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干货 | 车用燃料电池系统氢安全控制综述
2022-02-07 22:43:12· 来源：《汽车文摘》
随着新能源汽车产业的发展，高效环保的氢燃料电池车备受瞩目，氢安全问题更是关注的焦点。本文首先介绍了氢的特性和典型的燃料电池氢系统构成，概述了国际上燃料
随着新能源汽车产业的发展，高效环保的氢燃料电池车备受瞩目，氢安全问题更是关注的焦点。本文首先介绍了氢的特性和典型的燃料电池氢系统构成，概述了国际上燃料电池汽车氢安全相关的标准法规，其次，着重从加氢、储 氢、氢泄露和整车紧急状态等四方面介绍了氢系统的安全控制策略，最后从氢安全知识普及、标准法规完善和氢安全策略等角度进行了总结和展望。
1 前言
随着人们生活水平的提高，汽车保有量逐渐增加，同时环境问题也受到了广泛关注，因此汽车行业也正积极推动变革，努力推广新能源汽车。其中，氢燃料电池汽车作为众多新能源汽车形式中的重要分支，其通过氢和氧的反应直接将化学能转换为电能提供动力，因其具有高效率和近零排放的优点，被世界各国普遍认为具有广阔的发展前景。燃料电池汽车的燃料是氢气，由于氢气本身的特性，使得燃料电池汽车氢系统的安全性成为人们首先关心的问题，因此，为了燃料电池汽车的推广和使用，有必要对燃料电池汽车的氢系统安全性进行研究。
本文在介绍燃料电池氢系统构型和氢安全相关标准的基础上，探讨了燃料电池氢系统在各使用环节的氢安全控制策略，并在此基础上进行了总结与展望。
2 氢特性及燃料电池氢系统概述
2.1 氢特性
在常温常压下，氢气是一种无色无味无毒的气体。从氢安全的角度考虑，其具有以下五大特点：
(1)易燃性：氢气是一种极易燃的气体，燃点只有574℃，同时氢气和空气混合时可燃范围非常广，使得氢气很容易快速点燃，又由于氢气密度低，因此氢气燃烧后火焰上升也很快；
(2)爆炸性：氢气爆炸极限的体积分数在4～75%之间，相比甲烷的5～15%，其爆炸极限体积分数的范围很宽，为了避免爆炸，需将氢气浓度控制在 4%以下，通常的做法是使用氢浓度传感器实时监控，并在必要的时候使用风扇排风降低浓度；
(3)泄露性：氢在元素周期表中排在第一位，氢分子直径小质量轻，与其他气体或液体燃料相比就更容易从缝隙或孔隙中泄露；
(4)扩散性：与其他气体或液体燃料相比，氢气在空间上能够以很快的速度上升，同时进行快速的横向移动扩散，因此当氢气泄漏时，氢气将沿着多个方向迅速扩散，并伴随着氢气浓度下降；
(5)氢脆：氢气与金属材料长期接触或进行特定工艺过程时，金属材料发生了氢渗透或者吸氢现象，并使材料的机械性能发生了严重退化，进而发生脆断。
2.2 车载燃料电池氢系统
氢系统是燃料电池汽车上动力系统的重要组成之一，其主要功能是为燃料电池系统供给反应所需的氢气，典型的氢系统示意图如图1所示。
氢系统的部件主要包括加氢口、氢气过滤器、单向阀、减压阀、电磁阀、排空口、限流阀、安全阀、针阀、温度传感器、压力传感器和氢系统控制器等。
图1 燃料电池氢系统示意图
在氢气安全系统中，氢气使用安全分为两类，即被动安全系统和主动安全系统。
被动安全系统包括的部件为排空口和氢瓶及氢管路上的安全阀，其部件特征为无需电气控制的机械部件，例如当管道内氢气压力过高时，安全阀会打开，过压的氢气就可以通过氢管路从排空口排到空气中。
主动安全系统是可通过电气控制的系统，其以氢系统控制器为核心，以氢系统各传感器、整车的部分传感器和其他控制器发送的信号等作为信息读取来源，以可控的电磁阀作为执行部件，当各传感器监控的状态出现异常时，能够主动控制阀门动作，关闭供氢系统，进而保证车辆和人员的安全。
3 燃料电池氢安全法规
燃料电池汽车的氢安全总是让人们充满担忧，美国能源部在氢安全的规范中也提到了保证安全是推进氢燃料电池汽车商业化的基础，为了确保燃料电池汽车的安全性达到传统汽车的水平，需要制定严格的法规和标准，进而在法律层面得到强制安全保证。提到氢燃料电池汽车的安全，人们最关心的就是氢泄露和氢排放等氢气使用相关的问题。无论是国际上还是国内与燃料电池汽车相关的标准中，都提到了氢安全性的问题。国际上与氢燃料电池相关的比较有代表性的标准为以下三项：国际标准化组织发布的与氢安全防护相关的ISO 23273:2013、全球统一汽车技术法规发布的GTR 13和SAE International发布的SAEJ2578。
3.1 ISO 23273:2013标准
该国际标准规定了燃料电池汽车车内外的氢安全防护和对人体防护方面的很多要求。该标准适用的范围是用压缩氢气作为燃料电池动力系统燃料的燃料电池汽车，该标准关注的侧重点是车辆在正常操作时的情况和车辆单点故障时的情况，同时对具体的要求只做了概述性的规定。例如该标准指出：在预设的区域内，比如无机械通风的车库、靠机械通风的建筑物或室外等场所，都必须满足车内外的正常排放均为不可燃的法规要求。
3.2 GTR 13法规
该法规是燃料电池安全的基础性法规，其适用于标称工作压力不超过70 MPa且最大加注压力为1.25倍标称工作压力的氢系统，同时要求该氢系统必须是稳固地连接在汽车上的。该法规规定了正常使用情况和碰撞等特殊情况下，氢气的泄露、排放和报警故障的要求，规定了系统的完整性以及具体测试方法。该法规明确规定了氢泄压系统、排气系统的具体要求，例如其规定：车辆尾排系统的氢气浓度，平均体积浓度任何时刻不允许超过8%，在连续测量的3s时间内，浓度不允许超过4%。此外，该法规还规定了故障、氢泄漏和信号报警灯等多种情况下的具体要求。
3.3 SAE J2578标准
该标准不仅规定了燃料电池汽车的安全准则和方法，也规定了相关子系统的安全准则，提出了氢燃料电池系统集成在整车上的特殊要求，同时该标准还具体规定了氢燃料电池系统的具体要求和试验方法。标准对燃料电池系统完整性进行了具体要求，对浸水、失效安全关断、汽车舱内潜在危险等情况进行了要求，也对排放、吹扫、通风和其他正常气体排放应满足的条件进行了要求。此外，标准还规定了正常汽车排放测试和汽车不当或不利操作测试的标准和条件。
4 氢系统安全控制策略
为了保证燃料电池汽车的安全运行，以氢系统控制器为主，各传感器和执行部件为辅的氢管理系统发挥着重要的作用。在正常工作时，氢管理系统与燃料电池控制系统通信，在不同的网络架构中氢管理系统也与整车控制系统通讯。按照氢管理系统的工作场景，氢系统的安全控制策略分为以下四个方面：加氢安全策略、储氢安全策略、氢泄露及排氢安全策略和碰撞及整车紧急安全策略。
4.1 加氢安全策略
在国内外，燃料电池汽车的储氢形式以高压气态储氢为主，目前储氢压力分为两个等级，即35MPa和70MPa。在高压氢气加注过程中，车载氢瓶内氢气容易快速升温，存在安全隐患。
为了实现氢气的安全快速加注，常采用氢气预冷、温升控制和分级优化加注策略相结合的方法，同时车载氢管理系统与加氢站通过红外信号实时通讯，时刻检测加注过程中的各项参数。
氢气预冷：如果气源为常温，则在氢气加注过程中，气瓶温度会快速增加，并很容易达到氢瓶的安全温度限制，如果此过程靠自然冷却，则加注时间会很长，也就无法达到快速加注的目标，所以在氢气加注之前，通过对氢气进行制冷，使气源温度达到-40 ℃，然后再用低温氢气进行加注。
温升控制加注：在氢加注过程中，即使进行氢气预冷，也不能保证加注流量很大时气瓶温度始终在安全限值以下，因此为了平衡氢气加注速度和氢瓶温升，需要通过控制气瓶内的压力上升速度和氢气加注流量的方式控制气瓶温度。
分级加注：通常加氢站的储氢罐按照压力级别分成三组，压力从高到低分别是高级瓶组、中级瓶组和低级瓶组。在加注过程中，加氢机将按照控制程序，按照从低压到高压的顺序依次供应氢气。其中，气源阶梯切换的判断常以气瓶内平均压力变化速率为依据，进而可按照低级瓶组到中级瓶组再到高级瓶组的顺序从各级储氢罐中取气，按照此方式也提高了各级储氢罐中的氢利用率。氢气的分级加注流程如图2所示。
图2 氢气分级加注流程图
4.2 储氢安全策略
为了保证储氢安全，氢管理系统需要监测氢瓶内的温度和压力，监测管路上的压力，同时还需监测各传感器、执行器以及通讯信号的通断等，并结合实际情况进行故障上报和处理。典型氢管理系统的传感器和执行器信号类型和特点如表1所示。
表1 氢管理系统传感器和执行器信号类型
氢系统控制器读取传感器信号，并通过相应的策略进行参数计算。以氢瓶内压力监测的计算为例，首先氢控制器按照预设的采样速率，如每10 ms采集一次氢瓶内压力，连续采集6次，并计算出这6次压力的最大值和最小值，将6次采样的压力值求和，再减去最大值和最小值，最后除以4得到的就是去除极值后的平均值，该数值作为氢气压力的有效值。每一次有效值时的获取，都将重新采样6次新的压力值，然后再按照上面的方式进行计算。
氢系统控制器还需对计算后的参数进行判断和故障处理。例如，在氢瓶的温度超过报警温度时，氢系统控制器会发出控制信号立即关闭电磁阀，并将报警信号发送给整车控制系统和燃料电池控制系统，发送请求结束系统工作的请求，发送的信号中也包括故障气瓶编号的信息，并在仪表上提示驾驶员，同时使用声音提醒驾驶员采取紧急安全措施。
4.3 氢泄露及排氢安全策略
由于氢气的易燃易爆特性，对氢泄露和排氢浓度的监控和处理显得尤为重要。
在燃料电池系统工作中，为排出氢气路蓄积的水，需要按照一定的时间间隔进行排气操作，不可避免会有少量氢气排出系统，而为了保证安全，必须确保排出其他的氢浓度低于可燃值。因此，常规方案是将排出的氢与空气路排出的废气在混合腔内充分混合，同时监测排氢的浓度，当排氢浓度高于预设的限值时，需降低排氢时间，同时增加空气的排气量使排出的混合气低于预设值。
一般情况下，常采用高精度的氢气浓度传感器监控氢泄漏，为实现实时监控车内氢含量的目标，需要在燃料电池发动机附近、乘客舱顶棚和储氢瓶附近布置多个传感器，任何监控的位置发生氢泄漏，均需要采取安全措施，确保车辆和乘客安全。氢泄露传感器的布置如图3所示，图中传感器布置在了后备箱的最高点①、乘客舱②和前机舱③附近，有的传感器布置方案也在储氢瓶口处增设氢传感器。氢系统控制器将多个氢浓度传感器的采集值进行处理，并取其中的最大值作为氢泄露的报警值，氢系统控制器会将该最大值上报燃料电池控制系统和整车控制系统，当最大值超过限值时，氢系统控制器还将发送报警信息，并执行相应的举措。
图3 氢泄露传感器布置示意图
氢泄漏报警分为四类，其一是氢浓度传感器故障，另外三类是三级泄露报警，按照氢泄露浓度不同依次为轻度报警、中度报警和紧急报警。轻度报警又称一级泄露报警，指空气中的氢含量在0.4%到1%之间，氢系统控制器将轻度氢气泄露报警信息上报燃料电池控制器系统和整车控制系统，并提示驾驶员有氢泄露异常；中度报警又称二级泄露报警，指空气中的氢含量在1%到2%之间，氢系统控制器将向燃料电池控制器系统和整车控制系统上报严重的氢气泄露报警，并提示驾驶员立即停车；紧急泄露报警又称三级泄露报警，指空气中的氢含量超过2%时，氢系统控制器向燃料电池控制器系统和整车控制系统上报紧急泄漏报警，同时进入故障处理模式，立即关闭氢瓶上的电磁阀，并声光报警提示司机氢气泄露，具体控制措施如表2所示。
4.4 整车紧急状态安全策略
车辆出现碰撞、燃料电池电堆故障或其他整车紧急状态下，氢系统也将进行相应的措施来保证安全。
在部分燃料电池系统中，除了通过CAN总线在各控制器之间传输报警信号之外，还设计了应急硬线连接装置，能够保证系统有效并可靠地快速响应。具体硬线应急安全原理如图4所示。图中的应急安全硬线装置由碰撞开关、急停开关、氢系统控制器控制端和整车控制控制端等四个端口同时控制，实际应用中控制端口也可以按照相同的原理增加或减少。
表2 氢泄露报警控制措施
当急停开关或碰撞开关断开时，之前保持高电平的安全线将变为低电平，氢系统控制器和整车控制器都将收到低电平应急信号，氢系统将进入安全应急状态，停止供氢并报警提示。当整车控制器识别出整车异常或燃料电池系统异常时，将把安全线拉为低电平，通知氢系统或其他获取该信号的系统进入安全应急状态。同样的，氢系统控制器也能拉低安全线并让系统进入安全应急状态，来达到保证车辆及人员安全的目的。
图4 应急安全原理示意图
5 总结与展望
（1）氢由于其固有的特性，氢安全问题在一定程度上制约了氢燃料电池汽车的应用和发展，因此让更多人了解氢气，了解燃料电池氢系统以及了解氢应用的安全实例就显得尤为重要。在氢能相关技术进步的同时，做好氢安全知识的科普具有重要意义。
（2）我国在燃料电池汽车领域的起步相对较晚，虽然已经发布了氢安全相关的标准法规，但仍需在实践中不断完善和补充，进而从法律角度严格保障燃料电池汽车的安全性与传统车相当。
（3）燃料电池汽车氢安全策略已基本形成了比较完善的框架，在加氢、储氢、排氢、氢泄露及紧急情况等各环节均能保证安全，随着仿真模拟的进步，安全试验的积累和优化，多种故障分析方法的广泛应用以及传感器技术不断提高，必将推动燃料电池汽车商业化、规模化、产业化发展的历史进程。
声明：文章来源于期刊-《汽车文摘》。
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