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燃料電池汽車碰撞后氫安全檢測方法研究綜述

時間：2021-06-04 16:18 來源：未知 點擊：次
1前言
 
目前，已經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行。由于氫氣存在易燃易爆的特性，因此燃料電池汽車的安全要求就顯得格外重要。
 
2國內燃料電池汽車安全要求相關標準進展
 
現階段，國標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、儲氫系統和加氫口等領域都有專項標準，表1列出了現階段燃料電池汽車安全相關的標準。
 
GB/T24549—2020[6]和GB18384—2020規定了燃料電池汽車在正常行駛和停車時需要滿足的氫安全要求和電安全要求。GB/T24554—2009規定了燃料電池系統氣密性、絕緣性和緊急停機時的檢測方法。GB/T26779—2011規定了加氫口安全性方面的要求和檢測方法。
 
GB/T26990—2011和GB/T29126—2012規定了車載儲氫系統在正常行駛和停車時的安全要求及檢測方法。GB11551—2014和GB20071—2006分別規定了汽車在發生正面和側面碰撞時和碰撞后整車結構等方面的安全要求。GB/T31498—2015規定了帶有B級電壓的汽車碰撞后要滿足的電安全要求。
 
目前，燃料電池汽車對于碰撞時和碰撞后的安全要求，只能參考燃油車和電動汽車的標準，尤其是對于碰撞后的氫安全檢測方法和技術要求，還未有專項標準。因此，在開展燃料電池汽車整車碰撞試驗時，可參考國際標準進行檢測，包括如何檢測碰撞后氫氣泄漏量、氫氣泄漏量的最大限值是多少、以及發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，SAEJ2578-2014《燃料電池汽車一般安全推薦規程》和GTR13《氫燃料電池汽車全球技術法規》介紹了燃料電池汽車碰撞后的氣體泄漏檢測方法。
3.1SAEJ2578-2014檢測方法
SAEJ2578-2014《燃料電池汽車一般安全推薦規程》詳細介紹了如何檢測碰撞試驗后的氣體泄漏。該規程介紹了3種碰撞后測試氣體泄漏量的方法。
（1）儲氫瓶在公稱工作壓力下的氫氣泄漏檢測方法；
（2）儲氫瓶在公稱工作壓力下的氦氣泄漏檢測方法；
（3）儲氫瓶在較低壓力下的氫氣泄漏檢測方法。由于氫氣發生泄漏后危險性較大，因此目前在國內進行氫燃料電池汽車碰撞試驗時，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氦氣泄漏質量限值的確定
該規程根據燃油汽車碰撞后60min內允許泄漏的液體燃料為1.7kg，按照汽油和柴油的平均低熱值為42.7MJ/kg計算，允許泄漏能量為72590kJ。氫燃料電池汽車碰撞后60min內的泄漏能量最大值也應為72590kJ，按照氫氣的低熱值119863kJ/kg計算，允許泄漏的氫氣質量為606g，轉化為一個大氣壓15℃時的體積為7107L。
 
因此氫氣的泄漏速率最大值為118L/min。利用60min可泄漏氫氣質量606g的小孔，仿真在60min內通過該孔可泄漏的氦氣質量。通過仿真數據，發現泄漏質量隨儲氫瓶體積的增大而減少，但是和儲氫瓶的公稱工作壓力關系很小，可忽略公稱工作壓力的影響。擬合得到不同儲氫瓶體積下的氦氣泄漏質量限值公式，如式（1）：
其中，HeW為60min內氦氣泄漏質量限值；Vol為儲氫瓶體積。
以儲氫瓶體積200L為例，那么60min內允許泄漏的氦氣質量為925g。
3.1.2氦氣泄漏質量限值修正系數
在碰撞試驗后檢測氣體泄漏的這段時間內，初始的儲氫瓶氣體壓力、初始的氣體溫度、檢測結束時的氣體溫度以及測試時間等因素都會影響氦氣的泄漏質量限值。因此需要考慮這幾個因素對限值產生的修正系數。
SAEJ2578-2014通過研究測試時間和泄漏氣體質量的關系、初始氣體壓力、溫度和泄漏氣體質量的關系，得到帶有修正系數的氦氣泄漏質量限值公式：
式中，AML為允許的氦氣泄漏質量；
LT為測試時間；
Ps為初始的儲氫瓶氣體壓力；NWP為公稱工作壓力；
Ts為初始的儲氫瓶氣體溫度；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。碰撞前那一時刻測量1次，然后每15min測量1次。
對于測試時間，是根據測量精度要求決定的，以下將介紹2者的關系以及如何制定測試時間。
3.1.3根據測量精度要求制定測試時間
在碰撞試驗中，檢測人員是通過讀取碰撞前后儲氫瓶的壓力變化來計算氣體泄漏質量的。根據該規程的要求，總測試誤差不應超過測試值的10%。目前，測試過程中產生的測量誤差包括傳感器誤差、零點漂移誤差、熱傳導敏感誤差及模擬信號轉換為數字信號的誤差等。對于量程為70MPa的壓力傳感器，上述的各類誤差加和，其測量誤差可達到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%。
在儲氫瓶初始壓力相同的情況下，若發生氣體泄漏，60min內氣體壓力下降值會隨著儲氫瓶體積增大而減小。圖1描述了儲氫瓶在不同公稱工作壓力、不同體積時，氣體泄漏60min后，瓶內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%所對應的壓力值。當儲氫瓶初始壓力70MPa時，若儲氫瓶體積為200L，發生氣體泄漏60min內瓶內壓力下降值大于壓力傳感器量程的5%，滿足測試精度要求。若儲氫瓶體積大于200L，瓶內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間。
通過仿真，得到了不同體積的儲氫瓶在不同初始壓力下，發生氣體泄漏后瓶內壓力下降達到5%所需的時間，如圖2�？梢钥闯�，若瓶內初始壓力相同，儲氫瓶體積越大，所需時間越長。對于70MPa的儲氫瓶，體積100L時只需要26min，而體積200L時，需要56min。
根據仿真曲線，可得到70MPa時儲氫瓶體積和壓力下降5%所需時間的關系式，如式（3）：

 
式中，SR為壓力傳感器量程；當計算出的時間不到60min時，測量時間需制定為60min。
對于商用車來說，整車搭載4~10只儲氫瓶，儲氫瓶總體積可達400~1200L。為了能更精確地檢測出泄漏氣體的質量，碰撞后檢測氣體泄漏的時間需要更長。
3.1.4氦氣泄漏檢測方法
碰撞前測量瓶內初始壓力，碰撞后，經過上述制定的測量時間后，再次測量瓶內壓力。利用2次壓力值計算碰撞前后的瓶內氣體密度，得到實際泄漏的氦氣質量。計算公式分別如式（4）、式（5）：
（1）將測量壓力轉換為一個大氣壓下15℃時的壓力：
Ps15為碰撞前氣體壓力轉化為15℃的壓力；
Ps為碰撞前瓶內氣體壓力；
Ts為碰撞前瓶內氣體溫度；
Pe15為碰撞后氣體壓力轉化為15℃的壓力；
Pe為碰撞后瓶內氣體壓力；
Te為碰撞后瓶內氣體溫度。
（2）根據壓力計算氦氣密度，如式（6）、式（7）：
Ds為碰撞前氦氣密度；
De為碰撞后氦氣密度。
（3）計算實際泄漏的氦氣質量
ML=（Ds–De）×Vol（8）
ML為泄漏氦氣質量；
Vol為儲氫瓶體積。
因此，利用氦氣進行碰撞后的氣體泄漏檢測如圖3所示。

 
3.2GTR13檢測方法
GTR13中關于如何檢測碰撞后氣體泄漏有2種方法：（1）利用氫氣進行檢測；（2）利用氦氣進行檢測[19-20]，沒有提到儲氫瓶在較低壓力下的氫氣檢測方法。GTR13的2種測試方法，整體思路和SAEJ2578-2014是相同的，但是GTR13的檢測方法有幾點區別，總結如下：
 
（1）在氫氣泄漏測試方法中，測量時間和氣體密度計算公式與SAEJ2578-2014稍有不同，但影響不大。由于國內基本以氦氣進行碰撞后氣體泄漏檢測試驗，因此這里不再展開介紹。
 
（2）GTR13中規定氫氣泄漏體積流量最大為118L/min，沒有考慮整個測試過程中溫度對泄漏速率的影響。而SAEJ2578-2014在制定氫氣泄漏質量限值時，考慮了測試過程中溫度的變化對泄漏質量的修正系數。
 
（3）對于氣體泄漏的符合性判斷，GTR13判斷實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判斷實際的氣體泄漏質量是否小于氣體泄漏質量限值。GTR13根據計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系，如式（9）：
若氣體溫度為15℃，氫氣泄漏平均體積流量118L/min，則氦氣泄漏平均體積流量應為88.5L/min。根據上述對比分析，SAEJ2578在進行碰撞后的氣體泄漏檢測時，考慮因素較為全面，明確提出了儲氫瓶在不同公稱工作壓力下、不同體積時所需的氣體泄漏檢測時間是不同的。壓力相同時，儲氫瓶體積越大所需檢測時間越長；儲氫瓶體積相同時，壓力越大所需檢測時間越長。
 
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GTR13介紹了測試方法，并規定了氣體濃度限值。
4.1氣體濃度測量方法
4.1.1濃度傳感器的技術要求
若氫氣體積濃度在4%、氦氣體積濃度在3%時，傳感器的測量精度應達到5%。傳感器的量程應高于目標測試濃度的25%，也就是若想監測10%的濃度，傳感器量程至少應為12.5%體積濃度。當氣體濃度發生很大改變時，傳感器應有至少90%的概率在10s內做出響應。
4.1.2傳感器布置位置
碰撞試驗前，應在3個位置安裝濃度傳感器：
（1）駕駛員座椅上方250mm或乘員艙頂部中間位置；
（2）乘員艙后排座椅前方250mm的地板上；
（3）距離行李艙和貨艙頂部100mm處。
4.1.3測試場地
在無風的室外或是空曠的室內進行。
4.1.4數據采集要求
傳感器數據可以通過固定在車內的數據采集設備采集，或是通過遠程傳輸方式采集。車輛碰撞發生后即開始采集數據，數據采集頻率至少為5s采集一次，并至少持續60min。
對于不同儲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間也可參考上述SAEJ2578中對氣體泄漏檢測時間的規定進行修正。
4.2氣體濃度限值
在碰撞后至少60min內的任一時刻，若用氫氣作為試驗氣體，則濃度應低于3%±1%，若用氦氣作為試驗氣體，則濃度應低于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總結與建議
 
根據上述對國內外標準要求的分析，對燃料電池電動汽車的碰撞方案進行總結并給出4點建議：
（1）燃料電池電動汽車碰撞后需檢測以下內容：測量碰撞后至少60min內的氣體實際泄漏質量；測量碰撞后密閉空間內至少60min內的氣體濃度變化。
（2）需要先根據儲氫瓶容積計算出合適的氣體泄漏檢測時間，不能一概用60min。商用車上使用大容積的儲氫瓶，需要更多的檢測時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88.5L/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）我國應盡快制定并發布氫燃料電池電動汽車碰撞后的氫安全相關標準，在車企或研發機構開展碰撞試驗時實行統一檢測標準及統一的技術要求，為燃料電池汽車碰撞方面的研究指明方向。 
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