燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统设计与研究_周雅夫.pdf

124 AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN|汽车设计燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统设计与研究周雅夫姜振华大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室运载工程与力学学部汽车工程学院 辽宁省大连市 116024摘 要：为了降低燃料电池汽车碰撞后氢泄漏的危害，本文从氢特性的角度分析了车载用氢的安全问题，开展了氢泄漏主动安全系统的设计和研究，着重阐述了主动安全控制策略，为燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统的进一步发展提供了一定的参考。关键词：燃料电池汽车碰撞氢泄漏主动安全控制策略1前言随着全球一体化进程的快速推进，高效无污染的新型能源已成全球未来发展的势趋。在新能源技术发展过程中，燃料电池汽车具有零污染、续航里程长、加氢速度快、氢能来源广、转换效率高和能量密度大等1优点，正在成为未来汽车发展的主流方向。氢作为一种新兴的清洁能源，具有许多不同于传统燃料能源的物理特性，但也存在着诸多安全问题2。泄漏性氢是目前元素周期表中最轻的元素，具有分子直径小、质量轻、密度低的特点。在相同条件下，以天然气为参考基准，对比不同状态下丙烷和氢相对于天然气的泄漏率如表 1 所示3。结果表明，与其他车用气体燃料相比，氢本身的特性使其更容易从缝隙或者孔隙中泄漏。状态天然气丙烷氢扩散状态1.00.633.8湍流状态1.00.62.83层流状态1.01.381.26表 1丙烷和氢相对于天然气的泄漏率扩散性当氢出现泄漏时，氢将在空间上快速上升，并伴随着向各个方向迅速扩散，同时浓度显著下降。在相同的普通环境条件下，氢的扩散系数约为 0.6cm2/s，天然气的扩散系数约为 0.16cm2/s，而汽油气的扩散系数约为 0.05cm2/s，所以在相同条件下，氢比其他车用气体或者液体燃料具有更大的扩散性。燃爆性氢 是 一 种 极 易 燃 的 气 体，且 无 色 无味。在空气中，氢的燃烧极限范围为 4%-75%，爆炸极限范围为 13%-18.3%，可燃极限范围和爆炸极限范围都比较宽泛，虽然氢的燃点为 574，但是氢在空气中的最小着火能量仅为 0.019mJ，使得氢在空气中极容易发生快速点燃和爆炸。氢脆由于氢与金属材料长期接触后进入其内部后，局部浓度达到饱和后引起金属塑性下降，使得金属材料的机械性能发生严重退化，诱发形成细小的裂纹而最终发生脆断的现象。氢燃料电池汽车在使用过程中，经常受到路况、天气和人员等多种因素影响，极易发生碰撞，大大增加了车载氢系统氢Design and Research of Active Safety System for Hydrogen Leakage after Fuel Cell Vehicles CollisionZhou YafuJiang ZhenhuaAbstract：In order to reduce the harm of hydrogen leakage after the crash of fuel cell vehicles,the safety issues of on-board hydrogen are evaluated in this study from the perspective of hydrogen characteristics,the design and research of the hydrogen leakage active safety system is carried out,and the active safety control strategy is emphatically elaborated for hydrogen leakage after fuel cell vehicle collision,which provides a certain reference for the further development of the hydrogen leakage active safety system after the collision of fuel cell vehicles.Key words：fuel cell vehicles,collision,hydrogen leakage,active safety,control.AUTO TIME 125 AUTOMOBILE DESIGN|汽车设计泄漏的可能性，本文在总结国内外氢泄漏安全系统理论研究和应用设计的基础上，对燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统进行了相关设计和研究。2燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统2.1主动安全系统的组成为解决燃料电池汽车碰撞后氢泄漏所带来的安全隐患，结合氢自身的物理和化学特性，将氢泄漏主动安全系统设计为感知层、决策层和执行层三个部分组成，如图 1 所示。图 1燃料电池汽车碰撞后氢泄露主动安全系统感知层氢瓶压力传感器FCU氢瓶电磁阀CAN通讯加速度传感器氢浓度传感器温度传感器VCU仪表排风扇二氧化碳灭火器车身控制模块决策层执行层感知层由布置在氢瓶和车身上的多路不同类型的传感器组成，主要功能是检测车辆氢泄漏情况和识别车辆碰撞状态。决策层由燃料电池控制器（FCU）和整车控制器（VCU）组成，其主要功能是整车通过 CAN 通讯网路实现 FCU 和 VCU 之间传感器数据的实时交互，在 VCU 判定车辆发生碰撞后分析和评估氢泄漏故障等级，同时对布置在氢瓶和车身上的执行器发送主动安全防护指令。执行层由分别布置在氢瓶和车身上的多路执行器组成，主要功能是 VCU 判定车辆发生氢泄漏后，依据氢气泄漏故障等级执行 FCU 和 VCU 发送的主动安全指令。2.2传感器和执行器为及时的检测氢泄漏故障发生时刻和环境状态，以便更好地执行氢泄漏后的主动安全策略，列举了主动安全系统选用的传感器和执行器的类型4，如表 2 所示。传感器/执行器驱动/信号类型具体说明氢瓶压力传感器4-20mA电流信号输入中、高压检测，直流供电加速度传感器0.5-4.5V DC电压信号输入直流供电氢浓度传感器0.5-4.5V DC电压信号输入多点检测，直流供电温度传感器NTC热敏电阻模块集成，非线性仪表12V/24V驱动输出持续电流氢瓶电磁阀12V/24V驱动输出冲击电流和持续电流排风扇12V/24V驱动输出持续电流二氧化碳灭火器12V/24V驱动输出持续电流车身控制模块（BCM）12V/24V驱动输出持续电流表 2传感器和执行器类型3燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统控制策略3.1氢泄漏主动安全控制策略为保证燃料电池汽车碰撞后氢泄漏时车辆和人员的安全，以 VCU 控制器为主，各种传感器、执行器为辅的氢泄漏主动安全系统分别进行车辆碰撞识别、氢泄漏识别、故障等级判定和主动安全执行等策略，如图 2 所示。开始否车辆碰撞判断模块氢泄漏否氢泄漏判断模块是氢泄漏故障等级判断模块是主动安全执行模块结束二级故障主动安全执行指令一级故障主动安全执行指令三级故障主动安全执行指令车辆碰撞图 2燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统控制策略3.2车辆碰撞识别策略车辆 VCU 上电正常运行时，加速度传感器实时将数据发送给 VCU，依据加速度数值的激增变化量来判断车辆运行状态，如果加速度数值激增量超过限定阈值时，就可以判定车辆出现了碰撞事故。3.3氢泄漏识别策略当 车 辆 VCU 识 别 出 碰 撞 状 态 时，氢 瓶 压 力 传 感 器 通 过 FCU 将 数 据 发 送给 VCU，氢浓度传感器也将数据发送给VCU，通过对比氢瓶失压速率、氢瓶储存舱和机舱环境中氢浓度值来判断氢是否泄漏，如果氢瓶失压率超过限定阈值，或者氢瓶储存舱和机舱环境中氢浓度值达到0.4%时，可以判定车辆出现氢泄漏故障。3.4氢泄漏故障等级判定策略当车辆 VCU 识别出氢泄漏故障时，由氢浓度传感器将数据实时发送给 VCU，依据采集到的氢瓶储存舱或机舱环境中氢浓度值来判断氢泄漏的故障等级，通过分析对比FCU 和 VCU 采集的多路传感器数据，将氢泄漏故障的危害程度分为三个等级5，具体故障状态和主动安全措施如表 3 所示6。3.5氢泄漏故障主动安全执行策略当 VCU 下达一级故障主动安全执行指令时，如图 3 所示。仪表故障灯将对驾驶员进行闪烁警示，提醒驾驶员持续关注车辆运行状态；BCM 将故障码进行自动保存，为后续维修时提供故障诊断数据。开始结束一级故障主动安全执行指令VCU故障灯闪烁警示故障码系统自动保存仪表BCM图 3氢泄漏一级故障主动安全执行策略当 VCU 下达二级故障主动安全执行指126 AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN|汽车设计令时，如图 4 所示。仪表故障灯将对驾驶员进行常亮和蜂鸣报警，告知驾驶员车辆进入危险故障状态，尽快前往维修站进行车辆维修；驱动电机将限定最高 50%输出功率，车辆进入跛行模式行驶；氢瓶储存舱和机舱排风扇启动，以降低舱内氢浓度值，防止造成更大的危险；同时，BCM 将车辆状态上传云端进行故障报备，第一时间通知维修人员故障车辆的状态，提前制定故障检修措施。图 4氢泄漏二级故障主动安全执行策略开始结束二级故障主动安全执行指令VCU故障灯常亮和蜂鸣报警氢瓶储存舱和机舱主动排风车辆跛行模式车辆状态上传云端故障报备仪表BCM当 VCU 下达三级故障主动安全执行指令时，如图 5 所示。仪表故障灯将对驾驶员进行常亮、蜂鸣和双闪报警，告知驾驶员车辆进入严重故障状态，应立即将车辆停靠在方便救援的位置，尽快疏散车辆人员到安全位置；FCU 将控制氢瓶电磁阀立即停止供氢，防止氢进一步泄漏；BCM 将车辆状态上传云端进行自动呼救，车门自动解锁并将玻璃完全下降，以便对车辆人员进行迅速疏散和及时救援。同时，第一时间通知维修人员故障车辆的位置信息和故障状态，方便维修人员及时赶往故障现场；车辆进入爬行模式，保证车辆可以就近靠边停车；氢瓶储存舱和机舱排风扇启动，以便降低舱内氢浓度值，防止造成更大的危险；布置在氢瓶储存舱和机舱环境的温度传感器将数据发送给 VCU，依据采集到的环境温度数值来判断其内部温度是否异常，如果温度数值达到限定阈值上限，将启动二氧化碳灭火器进行灭火和降温，防止发生更严重的爆炸和火灾事故。开始结束三级故障主动安全执行指令VCU故障灯常亮、蜂鸣和双闪报警氢瓶电磁阀停止供氢车辆停止运行氢瓶储存舱和机舱主动排风二氧化碳灭火器启动仪表FCUBCM氢瓶储存舱和机舱温度异常是环境温度数据云端自动呼救否车门自动解锁玻璃下降图 5氢泄漏三级故障主动安全执行策略4结语本文通过对国内外有关文献的调研，结合氢的泄漏、扩散、易燃易爆和氢脆四报警级别氢气浓度主动安全措施仪表氢瓶电磁阀车辆状态车辆控制一级0.4%闪烁警示正常供氢正常行驶故障码系统自动保存二级1%常亮和蜂鸣报警正常供氢50%功率跛行模式主动排风和自动上传云端故障报备三级2%常亮、蜂鸣和双闪报警停止供氢爬行模式主动排风、排氢和故障自动上传系统求援表 3氢泄漏故障等级大特性，深入探讨了车载用氢的安全问题。为了降低燃料电池汽车碰撞后氢泄漏的危害，开展了氢泄漏主动安全系统的设计和研究，对车辆碰撞识别、氢泄漏识别、故障等级判定和主动安全执行等关键控制策略进行了研究和说明，为燃料电池汽车碰撞后氢泄漏主动安全系统的进一步发展提供了一定的参考。参考文献：1 陈远明.氢能汽车产业化要突破四大瓶颈J.中国石化，2019（5）：25-29.2 冯文，王淑娟，倪维斗，等.氢能的安全性和燃料电池汽车的氢安全问题 J.太阳能学报，2003，24（5）：677-682.3Fordmotorcompany.Direct-hydrogen-fueled proton-ex-change-membrane fuel cell system for transportation applications:hydrogen vehicle safety report(DE-AC0294CE50389)R.U.S.De partment of Energy，1997.4 叶川，马天才，陈翌，等.车载供氢系统控制器开