燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度試驗(yàn)分析

孫 田，景帥帥，陳 光，楊沄芃，郝 冬Sun Tian, Jing Shuaishuai, Chen Guang, Yang Yunpeng, Hao Dong

燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度試驗(yàn)分析

孫 田，景帥帥，陳 光，楊沄芃，郝 冬
Sun Tian, Jing Shuaishuai, Chen Guang, Yang Yunpeng, Hao Dong

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

車載氫系統(tǒng)作為燃料電池汽車的重要子系統(tǒng)之一，主要由儲(chǔ)氫容器、壓力調(diào)節(jié)器、單向閥、氫氣加注口和壓力釋放閥等組成。當(dāng)車輛運(yùn)行顛簸或者發(fā)生碰撞時(shí)，車載氫系統(tǒng)的安裝強(qiáng)度直接關(guān)系到整車氫安全，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，分別對(duì)車載氫系統(tǒng)的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法提出要求。針對(duì)80套國(guó)產(chǎn)車載氫系統(tǒng)進(jìn)行安裝強(qiáng)度試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出：方向相對(duì)位移最小，方向相對(duì)位移次之稍大，方向相對(duì)位移最大。

車載氫系統(tǒng)；安裝強(qiáng)度；相對(duì)位移；試驗(yàn)

0 引 言

近年來(lái)，燃料電池汽車廣泛應(yīng)用，燃料電池相關(guān)配套技術(shù)得到了快速發(fā)展。車載氫系統(tǒng)是燃料電池汽車重要組成部分，氣瓶安裝強(qiáng)度直接影響到整車氫安全。常見(jiàn)車載氫系統(tǒng)多為高壓儲(chǔ)氫氣瓶，根據(jù)車輛質(zhì)量、額定功率、續(xù)駛里程等需要，可采用不同的瓶組規(guī)格滿足要求，常見(jiàn)有單瓶組、2瓶組、4瓶組、6瓶組和8瓶組，車載氫系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

圖1 車載氫系統(tǒng)實(shí)物圖

現(xiàn)階段燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)多為35 MPa或70 MPa高壓車載氫系統(tǒng)，其中安裝強(qiáng)度為重要的安全指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度開(kāi)展了系列研究。齊同侖[1]等針對(duì)燃料電池車載氫系統(tǒng)，開(kāi)展了仿真和試驗(yàn)研究，提出一種判定車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法；閆敏艷[2]從材料層面對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化，為固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了思路；陶孟章[3]等建立了燃料電池汽車有限元模型，分析車載氫系統(tǒng)在整車正面碰撞過(guò)程中的特性，并基于分析結(jié)果優(yōu)化車載氫系統(tǒng)固定方案；王荔[4]針對(duì)一款70 MPa氫系統(tǒng)框架，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估；樊彬[5]等對(duì)燃料電池客車用儲(chǔ)氫瓶采用有限元的方法對(duì)疲勞壽命進(jìn)行疲勞壽命分析并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；張廣哲[6]等對(duì)碳纖維纏繞儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行有限元建模，分析了不同儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)壓下彈塑性響應(yīng)特性；姜國(guó)峰[7]等建立燃料電池客車氫系統(tǒng)的正面碰撞模型，基于仿真結(jié)果分析氫系統(tǒng)的剛強(qiáng)度特性。除汽車用燃料電池儲(chǔ)氫系統(tǒng)外，有學(xué)者針對(duì)軌道列車用供氣系統(tǒng)強(qiáng)度開(kāi)展研究。劉國(guó)漪[8]等建立氫系統(tǒng)箱體模型，計(jì)算出結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；蔣燕青[9]等根據(jù)國(guó)內(nèi)外汽車安全測(cè)試法規(guī)，提出氫系統(tǒng)碰撞及評(píng)價(jià)方法，并經(jīng)過(guò)了實(shí)車驗(yàn)證。對(duì)于燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法，行業(yè)專家給予了標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀解讀與未來(lái)修訂建議。

現(xiàn)階段針對(duì)燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)的研究多以仿真手段進(jìn)行理論分析，試驗(yàn)常受成本等多種因素限制，樣本量較少。根據(jù)GB/T 29126—2012《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》對(duì)車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)GB/T 26990—2011《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》進(jìn)行判定，對(duì)80組車載氫系統(tǒng)進(jìn)行了安裝強(qiáng)度試驗(yàn)，查找試驗(yàn)規(guī)律，為行業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造及原理

車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度的試驗(yàn)設(shè)備為國(guó)產(chǎn)某品牌氣瓶安裝強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。

圖2 氣瓶安裝強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)

該試驗(yàn)臺(tái)由底座、行進(jìn)施力機(jī)構(gòu)、位移傳感器、緊固裝置和上位機(jī)組成。底座平面尺寸為2 500 mm×1 800 mm，平面上留有M22螺孔，相鄰螺孔間隔120 mm，螺孔用于連接緊固裝置固定車載氫系統(tǒng)，行進(jìn)施力機(jī)構(gòu)最大可施加載荷25 kN。車載氫系統(tǒng)通過(guò)叉車或天車運(yùn)輸至底座，由緊固裝置對(duì)車載氫系統(tǒng)與底座進(jìn)行固定，保證車載氫系統(tǒng)在受到載荷時(shí)不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)和大距離位移。該試驗(yàn)臺(tái)能夠施加水平和豎直2個(gè)方向的載荷。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)上位機(jī)設(shè)置載荷，控制行進(jìn)施力機(jī)構(gòu)對(duì)氣瓶施加不同方向的載荷，位移傳感器采集施加載荷過(guò)程中產(chǎn)生的最大位移量并實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)。

2 試驗(yàn)方法

整個(gè)試驗(yàn)分為3個(gè)部分：試驗(yàn)前準(zhǔn)備、試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)后處理。

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前的準(zhǔn)備主要是針對(duì)被測(cè)車載氫系統(tǒng)樣品和氣瓶安裝強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)。

（1）收到被測(cè)樣品后，檢測(cè)車載氫系統(tǒng)外觀是否完好，有無(wú)破損部分；根據(jù)樣品信息表中相關(guān)參數(shù)確認(rèn)施加的載荷，不可超出測(cè)試臺(tái)量程。

（2）檢查試驗(yàn)臺(tái)的電氣線路、液壓管路系統(tǒng)的安裝和連接是否完整正確，同時(shí)保證行進(jìn)施力機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠靈敏。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

將測(cè)試用車載氫系統(tǒng)安裝至試驗(yàn)臺(tái)底座平面，同時(shí)確認(rèn)氣瓶與行走施力機(jī)構(gòu)處于水平或垂直位置。根據(jù)被測(cè)車載氫系統(tǒng)外形尺寸以及與行走施力機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系，在底座平臺(tái)適當(dāng)位置安裝緊固裝置，將被測(cè)車載氫系統(tǒng)固定。

進(jìn)入上位機(jī)中的測(cè)試程序，計(jì)算出施加載荷數(shù)值，GB/T 26990—2011中要求氣瓶能夠承受8沖擊力，并且位移不超過(guò)13 mm，則

以某國(guó)產(chǎn)車載氫系統(tǒng)為例，其儲(chǔ)氫容器空瓶質(zhì)量為83 kg，標(biāo)稱工作壓力下充滿氫氣后儲(chǔ)氫容器的總質(zhì)量為86.3 kg，則

當(dāng)行進(jìn)施力機(jī)構(gòu)端頭與氣瓶中心位置接觸后，點(diǎn)擊施力按鍵施加載荷，端頭與氣瓶中心位置接觸后施力逐漸增大，達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)保持鎖緊。按照上述流程分別進(jìn)行方向（車輛縱向）、方向（車輛橫向）和方向（車輛垂向）3個(gè)方向的試驗(yàn)，如圖3所示。

依據(jù)GB/T 29126—2012要求，分別在車輛坐標(biāo)系3個(gè)方向施加8倍標(biāo)稱工作壓力下儲(chǔ)氫容器所受重力的力，測(cè)量?jī)?chǔ)氫容器與固定座的相對(duì)位移。

圖3 車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)后處理

記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，關(guān)閉設(shè)備電源，拆除緊固裝置，將被測(cè)車載氫系統(tǒng)移下試驗(yàn)臺(tái)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為查找燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律，對(duì)80組國(guó)產(chǎn)車載氫系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 壓力等級(jí)

對(duì)80組樣件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，35 MPa、70 MPa車載系統(tǒng)分別有69組、11組，分別占比86.25%、13.75%。

由于70 MPa車載氫系統(tǒng)成本高、制造工藝要求高，除部分百公里氫氣消耗量大、對(duì)續(xù)駛里程要求高的車輛采用70 MPa車載氫系統(tǒng)外，現(xiàn)階段我國(guó)燃料電池汽車以35 MPa車載氫系統(tǒng)為主。

3.2 相對(duì)位移數(shù)據(jù)

對(duì)比分析方向（車輛縱向）、方向（車輛橫向）和方向（車輛垂向）3個(gè)方向的相對(duì)位移量分布，見(jiàn)表1。

方向的相對(duì)位移在2～3 mm和3～4 mm 2個(gè)區(qū)間的分布相對(duì)集中，向最小相對(duì)位移為1.2 mm，最大相對(duì)位移為6.7 mm。方向的相對(duì)位移主要集中在2～3 mm，向最小相對(duì)位移為0.8 mm，最大相對(duì)位移為6.2 mm。方向的相對(duì)位移主要分布在0～1 mm、1～2 mm和2～3 mm，向最小相對(duì)位移為0.3 mm，最大相對(duì)位移為5.8 mm。

將80組國(guó)產(chǎn)車載氫系統(tǒng)安裝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總，得到所有樣品3方向相對(duì)位移特性曲線，如圖4所示。

表1 車載氫系統(tǒng)不同方向相對(duì)位移分布率

圖4 80組樣品3方向相對(duì)位移特性曲線

由圖4可看出，80組車載氫系統(tǒng)3方向相對(duì)位移均滿足GB/T 26990—2011要求，即在8壓力下最大位移不超過(guò)13 mm；各樣件在承受滿瓶質(zhì)量8倍重力的沖擊力時(shí)，方向（車輛縱向）相對(duì)位移量最大，方向（車輛橫向）次之，方向（車輛垂向）最小。

4 結(jié) 論

燃料電池車載氫系統(tǒng)中，35 MPa車載氫系統(tǒng)因成本較低、制造工藝成熟，較70 MPa車載氫系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛；通過(guò)80組燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目前的車載氫系統(tǒng)制造裝配水平完全滿足國(guó)標(biāo)中氣瓶安裝強(qiáng)度的要求；對(duì)比車載氫系統(tǒng)3方向位移分布特性發(fā)現(xiàn)，方向（車輛縱向）的位移量整體最大，方向（車輛垂向）位移量整體最小。

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2021-06-22

中汽中心指南課題“氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)評(píng)技術(shù)研究”（19223402）。

1002-4581（2021）05-0001-04

U463.51

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.001