燃料電池汽車車載氫系統安裝強度試驗分析

孫 田，景帥帥，陳 光，楊沄芃，郝 冬Sun Tian, Jing Shuaishuai, Chen Guang, Yang Yunpeng, Hao Dong

燃料電池汽車車載氫系統安裝強度試驗分析

孫 田，景帥帥，陳 光，楊沄芃，郝 冬
Sun Tian, Jing Shuaishuai, Chen Guang, Yang Yunpeng, Hao Dong

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

車載氫系統作為燃料電池汽車的重要子系統之一，主要由儲氫容器、壓力調節器、單向閥、氫氣加注口和壓力釋放閥等組成。當車輛運行顛簸或者發生碰撞時，車載氫系統的安裝強度直接關系到整車氫安全，在國家標準中，分別對車載氫系統的技術要求和試驗方法提出要求。針對80套國產車載氫系統進行安裝強度試驗，分析試驗結果得出：方向相對位移最小，方向相對位移次之稍大，方向相對位移最大。

車載氫系統；安裝強度；相對位移；試驗

0 引 言

近年來，燃料電池汽車廣泛應用，燃料電池相關配套技術得到了快速發展。車載氫系統是燃料電池汽車重要組成部分，氣瓶安裝強度直接影響到整車氫安全。常見車載氫系統多為高壓儲氫氣瓶，根據車輛質量、額定功率、續駛里程等需要，可采用不同的瓶組規格滿足要求，常見有單瓶組、2瓶組、4瓶組、6瓶組和8瓶組，車載氫系統實物如圖1所示。

圖1 車載氫系統實物圖

現階段燃料電池汽車車載氫系統多為35 MPa或70 MPa高壓車載氫系統，其中安裝強度為重要的安全指標，國內外專家學者針對車載氫系統安裝強度開展了系列研究。齊同侖[1]等針對燃料電池車載氫系統，開展了仿真和試驗研究，提出一種判定車載氫系統結構強度的方法；閆敏艷[2]從材料層面對固態儲氫系統進行數值模擬和優化，為固態儲氫系統設計提供了思路；陶孟章[3]等建立了燃料電池汽車有限元模型，分析車載氫系統在整車正面碰撞過程中的特性，并基于分析結果優化車載氫系統固定方案；王荔[4]針對一款70 MPa氫系統框架，進行隨機振動試驗，并根據試驗結果優化結構方案，對疲勞壽命進行預估；樊彬[5]等對燃料電池客車用儲氫瓶采用有限元的方法對疲勞壽命進行疲勞壽命分析并與實測結果進行對比；張廣哲[6]等對碳纖維纏繞儲氫瓶進行有限元建模，分析了不同儲氫瓶內壓下彈塑性響應特性；姜國峰[7]等建立燃料電池客車氫系統的正面碰撞模型，基于仿真結果分析氫系統的剛強度特性。除汽車用燃料電池儲氫系統外，有學者針對軌道列車用供氣系統強度開展研究。劉國漪[8]等建立氫系統箱體模型，計算出結構模態結果，與試驗結果進行對比；蔣燕青[9]等根據國內外汽車安全測試法規，提出氫系統碰撞及評價方法，并經過了實車驗證。對于燃料電池汽車車載氫系統測試標準和試驗方法，行業專家給予了標準現狀解讀與未來修訂建議。

現階段針對燃料電池汽車車載氫系統的研究多以仿真手段進行理論分析，試驗常受成本等多種因素限制，樣本量較少。根據GB/T 29126—2012《燃料電池電動汽車車載氫系統試驗方法》對車載氫系統安裝強度進行檢驗，根據GB/T 26990—2011《燃料電池電動汽車車載氫系統技術條件》進行判定，對80組車載氫系統進行了安裝強度試驗，查找試驗規律，為行業提供經驗參考。

1 試驗設備構造及原理

車載氫系統安裝強度的試驗設備為國產某品牌氣瓶安裝強度試驗臺，如圖2所示。

圖2 氣瓶安裝強度試驗臺

該試驗臺由底座、行進施力機構、位移傳感器、緊固裝置和上位機組成。底座平面尺寸為2 500 mm×1 800 mm，平面上留有M22螺孔，相鄰螺孔間隔120 mm，螺孔用于連接緊固裝置固定車載氫系統，行進施力機構最大可施加載荷25 kN。車載氫系統通過叉車或天車運輸至底座，由緊固裝置對車載氫系統與底座進行固定，保證車載氫系統在受到載荷時不會發生翻轉和大距離位移。該試驗臺能夠施加水平和豎直2個方向的載荷。試驗時，通過上位機設置載荷，控制行進施力機構對氣瓶施加不同方向的載荷，位移傳感器采集施加載荷過程中產生的最大位移量并實時傳輸至上位機。

2 試驗方法

整個試驗分為3個部分：試驗前準備、試驗過程、試驗后處理。

2.1 試驗前準備

試驗前的準備主要是針對被測車載氫系統樣品和氣瓶安裝強度試驗臺。

（1）收到被測樣品后，檢測車載氫系統外觀是否完好，有無破損部分；根據樣品信息表中相關參數確認施加的載荷，不可超出測試臺量程。

（2）檢查試驗臺的電氣線路、液壓管路系統的安裝和連接是否完整正確，同時保證行進施力機構動作可靠靈敏。

2.2 試驗過程

將測試用車載氫系統安裝至試驗臺底座平面，同時確認氣瓶與行走施力機構處于水平或垂直位置。根據被測車載氫系統外形尺寸以及與行走施力機構的位置關系，在底座平臺適當位置安裝緊固裝置，將被測車載氫系統固定。

進入上位機中的測試程序，計算出施加載荷數值，GB/T 26990—2011中要求氣瓶能夠承受8沖擊力，并且位移不超過13 mm，則

以某國產車載氫系統為例，其儲氫容器空瓶質量為83 kg，標稱工作壓力下充滿氫氣后儲氫容器的總質量為86.3 kg，則

當行進施力機構端頭與氣瓶中心位置接觸后，點擊施力按鍵施加載荷，端頭與氣瓶中心位置接觸后施力逐漸增大，達到預設值時系統自動保持鎖緊。按照上述流程分別進行方向（車輛縱向）、方向（車輛橫向）和方向（車輛垂向）3個方向的試驗，如圖3所示。

依據GB/T 29126—2012要求，分別在車輛坐標系3個方向施加8倍標稱工作壓力下儲氫容器所受重力的力，測量儲氫容器與固定座的相對位移。

圖3 車載氫系統安裝強度試驗

2.3 試驗后處理

記錄試驗數據后，關閉設備電源，拆除緊固裝置，將被測車載氫系統移下試驗臺。

3 試驗結果

為查找燃料電池汽車車載氫系統安裝強度試驗結果的規律，對80組國產車載氫系統進行試驗。

3.1 壓力等級

對80組樣件統計發現，35 MPa、70 MPa車載系統分別有69組、11組，分別占比86.25%、13.75%。

由于70 MPa車載氫系統成本高、制造工藝要求高，除部分百公里氫氣消耗量大、對續駛里程要求高的車輛采用70 MPa車載氫系統外，現階段我國燃料電池汽車以35 MPa車載氫系統為主。

3.2 相對位移數據

對比分析方向（車輛縱向）、方向（車輛橫向）和方向（車輛垂向）3個方向的相對位移量分布，見表1。

方向的相對位移在2～3 mm和3～4 mm 2個區間的分布相對集中，向最小相對位移為1.2 mm，最大相對位移為6.7 mm。方向的相對位移主要集中在2～3 mm，向最小相對位移為0.8 mm，最大相對位移為6.2 mm。方向的相對位移主要分布在0～1 mm、1～2 mm和2～3 mm，向最小相對位移為0.3 mm，最大相對位移為5.8 mm。

將80組國產車載氫系統安裝強度試驗結果匯總，得到所有樣品3方向相對位移特性曲線，如圖4所示。

表1 車載氫系統不同方向相對位移分布率

圖4 80組樣品3方向相對位移特性曲線

由圖4可看出，80組車載氫系統3方向相對位移均滿足GB/T 26990—2011要求，即在8壓力下最大位移不超過13 mm；各樣件在承受滿瓶質量8倍重力的沖擊力時，方向（車輛縱向）相對位移量最大，方向（車輛橫向）次之，方向（車輛垂向）最小。

4 結 論

燃料電池車載氫系統中，35 MPa車載氫系統因成本較低、制造工藝成熟，較70 MPa車載氫系統應用更為廣泛；通過80組燃料電池汽車車載氫系統強度試驗發現，目前的車載氫系統制造裝配水平完全滿足國標中氣瓶安裝強度的要求；對比車載氫系統3方向位移分布特性發現，方向（車輛縱向）的位移量整體最大，方向（車輛垂向）位移量整體最小。

[1]齊同侖，梁焱財，李仕棟，等.燃料電池車載氫系統結構強度及碰撞結果分析[J]. 自動化應用，2018(6):11-12.

[2]閆敏艷. Li-Mg-N-H材料固態儲氫系統傳熱與傳質特性研究[D]. 北京：北京有色金屬研究總院，2015.

[3]陶孟章，余卓平，張覺慧.燃料電池轎車儲氫系統固定方式正面碰撞分析[J]. 上海汽車，2009(6):6-9.

[4]王荔.70MPa車載氫系統框架隨機振動與疲勞壽命分析[J].時代汽車，2020(1):43-46.

[5]樊彬，趙雨東，陳海紅.燃料電池城市客車用儲氫瓶有限元分析和疲勞壽命分析[J]. 汽車技術，2013(1):4-8.

[6]張廣哲，王和慧，關凱書. 碳纖維纏繞儲氫瓶的有限元自緊分析和爆破壓力預測[J]. 壓力容器，2011，28(8):27-34，43.

[7]姜國峰，成波，金哲，等. 燃料電池客車氫系統碰撞安全性仿真分析與評價[J]. 汽車工程，2010，32(9):774-777，802.

[8]劉國漪，李意達，李哲豪. 新型地鐵列車氫系統箱體強度分析[J]. 制造業自動化，2020，42(4):134-137.

[9]蔣燕青，王鴻鵠，李亞超，等. 燃料電池車高壓儲氫系統碰撞安全設計與分析[J]. 上海汽車，2011(12):11-14.

2021-06-22

中汽中心指南課題“氫燃料電池發動機測評技術研究”（19223402）。

1002-4581（2021）05-0001-04

U463.51

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.001