，要求車身直接防護能滿足IPXXD的要求以及外露的可導(dǎo)電部件與電平臺之間電阻值小于0.1 Ω。

4.2 REESS端安全要求

對于燃料電池電池汽車來說，碰撞后存在電池起火爆炸風險和燃料起火爆炸的風險，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、電池與電力負載。主要檢測項為REESS端不起火爆炸，REESS端氣體泄漏不得超過出規(guī)定值，REESS電解液泄露不得超過出規(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殼，對于氫氣瓶和電池的位移不得超過規(guī)定值。

5 試驗后的安全評價

根據(jù)上面試驗的檢測項目，以及國內(nèi)外相關(guān)的法規(guī)、標準，建立氫燃料電池電動汽車碰撞安全性能評價體系（不包含乘員損傷評價），如表2所示。從表2中可以看出，所建立的評價體系基本涵蓋了燃料電池所存在的安全問題，其次這一評價體系也適用于當下現(xiàn)有的各類標準法規(guī)。

綜上所述，為了使燃料電池電動汽車有更好的發(fā)展方向，我國應(yīng)盡早制訂出一個完善的、有針對性的燃料電池電動汽車碰撞安全綜合性標準法規(guī)。

表2 燃料電池電動汽車碰撞安全性能評價體系

序號檢測項目試驗方法評價指標 1儲氫裝置的泄漏碰撞前和碰撞后規(guī)定的時間間隔內(nèi)，測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118 NL/min 2管路泄漏利用氣體探測儀或泄漏檢測儀對管路易破損以及接頭處進行氣密性檢測泄漏速率不得超過0.005 mg/s 3氣體濃度檢測檢測在駕駛員上方車頂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4%，氦氣濃度不超過3% 4高壓觸電防護檢測B級電路的絕緣電阻絕緣電阻大于500 Ω/V 檢測車身電器的物理防護滿足IPXXD的要求以及等電位要求 測量試驗后60 s內(nèi)B級電路電壓電壓低于60 V直流、30 V交流 計算試驗后試驗后60 s內(nèi)的電能電能小于0.2 J 5位移要求碰撞后，檢測動力電池和氫瓶保護裝置的位移變化要求動力電池沒有穿入的乘員艙及其他危險區(qū)域（如氣體泄漏口） 氫瓶固定裝置不松動，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

對于燃料電池電動汽車進行的各類形式的碰撞試驗，不但需要按照各類形式的碰撞標準法規(guī)進行試驗，試驗過程中，還需做到以下幾點：①試驗前，按照碰撞標準對車輛進行處理，同時將氫氣排空，用相同體積的氦氣替代進行試驗；②試驗過程中除了考核乘員損傷指標以外，還需增加表2中的相關(guān)檢測項目，同時按照表格內(nèi)的評價指標對其進行相應(yīng)的考核；③需要對試驗后的車輛進行隔離觀察，待確認安全以后，再進行相應(yīng)的處理。

［1］劉桂彬，孫振東，李玉剛，等.GB/T 31498—2015 電動汽車碰撞后安全要求［S］.北京：中國標準出版社，2015.

［2］何云堂，馮力中，趙靜煒，等.GB/T 24549—2009 燃料電池電動汽車安全要求［S］.北京：中國標準出版社，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)能學報，2014（5）：17-29.

2095－6835（2019）07－0013－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.013

〔編輯：嚴麗琴〕