孫田 郝冬 陳光 馬明輝

摘 要：近年來，氫能行業(yè)不斷發(fā)展。氫燃料汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(jiān)管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，而由于氫燃料汽車內(nèi)部包含高壓氣體、高壓部件等危險(xiǎn)源，在進(jìn)行碰撞等破壞性試驗(yàn)時(shí)具有較高的安全要求，因此SAE在2022年2月份發(fā)布了SAE J3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室安全指南》，旨在告知碰撞測(cè)試、設(shè)施管理等相關(guān)人員安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)措施。本文主要解析SAE J3121中相關(guān)技術(shù)要求，為氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)提供試驗(yàn)流程、安全管理等相關(guān)指南方法。

關(guān)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(dāng)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(yōu)點(diǎn)被各國(guó)家、地區(qū)和國(guó)際組織廣泛青睞，被認(rèn)為是能源低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇之一，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)均發(fā)布了關(guān)于氫能的發(fā)展路線和規(guī)劃布局[1- 6 ]，我國(guó)也在2021年發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》提出國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)在不同時(shí)期的發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)。

新能源汽車是氫能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要場(chǎng)景之一，隨著氫能基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善和關(guān)鍵零部件技術(shù)的攻關(guān)，氫燃料汽車得到多場(chǎng)景應(yīng)用并快速發(fā)展。傳統(tǒng)車輛碰撞測(cè)評(píng)技術(shù)已趨于成熟，而氫燃料汽車本身擁有高壓氫氣、動(dòng)力電池、高壓儲(chǔ)氫裝置、高壓電器設(shè)備等多種危險(xiǎn)源，繼而導(dǎo)致氫燃料汽車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外沒有氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)相關(guān)安全管理指導(dǎo)文件，因此SAE在2022年2月發(fā)布了SAEJ3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室安全指南》，為氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)后風(fēng)險(xiǎn)管控及預(yù)防給出指導(dǎo)性建議，降低氫燃料汽車碰撞后安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。

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(dòng)力汽車（Fuel cellhybrid vehicle， FCHV）、燃料電池電動(dòng)汽車（Fuelcell electric vehicle， FCEV）等車輛進(jìn)行碰撞試驗(yàn)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和保護(hù)性預(yù)防措施，以確保氫燃料車輛測(cè)試期間測(cè)試人員和車輛的安全有效測(cè)試程序。該指南文件旨在提供風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防措施，并提出應(yīng)定期審查需求，以確保符合新技術(shù)發(fā)展。

2 技術(shù)要求

2.1 減輕觸電風(fēng)險(xiǎn)

氫燃料汽車內(nèi)包含動(dòng)力電池、DC-DC等高壓部件，因此氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)具有較高的觸電風(fēng)險(xiǎn)。指南文件中指出，建議試驗(yàn)相關(guān)人員應(yīng)接受有關(guān)車輛高壓電氣系統(tǒng)的基本培訓(xùn)，在高壓環(huán)境作業(yè)中穿戴個(gè)人防護(hù)裝置和接受內(nèi)部安全程序知識(shí)培訓(xùn)對(duì)于保護(hù)人員和設(shè)施安全至關(guān)重要。使用電氣防護(hù)裝置時(shí)，需要在實(shí)驗(yàn)室其他人員監(jiān)督下進(jìn)行，推薦的安全設(shè)備包括但不限于耐高壓絕緣手套、防護(hù)面罩、高壓救援鉤、防靜電絕緣鞋、自給式呼吸器、防護(hù)工作服、可燃有毒氣體檢測(cè)裝置、數(shù)字萬用表等。同時(shí)在指南文件中給出了相關(guān)適用個(gè)人防護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)，供行業(yè)人員參考。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)緩解測(cè)試

氫燃料混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)中含有氫燃料電池、動(dòng)力電池等高壓電氣部件系統(tǒng)，在碰撞試驗(yàn)過程中可能存在多種失效模式，為降低試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，建議氫燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行部件級(jí)的驗(yàn)證試驗(yàn)，如：跌落、溫濕度循環(huán)、極端環(huán)境條件下壓力循環(huán)、拉伸剪切、氫相容等試驗(yàn)。同時(shí)，由于電池組為熱失控傳播、有害氣體釋放、火災(zāi)等綜合風(fēng)險(xiǎn)來源，因此動(dòng)力電池風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)于緩解風(fēng)險(xiǎn)也十分重要。

較部件級(jí)測(cè)試相比，整車碰撞測(cè)試的系統(tǒng)級(jí)性能差異會(huì)更為突出，因此要充分考慮潛在風(fēng)險(xiǎn)尤其是可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障的風(fēng)險(xiǎn)，且留有安全余量?jī)?yōu)先保障人員安全、設(shè)施完好和車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的保護(hù)。

指南中要求在收到任何潛在危險(xiǎn)化學(xué)品（即電解液等）之前，須向?qū)嶒?yàn)室提供安全數(shù)據(jù)表（SDS），包含關(guān)于電化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)信息。同時(shí)有必要提供電池和相關(guān)系統(tǒng)的容量、結(jié)構(gòu)、配置等基本參數(shù)，便于實(shí)驗(yàn)室評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行試驗(yàn)前，要建立基于高壓儲(chǔ)氫裝置、燃料電池、動(dòng)力電池等可能發(fā)生故障后安全響應(yīng)的程序，并給出了氫燃料汽車典型風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

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(biāo)是判斷潛在風(fēng)險(xiǎn)的首選標(biāo)志，便于在早期階段檢測(cè)，既可基于整車電池管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，又可以通過實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)測(cè)給出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。除溫度外，還建議增加煙霧和氣味監(jiān)測(cè)，尤其是一氧化碳和氟化氫的含量。

目前車用儲(chǔ)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(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)。與常用的CNG相比，壓縮氫氣壓力更高，儲(chǔ)存容器設(shè)計(jì)要求也更為嚴(yán)苛，但是仍不能避免泄漏風(fēng)險(xiǎn)，因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)要加強(qiáng)氫氣濃度檢測(cè)，建立相關(guān)報(bào)警機(jī)制，嚴(yán)格控制火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 降低風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試

進(jìn)行氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)時(shí)，必須將風(fēng)險(xiǎn)管控到可接受水平，在確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之前，指南文件強(qiáng)烈建議進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)試評(píng)估進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)摸底。

為了解氫燃料汽車部件在碰撞測(cè)試中所需要的基本物理?xiàng)l件，尤其是在車輛及部件開發(fā)階段應(yīng)對(duì)惰性系統(tǒng)進(jìn)行碰撞測(cè)試模擬系統(tǒng)的尺寸、重量、剛度等，但不包含活性的化學(xué)物質(zhì)?；诙栊韵到y(tǒng)可以觀察確認(rèn)：整車完整性，現(xiàn)結(jié)構(gòu)下的安全裕度，儲(chǔ)氫裝置、燃料電池、動(dòng)力電池的完整性以及所能承受的碰撞加速度，碰撞后監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，電氣接線盒安全位置及測(cè)試前后完整性，碰撞對(duì)傳動(dòng)裝置的影響，驗(yàn)證供氫系統(tǒng)、燃料電池和動(dòng)力電池的測(cè)試方法等。惰性試驗(yàn)可以根據(jù)需求多次重復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到足夠安全余量。

在進(jìn)行氫燃料汽車整車碰撞試驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)部件在碰撞過程中的條件進(jìn)行部件級(jí)的測(cè)試，以保證相關(guān)部件配置留有一定安全裕度支撐整車碰撞試驗(yàn)。部件級(jí)的測(cè)試，可基于現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)、惰性試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證過的仿真模型進(jìn)行功能試驗(yàn)。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)即要求氫燃料汽車中部件系統(tǒng)保持穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)完整且沒有泄漏等故障發(fā)生。典型功能測(cè)試和破壞性測(cè)試可包括三自由度或六自由度機(jī)械沖擊、刺穿試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)、短路試驗(yàn)等。尤其是破壞性試驗(yàn)結(jié)果可對(duì)實(shí)驗(yàn)室提供有價(jià)值信息以用于建立應(yīng)急響應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)

高壓部件故障導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)主要受環(huán)境和條件影響，故障可能發(fā)生在碰撞測(cè)試的所有階段。如果因高壓部件失效引起火災(zāi)，會(huì)導(dǎo)致5000psi儲(chǔ)罐產(chǎn)生超壓波，從而在距離事發(fā)點(diǎn)50ft的地方導(dǎo)致鼓膜破裂（2psig），并在65ft范圍內(nèi)打碎窗戶，火球的直徑為8～24m，發(fā)射功率約為340kW/m2，車輛碎片可能移動(dòng)超過10 0m。在高壓部件發(fā)生故障時(shí)，緩解風(fēng)險(xiǎn)的主要方法是防止釋放的氫氣著火，以及在著火時(shí)保護(hù)設(shè)施和人員免受高壓和火災(zāi)的傷害，因此指南中要求在裝有氫氣的車輛25m范圍內(nèi)，不得存在火花或其他火源以降低氫氣泄漏引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。如果沒有通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)⑹覂?nèi)氫氣濃度降低至不會(huì)造成點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)，氫燃料車輛不得存放在封閉設(shè)施內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配備綜合滅火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無需人員操作的自動(dòng)快速滅火功能。車輛中應(yīng)安裝氫氣泄漏檢測(cè)裝置及聯(lián)動(dòng)裝置，當(dāng)檢測(cè)到氫濃度過高時(shí)可以遠(yuǎn)程控制車輛電氣系統(tǒng)斷電，并提醒人員移至安全區(qū)域。為降低故障的影響，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)提前規(guī)劃涉及危險(xiǎn)的試驗(yàn)流程及人員安全保障預(yù)案。在進(jìn)行試驗(yàn)過程中，人員和被測(cè)車輛之間應(yīng)有防爆設(shè)施阻斷或降低因超壓和爆炸產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，保證人員有足夠的能力處理現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 設(shè)施準(zhǔn)備

在進(jìn)行氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)之前，需要考慮設(shè)施準(zhǔn)備，應(yīng)制定一份記錄良好的應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃，所有員工都需要接受計(jì)劃中涉及的相關(guān)培訓(xùn)。該計(jì)劃應(yīng)包括消防部門的響應(yīng)時(shí)間、在進(jìn)行氫燃料電池車碰撞測(cè)試之前向消防機(jī)構(gòu)發(fā)出警告、事故期間的疏散和疏散程序等項(xiàng)目。通常在進(jìn)行氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)之前，應(yīng)考慮試驗(yàn)區(qū)域的滅火系統(tǒng)，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(lì)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行氫燃料電池車碰撞測(cè)試之前咨詢其保險(xiǎn)公司，以確保其擁有進(jìn)行氫燃料電池車撞擊測(cè)試所需的保險(xiǎn)范圍。實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行氫燃料汽車碰撞測(cè)試時(shí)，要考慮測(cè)試區(qū)域體積和通風(fēng)，降低電池組釋放有害氣體的風(fēng)險(xiǎn)。

還應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施進(jìn)行評(píng)估，以確定與氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)相關(guān)的每項(xiàng)任務(wù)符合相關(guān)個(gè)人防護(hù)裝置要求。在進(jìn)行碰撞測(cè)試期間，每個(gè)階段任務(wù)都需要考慮使用絕緣叉車、電氣隔離墊、個(gè)人防護(hù)裝置等。

2.6 碰撞后儲(chǔ)存

存放碰撞后氫燃料汽車之前，了解車輛整車結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)氫裝置和動(dòng)力電池的狀況是十分必要的，因此要對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行檢查評(píng)估物理損壞，如有儲(chǔ)氫系統(tǒng)損壞、儲(chǔ)氫減壓系統(tǒng)異常、電解液或冷卻液泄漏、氣體煙霧排放或溫度異常等現(xiàn)象，不得存放，應(yīng)保障檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)夠長(zhǎng)以監(jiān)測(cè)相關(guān)狀況，確保穩(wěn)定后方可進(jìn)行存儲(chǔ)。必要時(shí)可在制造商指導(dǎo)下拆除儲(chǔ)氫裝置或斷開動(dòng)力電池電氣連接。

進(jìn)行碰撞試驗(yàn)后，考慮氫燃料汽車失效因素仍為高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)失效、觸電、熱活動(dòng)導(dǎo)致的有毒氣體釋放及火災(zāi)、泄漏等，除現(xiàn)場(chǎng)人員需按要求穿戴個(gè)人防護(hù)裝置外，還應(yīng)考慮清除儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)易燃物、保證合適的溫度環(huán)境條件等管控風(fēng)險(xiǎn)。若將車輛存放在室內(nèi)時(shí)，應(yīng)采取留有一定安全余量、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及進(jìn)行有效圍擋、制定應(yīng)急預(yù)案等措施降低可能對(duì)周圍人員產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

在運(yùn)輸受損的氫燃料汽車、儲(chǔ)氫裝置、動(dòng)力電池時(shí)，應(yīng)遵守地方政府的各項(xiàng)法律規(guī)定。

2.7 荷電狀態(tài)（State of Charge， SOC）

動(dòng)力電池在除非已知可能發(fā)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(shí)，否則在試驗(yàn)過程和后處理過程中應(yīng)以滿電狀態(tài)采取相應(yīng)措施。當(dāng)SOC值為零時(shí)，并不意味著零電量或零電壓，此時(shí)動(dòng)力電池電壓等級(jí)仍然較高，因此個(gè)人防護(hù)裝置及安全程序依然是必備的。

動(dòng)力電池SOC值低于一定閾值時(shí)，可能會(huì)被短路電流加熱，從而引發(fā)熱失控或增加內(nèi)部壓力具有一定風(fēng)險(xiǎn)，且物理幾何性狀和電池內(nèi)部配置不同也會(huì)導(dǎo)致該閾值差異，因此需要充分評(píng)估SOC安全閾值。

3 結(jié) 語

通過對(duì)SAE J3121_202202《氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室安全指南》中的主要內(nèi)容進(jìn)行分析，介紹了進(jìn)行氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施。本文的分析有助于相關(guān)企業(yè)及技術(shù)人員較好了解現(xiàn)階段氫燃料汽車碰撞試驗(yàn)過程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和管控措施，有利于推動(dòng)新能源汽車碰撞技術(shù)快速發(fā)展。

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