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燃料電池汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)研究

2021-11-04 18:19:23·  來源：達(dá)安之聲  作者：謝瀟，梁喬丹，李強紅，雷斌  
　
專家推薦本文聚焦于目前世界上最有影響的三項FCV安全標(biāo)準(zhǔn)（法規(guī)），內(nèi)容詳實，思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，建議合理，對于中國的標(biāo)準(zhǔn)制定有一定的指導(dǎo)作用。 何云堂 中
專家推薦
本文聚焦于目前世界上最有影響的三項FCV安全標(biāo)準(zhǔn)（法規(guī)），內(nèi)容詳實，思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，建議合理，對于中國的標(biāo)準(zhǔn)制定有一定的指導(dǎo)作用。
—— 何云堂
中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所 教授級高工
中國汽車工程學(xué)會汽車燈光分會 秘書長
全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會燈光分委會 副主任委員
聯(lián)合國氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)（GTR）非正式工作組共同副主席

燃料電池汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)研究
謝瀟，梁喬丹，李強紅，雷斌

（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(襄陽)，襄陽441004）

摘 要：燃料電池汽車已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)的研發(fā)的焦點，國內(nèi)外規(guī)模汽車企業(yè)絕大部分都在研發(fā)燃料汽車，甚至部分企業(yè)相關(guān)車型已經(jīng)量產(chǎn)多年，但由于燃料電池汽車的采用的主要能源是氫，其安全性備受關(guān)注，發(fā)生碰撞事故后的燃料電池汽車的安全性更是關(guān)注的重點。目前國際標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中代表性的有UN R134、GTR 13及SAE J2578對碰撞試驗后的安全性有相應(yīng)規(guī)定和試驗方法的描述。本文重點對比分析了這3個標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中關(guān)于燃料電池汽車碰撞后安全要求及試驗方法，為我國制定燃料電池汽車碰撞后安全檢測法規(guī)提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車；碰撞試驗；法規(guī)
Study on collision standard of fuel cell vehicle
XIE Xiao, LIANG Qiao-dan, LI Qiang-hong, LEI Bin
（Xiangyang Da An Automobile Test Center Limited Corporation, Xiangyang 441004, China）

Abstract: Fuel cell vehicles is becoming the focus of research and development in the automobile industry. Most domestic and foreign large-scale automobile enterprises are developing fuel cell vehicles, and even some of them have been mass producing fuel cell vehicles for many years. However,hydrogen, as the main energy used in fuel cell vehicles, its safety has attracted much attention, especially the safety of fuel cell vehicles after collision. At present, UN R134, GTR 13 and SAE J2578 are representative international standards and regulations, which have corresponding provisions and test methods for safety after collision test. This paper focuses on the comparative analysis of these three regulations on the post crash safety requirements and test methods of fuel cell vehicles, and provide reference for the formulation of China's fuel cell vehicle post crash safety regulations.
Key Words: Fuel cell vehicles; Crash test; Regulations
燃料電池汽車使用清潔能源氫作為能量源，可以稱之為零污染；而氫能源具有高能量密度，短時間的氫能源加注就可以實現(xiàn)600km以上的長續(xù)航，目前依然是行業(yè)的焦點。但由于氫能源本身的不穩(wěn)定性，使得燃料電池汽車的安全性也被高度重視和關(guān)注，尤其是發(fā)生碰撞事故后對人員的安全性。國內(nèi)已經(jīng)推出了多項燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是關(guān)于碰撞后的安全標(biāo)準(zhǔn)還是空白，本文梳理了UN R134、GTR 13及SAE J2578對碰撞試驗后的安全性相關(guān)的要求以及試驗方法，分析了其異同。

1 法規(guī)GTR 13、UN R134及SAE J2578的介紹
GTR 13《氫和燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》是由聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（UN/WP.29）在2013年7月發(fā)布，所有參與締約國一致通過了該法規(guī)，具有協(xié)調(diào)性和公認(rèn)性。主要內(nèi)容分為兩部分，第一部分主要說明了推出該法規(guī)的目的和意義以及法規(guī)發(fā)展的各個階段；第二部分闡述了氫燃料電池汽車安全性相關(guān)的性能要求及試驗方法。GTR 13 適用于總質(zhì)量不超過4536kg的使用壓縮氫氣存儲系統(tǒng)的和使用液氫存儲的燃料電池汽 車。目前法規(guī)第二版已經(jīng)進(jìn)行多輪會議討論，距離發(fā)布已為時不遠(yuǎn)。
UN R134《氫能和燃料電池車輛》在2015年6月由歐盟發(fā)布的技術(shù)法規(guī)主要內(nèi)容分為三個部分，壓縮儲氫系統(tǒng)、壓縮氫氣儲存系統(tǒng)部件及車輛燃料系統(tǒng)，包括壓縮氫氣儲存系統(tǒng)、管道、接頭和含有氫氣的部件。制定時參考了GTR 13，主要內(nèi)容基本一致，但UN R134中沒有高電壓動 力系統(tǒng)電安全和液氫儲存系統(tǒng)燃料電車汽車等方面內(nèi)容。UN R134適用于所有使用壓縮氫氣存儲系統(tǒng)的燃料電池汽車，但不包括使用液氫系統(tǒng)存儲系統(tǒng)的車輛。
SAE J2578《燃料電池汽車一般安全》（推薦規(guī)程）由美國汽車工程協(xié)會燃料電池標(biāo)準(zhǔn)委員會安全工作組制定，在2002年12月11日發(fā)布，2014年8月修訂版發(fā)布。該推薦規(guī)程主要內(nèi)容包括燃料電池系統(tǒng)、燃料存儲系統(tǒng)和高壓電動力系統(tǒng)電安全等。本標(biāo)準(zhǔn)目的是為設(shè)計公共道路用燃 料電池汽車提供應(yīng)考慮的機電系統(tǒng)安全指引、安全準(zhǔn)則及方法。適用于設(shè)計用于公共道路的燃料電池汽車。
2 試驗要求比較
2.1 車輛碰撞后氫系統(tǒng)完整性要求
GTR 13、UN R134及SAE J2578對于燃料電池汽車碰撞試驗后氫系統(tǒng)完整性做出了要求，具體內(nèi)容見表1。其中，關(guān)于碰撞后氫系統(tǒng)完整性的適用范圍，只有UN R134做出了明確說明，即進(jìn)行正面碰撞試驗（參照UN R12或UN R94）、側(cè)面碰撞試驗（參照UN R95）的車輛，若不適用于上述一項或兩項試驗，則進(jìn)行相應(yīng)滑臺試驗，同時根據(jù)車輛類型對滑臺試驗條件做出了規(guī)定。
對于碰撞試驗后的燃料泄漏限值，UN R134的規(guī)定為在泄漏測試時間△t內(nèi)，氫氣泄漏的體積流量不超過118NL/min，其中△t是通過氣瓶容積、公稱壓力及壓力傳感器量程計算得出的。GTR 13對碰撞試驗后60分鐘內(nèi)的平均泄漏量做出了要求。SAE J2578中詳細(xì)地對燃料泄漏限值進(jìn)行了推導(dǎo)計算，以FMVSS 303中對燃料泄漏熱量的規(guī)定為基礎(chǔ)，將碰撞后 60 分鐘的燃燒總熱量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下，較低熱值的氫氣體積。
對于碰撞試驗后車輛密閉空間濃度限值，SAE J2578沒有相關(guān)要求，UN R134的要求是氫氣泄漏不應(yīng)導(dǎo)致乘員艙和行李艙空氣中的氫氣體積百分濃度超過的4.0%（氦氣限值為3%）。如確認(rèn)儲氫系統(tǒng)的截止閥在碰撞發(fā)生后5秒內(nèi)關(guān)閉，且儲氫系統(tǒng)無泄漏，則滿足要求。而GTR對氫氣濃度限值的要求是3±1%（氦氣限值為2.25±0.75%）。
關(guān)于儲氣瓶位移，GTR13和UN R134 做出了相關(guān)要求，即試驗后儲氫系統(tǒng)至少有一個連接點附著在車輛上，SAE J2578沒有做出要求。
此外，UN R134還對不適用于碰撞試驗的車輛的氣瓶安裝位置做出了要求（表 1）。
2.2 碰撞后電安全要求
GTR 13對碰撞后電安全要求進(jìn)行了規(guī)定，UN R134和SAE J2578對此沒有明確的要求，在 此我們選用UN R100中關(guān)于碰撞后電安全要求與GTR13進(jìn)行對比，具體見表2。關(guān)于碰撞試驗后電安全要求，GTR13在電能方面沒有做出要求，其他方面兩個標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致。
3 試驗方法對比
上述三個標(biāo)準(zhǔn)在氫燃料汽車碰撞后氫系統(tǒng)完整性的試驗方法上有不同的要求，具體見表3，對于燃料泄漏的試驗方法，三個標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容基本一致，都描述了加注氫氣和氦氣兩種試驗方法，其中SAE J2578通過對壓力傳感器的測量誤差分析，得出壓力泄漏應(yīng)大于傳感器量程的5%，通過計算可知如果儲氣罐的容積較大，則無法達(dá)到目標(biāo)泄漏壓力，因此需要延長時間周期△t。根據(jù)仿真結(jié)果，擬合出了△t的近似公式。GTR 13和UN R134對于和密閉空間濃度的試驗方法基本一致，SAE J2578則未提及相關(guān)內(nèi)容（表3）。

表1 碰撞試驗后氫系統(tǒng)完整性要求及適用范圍





表2 碰撞后電安全要求


表3 氫燃料汽車碰撞后氫系統(tǒng)完整性的試驗方法


4 分析與討論
通過上文對GTR 13、UN R134及SAE J2578中燃料電池汽車碰撞后安全性能要求及試驗方法的對比分析，我國在制定燃料電池汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)可以從以下幾個方面進(jìn)行考慮：第一、燃料電池汽車可以針對性地推出一個綜合性標(biāo)準(zhǔn)，性能要求中應(yīng)該涵蓋乘員保護、電安全及氫系統(tǒng)完整性要求。其中，對于乘員保護性能要求試驗方法可以直接引用現(xiàn)有國標(biāo)，如正面碰撞乘員保護引用GB 11551, 側(cè)面碰撞乘員保護引用GB20071。對于碰撞后電安全要求，如果車輛帶有B級電壓電路，則可以引用GB/T31498。對于碰撞后氫系統(tǒng)完整性要求需要在標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中明確，可以從儲氫裝置泄漏速率、電堆及管路泄漏量、儲氫系統(tǒng)位移及密閉空間濃度限值提出要求。第二，關(guān)于儲氫裝置碰撞后泄漏速率，GTR 13、UN R134及SAE J2578三個標(biāo)準(zhǔn)中對于儲氫裝置平均泄漏速率的要求為118NL/min，只有SAE J2578中對于118NL/min 數(shù)值來源進(jìn)行了描述，F(xiàn)MVSS 301中 60分鐘內(nèi)液態(tài)燃料最大泄漏量為1.7kg，通過燃燒熱值等效計算出氫燃料泄漏速率，但是氣態(tài)燃料和液態(tài)燃料燃燒特性不同，在重力作用下運動形式不同，等燃燒熱值的汽油與氫氣對車輛與人員的傷害與威脅是不同的，基于被動安全標(biāo)準(zhǔn)要求的基本出發(fā)點是人員保護，應(yīng)該進(jìn)一步研究基于人員保護的平均泄漏速率限值要求。GTR 13、UN R134只是對平均泄漏速率經(jīng)行了規(guī)定，沒有對峰值泄漏速率提出要求，存在短時間內(nèi)大量泄漏引起環(huán)境內(nèi)氫氣濃度達(dá)到爆炸下限帶來爆炸風(fēng)險，建議研究提出峰值泄漏速率要求。第三，關(guān)于碰撞試驗類型，GTR 13由于世界范圍內(nèi)碰撞試驗方法尚未協(xié)調(diào)統(tǒng)一，所以暫時擱置，待后續(xù)統(tǒng)一。UN R134要求完成正面偏置碰撞或轉(zhuǎn)向管柱防傷害和側(cè)面碰撞后需進(jìn)行氫系統(tǒng)完整性檢測，對于不適用正面碰撞或者側(cè)面碰撞需進(jìn)行加速度沖擊試驗并且要滿足相應(yīng)的安裝和移動要求，沒有對后碰進(jìn)行要求。但是鑒于后碰對儲氫系統(tǒng)、高壓電系統(tǒng)的破壞程度和引起的風(fēng)險，我國制定燃料電池汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)時碰撞試驗方法應(yīng)該要包括正面碰撞、側(cè)面碰撞和后碰，對于不適用的試驗應(yīng)該采用加速度替代試驗，采用的加速度值及持續(xù)時間可參考GB 19239。
5 結(jié)論
由于我國還沒有氫燃料電池汽車碰撞試驗標(biāo)準(zhǔn)，但是整車廠已經(jīng)陸續(xù)推出了燃料電池汽車，為了保證該類型車輛的安全性，推動產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，需要盡早推出燃料電池汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。本文對UN R134、GTR 13及SAE J2578中碰撞相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了梳理，重點比較了試驗要求和試驗方法，并且結(jié)合目前我國現(xiàn)狀提出了制定標(biāo)準(zhǔn)的建議。

參考文獻(xiàn)：
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[2]ECE Regulation No.134.Hydrogen and Fuel Cell Vehicles(HFCV)[S/OL].https://unece.org/transport/ press/unece-adopts-global-technical-regulation safety-hydrogen-and-fuel-cell-vehicles.
[3]SAE J2578-2014: Recommended Practice for General Fuel Cell Vehicle Safety-SAE International[S/ OL].http://www.sae.org/technical/standards/ J2578_201408.
[4]劉桂彬, 孫振東, 李玉剛等.GB/T 31498— 2015電動汽車碰撞后安全要求［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.
[5]趙志成, 王微, 王仁廣等.GTR13和ECER134的主要內(nèi)容簡析[J]. 汽車零部件,2018(6).
[6]何云堂. 氫燃料電池電動汽車全球技術(shù)法規(guī) HFCV-GTR[J]. 認(rèn)證技術(shù),2009,000(003):36-39.

 
論文作者
謝瀟畢業(yè)于重慶大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于襄陽達(dá)安汽車檢測中心有限公司，主要從事電動汽車、燃料電池汽車等領(lǐng)域被動安全試驗技術(shù)研究。 
 
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