燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動安全系統設計與研究

周雅夫 姜振華

大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室運載工程與力學學部汽車工程學院 遼寧省大連市 116024

1 前言

隨著全球一體化進程的快速推進，高效無污染的新型能源已成全球未來發展的勢趨。在新能源技術發展過程中，燃料電池汽車具有零污染、續航里程長、加氫速度快、氫能來源廣、轉換效率高和能量密度大等[1]優點，正在成為未來汽車發展的主流方向。

氫作為一種新興的清潔能源，具有許多不同于傳統燃料能源的物理特性，但也存在著諸多安全問題[2]。

①泄漏性

氫是目前元素周期表中最輕的元素，具有分子直徑小、質量輕、密度低的特點。在相同條件下，以天然氣為參考基準，對比不同狀態下丙烷和氫相對于天然氣的泄漏率如表1 所示[3]。結果表明，與其他車用氣體燃料相比，氫本身的特性使其更容易從縫隙或者孔隙中泄漏。

表1 丙烷和氫相對于天然氣的泄漏率

②擴散性

當氫出現泄漏時，氫將在空間上快速上升，并伴隨著向各個方向迅速擴散，同時濃度顯著下降。在相同的普通環境條件下，氫的擴散系數約為0.6cm2/s，天然氣的擴散系數約為0.16cm2/s，而汽油氣的擴散系數約為0.05cm2/s，所以在相同條件下，氫比其他車用氣體或者液體燃料具有更大的擴散性。

③燃爆性

氫是一種極易燃的氣體，且無色無味。在空氣中，氫的燃燒極限范圍為4%-75%，爆炸極限范圍為13%-18.3%，可燃極限范圍和爆炸極限范圍都比較寬泛，雖然氫的燃點為574℃，但是氫在空氣中的最小著火能量僅為0.019mJ，使得氫在空氣中極容易發生快速點燃和爆炸。

④氫脆

由于氫與金屬材料長期接觸后進入其內部后，局部濃度達到飽和后引起金屬塑性下降，使得金屬材料的機械性能發生嚴重退化，誘發形成細小的裂紋而最終發生脆斷的現象。

氫燃料電池汽車在使用過程中，經常受到路況、天氣和人員等多種因素影響，極易發生碰撞，大大增加了車載氫系統氫泄漏的可能性，本文在總結國內外氫泄漏安全系統理論研究和應用設計的基礎上，對燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動安全系統進行了相關設計和研究。

2 燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動安全系統

2.1 主動安全系統的組成

為解決燃料電池汽車碰撞后氫泄漏所帶來的安全隱患，結合氫自身的物理和化學特性，將氫泄漏主動安全系統設計為感知層、決策層和執行層三個部分組成，如圖1 所示。

圖1 燃料電池汽車碰撞后氫泄露主動安全系統

感知層由布置在氫瓶和車身上的多路不同類型的傳感器組成，主要功能是檢測車輛氫泄漏情況和識別車輛碰撞狀態。決策層由燃料電池控制器（FCU）和整車控制器（VCU）組成，其主要功能是整車通過CAN 通訊網路實現FCU 和VCU 之間傳感器數據的實時交互，在VCU 判定車輛發生碰撞后分析和評估氫泄漏故障等級，同時對布置在氫瓶和車身上的執行器發送主動安全防護指令。執行層由分別布置在氫瓶和車身上的多路執行器組成，主要功能是VCU 判定車輛發生氫泄漏后，依據氫氣泄漏故障等級執行FCU 和VCU 發送的主動安全指令。

2.2 傳感器和執行器

為及時的檢測氫泄漏故障發生時刻和環境狀態，以便更好地執行氫泄漏后的主動安全策略，列舉了主動安全系統選用的傳感器和執行器的類型[4]，如表2 所示。

表2 傳感器和執行器類型

3 燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動安全系統控制策略

3.1 氫泄漏主動安全控制策略

為保證燃料電池汽車碰撞后氫泄漏時車輛和人員的安全，以VCU 控制器為主，各種傳感器、執行器為輔的氫泄漏主動安全系統分別進行車輛碰撞識別、氫泄漏識別、故障等級判定和主動安全執行等策略，如圖2 所示。

圖2 燃料電池汽車碰撞后

氫泄漏主動安全系統控制策略

3.2 車輛碰撞識別策略

車輛VCU 上電正常運行時，加速度傳感器實時將數據發送給VCU，依據加速度數值的激增變化量來判斷車輛運行狀態，如果加速度數值激增量超過限定閾值時，就可以判定車輛出現了碰撞事故。

3.3 氫泄漏識別策略

當車輛VCU 識別出碰撞狀態時，氫瓶壓力傳感器通過FCU 將數據發送給VCU，氫濃度傳感器也將數據發送給VCU，通過對比氫瓶失壓速率、氫瓶儲存艙和機艙環境中氫濃度值來判斷氫是否泄漏，如果氫瓶失壓率超過限定閾值，或者氫瓶儲存艙和機艙環境中氫濃度值達到0.4% 時，可以判定車輛出現氫泄漏故障。

3.4 氫泄漏故障等級判定策略

當車輛VCU 識別出氫泄漏故障時，由氫濃度傳感器將數據實時發送給VCU，依據采集到的氫瓶儲存艙或機艙環境中氫濃度值來判斷氫泄漏的故障等級，通過分析對比FCU 和VCU 采集的多路傳感器數據，將氫泄漏故障的危害程度分為三個等級[5]，具體故障狀態和主動安全措施如表3 所示[6]。

表3 氫泄漏故障等級

3.5 氫泄漏故障主動安全執行策略

當VCU 下達一級故障主動安全執行指令時，如圖3 所示。儀表故障燈將對駕駛員進行閃爍警示，提醒駕駛員持續關注車輛運行狀態；BCM 將故障碼進行自動保存，為后續維修時提供故障診斷數據。

圖3 氫泄漏一級故障主動安全執行策略

當VCU 下達二級故障主動安全執行指令時，如圖4 所示。儀表故障燈將對駕駛員進行常亮和蜂鳴報警，告知駕駛員車輛進入危險故障狀態，盡快前往維修站進行車輛維修；驅動電機將限定最高50% 輸出功率，車輛進入跛行模式行駛；氫瓶儲存艙和機艙排風扇啟動，以降低艙內氫濃度值，防止造成更大的危險；同時，BCM 將車輛狀態上傳云端進行故障報備，第一時間通知維修人員故障車輛的狀態，提前制定故障檢修措施。

圖4 氫泄漏二級故障主動安全執行策略

當VCU 下達三級故障主動安全執行指令時，如圖5 所示。儀表故障燈將對駕駛員進行常亮、蜂鳴和雙閃報警，告知駕駛員車輛進入嚴重故障狀態，應立即將車輛停靠在方便救援的位置，盡快疏散車輛人員到安全位置；FCU 將控制氫瓶電磁閥立即停止供氫，防止氫進一步泄漏；BCM 將車輛狀態上傳云端進行自動呼救，車門自動解鎖并將玻璃完全下降，以便對車輛人員進行迅速疏散和及時救援。同時，第一時間通知維修人員故障車輛的位置信息和故障狀態，方便維修人員及時趕往故障現場；車輛進入爬行模式，保證車輛可以就近靠邊停車；氫瓶儲存艙和機艙排風扇啟動，以便降低艙內氫濃度值，防止造成更大的危險；布置在氫瓶儲存艙和機艙環境的溫度傳感器將數據發送給VCU，依據采集到的環境溫度數值來判斷其內部溫度是否異常，如果溫度數值達到限定閾值上限，將啟動二氧化碳滅火器進行滅火和降溫，防止發生更嚴重的爆炸和火災事故。

圖5 氫泄漏三級故障主動安全執行策略

4 結語

本文通過對國內外有關文獻的調研，結合氫的泄漏、擴散、易燃易爆和氫脆四大特性，深入探討了車載用氫的安全問題。為了降低燃料電池汽車碰撞后氫泄漏的危害，開展了氫泄漏主動安全系統的設計和研究，對車輛碰撞識別、氫泄漏識別、故障等級判定和主動安全執行等關鍵控制策略進行了研究和說明，為燃料電池汽車碰撞后氫泄漏主動安全系統的進一步發展提供了一定的參考。