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燃料电池汽车系统安全发展趋势——氢能安全

国内外对燃料电池汽车制定了很多标准和规范，其中65%以上的内容是针对安全性的规定。燃料电池汽车的氢安全性，是指燃料电池汽车运行过程中涉氢部分的安全性。

燃料电池汽车中涉氢部分主要是燃料电池系统和车载储氢系统，整车氢安全集成解决方案的研究也主要围绕这两个系统开展。

从设计层级上来讲包含零件级、系统级和整车级的氢安全设计要求，其中，零件级和系统级的氢安全开发在国家标准、设计规范及试验验证等方面定义的比较清晰，且相关研究也较为成熟。而针对整车级氢安全设计的标准法规、设计规范和应用案例相对较少。

整车氢安全开发模型如下图，纵向整合了氢安全性能开发中整车、系统和零件3个层级，横向整合开发需求和标准分析、设计目标制定、系统和零件开发、设计仿真条目和评定标准、各级验证计划和测试方法与评价标准。

整车级氢安全设计包含：整车集成、结构设计与仿真、氢气逸散模型仿真、泄漏检测设计、系统运行控制、应急安全控制策略及整车运行健康状态检测。在具体的整车开发工作中可分为整车的集成设计和软件的控制策略两个方面。

1.整车集成设计

在综合考虑了燃料电池动力系统的工作原理和集成特点、车载高压储氢系统集成的安全要求和氢气自身逸散特性的基础上，燃料电池整车集成设计应当重点关注空间隔离、通风设计和结构强度。

空间隔离：在制定整车布置策略时，应当将涉氢的燃料电池系统、储氢系统和供氢管路与乘员舱进行隔离。涉氢部件必须与整车热源、高压电器件接插件等位置预留足够的设计间距。同时，需设计在燃料电池系统和车载储氢系统底部。

通风设计：考虑通风设计的主要目的是当发生潜在的氢气泄露时，所泄漏的氢气能够及时扩散，使其达不到氢气的燃爆点以确保整车氢安全。所以不应将燃料电池系统、储氢系统和供氢管路布置在相对封闭的空间中，要保证空间的通风性，利用整车迎风和自然气流确保可以将潜在的氢气及时带走。同时，考虑到氢气比重较轻的逸散特性，避免在相关涉氢部件的顶部留有聚集空间而造成氢气聚集。尾排气口和储氢系统过压泄放口位置的布置要尽量靠近车辆边缘，使其排放的气体可以直接排向车外，不产生聚集。

结构强度：燃料电池系统和车载储氢系统在开发环节应满足整车在振动、冲击及疲劳载荷下的结构强度要求。在整车结构设计中要重点强化对车载储氢系统防护，通过整车级的正面、侧面及追尾等碰撞仿真，优化结构设计，确保在发生碰撞事故时，车载储氢系统及其高压管路结构的完整。

2.氢气逸散仿真与传感器布点设计

合理的氢泄漏传感器的布置可以更快、更有效地检测到整车氢气泄漏，触发后续的安全保护机制。合理的位置选择主要依赖于对潜在漏点的氢气逸散仿真，模拟在泄露情况下氢气的逸散和聚集状态，通过扩散方向、聚集位置和浓度等要素来确定传感器的布置位置。车载储氢系统的主要潜在泄漏点有瓶阀、减压器和高压管路接口位置。

根据对潜在氢气泄漏点的氢气逸散仿真模拟，定位发生氢气泄漏时氢气可能扩散的路径、聚集位置和**浓度点，有针对性地进行相应的通风设计和氢传感器的位置设计。通常情况下，需要根据燃料电池系统和车载储氢系统在整车的布置形式和漏点分布，确定氢传感器的数量和位置，确保能够在最短时间内感知到发生氢气泄漏，将信号发送给氢系统管理控制器，支持后续的氢安全控制策略实施。

3.整车氢安全控制策略

燃料电池整车的氢安全控制策略主要包含：燃料电池系统控制策略、储氢系统控制策略；泄露状态的控制策略和碰撞状态的控制策略。

3.1燃料电池系统控制策略主要包含系统运行氢气路异常控制策略和系统排氢控制策略。

系统运行氢气路异常控制策略：在整车运行状态下的氢安全检测主要是针对燃料电池系统和车载储氢系统的温度、流量和压力检测与控制，通过燃料电池电堆的氢腔压力检测和氢氧压差检测并实施闭环控制，确保燃料电池在反应长多的氢安全，如发现压力流量温度异常，则及时切断氢气供应并关停燃料电池系统。

系统的排氢策略控制：主要是针对整车尾排氢气浓度的控制策略，国标GB/T 24549规定燃料电池汽车尾排氢浓度在任意时刻连续3s内的平均氢气体积浓度应不超过4%，且瞬时氢气体积浓度不超过8%。控制尾排氢浓度主要通过调整系统排氢电磁阀开关的时长和频率来实现，同时需要平衡燃料电池电堆内氢腔压力和水热管理。

3.2储氢系统控制策略主要包含：管路压力检测与控制和氢瓶内温度检测与控制两部分。

管路压力检测：包含高压、中压和低压3个部分，分别检测瓶阀到减压器、减压器到比例阀、比例阀到电堆入口的氢气压力，可以优先监控整个供氢管路的压力变化，进而判断是否存在泄漏等潜在氢安全事件发生。

瓶内温度检测与控制：结合氢瓶内温度传感器和高压传感器数据，判断氢瓶当前是否处在健康工作状态，进而制定对应的泄放、关闭瓶阀及紧急停机等相应策略。

3.3泄露的控制策略：通过前面的仿真分析结合整车集成设计，确定了氢传感器的正确布置位置。

当氢传感器检测到有氢气发生泄漏时，会将泄漏状态位置信号和泄漏值发送给FCU（燃料电池控制模块），根据检测到的氢气的不同浓度做出信息记录、信息警告、自然停机、紧急停机和切断供氢等相应策略。

3.4碰撞状态的控制策略：这是一种紧急情况的控制策略，当整车的传感器和ACU模块感知且判断整车发生碰撞后，ACU将通过CAN总线和硬线两种方式向VCU和FCU发送相关信号，FCU根据收到的碰撞等级信号来实施正常运行、限功率运行、紧急停机和切断供氢等相应策略。

来源：中国CAE