70 MPa車用氫系統可用性評價方法研究*

梁晨 陳雨時 張少鵬

（北京國家新能源汽車技術創新中心有限公司，北京 100176）

主題詞：儲氫 供氫 車用氫系統 可用性評價 燃料電池汽車

1 引言

近年來，氫能及燃料電池汽車得到了很多國家的重視，而車用氫系統作為燃料電池汽車的關鍵系統之一也得到了快速發展，零部件技術水平也得到了大幅提升[1-2]。相對于液態和固態儲氫模式，高壓儲氫目前仍作為燃料電池汽車的主要氫能儲存方式，且工作壓力等級也逐步從35 MPa向70 MPa升級，以滿足更高的續駛里程和能量儲存量需求。為了保證乘員及車輛安全，需要對車用氫系統進行可用性分析和評價，以保證系統匹配選型的可靠和安全，并為后續技術提升和改進提供支持和指南[3-5]。但目前國內外對車用氫系統的評價仍基于高壓儲氫瓶、瓶口閥、減壓閥或者加氫口等零部件級別，缺少基于車用氫系統整體匹配集成情況下的評價考核體系。

本研究重點開展基于70 MPa車用氫系統整體可用性評價，從系統和零部件2個層面開展評價研究，確保研究結果的完整性和可靠性。

2 70 MPa車用氫系統

基于高壓儲氫方式構建的70 MPa車用氫系統包括儲氫、供氫、加氫和監測控制4個模塊（圖1）。

2.1 儲氫系統

車用儲氫系統包括高壓儲氫瓶、瓶口閥、超溫保護裝 置（Thermally-activated Pressure Relief Device，TPRD）、綁帶和支撐結構，主要用于高壓氫氣安全可靠的儲存，并能夠使氫氣順利加注和釋放。儲氫瓶和瓶口閥是整個車用儲氫系統的關鍵組成部分，主要包括采用金屬內膽全碳纖維纏繞的Ⅲ型瓶和采用塑料內膽全碳纖維纏繞的Ⅳ型瓶，儲氫瓶和瓶口閥需滿足70 MPa的工作壓力。在實際匹配中，乘用車一般采用2～3個瓶組，確保續駛里程在500～800 km。目前商用車行業仍以35 MPa為主流配置方案，70 MPa的商用車氫系統方案正在研發和匹配中，重點在于開發400 L以上的70 MPaⅣ型儲氫瓶，以滿足整車續駛里程需求。

2.2 供氫系統

供氫系統主要負責將儲氫瓶內的高壓氣體經減壓后按需輸送到燃料電池系統，主要包括：管路、支撐結構、一級和二級減壓閥、安全泄放閥、手動放氣閥等。目前，70 MPa車用供氫系統研究重點主要包括：管路及閥體的密封與可靠性和減壓閥壽命。

2.3 加氫系統

燃料電池汽車加氫系統主要包括：加氫口、單向閥和相關管路。其中，加氫口分為2種模式：TN1，TN5。TN1可以滿足35 MPa和70 MPa兩種工作壓力的要求。此外，70 MPa車用加氫口需要增加相關紅外通訊設備，以滿足氫氣加注過程中的通訊要求。目前，滿足商用車大流量加注要求的70 MPa加氫口仍處于研究和試驗階段。

2.4 監測控制系統

針對70 MPa車用氫系統，需要對儲氣瓶中氫溫度、壓力和氫濃度數據進行實施監測以滿足安全要求，同時也可以在出現異常的第一時間進行氫氣阻斷，避免出現嚴重事故。因此，需要在系統中布置溫度和壓力傳感器，儲氫系統中的瓶口閥也應具備溫度壓力監測功能。

此外，燃料電池汽車還裝備氫氣管理系統（Hydrogen Management System,HMS）用于收集分析處理相關傳感器數據，傳輸給整車控制器并執行其下發的相關指令。70 MPa車用氫系統在加氫過程中需要與加氫設備進行通訊，也是由HMS通過紅外模塊向外傳輸。

3 70 MPa車用氫系統可用性評價研究

3.1 可用性評價方法

可用性評價是用于對產品在特定使用環境下，針對不同需求的用戶對于實際使用要求進行有效性、功能使用效率和使用主觀滿意度的考量方式[6]。可用性評價涉及到諸多工程和技術領域，屬于跨學科研究[7]。

在可用性評價過程中，需要從宏觀和微觀2個方面進行分析并構建可用性評價指標體系。其中，宏觀層面評價包括了產品所處的系統或者產品自身的組成，具體還需要依據產品的屬性而定。微觀層面評價包括了需要評價的產品本身及其內部的組成。同時，在可用性評價過程中，還需要對所處的使用環境或者應用場景進行分析，充分考慮環境對產品可用性評價的影響[8-9]。在進行可用性評價過程中，需要充分進行橫向產品的對標分析，并對體系的評價指標進行充分定義，避免出現局限性和特定性，需要全面地評價產品的可用性，使其更有通用性和普適性。

3.2 70 MPa氫系統可用性評價

70 MPa車用氫系統主要由儲氫、供氫、加氫及監測控制4個模塊組成，每模塊又包含不同的零部件。

車用氫系統可用性評價屬于宏觀層面評價。首先要識別氫系統中的關鍵點，與微觀層面關注零部件的角度不同，整體系統的評價更多地是關注各零部件及子系統整合后的工作狀態和性能效果，特別是在車端的使用情況，以此衡量整個系統的可用性是否達到使用者的滿意。

車用氫系統模塊及其零部件的評價屬于微觀層面評價。主要是識別并梳理各模塊中的零部件，對每個零部件進行分析，設定相應的評價維度和評價標準，并評價維度設定加權評價系數，對于相互間有通用性評價標準的零部件可以進行合并，保證了評價的全面性和通用性。

4 構建評價指標體系

結合70 MPa車用氫系統的工作要求和環境工況，從儲氫、供氫、加氫和監測控制4個模塊找到影響可用性評價中有效性、效率和滿意度3個關鍵要素的影響因素，并通過實際使用和分析對相關要素進行關鍵評價系數設定和權重設定。在設定系數的過程中，基于總體評價矩陣及整體評價結果最終得到評價量。

4.1 關鍵點位及流程

對商用車和乘用車70 MPa車用氫系統從宏觀和微觀2個層面進行分析，識別宏觀系統層面關鍵流程和微觀零部件層面的關鍵點位。

宏觀系統層面關鍵流程包括：

（1）氫氣加注；

（2）車輛行駛中氫氣的儲存和釋放；

（3）緊急情況下管控；

（4）手動排空；

（5）系統監測與控制。

關鍵流程的管控重點關注系統內氫氣壓力、溫度和氫濃度信息。

針對系統的關鍵流程，車輛及系統在出廠時都會做明確的操作規范說明，以保證系統的安全、可靠和有效性。

微觀零部件層面的關鍵點位包括：

（1）關鍵部件自身的測試合格；

（2）零部件操作便捷性；

（3）零部件間的銜接；

（4）零部件與整車的集成與連接。

宏觀系統層面的關鍵流程與微觀層面的關鍵點位和系統參數是相互關聯和保證的，宏觀流程確定了具體的微觀層面的關鍵點位與具體參數要求，而只有每個點位的關鍵指標滿足要求，才能實現整個系統使用過程中的有效和用戶體驗滿意。

4.2 因素指標評估

首先對宏觀層面的關鍵流程進行識別，將需要使用者操作的外部流程和系統內部自動控制的流程進行區分，并將關鍵信息與關鍵流程相對應。其次，將微觀層面的關鍵點位與關鍵流程相對應，并明確需要操作的關鍵環節。最后，將2個層面對應后與可用性評價的3個關鍵指標相關聯。

在評估宏觀關鍵流程的因素指標時，加氫及手動排空2個流程需要使用者操作，其它流程均由電腦控制完成。而系統內氫氣溫度、壓力關鍵信息涉及到所有流程，因此需要對所有流程內的信息都進行識別，并關聯到微觀的系統內零部件的關鍵點位上。

通過對關鍵點位的識別可以看出，溫度、壓力信息涉及到儲氫、供氫、加氫模塊的各個部件，而監測控制模塊也是以上述2個指標作為判定和調整的依據。因此，將上述信息與關鍵點位進行關聯，并分級評定。各因素指標的評定和關聯如表1所示。

4.3 指標確定

從表1中可以看出，部分關鍵點位涉及到多個關鍵流程，而溫度和壓力則關系到所有關鍵流程。根據人工參與程度和使用頻繁程度可以確認指標的重要性。在所有關鍵流程中，氫氣加注環節因其不僅涉及到安全、準確，還關系到時間成本和操作便捷方面，與用戶體驗的滿意度直接強相關。手動排空環節盡管也需要人工參與操作，但由于該流程僅在特殊時刻需要，出現頻次較低且大部分都是由專業人員進行操作，因此對用戶操作使用滿意度的影響較低，不作為該維度的關注流程。

表1 指標關聯及評價維度

綜上所述，70 MPa車用氫系統作為燃料電池汽車的關鍵部件之一也是主要能源載體，其有效性直接關系到整車能否安全、可靠的使用和運行，因此在可用性評價的3個主要維度中排在首位。效率和滿意度則為氫系統和整車高效運行提供基礎和保障，主要在正常使用的基礎上進一步滿足使用者對于整車的要求，并以此提升整體認可程度。

在對二級指標關鍵點位的評價中，要區別關注不同點位的評價要求，例如對于加氫口、減壓閥及高壓儲氫瓶的有效性評價時，由于這些零部件是主機廠的采購件，因此重點關注其出廠檢驗及認證，以此進行評價和考量。

整車氫系統包括儲氫、供氫和加氫管路、接口密封及與車端集成固定關鍵點位，由于這些關鍵點位與整車設計開發強相關，且多為后期設計改制和加工，則需要對其進行自行監測評估，以保證其合理、安全和有效性。對于緊急情況下管控和手動排空等風險系數較高或關系到高危情況下安全的關鍵流程指標，則需要在系統批次裝配或整車下線檢驗時進行驗證，以保證關鍵時刻可以達到要求。

5 關鍵指標權重研究

5.1 指標權重確定

通過對關鍵流程及點位的一、二級指標進行綜合分析，結合所用頻次、環境、要求、參與程度，確定相關加權系數，如表2所示。

表2 指標權重表

為了能夠明晰具體的關注點，針對表2中的20個二級指標分別設定了相應地評價細則，以保證具體的評價結果。

對標目前市面上70 MPa車用氫系統以及其所采用的相關配套產品，按照本文所提出的可用性評價進行評分，分數區間在72～93分之間，差異主要體現在所選用零部件的來源不同，因此性能和可靠性與壽命的差異較大。此外，評分均基于搭載在燃料電池乘用車上的70 MPa車用儲氫系統，商用車由于車型較少或處于研發階段，未納入統計。

5.2 指標驗證

對一款國產自主開發的燃料電池轎車配置的70 MPa車載儲氫系統進行可用性評價。該氫系統配置2個70 MPaⅢ型儲氫瓶，總儲氫量95 L。加氫系統中未設置單獨的單向閥，僅依靠加氫口內部的單向閥。供氫系統中采用獨立的一、二級減壓閥，二級減壓后由車輛后部通過低壓管路將氫氣傳遞到前機艙燃料電池發動機中。

根據一級指標和二級指標的評價矩陣，通過公式（1）對該系統的可用性進行評價。

式中，ζ為可用性評價值；α為一級指標加權系數；β為二級指標加權系數；x為二級指標各關鍵點位的評分；n為系統中不同的零部件。

各關鍵點位的評分按照百分制計數，對于缺項則具體進行分析。如果影響到安全和有效性則按照零分計算，如果是因為不涉及安全和有效性，則按照滿分計算。根據對該乘用車70 MPa車用氫系統最終的評價結果可以看出，整體可用性評價指標為83.26分，能夠滿足日常使用，一級指標所占比例及評價得分情況如圖1所示。

其具體扣分項主要有零部件的壽命較低、管路的連接及密封有待長時間驗證、氫氣加注時間較長、HMS的設計有待提高、紅外通訊設備為第一階段產品和兼容性差。對比所有一級指標的得分情況可以看出，氫氣加注環節的分數最低，這也與該指標涉及有效性、效率和滿意度全部3個評價維度有關，需要滿足主客觀不同的要求和關注。

6 結論

隨著70 MPa車用氫系統在乘用車和商用車上的規模化普及應用，氫系統及其關鍵部件的可靠性、安全性及壽命成為了整車匹配及使用過程中的重要考慮因素之一。

為了明確并改善70 MPa車用氫系統的可用性，本文首次提出了70 MPa車用氫系統可用性評價方法，以車用氫系統整體作為評價基礎，從零部件微觀及系統宏觀2個層面出發，在考慮有效性、效率和滿意度3個維度及應用數據分析的基礎上構建了5個一級指標和20個二級指標的70 MPa車用氫系統可用性評價體系。評價方法不僅可以為氫系統后期設計、選型及優化提供了參考和建議，同時也增加了對車輛實際使用過程中需求的關注與改進。