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燃料电池汽车碰撞标准研究
2021-11-04 18:19:23· 来源：达安之声 作者：谢潇，梁乔丹，李强红，雷斌
专家推荐本文聚焦于目前世界上最有影响的三项FCV安全标准（法规），内容详实，思路清晰，结构严谨，建议合理，对于中国的标准制定有一定的指导作用。 何云堂 中
专家推荐
本文聚焦于目前世界上最有影响的三项FCV安全标准（法规），内容详实，思路清晰，结构严谨，建议合理，对于中国的标准制定有一定的指导作用。
—— 何云堂
中国汽车技术研究中心标准化研究所 教授级高工
中国汽车工程学会汽车灯光分会 秘书长
全国汽车标准化技术委员会灯光分委会 副主任委员
联合国氢燃料电池汽车全球技术法规（GTR）非正式工作组共同副主席
燃料电池汽车碰撞标准研究
谢潇，梁乔丹，李强红，雷斌
（国家汽车质量监督检验中心(襄阳)，襄阳441004）
摘 要：燃料电池汽车已经成为汽车产业的研发的焦点，国内外规模汽车企业绝大部分都在研发燃料汽车，甚至部分企业相关车型已经量产多年，但由于燃料电池汽车的采用的主要能源是氢，其安全性备受关注，发生碰撞事故后的燃料电池汽车的安全性更是关注的重点。目前国际标准和法规中代表性的有UN R134、GTR 13及SAE J2578对碰撞试验后的安全性有相应规定和试验方法的描述。本文重点对比分析了这3个标准法规中关于燃料电池汽车碰撞后安全要求及试验方法，为我国制定燃料电池汽车碰撞后安全检测法规提供参考。
关键词：燃料电池汽车；碰撞试验；法规
Study on collision standard of fuel cell vehicle
XIE Xiao, LIANG Qiao-dan, LI Qiang-hong, LEI Bin
（Xiangyang Da An Automobile Test Center Limited Corporation, Xiangyang 441004, China）
Abstract: Fuel cell vehicles is becoming the focus of research and development in the automobile industry. Most domestic and foreign large-scale automobile enterprises are developing fuel cell vehicles, and even some of them have been mass producing fuel cell vehicles for many years. However,hydrogen, as the main energy used in fuel cell vehicles, its safety has attracted much attention, especially the safety of fuel cell vehicles after collision. At present, UN R134, GTR 13 and SAE J2578 are representative international standards and regulations, which have corresponding provisions and test methods for safety after collision test. This paper focuses on the comparative analysis of these three regulations on the post crash safety requirements and test methods of fuel cell vehicles, and provide reference for the formulation of China's fuel cell vehicle post crash safety regulations.
Key Words: Fuel cell vehicles; Crash test; Regulations
燃料电池汽车使用清洁能源氢作为能量源，可以称之为零污染；而氢能源具有高能量密度，短时间的氢能源加注就可以实现600km以上的长续航，目前依然是行业的焦点。但由于氢能源本身的不稳定性，使得燃料电池汽车的安全性也被高度重视和关注，尤其是发生碰撞事故后对人员的安全性。国内已经推出了多项燃料电池汽车相关标准，但是关于碰撞后的安全标准还是空白，本文梳理了UN R134、GTR 13及SAE J2578对碰撞试验后的安全性相关的要求以及试验方法，分析了其异同。
1 法规GTR 13、UN R134及SAE J2578的介绍
GTR 13《氢和燃料电池汽车全球技术法规》是由联合国世界车辆法规协调论坛（UN/WP.29）在2013年7月发布，所有参与缔约国一致通过了该法规，具有协调性和公认性。主要内容分为两部分，第一部分主要说明了推出该法规的目的和意义以及法规发展的各个阶段；第二部分阐述了氢燃料电池汽车安全性相关的性能要求及试验方法。GTR 13 适用于总质量不超过4536kg的使用压缩氢气存储系统的和使用液氢存储的燃料电池汽 车。目前法规第二版已经进行多轮会议讨论，距离发布已为时不远。
UN R134《氢能和燃料电池车辆》在2015年6月由欧盟发布的技术法规主要内容分为三个部分，压缩储氢系统、压缩氢气储存系统部件及车辆燃料系统，包括压缩氢气储存系统、管道、接头和含有氢气的部件。制定时参考了GTR 13，主要内容基本一致，但UN R134中没有高电压动 力系统电安全和液氢储存系统燃料电车汽车等方面内容。UN R134适用于所有使用压缩氢气存储系统的燃料电池汽车，但不包括使用液氢系统存储系统的车辆。
SAE J2578《燃料电池汽车一般安全》（推荐规程）由美国汽车工程协会燃料电池标准委员会安全工作组制定，在2002年12月11日发布，2014年8月修订版发布。该推荐规程主要内容包括燃料电池系统、燃料存储系统和高压电动力系统电安全等。本标准目的是为设计公共道路用燃 料电池汽车提供应考虑的机电系统安全指引、安全准则及方法。适用于设计用于公共道路的燃料电池汽车。
2 试验要求比较
2.1 车辆碰撞后氢系统完整性要求
GTR 13、UN R134及SAE J2578对于燃料电池汽车碰撞试验后氢系统完整性做出了要求，具体内容见表1。其中，关于碰撞后氢系统完整性的适用范围，只有UN R134做出了明确说明，即进行正面碰撞试验（参照UN R12或UN R94）、侧面碰撞试验（参照UN R95）的车辆，若不适用于上述一项或两项试验，则进行相应滑台试验，同时根据车辆类型对滑台试验条件做出了规定。
对于碰撞试验后的燃料泄漏限值，UN R134的规定为在泄漏测试时间△t内，氢气泄漏的体积流量不超过118NL/min，其中△t是通过气瓶容积、公称压力及压力传感器量程计算得出的。GTR 13对碰撞试验后60分钟内的平均泄漏量做出了要求。SAE J2578中详细地对燃料泄漏限值进行了推导计算，以FMVSS 303中对燃料泄漏热量的规定为基础，将碰撞后 60 分钟的燃烧总热量转换为标准温度和标准压力下，较低热值的氢气体积。
对于碰撞试验后车辆密闭空间浓度限值，SAE J2578没有相关要求，UN R134的要求是氢气泄漏不应导致乘员舱和行李舱空气中的氢气体积百分浓度超过的4.0%（氦气限值为3%）。如确认储氢系统的截止阀在碰撞发生后5秒内关闭，且储氢系统无泄漏，则满足要求。而GTR对氢气浓度限值的要求是3±1%（氦气限值为2.25±0.75%）。
关于储气瓶位移，GTR13和UN R134 做出了相关要求，即试验后储氢系统至少有一个连接点附着在车辆上，SAE J2578没有做出要求。
此外，UN R134还对不适用于碰撞试验的车辆的气瓶安装位置做出了要求（表 1）。
2.2 碰撞后电安全要求
GTR 13对碰撞后电安全要求进行了规定，UN R134和SAE J2578对此没有明确的要求，在 此我们选用UN R100中关于碰撞后电安全要求与GTR13进行对比，具体见表2。关于碰撞试验后电安全要求，GTR13在电能方面没有做出要求，其他方面两个标准要求基本一致。
3 试验方法对比
上述三个标准在氢燃料汽车碰撞后氢系统完整性的试验方法上有不同的要求，具体见表3，对于燃料泄漏的试验方法，三个标准的内容基本一致，都描述了加注氢气和氦气两种试验方法，其中SAE J2578通过对压力传感器的测量误差分析，得出压力泄漏应大于传感器量程的5%，通过计算可知如果储气罐的容积较大，则无法达到目标泄漏压力，因此需要延长时间周期△t。根据仿真结果，拟合出了△t的近似公式。GTR 13和UN R134对于和密闭空间浓度的试验方法基本一致，SAE J2578则未提及相关内容（表3）。
表1 碰撞试验后氢系统完整性要求及适用范围
表2 碰撞后电安全要求
表3 氢燃料汽车碰撞后氢系统完整性的试验方法
4 分析与讨论
通过上文对GTR 13、UN R134及SAE J2578中燃料电池汽车碰撞后安全性能要求及试验方法的对比分析，我国在制定燃料电池汽车碰撞安全标准法规可以从以下几个方面进行考虑：第一、燃料电池汽车可以针对性地推出一个综合性标准，性能要求中应该涵盖乘员保护、电安全及氢系统完整性要求。其中，对于乘员保护性能要求试验方法可以直接引用现有国标，如正面碰撞乘员保护引用GB 11551, 侧面碰撞乘员保护引用GB20071。对于碰撞后电安全要求，如果车辆带有B级电压电路，则可以引用GB/T31498。对于碰撞后氢系统完整性要求需要在标准法规中明确，可以从储氢装置泄漏速率、电堆及管路泄漏量、储氢系统位移及密闭空间浓度限值提出要求。第二，关于储氢装置碰撞后泄漏速率，GTR 13、UN R134及SAE J2578三个标准中对于储氢装置平均泄漏速率的要求为118NL/min，只有SAE J2578中对于118NL/min 数值来源进行了描述，FMVSS 301中 60分钟内液态燃料最大泄漏量为1.7kg，通过燃烧热值等效计算出氢燃料泄漏速率，但是气态燃料和液态燃料燃烧特性不同，在重力作用下运动形式不同，等燃烧热值的汽油与氢气对车辆与人员的伤害与威胁是不同的，基于被动安全标准要求的基本出发点是人员保护，应该进一步研究基于人员保护的平均泄漏速率限值要求。GTR 13、UN R134只是对平均泄漏速率经行了规定，没有对峰值泄漏速率提出要求，存在短时间内大量泄漏引起环境内氢气浓度达到爆炸下限带来爆炸风险，建议研究提出峰值泄漏速率要求。第三，关于碰撞试验类型，GTR 13由于世界范围内碰撞试验方法尚未协调统一，所以暂时搁置，待后续统一。UN R134要求完成正面偏置碰撞或转向管柱防伤害和侧面碰撞后需进行氢系统完整性检测，对于不适用正面碰撞或者侧面碰撞需进行加速度冲击试验并且要满足相应的安装和移动要求，没有对后碰进行要求。但是鉴于后碰对储氢系统、高压电系统的破坏程度和引起的风险，我国制定燃料电池汽车碰撞安全标准法规时碰撞试验方法应该要包括正面碰撞、侧面碰撞和后碰，对于不适用的试验应该采用加速度替代试验，采用的加速度值及持续时间可参考GB 19239。
5 结论
由于我国还没有氢燃料电池汽车碰撞试验标准，但是整车厂已经陆续推出了燃料电池汽车，为了保证该类型车辆的安全性，推动产业的健康发展，需要尽早推出燃料电池汽车碰撞安全标准法规。本文对UN R134、GTR 13及SAE J2578中碰撞相关内容进行了梳理，重点比较了试验要求和试验方法，并且结合目前我国现状提出了制定标准的建议。
参考文献：
[1]GTR No.13.Global Technical Regulation Concerning the Hydrogen and Fuel Cell Vehicles[S/OL].http://www.unece.org/trans/main/wp29/wp29wgs/wp29gen/wp29glob_registry.Html.
[2]ECE Regulation No.134.Hydrogen and Fuel Cell Vehicles(HFCV)[S/OL].https://unece.org/transport/ press/unece-adopts-global-technical-regulation safety-hydrogen-and-fuel-cell-vehicles.
[3]SAE J2578-2014: Recommended Practice for General Fuel Cell Vehicle Safety-SAE International[S/ OL].http://www.sae.org/technical/standards/ J2578_201408.
[4]刘桂彬, 孙振东, 李玉刚等.GB/T 31498— 2015电动汽车碰撞后安全要求［S］.北京:中国标准出版社，2015.
[5]赵志成, 王微, 王仁广等.GTR13和ECER134的主要内容简析[J]. 汽车零部件,2018(6).
[6]何云堂. 氢燃料电池电动汽车全球技术法规 HFCV-GTR[J]. 认证技术,2009,000(003):36-39.
论文作者
谢潇毕业于重庆大学，硕士研究生，现就职于襄阳达安汽车检测中心有限公司，主要从事电动汽车、燃料电池汽车等领域被动安全试验技术研究。
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