房永強

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023）

0 引言

燃料電池汽車是新能源汽車的重要發(fā)展方向之一，在國內(nèi)外已經(jīng)取得了一定規(guī)模的推廣應(yīng)用[1-2]，相關(guān)的安全法規(guī)和標準也在逐步完善[3]，但由于氫能不同于傳統(tǒng)燃料能源的物理特性，還存在著車載用氫的安全問題[4-5]。

本文基于某燃料電池公路客車開發(fā)項目， 從整車動力系統(tǒng)集成的安全管理與結(jié)構(gòu)碰撞防護角度出發(fā)， 對整車主被動安全進行了相關(guān)研究。

1 動力系統(tǒng)集成方案

某項目燃料電池客車動力系統(tǒng)集成方案總體架構(gòu)如圖1 所示， 集成了大功率燃料電池發(fā)動機、 高壓儲氫系統(tǒng)，以及動力電池、雙電機兩檔行星排變速驅(qū)動系統(tǒng)、多合一集成控制器等關(guān)鍵子系統(tǒng)部件。

圖1 燃料電池客車動力系統(tǒng)集成總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of fuel cell bus power system integration

其中，動力電源方案采用燃料電池-動力電池混合動力方案， 以彌補燃料電池動態(tài)響應(yīng)速度有限、 過載功率低、不能回收制動電能等問題。 車輛加速、爬坡或高速行駛時，優(yōu)先燃料電池提供電能，當功率不能夠滿足整車功率需求時，動力電池及時補充，與燃料電池組成混合電源跟隨整車功率需求變化， 通過驅(qū)動電機直驅(qū)后橋為整車提供動力。在燃料電池功率能夠滿足整車功率需求時，動力電池吸收富余功率進行補電， 車輛減速制動時也能回收制動電能。

燃料電池發(fā)動機由燃料電池電堆及其輔助系統(tǒng)構(gòu)成，輔助系統(tǒng)包括了燃料供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)[6]。 其中，控制系統(tǒng)負責(zé)實時采集和監(jiān)控燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部電壓、電流、氣壓、流量、溫度等多個變量，根據(jù)燃料電池工作狀態(tài)對參量進行調(diào)節(jié)和控制，并與整車控制器進行通信交互，在整車運行工況下保障燃料電池運行在最佳工作狀態(tài)。

儲氫系統(tǒng)采用70MPa 高壓IV 型碳纖維儲氫瓶，由塑料內(nèi)膽纏繞碳纖維增強層形成耐壓氣瓶，與瓶口閥、管路系統(tǒng)、防護框架等配套組件集成為車載儲氫系統(tǒng)。根據(jù)續(xù)駛里程要求選型140L 的8 瓶組方案，氣瓶組通過框架集中固定，為充分利用安裝空間，氣瓶組采用斜向疊加方式布置，縮小縱向尺寸，更好的適應(yīng)整車布置。

2 系統(tǒng)集成安全管理

燃料電池客車運行過程中，車輛控制系統(tǒng)會實時監(jiān)控各系統(tǒng)部件狀態(tài)和故障信息，對電壓、電流、溫度、絕緣電阻、煙霧、氫氣、碰撞等與安全相關(guān)的重要參數(shù)進行綜合檢測，根據(jù)故障部件及嚴重程度執(zhí)行相應(yīng)的保護措施。 整車動力系統(tǒng)集成主要的安全管理單元由圖2 所示構(gòu)成。

圖2 燃料電池整車主要的安全管理單元Fig.2 Main safety management units of fuel cell vehicles

參考ASIL 等級的安全目標[7]總體定義，從整車安全行駛考慮進行功能分解， 定義了一種四級分類故障及相應(yīng)的處理機制：

（1）四級故障：最高級別起火風(fēng)險故障，整車立即切斷電機扭矩，車速低于5km/h 時切斷所有高壓回路；系統(tǒng)進入鎖止狀態(tài)，未重新上電不能復(fù)位。

（2）三級故障：次高級別系統(tǒng)嚴重故障，整車限功率直至切斷電機扭矩， 當車速低于5km/h 時根據(jù)故障類型切斷相應(yīng)高壓回路；停車后若故障消除，系統(tǒng)進入扭矩恢復(fù)模式。

（3）二級故障：一般性故障，整車維持限功率、限車速的跛行回廠模式。

（4）一級故障：充電/加氫提醒、里程不足、一般性設(shè)備故障等儀表提示告警。

燃料電池系統(tǒng)集成的安全性是燃料電池客車整車安全的重要保障[8]。 在以上整車級故障處理機制基礎(chǔ)上，結(jié)合燃料電池系統(tǒng)從輕到重的故障特征， 可進一步制定相應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)故障分級響應(yīng)策略：

（1）當燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，燃料電池控制系統(tǒng)向整車控制系統(tǒng)請求停機， 而后整車依靠動力電池輔助電源，可切換為純電行駛狀態(tài)下的限功率、限車速跛行模式。

（2）當燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生一般性故障，燃料電池還能降額使用時， 整車控制系統(tǒng)可以根據(jù)燃料電池功率限額調(diào)整能量管理策略，使整車進入燃料電池-動力電池混動狀態(tài)下限功率、限車速跛行模式。

（3）燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生警告提示故障時，按整車一級故障級別發(fā)送儀表提示。

此外，其他系統(tǒng)安全管理單元的主動請求保護，以及煙霧報警、氫氣報警、碰撞報警等安全特征發(fā)生時，也應(yīng)觸發(fā)燃料電池系統(tǒng)響應(yīng)控制或進入停機保護流程， 尤其是當報警達到最嚴重程度時， 需同步控制氫氣瓶閥門關(guān)閉，以確保燃料電池、氫系統(tǒng)及整車始終處于安全狀態(tài)，主要措施有：

（1）為了保障極端情況下，駕駛員能主動切斷供氫系統(tǒng)保障車輛安全，車輛儀表臺設(shè)置“氫閥急斷”控制開關(guān)，觸發(fā)開關(guān)時整車控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機指令， 控制燃料電池系統(tǒng)停機并關(guān)閉氫氣閥門。

（2）當煙霧傳感器檢測到煙霧顆粒濃度過高時，觸發(fā)煙霧報警，整車控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機指令，控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機下電并關(guān)閉氫氣閥門。

（3）當氫濃度檢測傳感器檢測到氫氣達到報警濃度時，觸發(fā)氫泄漏報警，整車控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機指令，控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機下電并關(guān)閉氫氣閥門。

（4）當車輛發(fā)生碰撞事故，碰撞檢測傳感器觸發(fā)報警時，整車控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機指令，控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機下電并關(guān)閉氫氣閥門。

（5）當動力電池、驅(qū)動電機控制器等其他安全部件，發(fā)生嚴重過壓、過流、過溫、絕緣過低等整車四級故障時，整車控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機指令， 控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機下電并關(guān)閉氫氣閥門；發(fā)生整車三級故障時，整車控制器發(fā)送待機指令，燃料電池系統(tǒng)進入待機狀態(tài)；發(fā)生整車二級故障時，整車控制器按燃料電池系統(tǒng)中、低檔發(fā)電功率發(fā)送請求指令，限制燃料電池系統(tǒng)發(fā)電功率；發(fā)生整車一級故障時，燃料電池系統(tǒng)工作不影響。

綜上， 燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的故障分級響應(yīng)處理流程邏輯如圖3 所示。

圖3 基于整車故障分級流程的燃料電池系統(tǒng)安全管理思路Fig.3 A safety management approach for fuel cell systems based on the whole vehicle fault classification process

3 關(guān)鍵部位碰撞分析

相比于其他新能源汽車類型，燃料電池車輛增加了燃料電池系統(tǒng)和車載氫系統(tǒng)，這兩個關(guān)鍵部件涉及到儲氫、用氫的整車安全，如果在碰撞事故中受到侵入破壞，可能會造成氫氣泄漏引發(fā)火災(zāi)[9]，因此重點對兩者安裝部位防護強度進行碰撞仿真分析。

3.1 整車系統(tǒng)布置設(shè)計

首先， 對燃料電池客車動力系統(tǒng)進行布置設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全考慮。 項目原基礎(chǔ)車型平臺側(cè)圍骨架、頂蓋骨架及艙立柱均采用封閉環(huán)設(shè)計，在進行燃料電池整車平臺開發(fā)時需提升中段承重能力與碰撞保護能力[10]，以適應(yīng)車載氫系統(tǒng)安裝集成； 后部層疊式骨架也需適應(yīng)性調(diào)整，形成足夠的安裝空間，滿足大功率型燃料電池系統(tǒng)的布置。

基于以上思路， 對圖1 中整車動力系統(tǒng)進行三維總布置設(shè)計，如圖4 所示。

圖4 燃料電池客車動力系統(tǒng)集成布置方案Fig.4 Integrated layout plan for the power system of fuel cell buses

由于燃料電池客車車身較高， 氫氣瓶如果頂置對造型影響較大，并且對車身結(jié)構(gòu)強度要求極高，側(cè)翻安全性也有較大風(fēng)險?？紤]到公路客車下部行李艙空間較大，可用來承載氫系統(tǒng)，因此氫氣瓶組集中布置于行李艙中部，避免車輛因前、后碰撞受到擠壓。氫氣瓶艙兩側(cè)設(shè)計有防護裝置，從側(cè)面加強氫氣瓶的結(jié)構(gòu)安全，側(cè)面碰撞防護在后續(xù)章節(jié)進行仿真分析?？紤]到涉氫安全性，中部艙體還需進行氫氣逸散及排放的特殊設(shè)計，包括：①艙體立面及頂部采用無縫、無孔設(shè)計，避免縫隙及孔洞出現(xiàn)；②頂部中間位置跑道梁取消檢修面板，改至車內(nèi)地板檢修口，防止氫氣進入跑道梁內(nèi)積聚，產(chǎn)生危險；同時，艙頂部采用斜面設(shè)計，將氫氣引流至車身邊緣排出；③艙門高處增加格柵，保證艙體內(nèi)氣流流動，有利于艙內(nèi)空氣流暢；④氫系統(tǒng)排空口、泄放口均通過管路引至車頂排放，確保排出的氫氣不在艙內(nèi)停留；⑤由于燃料電池系統(tǒng)布置于后艙，氫氣管路通過跑道梁引至車尾部，內(nèi)部對高壓線束、低壓線束及管路采用分離布置設(shè)計，保持安全距離。

車輛后部高壓設(shè)備艙， 主要布置燃料電池發(fā)動機、多合一集成控制器、動力電池等部件。其中，多合一集成控制器布置于右側(cè)，冷卻及進排氣放置于車輛左側(cè)，燃料電池發(fā)動機布置于中間位置，離地高度達530mm；燃料電池電堆集成于本體框架內(nèi)，與車架尾橫梁構(gòu)成雙重防護，保證燃料電池電堆不易受外部碰撞。 動力電池箱采用中2 后2方式布置于車輛中部和后部空間，動力電池組側(cè)面設(shè)計有防護裝置，離地高度達400mm，滿足車輛涉水深度要求。

3.2 側(cè)面碰撞仿真

對燃料電池客車中部氫氣瓶組安裝部位的碰撞防護進行仿真分析。試驗時，移動壁障對車輛最薄弱位置進行撞擊，并同步分析碰撞對氫氣瓶組的影響。

首先，將整車三維CAD 模型導(dǎo)出的STEP 格式文件，導(dǎo)入到HyperMesh 中建立整車有限元CAE 模型， 在建模過程中，有限元模型進行相應(yīng)合理簡化[11]，如圖5 所示。定義移動臺車、 碰撞裝置為剛性的鋼制結(jié)構(gòu)， 碰撞速度為（50±2）km/h，移動臺車和碰撞裝置總質(zhì)量為（1100±20）kg。

圖5 側(cè)面碰撞有限元分析模型Fig.5 Finite element analysis model for side impact

側(cè)面碰撞過程的能量曲線仿真結(jié)果如圖6 所示。 從圖中可知，撞擊過程分為撞擊和回彈兩個階段，從開始時刻到0.04s 是撞擊階段，之后是回彈過程。 整個過程中系統(tǒng)動能逐漸轉(zhuǎn)換為材料變形的內(nèi)能，到終止時間0.12s 最大能量損耗比值為-7.4%，質(zhì)量增加比例為3.2%，能量損耗結(jié)果和質(zhì)量增加比例都處于正常范圍。

圖6 側(cè)面碰撞能量曲線仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of side impact energy curve

側(cè)艙門上分布的各處測量點侵入距離仿真結(jié)果如圖7 所示。最大侵入量為132.349mm，未碰及氫氣瓶組，氫氣瓶處于安全位置，骨架設(shè)計的側(cè)面強度可靠。

圖7 側(cè)艙門測量點侵入量Fig.7 Side hatch measurement point intrusion volume

氫氣瓶組及安裝支架應(yīng)力分布如圖8 所示， 結(jié)果顯示氫氣瓶支架最大應(yīng)力值為266.2MPa， 低于材料的屈服強度345MPa，固定結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

圖8 氫氣瓶組支架應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of hydrogen bottle group bracke

3.3 后部碰撞仿真

客車后碰撞時，后圍骨架和車架是主要的受力區(qū)域，也是主要的力傳遞路徑，側(cè)圍骨架、頂蓋骨架是次要的力傳遞路徑，碰撞力由后圍蒙皮、后圍骨架以及同車架尾端相連的后保險杠、后縱梁、后橫梁依次向車身前段骨架傳遞[12]。 進一步的，設(shè)置后部碰撞邊界條件，通過網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定、質(zhì)量配重，定義碰撞臺車屬性，建立后部碰撞的CAE 仿真模型，如圖9 所示。

圖9 后部碰撞有限元分析模型Fig.9 Finite element analysis model for rear impact

后部碰撞過程的能量曲線仿真結(jié)果如圖10 所示，能量數(shù)值沒有發(fā)生突變，能量轉(zhuǎn)換正常，沙漏能與接觸能比值小于5%； 側(cè)碰壁障與后圍發(fā)生了劇烈的碰撞與摩擦，總能量一部分被接觸摩擦消耗掉了，轉(zhuǎn)換成了接觸能，總體來說，能量變化在合理的范圍內(nèi)。

圖10 后部碰撞能量曲線仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of rear collision energy curve

同樣，通過軟件分析碰撞歷程，避障小車與車身最大接觸時刻為60ms，此時燃料電池發(fā)動機框架沒有受到外部侵入，燃料電池電堆未受到破壞，后尾骨架和防護措施能起到保護效果。

4 結(jié)論

本文針對燃料電池客車動力系統(tǒng)集成主被動安全問題，特別是故障安全管理與布置結(jié)構(gòu)防護兩方面進行了研究，提出了基于整車故障處理流程的燃料電池系統(tǒng)安全管理的思路，以及完成了燃料電池整車涉氫結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動力系統(tǒng)的布置設(shè)計，相關(guān)的思路和措施能有益于提高燃料電池客車系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)安全，保障車輛的安全使用。