燃料电池车高压储氢系统碰撞安全设计与分析.doc

燃料电池车高压储氢系统碰撞安全设计与分析蒋燕青 王鸿鹄 李亚超 吴 兵 何 雍( 上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部，上海 201804)【摘要】 针对燃料电池车氢系统碰撞试验的方法，从试验和理论的手段进行氢系统结构碰撞安全性研究通过研究和分析国内外汽车安全测试法规，确定了氢系统碰撞试验的测试方法及评价氢系统碰撞安全性的方法最后，经实车碰撞试验验证，该系统的安全设计满足整车碰撞要求关键词】 燃料电池 汽车 整车碰撞0 引言随着能源危机和环境污染的日益严重，寻找新型清洁能源代替传统能源以实现低碳、甚至零排放已经成为现今汽车行业未来发展的一个趋势氢燃料作为一种具有来源广泛、获取容易、单位重量发热量高、产物清洁以及本身无毒无害等优点的能源，是未来最有发展前途的清洁能源之一，非常适合作为汽车的动力来源与传统内燃机车相比，燃料电池车以氢气替代传统能源作为动力来源，它不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能由于其原电池反应不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，实际使用效率是普通内燃机的 2 ～ 3 倍同时，它还具备噪声低、对环境污染小、可靠性高等优点。

近几年世界各大汽车公司燃料电池和燃料电池汽车的研究工作进展迅速，燃料电池汽车已进入试用阶段在实际运用中，由于燃料电池车采用氢气作为动力源，相对于传统内燃机汽车而言，其安全性要求更高氢气爆炸极限为 4% ～74． 2%，范围较大，一旦出现泄露，极易造成爆炸; 同时氢气燃烧速度非常快，着火能很低不仅如此，氢气作为自然界中密度最小的气体，具有很大的扩散速度，一旦泄露，极易在车内扩散，并在乘员舱积聚，在遇到周围有明火时，极易发生燃烧和爆炸，造成安全事故因此在研究燃料电池汽车技术的过程中，车载氢安全的研究是重要的组成部分，而最易出现安全问题的时候就是整车发生碰撞的时候为此，本文通过对燃料电池车进行实车碰撞试验研究，测评供氢系统在碰撞破坏后的气体泄漏情况，评估供氢系统的安全性，并为燃料电池的氢系统的安全设计提供理论分析1 整车碰撞安全法规目前，汽车安全规范体系可分为两类: 一类是由国家颁布的汽车安全技术法规，如美国的 FM-VSS;另一类是汽车安全星级评定标准，如新车评估组织 NCAP 的评定标准在国际上实车碰撞试验法规主要有美国的 FMVSS 和欧盟的 ECE 两大体系，这两种法规都规定了相应的碰撞试验方法和评价标准。

在国内，关于燃料电池汽车安全方面的相关规范，还处于起步阶段，我国的汽车碰撞标准是依据 ECE 标准进行制定的，但是非等效采用 ECE 法规制定的，在碰撞角度、碰撞速度等方面与欧盟 ECE 体系法规是不一样的本次研究针对的是 2007 年 863 项目燃料电池样车的供氢系统，采用的测试方案分为两部分: 实车正面碰撞和后面追尾碰撞采用车辆的纵轴线与障碍壁表面垂直，障碍壁为固定刚性平面，车辆的碰撞速度为 50 km/h其中，正面碰撞中对供氢系统按照安全、可行的原则进行氦气加压检查，后面追尾碰撞则主要对供氢系统进行观察、测量检查，将氢瓶拆解耐压试验2 整车碰撞氢安全设计与评价本文所研究的燃料电池汽车的供氢系统包含储氢瓶、电磁阀、安全阀、溢流阀、减压阀和压力传感器等辅助安全装置储氢瓶利用支撑框架固定在后排座椅和后行李箱下，通过相应的供氢管道和燃料电池辅助系统相连接供氢系统原理图如图 1 所示，此系统基本实现了供氢、加注、排空、安全保护等功能由图 1 可知，在燃料电池轿车中涉及氢安全的部件主要包括氢瓶、氢瓶电磁阀、组合阀、单向阀、减压阀、高压氢气管路、低压氢气管路、压力传感器等在碰撞过程中，参考基准《使用压缩氢气汽车 的燃料系统技术标准》 ，碰撞后氢气的泄漏率不能超过 131 L/min，因此在进行整车氢安全设计时，必须确保整车碰撞时氢安全满足要求。

为此也就必须保证在碰撞时这些零部件不能遭到破坏，但是由于整车碰撞过程本身就是一个非常复杂多变的过程，在复杂的碰撞过程中完全避免这些零部件受到碰擦和挤压是不可能的，考虑到零部件本身具备一定的防碰撞能力，因此在进行具体的燃料电池轿车碰撞氢安全设计时，仅需要考虑碰撞时零部件所受的应力不要超过其材料允许承受的极限即可在氢系统中，氢气瓶应具备一定的防撞能力，同时氢气罐的固定支架和钢带也应有足够的强度，以保证在碰撞过程中高压氢气罐的动态位移不会太大，避免造成连接管路的断裂、变形和氢气的大量泄漏经前期仿真分析，发现氢气罐采用整体式设计可以更好地对氢气罐进行有效的固定和保护，即氢气罐框架通过不同的横梁和纵梁将氢气罐集成到一个框架总成，且纵梁中部设计出圆弧形凹槽由于燃料电池车供氢系统中的储氢瓶一般放在后排座位下或后行李箱内，在碰撞过程中高压氢气罐若动态位移较大则很容易侵入到乘员舱，因此在设计时须设置加速度传感器以动态的记录在碰撞过程中系统以及支架的位置变化通常加速度传感器分别加装于下氢瓶位置、上氢瓶前部、下氢瓶后部，通过对 3个加速度传感器数据的分析，即可得出在碰撞全过程整个供氢系统和支架的动态受力情况以及位置的具体变化。

另外，由于碰撞的复杂性，即使零部件的设计已极为牢固，也极有可能造成零部件的损坏并最终导致氢气泄漏，因此在设计时必须在车身上设置惯性开关，在发生碰撞时惯性开关被激活，并将信号传输至ECU，ECU 发出指令将氢瓶阀门关闭，断开氢气供应，将氢气的泄漏尽可能地降低到最低程度在整车碰撞中，整车惯性开关必须设置 2 个且应设置在不同的部位，以确保各种碰撞工况都能够被检测到，同时也避免了因某个惯性开关发生故障而导致未检测到碰撞信号的情况由于燃料电池车整车重量较传统车而言较大，因此惯性能量也很大，为防止惯性开关误触发不能选用过于灵敏的惯性开关，以避免车辆在正常行驶过程中遇到起伏较大的路况而造成误触发同时，也不能选用触发条件过高的惯性开关因此，在整车碰撞过程中，惯性开关的选取也是氢安全设计的一个重要方面最后，由于氢气本身特殊的物理性质，当其在开放空间内以及隧道中碰撞时，相比天然气汽车和汽油汽车而言，氢燃料电池的安全性要更好这主要是因为: 由纤维缠绕的复合材料氢气罐在不破裂情况下能承受比汽车本身更高的压力，这就降低了由于碰撞导致的氢气大量泄漏风险; 氢气扩散快，其扩散系数是汽油的 5． 3 倍，同时氢气的浮力是汽油的 52 倍，一旦泄漏可以很快扩散，减少了碰撞后着火的风险;由于燃料电池的高效率性，所以对于给定的车辆行驶里程，燃料电池汽车只需装载 40%的燃料。

但是在密闭的车库内发生碰撞时，由于氢气的泄漏以及逐渐积累导致的着火或爆炸将是很大的安全隐患同时由于氢气无色无味且着火火焰几乎是不可见的，降低了氢气发生泄漏以及着火时被发现的可能性因此，在整车碰撞过程，合理的碰撞地点以及相应的排风排空措施对于碰撞的安全性而言也是必不可少的综上所述，燃料电池汽车在整车碰撞过程中的安全设计可归纳为以下几点: ( 1) 检测在各整车碰撞工况中，整车惯性开关是否都能够激活; ( 2) 检测在各类整车碰撞工况中，氢瓶、供氢管路以及相关零部件是否存在泄漏或断裂、脱开等破坏现象; ( 3) 检测供氢系统以及支架在碰撞过程中是否发生位移现象，并分析其受力情况; ( 4) 在碰撞过程后，对氢瓶进行压力测试，评估其是否还具有使用功能和安全性等级3 整车碰撞实验与结果分析3． 1 实验过程本实验于 2008 年 12 月在天津国家机动车检测中心碰撞试验场进行考虑到安全性，在实车碰撞过程中气体介质选用的是同氢气物理性质极为相似的氦气在碰撞实验前，首先在确认加速度传感器以及惯性开关等能够准确的工作后，按设计要求在合理的位置加装好传感器与开关之后，对整个供氢系统及其零部件、支架等进行检查，确认管路以及支架是否有明显破坏情况。

在确认系统无误后，检查供氢系统的气密性加氦气至 1．5 ×107Pa 后，涂检漏液，同时保压 5 min 后检查管路系统泄漏情况经经验，系统气密性良好，之后将系统压力排空到1． 0 ×106Pa 即可开始整车碰撞在碰撞实验结束后，经检查，所有管路均没有发生明显脱开或断裂现象，之后对其进行气密性检测，检测发现当管路压力增加至 2 ×107Pa，系统气密性良好; 再次加压，直至 3． 5 × 107Pa 然后检测其气密性，此时发现在联合三通和电磁阀之间的接口出现气泡由于联合三通在 2 × 107Pa 时并未出现泄漏现象，因此可认为此处属于轻微泄漏，即处于泄漏与不泄漏状态的中间临界点在碰撞后，还需测量管路之间以及支架间的距离以确定供氢系统的位移情况，经测量比较高压管路两点之间的位移变化只有0． 343 mm，且根据加速度传感器记录的数据，其位移均没有超过测量线最后将高压氢瓶从整车上拆下，并进行 2． 35 倍工作压力的水压破坏实验，当试压泵连接至气瓶后加压至 2． 35 倍工作压力保持 30 s，期间气瓶压力无明显压降，说明瓶体完好3． 2 结果分析根据碰撞前后数据比较发现，在碰撞发生后对整个供氢系统的管路进行保压气密性测试，所有管路接口以及系统零部件均无明显损坏以及可见气体泄漏现象，满足标准 GB 50235 的要求。

与此同时，供氢系统及支架在碰撞过程中位移也均在测量线之内，整车惯性开关亦能合理激活在碰撞后，气瓶经水压破坏实验验证，其安全性并无降低，符合系统氢安全及设计要求4 结语经实车碰撞验证，该系统的安全设计满足整车碰撞要求，从实车碰撞中也可以看出采用上述方法可以较全面地对燃料电池车的整车碰撞的氢安全做出相应评价同时，燃料电池轿车的安全技术研究是非常前沿、复杂的工作，与其完全相适应的安全法规及测试方法还很不完善，还需要更多的研究人员对试验方法及标准本身的可行与可靠进行更多的研究参考文献［1］ 余卓平，张觉慧． 燃料电池轿车碰撞安全性的仿真与试验［J］ ． 汽车安全与节能学报，2010，1( 2) : 115-121．［2］ Hidenori Matsui． Characteristic of Hydrogen Explosions［J］ ． 中国安全生产科学技术，2005，1( 6) : 3-9．［3］ 吴兵，陈沛，冷宏祥，等． 车载供氢系统［J］ ． 上海汽车，2007( 9) : 9-11．［4］ 冯文，王淑娟，倪维斗，等． 氢能的安全性和燃料电池汽车的氢安全问题［J］ ． 太阳能学报，2003( 5) : 677-681．［5］ 何雍，郑晟，王鸿鹄，吴兵． 燃料电池车氢系统碰撞安全性研究［J］ ． 电源技术，2011( 8) :953-956．［6］ MICHAEL． R． S． Hydrogen fuel leak simulation［R］ ． Uni-versity of Miami Coral Cables，2008 ．。