周雅夫 姜振華

大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部汽車工程學(xué)院 遼寧省大連市 116024

1 前言

隨著全球一體化進(jìn)程的快速推進(jìn)，高效無污染的新型能源已成全球未來發(fā)展的勢(shì)趨。在新能源技術(shù)發(fā)展過程中，燃料電池汽車具有零污染、續(xù)航里程長、加氫速度快、氫能來源廣、轉(zhuǎn)換效率高和能量密度大等[1]優(yōu)點(diǎn)，正在成為未來汽車發(fā)展的主流方向。

氫作為一種新興的清潔能源，具有許多不同于傳統(tǒng)燃料能源的物理特性，但也存在著諸多安全問題[2]。

①泄漏性

氫是目前元素周期表中最輕的元素，具有分子直徑小、質(zhì)量輕、密度低的特點(diǎn)。在相同條件下，以天然氣為參考基準(zhǔn)，對(duì)比不同狀態(tài)下丙烷和氫相對(duì)于天然氣的泄漏率如表1 所示[3]。結(jié)果表明，與其他車用氣體燃料相比，氫本身的特性使其更容易從縫隙或者孔隙中泄漏。

表1 丙烷和氫相對(duì)于天然氣的泄漏率

②擴(kuò)散性

當(dāng)氫出現(xiàn)泄漏時(shí)，氫將在空間上快速上升，并伴隨著向各個(gè)方向迅速擴(kuò)散，同時(shí)濃度顯著下降。在相同的普通環(huán)境條件下，氫的擴(kuò)散系數(shù)約為0.6cm2/s，天然氣的擴(kuò)散系數(shù)約為0.16cm2/s，而汽油氣的擴(kuò)散系數(shù)約為0.05cm2/s，所以在相同條件下，氫比其他車用氣體或者液體燃料具有更大的擴(kuò)散性。

③燃爆性

氫是一種極易燃的氣體，且無色無味。在空氣中，氫的燃燒極限范圍為4%-75%，爆炸極限范圍為13%-18.3%，可燃極限范圍和爆炸極限范圍都比較寬泛，雖然氫的燃點(diǎn)為574℃，但是氫在空氣中的最小著火能量僅為0.019mJ，使得氫在空氣中極容易發(fā)生快速點(diǎn)燃和爆炸。

④氫脆

由于氫與金屬材料長期接觸后進(jìn)入其內(nèi)部后，局部濃度達(dá)到飽和后引起金屬塑性下降，使得金屬材料的機(jī)械性能發(fā)生嚴(yán)重退化，誘發(fā)形成細(xì)小的裂紋而最終發(fā)生脆斷的現(xiàn)象。

氫燃料電池汽車在使用過程中，經(jīng)常受到路況、天氣和人員等多種因素影響，極易發(fā)生碰撞，大大增加了車載氫系統(tǒng)氫泄漏的可能性，本文在總結(jié)國內(nèi)外氫泄漏安全系統(tǒng)理論研究和應(yīng)用設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)和研究。

2 燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)

2.1 主動(dòng)安全系統(tǒng)的組成

為解決燃料電池汽車碰撞后氫泄漏所帶來的安全隱患，結(jié)合氫自身的物理和化學(xué)特性，將氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)為感知層、決策層和執(zhí)行層三個(gè)部分組成，如圖1 所示。

圖1 燃料電池汽車碰撞后氫泄露主動(dòng)安全系統(tǒng)

感知層由布置在氫瓶和車身上的多路不同類型的傳感器組成，主要功能是檢測(cè)車輛氫泄漏情況和識(shí)別車輛碰撞狀態(tài)。決策層由燃料電池控制器（FCU）和整車控制器（VCU）組成，其主要功能是整車通過CAN 通訊網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)FCU 和VCU 之間傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，在VCU 判定車輛發(fā)生碰撞后分析和評(píng)估氫泄漏故障等級(jí)，同時(shí)對(duì)布置在氫瓶和車身上的執(zhí)行器發(fā)送主動(dòng)安全防護(hù)指令。執(zhí)行層由分別布置在氫瓶和車身上的多路執(zhí)行器組成，主要功能是VCU 判定車輛發(fā)生氫泄漏后，依據(jù)氫氣泄漏故障等級(jí)執(zhí)行FCU 和VCU 發(fā)送的主動(dòng)安全指令。

2.2 傳感器和執(zhí)行器

為及時(shí)的檢測(cè)氫泄漏故障發(fā)生時(shí)刻和環(huán)境狀態(tài)，以便更好地執(zhí)行氫泄漏后的主動(dòng)安全策略，列舉了主動(dòng)安全系統(tǒng)選用的傳感器和執(zhí)行器的類型[4]，如表2 所示。

表2 傳感器和執(zhí)行器類型

3 燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)控制策略

3.1 氫泄漏主動(dòng)安全控制策略

為保證燃料電池汽車碰撞后氫泄漏時(shí)車輛和人員的安全，以VCU 控制器為主，各種傳感器、執(zhí)行器為輔的氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)分別進(jìn)行車輛碰撞識(shí)別、氫泄漏識(shí)別、故障等級(jí)判定和主動(dòng)安全執(zhí)行等策略，如圖2 所示。

圖2 燃料電池汽車碰撞后

氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)控制策略

3.2 車輛碰撞識(shí)別策略

車輛VCU 上電正常運(yùn)行時(shí)，加速度傳感器實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給VCU，依據(jù)加速度數(shù)值的激增變化量來判斷車輛運(yùn)行狀態(tài)，如果加速度數(shù)值激增量超過限定閾值時(shí)，就可以判定車輛出現(xiàn)了碰撞事故。

3.3 氫泄漏識(shí)別策略

當(dāng)車輛VCU 識(shí)別出碰撞狀態(tài)時(shí)，氫瓶壓力傳感器通過FCU 將數(shù)據(jù)發(fā)送給VCU，氫濃度傳感器也將數(shù)據(jù)發(fā)送給VCU，通過對(duì)比氫瓶失壓速率、氫瓶儲(chǔ)存艙和機(jī)艙環(huán)境中氫濃度值來判斷氫是否泄漏，如果氫瓶失壓率超過限定閾值，或者氫瓶儲(chǔ)存艙和機(jī)艙環(huán)境中氫濃度值達(dá)到0.4% 時(shí)，可以判定車輛出現(xiàn)氫泄漏故障。

3.4 氫泄漏故障等級(jí)判定策略

當(dāng)車輛VCU 識(shí)別出氫泄漏故障時(shí)，由氫濃度傳感器將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給VCU，依據(jù)采集到的氫瓶儲(chǔ)存艙或機(jī)艙環(huán)境中氫濃度值來判斷氫泄漏的故障等級(jí)，通過分析對(duì)比FCU 和VCU 采集的多路傳感器數(shù)據(jù)，將氫泄漏故障的危害程度分為三個(gè)等級(jí)[5]，具體故障狀態(tài)和主動(dòng)安全措施如表3 所示[6]。

表3 氫泄漏故障等級(jí)

3.5 氫泄漏故障主動(dòng)安全執(zhí)行策略

當(dāng)VCU 下達(dá)一級(jí)故障主動(dòng)安全執(zhí)行指令時(shí)，如圖3 所示。儀表故障燈將對(duì)駕駛員進(jìn)行閃爍警示，提醒駕駛員持續(xù)關(guān)注車輛運(yùn)行狀態(tài)；BCM 將故障碼進(jìn)行自動(dòng)保存，為后續(xù)維修時(shí)提供故障診斷數(shù)據(jù)。

圖3 氫泄漏一級(jí)故障主動(dòng)安全執(zhí)行策略

當(dāng)VCU 下達(dá)二級(jí)故障主動(dòng)安全執(zhí)行指令時(shí)，如圖4 所示。儀表故障燈將對(duì)駕駛員進(jìn)行常亮和蜂鳴報(bào)警，告知駕駛員車輛進(jìn)入危險(xiǎn)故障狀態(tài)，盡快前往維修站進(jìn)行車輛維修；驅(qū)動(dòng)電機(jī)將限定最高50% 輸出功率，車輛進(jìn)入跛行模式行駛；氫瓶儲(chǔ)存艙和機(jī)艙排風(fēng)扇啟動(dòng)，以降低艙內(nèi)氫濃度值，防止造成更大的危險(xiǎn)；同時(shí)，BCM 將車輛狀態(tài)上傳云端進(jìn)行故障報(bào)備，第一時(shí)間通知維修人員故障車輛的狀態(tài)，提前制定故障檢修措施。

圖4 氫泄漏二級(jí)故障主動(dòng)安全執(zhí)行策略

當(dāng)VCU 下達(dá)三級(jí)故障主動(dòng)安全執(zhí)行指令時(shí)，如圖5 所示。儀表故障燈將對(duì)駕駛員進(jìn)行常亮、蜂鳴和雙閃報(bào)警，告知駕駛員車輛進(jìn)入嚴(yán)重故障狀態(tài)，應(yīng)立即將車輛?？吭诜奖憔仍奈恢茫M快疏散車輛人員到安全位置；FCU 將控制氫瓶電磁閥立即停止供氫，防止氫進(jìn)一步泄漏；BCM 將車輛狀態(tài)上傳云端進(jìn)行自動(dòng)呼救，車門自動(dòng)解鎖并將玻璃完全下降，以便對(duì)車輛人員進(jìn)行迅速疏散和及時(shí)救援。同時(shí)，第一時(shí)間通知維修人員故障車輛的位置信息和故障狀態(tài)，方便維修人員及時(shí)趕往故障現(xiàn)場(chǎng)；車輛進(jìn)入爬行模式，保證車輛可以就近靠邊停車；氫瓶儲(chǔ)存艙和機(jī)艙排風(fēng)扇啟動(dòng)，以便降低艙內(nèi)氫濃度值，防止造成更大的危險(xiǎn)；布置在氫瓶儲(chǔ)存艙和機(jī)艙環(huán)境的溫度傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送給VCU，依據(jù)采集到的環(huán)境溫度數(shù)值來判斷其內(nèi)部溫度是否異常，如果溫度數(shù)值達(dá)到限定閾值上限，將啟動(dòng)二氧化碳滅火器進(jìn)行滅火和降溫，防止發(fā)生更嚴(yán)重的爆炸和火災(zāi)事故。

圖5 氫泄漏三級(jí)故障主動(dòng)安全執(zhí)行策略

4 結(jié)語

本文通過對(duì)國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，結(jié)合氫的泄漏、擴(kuò)散、易燃易爆和氫脆四大特性，深入探討了車載用氫的安全問題。為了降低燃料電池汽車碰撞后氫泄漏的危害，開展了氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，對(duì)車輛碰撞識(shí)別、氫泄漏識(shí)別、故障等級(jí)判定和主動(dòng)安全執(zhí)行等關(guān)鍵控制策略進(jìn)行了研究和說明，為燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動(dòng)安全系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定的參考。