鄭皓天，張岳秋，郝冬，陳向陽，蘭昊，楊沄芃

1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590；3. 北京市機(jī)動車排放管理事務(wù)中心，北京 102612

0 引言

燃料電池汽車（fuel cell vehicle, FCV）在正常運行過程中，氫氣的儲存與供給往往會因部件失效而產(chǎn)生氫泄漏類的安全性問題。車載氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的核心子系統(tǒng)之一，發(fā)展車載氫系統(tǒng)安全性能測試和評價是促進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的重要工作。

為保證車載氫系統(tǒng)的氫安全性，國內(nèi)外專家學(xué)者從模擬仿真、試驗檢測及事故案例分析3個角度開展了系列研究。在模擬仿真層面，齊同侖等[1]對燃料電池車載氫系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，檢驗車載氫系統(tǒng)相關(guān)零部件在整車碰撞工況中是否出現(xiàn)可導(dǎo)致氫泄漏的損傷，并從固定位置脫落及泄漏情況來評估車載氫系統(tǒng)的安全性，提出車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的判定方法。在試驗檢測層面，孫田等[2]提出一種判定車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，并針對80套國產(chǎn)車載氫系統(tǒng)進(jìn)行安裝強(qiáng)度試驗，根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)分析車載氫系統(tǒng)制造裝配水平；李前[3]通過對比分析國際法規(guī)的各項要求，并結(jié)合我國車載高壓儲氫系統(tǒng)的特點，從安裝要求、型式試驗要求和關(guān)鍵試驗項目3個角度分析研究，提出了我國車載高壓儲氫系統(tǒng)安全泄壓裝置的技術(shù)要求；劉光輝等[4]針對5輛燃料電池公交客車整車氫氣泄漏、整車氫氣排放等性能進(jìn)行了檢測。在事故案例分析層面，Yang等[5]總結(jié)了氫安全性事故及其主要表現(xiàn)形式；李晨[6]進(jìn)一步分析了車載氫系統(tǒng)事故原因，為企業(yè)在車載氫系統(tǒng)氫安全技術(shù)方面的研發(fā)提供思路；胡華為等[7]對近3年儲氫系統(tǒng)發(fā)生的事故進(jìn)行匯總，從設(shè)計、配件、設(shè)備、人才方面存在的安全問題進(jìn)行分析，并提出安全性相關(guān)的建議。

本文結(jié)合目前車載氫系統(tǒng)氫安全的標(biāo)準(zhǔn)體系及相關(guān)測試規(guī)范，對車載氫系統(tǒng)安全性測評方法進(jìn)行分析和總結(jié)，并結(jié)合實際經(jīng)驗，重點探討部件強(qiáng)度試驗、安裝強(qiáng)度試驗、氣密性試驗和環(huán)境適應(yīng)性試驗的相關(guān)試驗檢測方法，構(gòu)建車載氫系統(tǒng)安全性能檢測與評價體系框架，旨在為建立更加科學(xué)的定量測試與評價方法提供有益的借鑒和參考。

1 車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FCV主要由燃料電池系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、輔助儲能系統(tǒng)及車載氫系統(tǒng)等五大系統(tǒng)構(gòu)成，其中燃料電池系統(tǒng)和車載氫系統(tǒng)是FCV的核心子系統(tǒng)。燃料電池汽車主要部件構(gòu)成如圖1所示。車載氫系統(tǒng)是FCV系統(tǒng)中氫安全風(fēng)險最高的部分，其主要由儲氫氣瓶、瓶口組合閥、加氫口、減壓閥、高壓管路與接頭以及傳感器與控制系統(tǒng)組成。

圖1 燃料電池汽車主要部件構(gòu)成

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的定義，車載氫系統(tǒng)是燃料電池電動汽車上從加氫口至減壓閥中與氫氣加注、儲存、輸送、供給和控制有關(guān)的裝置。儲氫氣瓶由塑料內(nèi)膽（或鋁內(nèi)膽）和碳纖維儲氫材料構(gòu)成。隨著車載氫系統(tǒng)儲氫壓力的提高，目前多采用碳纖維材料作為儲氫氣瓶的承壓材料，以獲得較輕的質(zhì)量，從而保證車載氫系統(tǒng)具有足夠的質(zhì)量儲氫密度。瓶口組合閥一般由主關(guān)斷閥、手動截止閥、過流保護(hù)閥、安全泄壓裝置和單向閥等構(gòu)成并集成于儲氫氣瓶瓶口處。其中，安全泄壓裝置多采用溫度驅(qū)動的壓力泄放裝置（TPRD）。

2 國內(nèi)外車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

高壓氫氣在應(yīng)用過程中往往會因設(shè)備的災(zāi)難性破裂、氫氣的大量泄漏或緩慢泄漏而產(chǎn)生一些安全性問題。車載氫系統(tǒng)在實際使用過程中會面臨各種各樣的環(huán)境和工況，因此需要研究和驗證其安全性。車載氫系統(tǒng)氫安全的測試評價對推動燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展、促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程都具有指導(dǎo)意義，而相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行可靠測試評價的重要依據(jù)。隨著各國對燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷投入，燃料電池汽車技術(shù)逐漸成熟，各國及各區(qū)域燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷制定和完善中。

國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)著行業(yè)最新的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化動向，引領(lǐng)著國際車載氫系統(tǒng)氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。當(dāng)前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）針對車載氫系統(tǒng)已經(jīng)制定并發(fā)布了許多標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。其中，ISO 12619：2014《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫氣/天然氣混合物燃料系統(tǒng)組件》共包含16項子標(biāo)準(zhǔn)[8]，規(guī)定了應(yīng)用高壓氣態(tài)氫作為燃料的FCV的閥門、管路等各組件的設(shè)計要求與定義，規(guī)定了其性能要求與通用測試方法。此外，針對氫安全專門制定的全球技術(shù)法規(guī)VN GTR NO.13《燃料電池電動汽車安全全球技術(shù)法規(guī)》[9]，包括車載氫系統(tǒng)各部件尺寸和標(biāo)識的說明，同時就結(jié)構(gòu)和功能安全性的特殊要求，對燃料電池電動車輛進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)定，對燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)的制定起到了綱領(lǐng)性作用?？傊瑖H上針對車載氫系統(tǒng)氫安全的發(fā)展熱點開展了大量的標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作，積極推動了各國國家標(biāo)準(zhǔn)工作的制定。

表1 國際車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

我國在車載氫系統(tǒng)檢測的技術(shù)條件和試驗方法方面初步構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)體系，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表2。一方面GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車 安全要求》[10]統(tǒng)籌考慮了在整車層級方面車載氫系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件的一般安全要求，另一方面也提出了車載氫系統(tǒng)部件級規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》[11]和GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》[12]分別對加氫口與儲氫氣瓶的型式和參數(shù)、技術(shù)要求、試驗方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)做出明確規(guī)定。此外，GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》還規(guī)定了溫度驅(qū)動安全泄壓裝置（TPRD）、截止閥和單向閥的型式試驗方法與合格指標(biāo)等。

表2 我國車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3 車載氫系統(tǒng)安全性測評體系分析

為進(jìn)一步完善車載氫系統(tǒng)安全性測試評價，由全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會電動車輛分技術(shù)委員會組織修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》已于2022年11月完成征求意見，再綜合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》和GB/T 35544—2021《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，對我國車載氫系統(tǒng)安全性測評體系進(jìn)行分析。車載氫系統(tǒng)安全性測評體系由部件強(qiáng)度試驗、安裝強(qiáng)度試驗、氣密性試驗和環(huán)境適應(yīng)性試驗組成，如圖2所示。

圖2 車載氫系統(tǒng)安全性測評體系

（1）部件強(qiáng)度試驗。車載氫系統(tǒng)的安全保護(hù)裝置能夠在安全狀態(tài)異常時適時排出氫氣或停止氫氣供應(yīng)，為避免車載氫系統(tǒng)安全保護(hù)失效，需要對主關(guān)斷閥、加氫口、TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件等核心部件的強(qiáng)度進(jìn)行試驗。

主關(guān)斷閥試驗需將主關(guān)斷閥下游管路與壓力檢測裝置、流量檢測裝置和截止閥按圖3所示連接，通過向氣瓶中充裝空氣和氮氣模擬氫氣在氫系統(tǒng)的工況以檢測主關(guān)斷閥功能。其具體步驟包括：向車載氫氣瓶（組）中充裝干燥空氣或氮氣至公稱工作壓力；關(guān)閉截止閥，按技術(shù)要求控制主關(guān)斷閥開啟；監(jiān)測下游壓力和流量變化，若壓力升高并保持穩(wěn)定，打開截止閥后流量正常，則主關(guān)斷閥正常開啟。

圖3 主關(guān)斷閥試驗示意

加氫口是車輛上與加氫槍相連接的部件總成，加氫口外保護(hù)蓋內(nèi)側(cè)應(yīng)有明顯的包括工作壓力、氫氣標(biāo)志在內(nèi)的相關(guān)標(biāo)志。其安全要求與測試方法應(yīng)參照GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》所述試驗方法進(jìn)行（表3）。

表3 加氫口安全性要求與測試方法

TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件的型式試驗項目見表4，各項試驗的測試方法和合格指標(biāo)可參考GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》中的相關(guān)章節(jié)。

表4 TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件型式試驗項目

（2）安裝強(qiáng)度試驗。當(dāng)車輛運行顛簸或者發(fā)生碰撞時，能量的傳遞可能會造成氫系統(tǒng)框架變形、零部件移動或損壞，導(dǎo)致連接的管路承受應(yīng)力，而應(yīng)力超過接頭承受能力后最終會導(dǎo)致氣體泄漏。儲氫氣瓶的安裝強(qiáng)度直接關(guān)系到整車氫安全。為保障車載氫系統(tǒng)的氫氣瓶在受到?jīng)_擊后，緊固部件不發(fā)生變形、斷裂、松動等現(xiàn)象，設(shè)計動態(tài)試驗和靜態(tài)試驗以評測儲氫氣瓶安裝強(qiáng)度。

動態(tài)試驗將儲氫氣瓶以不使用固定加強(qiáng)的方式固定在試驗臺上，氣瓶中充裝干燥空氣或氮氣至額定充裝重量，施加加速度沖擊并保持至少30 ms。通常將汽車行駛方向定義為x軸，垂直于行駛方向的水平方向定義為y軸，垂直于水平面的方向定義為z軸。鑒于車型和車輛不同方向?qū)φ駝訌?qiáng)度的要求不同，不同方向所施加的加速度值也有差異，見表5。

表5 動態(tài)試驗加速度限值

靜態(tài)試驗中，鑒于單氣瓶和氣瓶組受力差異及氣瓶布置方式的差異調(diào)整了施力點，通過“力-位移”的關(guān)系曲線實現(xiàn)氣瓶安裝強(qiáng)度的判定。試驗方法見表6。

表6 靜態(tài)試驗的試驗方法

（3）氣密性試驗。車載氫系統(tǒng)瓶體、瓶閥、管路和各連接處均應(yīng)密封良好，其檢測過程采用了“逐級加壓、逐級檢測”的方式。通過加氫口加注試驗氣體，按照表7步驟加壓至設(shè)定壓力并保壓一段時間；每達(dá)到一個壓力點，使用氣體檢測儀檢測樣品所有連接處，讀取氣體泄漏率或泄漏濃度；35 MPa車載氫系統(tǒng)加壓至43.8 MPa，70 MPa車載氫系統(tǒng)加壓至87.5 MPa，保壓5 min，并觀察各部件有無損壞。

表7 車載氫系統(tǒng)加壓步驟

（4）環(huán)境適應(yīng)性試驗。為保證燃料電池汽車的環(huán)境適應(yīng)性，使其能在極端環(huán)境下滿足運輸及使用條件，須對車載氫系統(tǒng)耐高溫性能、耐低溫性能、耐濕熱性能、耐振動性能及耐鹽霧腐蝕性能展開評測。環(huán)境適應(yīng)性試驗包括高低溫試驗（表8）、濕熱試驗、振動試驗和鹽霧試驗。

表8 高低溫試驗的試驗方法

濕熱試驗參考GB/T 2423.4—2008/IEC 60068-2-30：2005《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗Db：交變濕熱（12 h＋12 h循環(huán)）》[13]進(jìn)行試驗，試驗最高溫度采用60 ℃或更高溫度，循環(huán)5次。試驗結(jié)束后，應(yīng)在試驗環(huán)境溫度下靜置觀察2 h以上。

振動試驗要求在車載氫系統(tǒng)的每個方向分別施加隨機(jī)和定頻振動載荷，一般的加載順序為z軸隨機(jī)、z軸定頻、y軸隨機(jī)、y軸定頻、x軸隨機(jī)、x軸定頻。試驗過程中，出現(xiàn)脫落、磨損、變形等異常時，應(yīng)立即停止試驗。

鹽霧試驗應(yīng)按照 GB/T 2423.17—2008/IEC 60068-2-11：1981《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Ka：鹽霧》[14]的測試條件進(jìn)行試驗。鹽溶液采用氯化鈉和蒸餾水或去離子水配制，其濃度為（5±1）%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。（35±2）℃下測量pH在6.5～7.2。將試驗對象放入鹽霧箱并按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行循環(huán)，每個循環(huán)持續(xù)24 h，在（35±2）℃下對試驗對象噴霧8 h，然后靜置16 h，共進(jìn)行6個循環(huán)。

每次進(jìn)行高低溫試驗、濕熱試驗、振動試驗和鹽霧試驗之后，需要對車載氫系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行測試，以檢驗各項試驗對車載氫系統(tǒng)安全性的影響。

4 結(jié)論

本文首先介紹了車載氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，梳理和分析了國內(nèi)外車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有氫安全標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了車載氫系統(tǒng)安全性測評體系，分為以下4個方面：①部件強(qiáng)度試驗主要包括主關(guān)斷閥、加氫口、TPRD、單向閥、截止閥和非金屬密封件試驗；②安裝強(qiáng)度試驗包括靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗；③氣密性試驗；④環(huán)境適應(yīng)性試驗包括高低溫試驗、濕熱試驗、振動試驗和鹽霧試驗。本文詳細(xì)闡述了具體的試驗方法，為全面測評車載氫系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的安全性提供了試驗依據(jù)。