70 MPa車用氫系統(tǒng)可用性評價方法研究*

梁晨 陳雨時 張少鵬

（北京國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，北京 100176）

主題詞：儲氫 供氫 車用氫系統(tǒng) 可用性評價 燃料電池汽車

1 引言

近年來，氫能及燃料電池汽車得到了很多國家的重視，而車用氫系統(tǒng)作為燃料電池汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)之一也得到了快速發(fā)展，零部件技術(shù)水平也得到了大幅提升[1-2]。相對于液態(tài)和固態(tài)儲氫模式，高壓儲氫目前仍作為燃料電池汽車的主要?dú)淠軆Υ娣绞剑夜ぷ鲏毫Φ燃壱仓鸩綇?5 MPa向70 MPa升級，以滿足更高的續(xù)駛里程和能量儲存量需求。為了保證乘員及車輛安全，需要對車用氫系統(tǒng)進(jìn)行可用性分析和評價，以保證系統(tǒng)匹配選型的可靠和安全，并為后續(xù)技術(shù)提升和改進(jìn)提供支持和指南[3-5]。但目前國內(nèi)外對車用氫系統(tǒng)的評價仍基于高壓儲氫瓶、瓶口閥、減壓閥或者加氫口等零部件級別，缺少基于車用氫系統(tǒng)整體匹配集成情況下的評價考核體系。

本研究重點(diǎn)開展基于70 MPa車用氫系統(tǒng)整體可用性評價，從系統(tǒng)和零部件2個層面開展評價研究，確保研究結(jié)果的完整性和可靠性。

2 70 MPa車用氫系統(tǒng)

基于高壓儲氫方式構(gòu)建的70 MPa車用氫系統(tǒng)包括儲氫、供氫、加氫和監(jiān)測控制4個模塊（圖1）。

2.1 儲氫系統(tǒng)

車用儲氫系統(tǒng)包括高壓儲氫瓶、瓶口閥、超溫保護(hù)裝 置（Thermally-activated Pressure Relief Device，TPRD）、綁帶和支撐結(jié)構(gòu)，主要用于高壓氫氣安全可靠的儲存，并能夠使氫氣順利加注和釋放。儲氫瓶和瓶口閥是整個車用儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要包括采用金屬內(nèi)膽全碳纖維纏繞的Ⅲ型瓶和采用塑料內(nèi)膽全碳纖維纏繞的Ⅳ型瓶，儲氫瓶和瓶口閥需滿足70 MPa的工作壓力。在實(shí)際匹配中，乘用車一般采用2～3個瓶組，確保續(xù)駛里程在500～800 km。目前商用車行業(yè)仍以35 MPa為主流配置方案，70 MPa的商用車氫系統(tǒng)方案正在研發(fā)和匹配中，重點(diǎn)在于開發(fā)400 L以上的70 MPaⅣ型儲氫瓶，以滿足整車?yán)m(xù)駛里程需求。

2.2 供氫系統(tǒng)

供氫系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將儲氫瓶內(nèi)的高壓氣體經(jīng)減壓后按需輸送到燃料電池系統(tǒng)，主要包括：管路、支撐結(jié)構(gòu)、一級和二級減壓閥、安全泄放閥、手動放氣閥等。目前，70 MPa車用供氫系統(tǒng)研究重點(diǎn)主要包括：管路及閥體的密封與可靠性和減壓閥壽命。

2.3 加氫系統(tǒng)

燃料電池汽車加氫系統(tǒng)主要包括：加氫口、單向閥和相關(guān)管路。其中，加氫口分為2種模式：TN1，TN5。TN1可以滿足35 MPa和70 MPa兩種工作壓力的要求。此外，70 MPa車用加氫口需要增加相關(guān)紅外通訊設(shè)備，以滿足氫氣加注過程中的通訊要求。目前，滿足商用車大流量加注要求的70 MPa加氫口仍處于研究和試驗(yàn)階段。

2.4 監(jiān)測控制系統(tǒng)

針對70 MPa車用氫系統(tǒng)，需要對儲氣瓶中氫溫度、壓力和氫濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測以滿足安全要求，同時也可以在出現(xiàn)異常的第一時間進(jìn)行氫氣阻斷，避免出現(xiàn)嚴(yán)重事故。因此，需要在系統(tǒng)中布置溫度和壓力傳感器，儲氫系統(tǒng)中的瓶口閥也應(yīng)具備溫度壓力監(jiān)測功能。

此外，燃料電池汽車還裝備氫氣管理系統(tǒng)（Hydrogen Management System,HMS）用于收集分析處理相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，傳輸給整車控制器并執(zhí)行其下發(fā)的相關(guān)指令。70 MPa車用氫系統(tǒng)在加氫過程中需要與加氫設(shè)備進(jìn)行通訊，也是由HMS通過紅外模塊向外傳輸。

3 70 MPa車用氫系統(tǒng)可用性評價研究

3.1 可用性評價方法

可用性評價是用于對產(chǎn)品在特定使用環(huán)境下，針對不同需求的用戶對于實(shí)際使用要求進(jìn)行有效性、功能使用效率和使用主觀滿意度的考量方式[6]。可用性評價涉及到諸多工程和技術(shù)領(lǐng)域，屬于跨學(xué)科研究[7]。

在可用性評價過程中，需要從宏觀和微觀2個方面進(jìn)行分析并構(gòu)建可用性評價指標(biāo)體系。其中，宏觀層面評價包括了產(chǎn)品所處的系統(tǒng)或者產(chǎn)品自身的組成，具體還需要依據(jù)產(chǎn)品的屬性而定。微觀層面評價包括了需要評價的產(chǎn)品本身及其內(nèi)部的組成。同時，在可用性評價過程中，還需要對所處的使用環(huán)境或者應(yīng)用場景進(jìn)行分析，充分考慮環(huán)境對產(chǎn)品可用性評價的影響[8-9]。在進(jìn)行可用性評價過程中，需要充分進(jìn)行橫向產(chǎn)品的對標(biāo)分析，并對體系的評價指標(biāo)進(jìn)行充分定義，避免出現(xiàn)局限性和特定性，需要全面地評價產(chǎn)品的可用性，使其更有通用性和普適性。

3.2 70 MPa氫系統(tǒng)可用性評價

70 MPa車用氫系統(tǒng)主要由儲氫、供氫、加氫及監(jiān)測控制4個模塊組成，每模塊又包含不同的零部件。

車用氫系統(tǒng)可用性評價屬于宏觀層面評價。首先要識別氫系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)，與微觀層面關(guān)注零部件的角度不同，整體系統(tǒng)的評價更多地是關(guān)注各零部件及子系統(tǒng)整合后的工作狀態(tài)和性能效果，特別是在車端的使用情況，以此衡量整個系統(tǒng)的可用性是否達(dá)到使用者的滿意。

車用氫系統(tǒng)模塊及其零部件的評價屬于微觀層面評價。主要是識別并梳理各模塊中的零部件，對每個零部件進(jìn)行分析，設(shè)定相應(yīng)的評價維度和評價標(biāo)準(zhǔn)，并評價維度設(shè)定加權(quán)評價系數(shù)，對于相互間有通用性評價標(biāo)準(zhǔn)的零部件可以進(jìn)行合并，保證了評價的全面性和通用性。

4 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

結(jié)合70 MPa車用氫系統(tǒng)的工作要求和環(huán)境工況，從儲氫、供氫、加氫和監(jiān)測控制4個模塊找到影響可用性評價中有效性、效率和滿意度3個關(guān)鍵要素的影響因素，并通過實(shí)際使用和分析對相關(guān)要素進(jìn)行關(guān)鍵評價系數(shù)設(shè)定和權(quán)重設(shè)定。在設(shè)定系數(shù)的過程中，基于總體評價矩陣及整體評價結(jié)果最終得到評價量。

4.1 關(guān)鍵點(diǎn)位及流程

對商用車和乘用車70 MPa車用氫系統(tǒng)從宏觀和微觀2個層面進(jìn)行分析，識別宏觀系統(tǒng)層面關(guān)鍵流程和微觀零部件層面的關(guān)鍵點(diǎn)位。

宏觀系統(tǒng)層面關(guān)鍵流程包括：

（1）氫氣加注；

（2）車輛行駛中氫氣的儲存和釋放；

（3）緊急情況下管控；

（4）手動排空；

（5）系統(tǒng)監(jiān)測與控制。

關(guān)鍵流程的管控重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)氫氣壓力、溫度和氫濃度信息。

針對系統(tǒng)的關(guān)鍵流程，車輛及系統(tǒng)在出廠時都會做明確的操作規(guī)范說明，以保證系統(tǒng)的安全、可靠和有效性。

微觀零部件層面的關(guān)鍵點(diǎn)位包括：

（1）關(guān)鍵部件自身的測試合格；

（2）零部件操作便捷性；

（3）零部件間的銜接；

（4）零部件與整車的集成與連接。

宏觀系統(tǒng)層面的關(guān)鍵流程與微觀層面的關(guān)鍵點(diǎn)位和系統(tǒng)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)和保證的，宏觀流程確定了具體的微觀層面的關(guān)鍵點(diǎn)位與具體參數(shù)要求，而只有每個點(diǎn)位的關(guān)鍵指標(biāo)滿足要求，才能實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)使用過程中的有效和用戶體驗(yàn)滿意。

4.2 因素指標(biāo)評估

首先對宏觀層面的關(guān)鍵流程進(jìn)行識別，將需要使用者操作的外部流程和系統(tǒng)內(nèi)部自動控制的流程進(jìn)行區(qū)分，并將關(guān)鍵信息與關(guān)鍵流程相對應(yīng)。其次，將微觀層面的關(guān)鍵點(diǎn)位與關(guān)鍵流程相對應(yīng)，并明確需要操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最后，將2個層面對應(yīng)后與可用性評價的3個關(guān)鍵指標(biāo)相關(guān)聯(lián)。

在評估宏觀關(guān)鍵流程的因素指標(biāo)時，加氫及手動排空2個流程需要使用者操作，其它流程均由電腦控制完成。而系統(tǒng)內(nèi)氫氣溫度、壓力關(guān)鍵信息涉及到所有流程，因此需要對所有流程內(nèi)的信息都進(jìn)行識別，并關(guān)聯(lián)到微觀的系統(tǒng)內(nèi)零部件的關(guān)鍵點(diǎn)位上。

通過對關(guān)鍵點(diǎn)位的識別可以看出，溫度、壓力信息涉及到儲氫、供氫、加氫模塊的各個部件，而監(jiān)測控制模塊也是以上述2個指標(biāo)作為判定和調(diào)整的依據(jù)。因此，將上述信息與關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并分級評定。各因素指標(biāo)的評定和關(guān)聯(lián)如表1所示。

4.3 指標(biāo)確定

從表1中可以看出，部分關(guān)鍵點(diǎn)位涉及到多個關(guān)鍵流程，而溫度和壓力則關(guān)系到所有關(guān)鍵流程。根據(jù)人工參與程度和使用頻繁程度可以確認(rèn)指標(biāo)的重要性。在所有關(guān)鍵流程中，氫氣加注環(huán)節(jié)因其不僅涉及到安全、準(zhǔn)確，還關(guān)系到時間成本和操作便捷方面，與用戶體驗(yàn)的滿意度直接強(qiáng)相關(guān)。手動排空環(huán)節(jié)盡管也需要人工參與操作，但由于該流程僅在特殊時刻需要，出現(xiàn)頻次較低且大部分都是由專業(yè)人員進(jìn)行操作，因此對用戶操作使用滿意度的影響較低，不作為該維度的關(guān)注流程。

表1 指標(biāo)關(guān)聯(lián)及評價維度

綜上所述，70 MPa車用氫系統(tǒng)作為燃料電池汽車的關(guān)鍵部件之一也是主要能源載體，其有效性直接關(guān)系到整車能否安全、可靠的使用和運(yùn)行，因此在可用性評價的3個主要維度中排在首位。效率和滿意度則為氫系統(tǒng)和整車高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)和保障，主要在正常使用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步滿足使用者對于整車的要求，并以此提升整體認(rèn)可程度。

在對二級指標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)位的評價中，要區(qū)別關(guān)注不同點(diǎn)位的評價要求，例如對于加氫口、減壓閥及高壓儲氫瓶的有效性評價時，由于這些零部件是主機(jī)廠的采購件，因此重點(diǎn)關(guān)注其出廠檢驗(yàn)及認(rèn)證，以此進(jìn)行評價和考量。

整車氫系統(tǒng)包括儲氫、供氫和加氫管路、接口密封及與車端集成固定關(guān)鍵點(diǎn)位，由于這些關(guān)鍵點(diǎn)位與整車設(shè)計(jì)開發(fā)強(qiáng)相關(guān)，且多為后期設(shè)計(jì)改制和加工，則需要對其進(jìn)行自行監(jiān)測評估，以保證其合理、安全和有效性。對于緊急情況下管控和手動排空等風(fēng)險系數(shù)較高或關(guān)系到高危情況下安全的關(guān)鍵流程指標(biāo)，則需要在系統(tǒng)批次裝配或整車下線檢驗(yàn)時進(jìn)行驗(yàn)證，以保證關(guān)鍵時刻可以達(dá)到要求。

5 關(guān)鍵指標(biāo)權(quán)重研究

5.1 指標(biāo)權(quán)重確定

通過對關(guān)鍵流程及點(diǎn)位的一、二級指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合所用頻次、環(huán)境、要求、參與程度，確定相關(guān)加權(quán)系數(shù)，如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重表

為了能夠明晰具體的關(guān)注點(diǎn)，針對表2中的20個二級指標(biāo)分別設(shè)定了相應(yīng)地評價細(xì)則，以保證具體的評價結(jié)果。

對標(biāo)目前市面上70 MPa車用氫系統(tǒng)以及其所采用的相關(guān)配套產(chǎn)品，按照本文所提出的可用性評價進(jìn)行評分，分?jǐn)?shù)區(qū)間在72～93分之間，差異主要體現(xiàn)在所選用零部件的來源不同，因此性能和可靠性與壽命的差異較大。此外，評分均基于搭載在燃料電池乘用車上的70 MPa車用儲氫系統(tǒng)，商用車由于車型較少或處于研發(fā)階段，未納入統(tǒng)計(jì)。

5.2 指標(biāo)驗(yàn)證

對一款國產(chǎn)自主開發(fā)的燃料電池轎車配置的70 MPa車載儲氫系統(tǒng)進(jìn)行可用性評價。該氫系統(tǒng)配置2個70 MPaⅢ型儲氫瓶，總儲氫量95 L。加氫系統(tǒng)中未設(shè)置單獨(dú)的單向閥，僅依靠加氫口內(nèi)部的單向閥。供氫系統(tǒng)中采用獨(dú)立的一、二級減壓閥，二級減壓后由車輛后部通過低壓管路將氫氣傳遞到前機(jī)艙燃料電池發(fā)動機(jī)中。

根據(jù)一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的評價矩陣，通過公式（1）對該系統(tǒng)的可用性進(jìn)行評價。

式中，ζ為可用性評價值；α為一級指標(biāo)加權(quán)系數(shù)；β為二級指標(biāo)加權(quán)系數(shù)；x為二級指標(biāo)各關(guān)鍵點(diǎn)位的評分；n為系統(tǒng)中不同的零部件。

各關(guān)鍵點(diǎn)位的評分按照百分制計(jì)數(shù)，對于缺項(xiàng)則具體進(jìn)行分析。如果影響到安全和有效性則按照零分計(jì)算，如果是因?yàn)椴簧婕鞍踩陀行裕瑒t按照滿分計(jì)算。根據(jù)對該乘用車70 MPa車用氫系統(tǒng)最終的評價結(jié)果可以看出，整體可用性評價指標(biāo)為83.26分，能夠滿足日常使用，一級指標(biāo)所占比例及評價得分情況如圖1所示。

其具體扣分項(xiàng)主要有零部件的壽命較低、管路的連接及密封有待長時間驗(yàn)證、氫氣加注時間較長、HMS的設(shè)計(jì)有待提高、紅外通訊設(shè)備為第一階段產(chǎn)品和兼容性差。對比所有一級指標(biāo)的得分情況可以看出，氫氣加注環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)最低，這也與該指標(biāo)涉及有效性、效率和滿意度全部3個評價維度有關(guān)，需要滿足主客觀不同的要求和關(guān)注。

6 結(jié)論

隨著70 MPa車用氫系統(tǒng)在乘用車和商用車上的規(guī)模化普及應(yīng)用，氫系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件的可靠性、安全性及壽命成為了整車匹配及使用過程中的重要考慮因素之一。

為了明確并改善70 MPa車用氫系統(tǒng)的可用性，本文首次提出了70 MPa車用氫系統(tǒng)可用性評價方法，以車用氫系統(tǒng)整體作為評價基礎(chǔ)，從零部件微觀及系統(tǒng)宏觀2個層面出發(fā)，在考慮有效性、效率和滿意度3個維度及應(yīng)用數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了5個一級指標(biāo)和20個二級指標(biāo)的70 MPa車用氫系統(tǒng)可用性評價體系。評價方法不僅可以為氫系統(tǒng)后期設(shè)計(jì)、選型及優(yōu)化提供了參考和建議，同時也增加了對車輛實(shí)際使用過程中需求的關(guān)注與改進(jìn)。