SAE J3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗實驗室安全指南》標準解析

孫田 郝冬 陳光 馬明輝

摘 要：近年來，氫能行業不斷發展。氫燃料汽車與傳統內燃機汽車具有一些相同的安全特征需求，車輛需要符合廠家及政府監管的相關標準要求，而由于氫燃料汽車內部包含高壓氣體、高壓部件等危險源，在進行碰撞等破壞性試驗時具有較高的安全要求，因此SAE在2022年2月份發布了SAE J3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗實驗室安全指南》，旨在告知碰撞測試、設施管理等相關人員安全風險點及對應措施。本文主要解析SAE J3121中相關技術要求，為氫燃料汽車碰撞試驗提供試驗流程、安全管理等相關指南方法。

關鍵詞：氫燃料汽車，碰撞，安全指南

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2023.09.010

0 引 言

在當今化石燃料存量日益減少且消耗量增加的背景下，氫能因清潔、高效等諸多優點被各國家、地區和國際組織廣泛青睞，被認為是能源低碳轉型和可持續發展的戰略選擇之一，美國、歐洲、日本、韓國均發布了關于氫能的發展路線和規劃布局[1- 6 ]，我國也在2021年發布了《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》提出國內氫能產業在不同時期的發展規劃目標。

新能源汽車是氫能技術研發和應用的重要場景之一，隨著氫能基礎設施的不斷完善和關鍵零部件技術的攻關，氫燃料汽車得到多場景應用并快速發展。傳統車輛碰撞測評技術已趨于成熟，而氫燃料汽車本身擁有高壓氫氣、動力電池、高壓儲氫裝置、高壓電器設備等多種危險源，繼而導致氫燃料汽車進行碰撞試驗后存在觸電、熱失控、高壓閥件（部件）失效引起的氫泄漏等諸多風險點，目前國內外沒有氫燃料汽車碰撞試驗相關安全管理指導文件，因此SAE在2022年2月發布了SAEJ3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗實驗室安全指南》，為氫燃料汽車碰撞試驗后風險管控及預防給出指導性建議，降低氫燃料汽車碰撞后安全隱患風險。

1 適用范圍

本安全指南概述了氫燃料電池汽車（Fuel cellvehicle， FCV）、燃料電池混合動力汽車（Fuel cellhybrid vehicle， FCHV）、燃料電池電動汽車（Fuelcell electric vehicle， FCEV）等車輛進行碰撞試驗的相關風險和保護性預防措施，以確保氫燃料車輛測試期間測試人員和車輛的安全有效測試程序。該指南文件旨在提供風險和預防措施，并提出應定期審查需求，以確保符合新技術發展。

2 技術要求

2.1 減輕觸電風險

氫燃料汽車內包含動力電池、DC-DC等高壓部件，因此氫燃料汽車碰撞試驗具有較高的觸電風險。指南文件中指出，建議試驗相關人員應接受有關車輛高壓電氣系統的基本培訓，在高壓環境作業中穿戴個人防護裝置和接受內部安全程序知識培訓對于保護人員和設施安全至關重要。使用電氣防護裝置時，需要在實驗室其他人員監督下進行，推薦的安全設備包括但不限于耐高壓絕緣手套、防護面罩、高壓救援鉤、防靜電絕緣鞋、自給式呼吸器、防護工作服、可燃有毒氣體檢測裝置、數字萬用表等。同時在指南文件中給出了相關適用個人防護裝置的標準，供行業人員參考。

2.2 風險緩解測試

氫燃料混合動力汽車動力系統中含有氫燃料電池、動力電池等高壓電氣部件系統，在碰撞試驗過程中可能存在多種失效模式，為降低試驗過程中出現的風險，建議氫燃料電池系統和動力電池系統進行部件級的驗證試驗，如：跌落、溫濕度循環、極端環境條件下壓力循環、拉伸剪切、氫相容等試驗。同時，由于電池組為熱失控傳播、有害氣體釋放、火災等綜合風險來源，因此動力電池風險管控對于緩解風險也十分重要。

較部件級測試相比，整車碰撞測試的系統級性能差異會更為突出，因此要充分考慮潛在風險尤其是可能導致災難性故障的風險，且留有安全余量優先保障人員安全、設施完好和車載數據采集系統的保護。

指南中要求在收到任何潛在危險化學品（即電解液等）之前，須向實驗室提供安全數據表（SDS），包含關于電化學性質的相關信息。同時有必要提供電池和相關系統的容量、結構、配置等基本參數，便于實驗室評估風險。在進行試驗前，要建立基于高壓儲氫裝置、燃料電池、動力電池等可能發生故障后安全響應的程序，并給出了氫燃料汽車典型風險指標。

電氣部件也是需要考慮安全因素的重要部件之一，目前溫度指標是判斷潛在風險的首選標志，便于在早期階段檢測，既可基于整車電池管理系統遠程監控，又可以通過實驗室溫度監測給出風險預警。除溫度外，還建議增加煙霧和氣味監測，尤其是一氧化碳和氟化氫的含量。

目前車用儲氫裝置中基本為高壓壓縮氫氣，由于氫氣分子量極小，因此十分容易發生泄漏風險。與常用的CNG相比，壓縮氫氣壓力更高，儲存容器設計要求也更為嚴苛，但是仍不能避免泄漏風險，因此實驗室內要加強氫氣濃度檢測，建立相關報警機制，嚴格控制火災或爆炸風險。

2.3 降低風險測試

進行氫燃料汽車碰撞試驗時，必須將風險管控到可接受水平，在確認風險等級之前，指南文件強烈建議進行獨立的測試評估進行風險摸底。

為了解氫燃料汽車部件在碰撞測試中所需要的基本物理條件，尤其是在車輛及部件開發階段應對惰性系統進行碰撞測試模擬系統的尺寸、重量、剛度等，但不包含活性的化學物質。基于惰性系統可以觀察確認：整車完整性，現結構下的安全裕度，儲氫裝置、燃料電池、動力電池的完整性以及所能承受的碰撞加速度，碰撞后監控系統的可靠性，電氣接線盒安全位置及測試前后完整性，碰撞對傳動裝置的影響，驗證供氫系統、燃料電池和動力電池的測試方法等。惰性試驗可以根據需求多次重復進行，直到達到足夠安全余量。

在進行氫燃料汽車整車碰撞試驗前，應根據部件在碰撞過程中的條件進行部件級的測試，以保證相關部件配置留有一定安全裕度支撐整車碰撞試驗。部件級的測試，可基于現有行業標準經驗、惰性試驗結果以及相關經驗驗證過的仿真模型進行功能試驗。測試標準即要求氫燃料汽車中部件系統保持穩定、結構完整且沒有泄漏等故障發生。典型功能測試和破壞性測試可包括三自由度或六自由度機械沖擊、刺穿試驗、火燒試驗、短路試驗等。尤其是破壞性試驗結果可對實驗室提供有價值信息以用于建立應急響應程序保證工作人員的安全工作條件。

2.4 降低高壓部件失效風險

高壓部件故障導致的風險主要受環境和條件影響，故障可能發生在碰撞測試的所有階段。如果因高壓部件失效引起火災，會導致5000psi儲罐產生超壓波，從而在距離事發點50ft的地方導致鼓膜破裂（2psig），并在65ft范圍內打碎窗戶，火球的直徑為8～24m，發射功率約為340kW/m2，車輛碎片可能移動超過10 0m。在高壓部件發生故障時，緩解風險的主要方法是防止釋放的氫氣著火，以及在著火時保護設施和人員免受高壓和火災的傷害，因此指南中要求在裝有氫氣的車輛25m范圍內，不得存在火花或其他火源以降低氫氣泄漏引發火災的風險。如果沒有通風系統能夠將室內氫氣濃度降低至不會造成點火風險水平時，氫燃料車輛不得存放在封閉設施內。實驗室應配備綜合滅火系統實現無需人員操作的自動快速滅火功能。車輛中應安裝氫氣泄漏檢測裝置及聯動裝置，當檢測到氫濃度過高時可以遠程控制車輛電氣系統斷電，并提醒人員移至安全區域。為降低故障的影響，實驗室應提前規劃涉及危險的試驗流程及人員安全保障預案。在進行試驗過程中，人員和被測車輛之間應有防爆設施阻斷或降低因超壓和爆炸產生的風險，保證人員有足夠的能力處理現場所出現的風險。

2.5 設施準備

在進行氫燃料汽車碰撞試驗之前，需要考慮設施準備，應制定一份記錄良好的應急響應計劃，所有員工都需要接受計劃中涉及的相關培訓。該計劃應包括消防部門的響應時間、在進行氫燃料電池車碰撞測試之前向消防機構發出警告、事故期間的疏散和疏散程序等項目。通常在進行氫燃料汽車碰撞試驗之前，應考慮試驗區域的滅火系統，在某些情況下，可能需要額外的滅火措施。指南中特別提醒，鼓勵實驗室在進行氫燃料電池車碰撞測試之前咨詢其保險公司，以確保其擁有進行氫燃料電池車撞擊測試所需的保險范圍。實驗室在進行氫燃料汽車碰撞測試時，要考慮測試區域體積和通風，降低電池組釋放有害氣體的風險。

還應對現場設施進行評估，以確定與氫燃料汽車碰撞試驗相關的每項任務符合相關個人防護裝置要求。在進行碰撞測試期間，每個階段任務都需要考慮使用絕緣叉車、電氣隔離墊、個人防護裝置等。

2.6 碰撞后儲存

存放碰撞后氫燃料汽車之前，了解車輛整車結構、儲氫裝置和動力電池的狀況是十分必要的，因此要對相關內容進行檢查評估物理損壞，如有儲氫系統損壞、儲氫減壓系統異常、電解液或冷卻液泄漏、氣體煙霧排放或溫度異常等現象，不得存放，應保障檢測時長夠長以監測相關狀況，確保穩定后方可進行存儲。必要時可在制造商指導下拆除儲氫裝置或斷開動力電池電氣連接。

進行碰撞試驗后，考慮氫燃料汽車失效因素仍為高壓儲氫系統失效、觸電、熱活動導致的有毒氣體釋放及火災、泄漏等，除現場人員需按要求穿戴個人防護裝置外，還應考慮清除儲存現場易燃物、保證合適的溫度環境條件等管控風險。若將車輛存放在室內時，應采取留有一定安全余量、實時監控系統及進行有效圍擋、制定應急預案等措施降低可能對周圍人員產生的風險。

在運輸受損的氫燃料汽車、儲氫裝置、動力電池時，應遵守地方政府的各項法律規定。

2.7 荷電狀態（State of Charge， SOC）

動力電池在除非已知可能發生熱失控的短路電流臨界閾值且樣本電池電量均低于該閾值時，否則在試驗過程和后處理過程中應以滿電狀態采取相應措施。當SOC值為零時，并不意味著零電量或零電壓，此時動力電池電壓等級仍然較高，因此個人防護裝置及安全程序依然是必備的。

動力電池SOC值低于一定閾值時，可能會被短路電流加熱，從而引發熱失控或增加內部壓力具有一定風險，且物理幾何性狀和電池內部配置不同也會導致該閾值差異，因此需要充分評估SOC安全閾值。

3 結 語

通過對SAE J3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗實驗室安全指南》中的主要內容進行分析，介紹了進行氫燃料汽車碰撞試驗的安全風險及應對措施。本文的分析有助于相關企業及技術人員較好了解現階段氫燃料汽車碰撞試驗過程中可能發生的風險點和管控措施，有利于推動新能源汽車碰撞技術快速發展。

參考文獻

舟丹. 國外氫能產業化發展現狀[J]. 中外能源， 2022，27（11）：92.

韓笑，張興華，閆華光，等. 全球氫能產業政策現狀與前景展望[J]. 電力信息與通信技術， 2021，19（12）：27-34.

陸穎. 美國產業界發布氫能經濟路線圖[J]. 科技中國，2020（11）：100-102.

應對能源轉型 歐洲多國布局氫能產業[J]. 科學大觀園，2022（09）：38-41.

張真，劉倩，史英哲，等. 全球綠氫產業財政金融激勵政策與啟示[J]. 環境保護， 2022，50（14）：66-70.

日本進入氫能發展新時代[J]. 氯堿工業， 2021，57（01）：47-48.