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

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]。

①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。

表1 丙烷和氢相对于天然气的泄漏率

②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。

③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。

④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。

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。

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]。

表3 氢泄漏故障等级

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。

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

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。

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。