燃料電池汽車碰撞后氫安全檢測方法研究綜述*

郭溫文 周飛鯤 余俊良

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

主題詞：氫燃料電池電動(dòng)汽車 碰撞 氣體泄漏 氣體濃度

1 前言

作為未來具有戰(zhàn)略意義的清潔能源，氫能越來越受重視。日本、韓國從國家戰(zhàn)略層面，在2019年相繼發(fā)布了新的氫能產(chǎn)業(yè)政策[1]。2020年9月，我國財(cái)政部等五部門發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，提出“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的政策，大力支持以商用車為主的燃料電池汽車[2]。目前，已經(jīng)有很多燃料電池商用車上路行駛，還有部分燃料電池乘用車在開展示范運(yùn)行。由于氫氣存在易燃易爆的特性[3]，因此燃料電池汽車的安全要求就顯得格外重要。

2 國內(nèi)燃料電池汽車安全要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

現(xiàn)階段，國標(biāo)體系針對燃料電池汽車的安全要求和檢測方面，從整車、燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和加氫口等領(lǐng)域都有專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，表1列出了現(xiàn)階段燃料電池汽車安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 24549—2020[6]和GB 18384—2020[7]規(guī)定了燃料電池汽車在正常行駛和停車時(shí)需要滿足的氫安全要求和電安全要求。GB/T 24554—2009規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)氣密性、絕緣性和緊急停機(jī)時(shí)的檢測方法[8]。GB/T 26779—2011規(guī)定了加氫口安全性方面的要求和檢測方法[9]。GB/T 26990—2011和GB/T 29126—2012規(guī)定了車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)在正常行駛和停車時(shí)的安全要求及檢測方法[10-11]。GB 11551—2014和GB 20071—2006分別規(guī)定了汽車在發(fā)生正面和側(cè)面碰撞時(shí)和碰撞后整車結(jié)構(gòu)等方面的安全要求[12-13]。GB/T 31498—2015規(guī)定了帶有B級電壓的汽車碰撞后要滿足的電安全要求[14]。

目前，燃料電池汽車對于碰撞時(shí)和碰撞后的安全要求，只能參考燃油車和電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對于碰撞后的氫安全檢測方法和技術(shù)要求，還未有專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在開展燃料電池汽車整車碰撞試驗(yàn)時(shí)，可參考國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測[15-16]，包括如何檢測碰撞后氫氣泄漏量[17]、氫氣泄漏量的最大限值是多少、以及發(fā)生氫氣泄漏后如何檢測密閉空間的氫氣濃度以及濃度限值要求等。

3 氣體泄漏量限值及測試方法研究分析

國際上，SAE J2578-2014《燃料電池汽車一般安全推薦規(guī)程》和GTR 13《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》介紹了燃料電池汽車碰撞后的氣體泄漏檢測方法。

3.1 SAE J2578-2014檢測方法

SAE J2578-2014《燃料電池汽車一般安全推薦規(guī)程》詳細(xì)介紹了如何檢測碰撞試驗(yàn)后的氣體泄漏。該規(guī)程介紹了3種碰撞后測試氣體泄漏量的方法。

（1）儲(chǔ)氫瓶在公稱工作壓力下的氫氣泄漏檢測方法；

（2）儲(chǔ)氫瓶在公稱工作壓力下的氦氣泄漏檢測方法；

（3）儲(chǔ)氫瓶在較低壓力下的氫氣泄漏檢測方法[18]。

由于氫氣發(fā)生泄漏后危險(xiǎn)性較大，因此目前在國內(nèi)進(jìn)行氫燃料電池汽車碰撞試驗(yàn)時(shí)，不使用氫氣，而是考慮使用惰性氣體。在惰性氣體中，氦氣的分子量和氫氣是最接近的，因此可參考第2種檢測方法。

3.1.1 氦氣泄漏質(zhì)量限值的確定

該規(guī)程根據(jù)燃油汽車碰撞后60 min內(nèi)允許泄漏的液體燃料為1.7 kg，按照汽油和柴油的平均低熱值為42.7 MJ/kg計(jì)算，允許泄漏能量為72 590 kJ。氫燃料電池汽車碰撞后60 min內(nèi)的泄漏能量最大值也應(yīng)為72 590 kJ，按照氫氣的低熱值119 863 kJ/kg計(jì)算，允許泄漏的氫氣質(zhì)量為606 g，轉(zhuǎn)化為一個(gè)大氣壓15℃時(shí)的體積為7 107 L。因此氫氣的泄漏速率最大值為118 L/min。

利用60 min可泄漏氫氣質(zhì)量606 g的小孔，仿真在60 min內(nèi)通過該孔可泄漏的氦氣質(zhì)量。通過仿真數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)泄漏質(zhì)量隨儲(chǔ)氫瓶體積的增大而減少，但是和儲(chǔ)氫瓶的公稱工作壓力關(guān)系很小，可忽略公稱工作壓力的影響。擬合得到不同儲(chǔ)氫瓶體積下的氦氣泄漏質(zhì)量限值公式，如式（1）：

其中，HeW為60 min內(nèi)氦氣泄漏質(zhì)量限值；Vol為儲(chǔ)氫瓶體積。

以儲(chǔ)氫瓶體積200 L為例，那么60 min內(nèi)允許泄漏的氦氣質(zhì)量為925 g。

3.1.2 氦氣泄漏質(zhì)量限值修正系數(shù)

在碰撞試驗(yàn)后檢測氣體泄漏的這段時(shí)間內(nèi)，初始的儲(chǔ)氫瓶氣體壓力、初始的氣體溫度、檢測結(jié)束時(shí)的氣體溫度以及測試時(shí)間等因素都會(huì)影響氦氣的泄漏質(zhì)量限值。因此需要考慮這幾個(gè)因素對限值產(chǎn)生的修正系數(shù)。

SAE J2578-2014通過研究測試時(shí)間和泄漏氣體質(zhì)量的關(guān)系、初始?xì)怏w壓力、溫度和泄漏氣體質(zhì)量的關(guān)系，得到帶有修正系數(shù)的氦氣泄漏質(zhì)量限值公式：

式中，AML為允許的氦氣泄漏質(zhì)量；

LT為測試時(shí)間；

Ps為初始的儲(chǔ)氫瓶氣體壓力；

NWP為公稱工作壓力；

Ts為初始的儲(chǔ)氫瓶氣體溫度；

Tavg為平均氣體溫度。

平均氣體溫度Tavg是由多次測量取平均值得到的。碰撞前那一時(shí)刻測量1次，然后每15 min測量1次。

對于測試時(shí)間，是根據(jù)測量精度要求決定的，以下將介紹2者的關(guān)系以及如何制定測試時(shí)間。

3.1.3 根據(jù)測量精度要求制定測試時(shí)間

在碰撞試驗(yàn)中，檢測人員是通過讀取碰撞前后儲(chǔ)氫瓶的壓力變化來計(jì)算氣體泄漏質(zhì)量的。根據(jù)該規(guī)程的要求，總測試誤差不應(yīng)超過測試值的10%。目前，測試過程中產(chǎn)生的測量誤差包括傳感器誤差、零點(diǎn)漂移誤差、熱傳導(dǎo)敏感誤差及模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的誤差等。對于量程為70 MPa的壓力傳感器，上述的各類誤差加和，其測量誤差可達(dá)到0.5%。因此，為了保證測量精度高，碰撞前后的氣體壓力變化需大于壓力傳感器量程的5%。

在儲(chǔ)氫瓶初始壓力相同的情況下，若發(fā)生氣體泄漏，60 min內(nèi)氣體壓力下降值會(huì)隨著儲(chǔ)氫瓶體積增大而減小。圖1描述了儲(chǔ)氫瓶在不同公稱工作壓力、不同體積時(shí)，氣體泄漏60 min后，瓶內(nèi)壓力下降值是否滿足測量精度要求。5%的直線表示不同公稱工作壓力下壓力傳感器量程的5%所對應(yīng)的壓力值。當(dāng)儲(chǔ)氫瓶初始壓力70 MPa時(shí)，若儲(chǔ)氫瓶體積為200 L，發(fā)生氣體泄漏60 min內(nèi)瓶內(nèi)壓力下降值大于壓力傳感器量程的5%，滿足測試精度要求。若儲(chǔ)氫瓶體積大于200 L，瓶內(nèi)壓力下降值小于壓力傳感器量程的5%，因此需要增加測試時(shí)間。

圖1 不同儲(chǔ)氫瓶體積下60 min內(nèi)氦氣壓力下降

通過仿真，得到了不同體積的儲(chǔ)氫瓶在不同初始壓力下，發(fā)生氣體泄漏后瓶內(nèi)壓力下降達(dá)到5%所需的時(shí)間，如圖2。可以看出，若瓶內(nèi)初始壓力相同，儲(chǔ)氫瓶體積越大，所需時(shí)間越長。對于70 MPa的儲(chǔ)氫瓶，體積100 L時(shí)只需要26 min，而體積200 L時(shí)，需要56 min。

圖2 不同體積的儲(chǔ)氫瓶壓力下降5%所需的時(shí)間

根據(jù)仿真曲線，可得到70 MPa時(shí)儲(chǔ)氫瓶體積和壓力下降5%所需時(shí)間的關(guān)系式，如式（3）：

式中，SR為壓力傳感器量程；當(dāng)計(jì)算出的時(shí)間不到60 min時(shí)，測量時(shí)間需制定為60 min。

對于商用車來說，整車搭載4～10只儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫瓶總體積可達(dá)400～1 200 L。為了能更精確地檢測出泄漏氣體的質(zhì)量，碰撞后檢測氣體泄漏的時(shí)間需要更長。

3.1.4 氦氣泄漏檢測方法

碰撞前測量瓶內(nèi)初始壓力，碰撞后，經(jīng)過上述制定的測量時(shí)間后，再次測量瓶內(nèi)壓力。利用2次壓力值計(jì)算碰撞前后的瓶內(nèi)氣體密度，得到實(shí)際泄漏的氦氣質(zhì)量。計(jì)算公式分別如式（4）、式（5）：

（1）將測量壓力轉(zhuǎn)換為一個(gè)大氣壓下15℃時(shí)的壓力：

Ps15為碰撞前氣體壓力轉(zhuǎn)化為15℃的壓力；

Ps為碰撞前瓶內(nèi)氣體壓力；

Ts為碰撞前瓶內(nèi)氣體溫度；

Pe15為碰撞后氣體壓力轉(zhuǎn)化為15℃的壓力；

Pe為碰撞后瓶內(nèi)氣體壓力；

Te為碰撞后瓶內(nèi)氣體溫度。

（2）根據(jù)壓力計(jì)算氦氣密度，如式（6）、式（7）：

Ds為碰撞前氦氣密度；

De為碰撞后氦氣密度。

（3）計(jì)算實(shí)際泄漏的氦氣質(zhì)量

ML為泄漏氦氣質(zhì)量；

Vol為儲(chǔ)氫瓶體積。

因此，利用氦氣進(jìn)行碰撞后的氣體泄漏檢測如圖3所示。

圖3 碰撞后氦氣泄漏檢測流程

3.2 GTR 13檢測方法

GTR 13中關(guān)于如何檢測碰撞后氣體泄漏有2種方法：（1）利用氫氣進(jìn)行檢測；（2）利用氦氣進(jìn)行檢測[19-20]，沒有提到儲(chǔ)氫瓶在較低壓力下的氫氣檢測方法。GTR 13的2種測試方法，整體思路和SAE J2578-2014是相同的，但是GTR 13的檢測方法有幾點(diǎn)區(qū)別，總結(jié)如下：

（1）在氫氣泄漏測試方法中，測量時(shí)間和氣體密度計(jì)算公式與SAE J2578-2014稍有不同，但影響不大。由于國內(nèi)基本以氦氣進(jìn)行碰撞后氣體泄漏檢測試驗(yàn)，因此這里不再展開介紹。

（2）GTR 13中規(guī)定氫氣泄漏體積流量最大為118 L/min，沒有考慮整個(gè)測試過程中溫度對泄漏速率的影響。而SAE J2578-2014在制定氫氣泄漏質(zhì)量限值時(shí)，考慮了測試過程中溫度的變化對泄漏質(zhì)量的修正系數(shù)。

（3）對于氣體泄漏的符合性判斷，GTR 13判斷實(shí)際的氣體泄漏體積流量是否小于氣體泄漏體積流量限值，而SAEJ2578-2014判斷實(shí)際的氣體泄漏質(zhì)量是否小于氣體泄漏質(zhì)量限值。GTR 13根據(jù)計(jì)算提出了氫氣泄漏的平均體積流量和氦氣泄漏的平均體積流量的關(guān)系，如式（9）：

若氣體溫度為15℃，氫氣泄漏平均體積流量118 L/min，則氦氣泄漏平均體積流量應(yīng)為88.5 L/min。

根據(jù)上述對比分析，SAE J2578在進(jìn)行碰撞后的氣體泄漏檢測時(shí)，考慮因素較為全面，明確提出了儲(chǔ)氫瓶在不同公稱工作壓力下、不同體積時(shí)所需的氣體泄漏檢測時(shí)間是不同的。壓力相同時(shí)，儲(chǔ)氫瓶體積越大所需檢測時(shí)間越長；儲(chǔ)氫瓶體積相同時(shí)，壓力越大所需檢測時(shí)間越長。

4 碰撞后密閉空間氣體濃度限值及測試方法

對于碰撞后密閉空間氣體濃度的測試，僅GTR 13介紹了測試方法，并規(guī)定了氣體濃度限值。

4.1 氣體濃度測量方法

4.1.1 濃度傳感器的技術(shù)要求

若氫氣體積濃度在4%、氦氣體積濃度在3%時(shí)，傳感器的測量精度應(yīng)達(dá)到5%。傳感器的量程應(yīng)高于目標(biāo)測試濃度的25%，也就是若想監(jiān)測10%的濃度，傳感器量程至少應(yīng)為12.5%體積濃度。當(dāng)氣體濃度發(fā)生很大改變時(shí)，傳感器應(yīng)有至少90%的概率在10 s內(nèi)做出響應(yīng)。

4.1.2 傳感器布置位置

碰撞試驗(yàn)前，應(yīng)在3個(gè)位置安裝濃度傳感器：

（1）駕駛員座椅上方250 mm或乘員艙頂部中間位置；

（2）乘員艙后排座椅前方250 mm的地板上；

（3）距離行李艙和貨艙頂部100 mm處。

4.1.3 測試場地

在無風(fēng)的室外或是空曠的室內(nèi)進(jìn)行。

4.1.4 數(shù)據(jù)采集要求

傳感器數(shù)據(jù)可以通過固定在車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，或是通過遠(yuǎn)程傳輸方式采集。車輛碰撞發(fā)生后即開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率至少為5 s采集一次，并至少持續(xù)60 min。

對于不同儲(chǔ)氫瓶體積和不同公稱工作壓力的燃料電池汽車來說，對密閉空間氣體濃度的測試時(shí)間也可參考上述SAEJ2578中對氣體泄漏檢測時(shí)間的規(guī)定進(jìn)行修正。

4.2 氣體濃度限值

在碰撞后至少60 min內(nèi)的任一時(shí)刻，若用氫氣作為試驗(yàn)氣體，則濃度應(yīng)低于3%±1%，若用氦氣作為試驗(yàn)氣體，則濃度應(yīng)低于2.25%±0.75%。氦氣的濃度限值是氫氣濃度限值的75%，原因是氦氣泄漏的體積流量是氫氣的75%。

5 總結(jié)與建議

根據(jù)上述對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求的分析，對燃料電池電動(dòng)汽車的碰撞方案進(jìn)行總結(jié)并給出4點(diǎn)建議：

（1）燃料電池電動(dòng)汽車碰撞后需檢測以下內(nèi)容：測量碰撞后至少60 min內(nèi)的氣體實(shí)際泄漏質(zhì)量；測量碰撞后密閉空間內(nèi)至少60 min內(nèi)的氣體濃度變化。

（2）需要先根據(jù)儲(chǔ)氫瓶容積計(jì)算出合適的氣體泄漏檢測時(shí)間，不能一概用60 min。商用車上使用大容積的儲(chǔ)氫瓶，需要更多的檢測時(shí)間才能確保測量精度。

（3）若碰撞測試氣體為氦氣，則允許的泄漏速率為88.5 L/min，比氫氣的允許泄漏速率更小。碰撞后密閉空間的氦氣允許濃度限值為2.25%±0.75%，也比允許的氫氣濃度限值要小。

（4）我國應(yīng)盡快制定并發(fā)布?xì)淙剂想姵仉妱?dòng)汽車碰撞后的氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在車企或研發(fā)機(jī)構(gòu)開展碰撞試驗(yàn)時(shí)實(shí)行統(tǒng)一檢測標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)一的技術(shù)要求，為燃料電池汽車碰撞方面的研究指明方向。