摘 要：【目的】為解決氫燃料電池汽車車載氫存在的安全問題，保證燃料電池汽車能長周期運(yùn)行安全?；跉涞奶匦约叭芷诶碚摚岢鋈芷谲囕d氫安全策略，并進(jìn)行車載氫安全檢測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計?！痉椒ā渴紫?，利用集成化的ESP-12F Wi-Fi 模組設(shè)計來制作設(shè)備端，用于數(shù)據(jù)的在線采集。其次，基于百度智能云平臺構(gòu)建物接入（IoT Hub）、時序數(shù)據(jù)庫（TSDB）和物可視（IOTV）等數(shù)據(jù)處理模塊，用于數(shù)據(jù)的云端互聯(lián)。【結(jié)果】通過模擬測試，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度、氫氣泄漏量等安全指標(biāo)數(shù)據(jù)的在線采集、存儲、展示和超值報警等功能，還將設(shè)備端采集到的數(shù)據(jù)以時間序列存儲至云端數(shù)據(jù)庫?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可為全生命周期內(nèi)燃料電池汽車用氫狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)支持，是解決燃料電池汽車車載氫安全問題的一種新技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車；全生命周期；車載氫安全；安全策略

中圖分類號：TM93" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）02-0014-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.003

Abstract：[Purposes] This paper aims to solve the hydrogen safety problem of hydrogen fuel cell vehicles and ensure the safety of the long-term operation of fuel cell vehicles. Based on the characteristics of hydrogen and the whole life cycle theory， a whole life cycle on-board hydrogen safety strategy is proposed， and the software and hardware design of the on-board hydrogen safety detection system is carried out. [Methods] First， the integrated ESP-12F Wi-Fi module" was used to design and manufacture the device side for online data collection. Secondly，" Baidu’s intelligent cloud platform was used to build data processing modules such as Internet of Things Hub （IoT Hub）， time-series database（TSDB） and Internet of Things Hub Visualization （IOTV），" which are used for cloud interconnection of data. [Findings] Through the simulation test， the system not only realizes the functions of online collection， storage， display and over-value alarm of safety index data such as environmental temperature and humidity and hydrogen leakage， but also stores the data collected on the equipment side to the cloud database in a time series. [Conclusions] The results show that the system can provide data support for the analysis of the hydrogen status of fuel cell vehicles in the whole life cycle， which is a new technical solution to solve the hydrogen safety problem of fuel cell vehicles.

Keywords：hydrogen fuel cell vehicle; whole life cycle theory; on-board hydrogen safety;safety strategy

0 引言

2019年，氫能源首次被寫入《政府工作報告》中，要求推動充電、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2020年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）中指出，到2035年，氫燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用［1］。氫燃料電池汽車發(fā)展步入快車道，其車載氫安全問題事關(guān)用車安全，引起人們的廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對車載儲氫系統(tǒng)、車載供氫系統(tǒng)、氫安全控制系統(tǒng)和車內(nèi)外氫安全防護(hù)系統(tǒng)等開展了廣泛的研究與應(yīng)用，并取得良好的成果，保證氫燃料電池汽車能一定周期內(nèi)安全運(yùn)行。而車載氫安全涉及燃料電池汽車的設(shè)計、制造、使用和報廢等全過程，對其開展全生命周期的載氫安全問題研究，實(shí)時在線分析、判斷用氫安全狀態(tài)，有利于保證氫燃料電池汽車的長周期安全運(yùn)行。本研究從可靠性出發(fā)，先構(gòu)建全生命周期車載氫安全策略，再利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云平臺來設(shè)計車載氫安全檢測系統(tǒng)，最后對系統(tǒng)進(jìn)行模擬測驗(yàn)。

1 全生命周期車載氫安全策略

1.1 全生命周期車載氫安全模型

氫是最輕的元素，容易泄漏，且泄漏后會迅速向外、向上擴(kuò)散。氫氣和空氣混合物的燃爆極限寬、著火能小、容易燃爆，且高壓儲氫瓶易發(fā)生氫脆。氫氣易泄漏、擴(kuò)散、燃爆、氫脆等特性給氫燃料電池汽車的使用埋下了安全隱患［2］。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，通過構(gòu)建氫安全管理系統(tǒng)以防范事故發(fā)生。但從保證氫安全系統(tǒng)可靠性及長周期安全運(yùn)行角度出發(fā)，還要引入全生命周期理論。

全生命周期是指一個項(xiàng)目或事物“從有到無”的全過程。全生命周期管理是一種以時間和空間為維度開展的全過程管理，常用于設(shè)備管理中，對設(shè)備規(guī)劃、設(shè)計、制造、選型、購置、安裝、使用、維護(hù)、改造更新直至報廢等環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程管理。目前，全生命周期理論在車輛中的研究與應(yīng)用多聚焦在環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、質(zhì)量效益等方面。例如，于亞梅［3］對比柴油重型車，從全生命周期的能耗、溫室氣體及大氣污染物排放量三個方面評估氫燃料電池重型車節(jié)能減排效果；柴瑞松等［4］通過計算不同能源貨車在相同載貨量下其全生命周期總成本，確認(rèn)新能源貨車經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；吳志林［5］結(jié)合汽車零部件質(zhì)量管理實(shí)踐，建立零部件全生命周期的供應(yīng)商質(zhì)量管理體制。當(dāng)前，在車載用氫安全方面中基于全生命周期理論的研究較少，鑒于氫燃料電池汽車產(chǎn)出與使用數(shù)量不斷增加，加入數(shù)量維度，從時間、空間和數(shù)量三個維度建立氫燃料電池汽車全生命周期車載氫安全模型，如圖1所示。

在全生命周期車載氫安全模型中，歸類分析氫燃料電池汽車有關(guān)氫安全的主要標(biāo)準(zhǔn)［6］，梳理氫氣泄漏量、環(huán)境溫濕度、供氫系統(tǒng)壓力及流量等主要安全指標(biāo)對車載氫安全運(yùn)行的重要影響。以氫氣泄漏量為例，從三個維度定性分析其對車載氫安全狀態(tài)的影響。

1.1.1 時間維度。隨著用車時間的推移，與氫氣泄漏相關(guān)的檢測儀表會因老化而性能下降，甚至失效，如不及時考慮這些因素的變化，將會產(chǎn)生不可預(yù)知的安全風(fēng)險。此外，氫氣泄漏量在單位時間內(nèi)快速升高，此時雖未報警，但安全風(fēng)險卻在積聚。需要分析判斷用車時長、參數(shù)變化率等時間因素對氫安全狀態(tài)的影響。

1.1.2 空間維度。人車所處空間不同，氫氣泄漏后對人車安全的影響也不同。由氫氣泄漏與燃燒特性可知，氫氣在封閉空間內(nèi)發(fā)生泄漏時比空曠空間發(fā)生泄漏對人車安全更為不利。此外，隨著車輛所處環(huán)境的溫濕度變化，載氫部件的承壓能力也會隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致氫氣泄漏的可能性增大。此時，要分析判斷人車所處空間、車輛所處環(huán)境等空間因素對氫安全狀態(tài)的影響。

1.1.3 數(shù)量維度。在空間環(huán)境不變的前提下，隨著燃料電池汽車在途使用基數(shù)增大，由氫氣泄漏性決定，因氫氣泄漏而導(dǎo)致的安全隱患數(shù)量將增加，在相對封閉環(huán)境內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏積聚的概率也會隨之增加，導(dǎo)致發(fā)生的爆炸風(fēng)險也相應(yīng)增加。此時，需要分析判斷車輛在途使用數(shù)量、乘車人數(shù)等數(shù)量因素對氫安全狀態(tài)的影響。

1.2 全生命周期車載氫安全策略

研究時間、空間和數(shù)量等因素對燃料電池氫安全狀態(tài)的影響，并制定相應(yīng)的安全策略。本研究從全生命周期、信息技術(shù)、宏觀管理、微觀管理這四個層面出發(fā)，構(gòu)建全生命周期車載氫安全策略。

1.2.1 全生命周期層面。跟蹤、記錄和分析氫燃料電池汽車設(shè)計、制造、使用和報廢等全生命周期過程中的各項(xiàng)信息指標(biāo)，并判斷氫安全指標(biāo)對車載氫安全的影響。

1.2.2 信息技術(shù)層面。利用大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云平臺等信息技術(shù)采集氫安全指標(biāo)各項(xiàng)參數(shù)，并利用云計算及人工智能對各種安全指標(biāo)進(jìn)行分析、評判，做到氫安全數(shù)據(jù)可記錄、可追溯；打破時空限制，準(zhǔn)確掌握車載氫安全運(yùn)行數(shù)據(jù)，不斷提升氫安全管理策略。

1.2.3 宏觀層面。政府及行業(yè)利用云端管理服務(wù)平臺，建立燃料電池汽車安全評價管理模型，完善氫燃料電池汽車車載氫安全標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.4 微觀層面。企業(yè)對采集到的動態(tài)數(shù)據(jù)開展科學(xué)研究，開發(fā)、優(yōu)化燃料電池汽車氫安全管理系統(tǒng)，保證車輛運(yùn)行安全。

2 全生命周期車載氫安全檢測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

實(shí)施全生命周期車載用氫安全策略是一個長周期的過程，要先設(shè)計一套在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集、存儲和顯示氫安全指標(biāo)數(shù)據(jù)。本研究選擇溫度、濕度和泄漏量這三個較為重要且便于測試的氫安全檢測指標(biāo)，用于模擬測驗(yàn)，為實(shí)車驗(yàn)證和后續(xù)分析數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。氫安全檢測指標(biāo)見表1。

車載氫安全檢測系統(tǒng)方案設(shè)計如圖2所示，系統(tǒng)包括設(shè)備端和云端兩個平臺。

設(shè)備端平臺包括泄漏量檢測模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、電源模塊、報警模塊和顯示模塊，借助智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)搭載在微控制器上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備端的網(wǎng)聯(lián)功能。云端平臺依次利用百度智能云的物接入（IoT Hub）、時序數(shù)據(jù)庫（TSDB）和物可視（IoTV）這三個模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、時序記錄及顯示功能。同時，設(shè)置擴(kuò)展接口，用于其他安全指標(biāo)的后續(xù)檢測研究。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

采取模塊化集成的硬件設(shè)計思路，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。電源模塊、報警模塊和顯示模塊的電路設(shè)計較為簡單，不再贅述，主要介紹主控芯片、溫濕度檢測和氫氣泄漏模塊的選擇及電路設(shè)計。

2.2.1 主控芯片選擇及電路設(shè)計。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力，主控芯片應(yīng)選擇成熟的ESP-12F Wi-Fi模組。該模組高度集成，具有強(qiáng)大的處理和存儲能力，可通過GPIO口集成傳感器；內(nèi)部的Wi-Fi模塊可直接用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。接口定義如圖3所示。

TXD、RXD引腳作為串行通信接口，連接串口轉(zhuǎn)換芯片CH340C；ADC、GPIO5、GPIO10分別接入泄漏量傳感器和溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)；GPIO4引腳接聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)指示燈；GPIO9引腳接蜂鳴器，用于報警；GPIO0、GPIO2、GPIO15引腳作為通用I/O接口，用于實(shí)現(xiàn)串行下載模式與程序運(yùn)行模式；GPIO12、GPIO13、GPIO16引腳作為通用接口，擴(kuò)展預(yù)留。

2.2.2 溫濕度傳感器檢測模塊設(shè)計。采集燃料電池汽車所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，要求傳感器具有可靠性好、成本低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)字信號輸出等特點(diǎn)，據(jù)此選擇DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，參數(shù)見表2，電路設(shè)計采取常規(guī)設(shè)計，不再贅述。

2.2.3 氫氣泄漏檢測傳感器選擇及電路設(shè)計?？紤]到可更換及模塊化設(shè)計原則，且為了便于實(shí)現(xiàn)功能測試，選用MQ-2氣體傳感器用于檢測氫氣是否泄漏。該傳感器是一款多用途傳感器，還可對液化氣、天然氣進(jìn)行檢測，其靈敏度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，具體參數(shù)見表3。該傳感器為模塊化集成傳感器，具有快插功能，預(yù)留了四個引腳，1號引腳接電源正、2號引腳接地、3號引腳為模擬量輸出功能接口、4號引腳為數(shù)字量輸出功能接口，分別與主控板相連。電路設(shè)計采取常規(guī)設(shè)計，不再贅述。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在基于安可信的IDE集成開發(fā)環(huán)境 AiThinkerIDE_V0.5中開發(fā)系統(tǒng)程序，程序執(zhí)行流程如圖4所示。

用戶通過初始化函數(shù)對相關(guān)外設(shè)和通信接口進(jìn)行初始化，Wi-Fi函數(shù)執(zhí)行聯(lián)網(wǎng)。如果能連接到熱點(diǎn)，LED快閃三次示意聯(lián)網(wǎng)成功，并執(zhí)行定時器回調(diào)函數(shù)；如果不能連接到熱點(diǎn)，OLED顯示需要微信配網(wǎng)，此時用戶通過微信公眾號對其配網(wǎng)。在定時器回調(diào)函數(shù)中，每隔5 s讀取一次傳感器參數(shù)，并上傳到云平臺，同時，監(jiān)測傳感器實(shí)測參數(shù)是否超過上限值，如果超過上限值，蜂鳴器發(fā)出間斷的報警音。

該系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議與云平臺通信。MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通信協(xié)議，是基于TCP/IP協(xié)議構(gòu)建的，其最大優(yōu)點(diǎn)是減少代碼和帶寬，在連接遠(yuǎn)程設(shè)備時開銷低、帶寬要求低。MQTT傳輸?shù)南⒎譃橹黝}（Topic）和負(fù)載（payload）兩部分，該系統(tǒng)共有溫度、濕度和氣體濃度這三個主題，采集到每個主題的實(shí)時數(shù)據(jù)就是對應(yīng)主題的負(fù)載。在云平臺上訂閱好這三個主題，當(dāng)設(shè)備端采集完溫度、濕度和氣體濃度等負(fù)載數(shù)據(jù)后，設(shè)備端就可通過MQTT協(xié)議上傳到云端。

2.4 云端平臺設(shè)計

云端平臺基于百度智能云服務(wù)，百度智能云可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隨時隨地調(diào)用，不易丟失，較為可靠。具體設(shè)計參數(shù)不再贅述，采用的平臺類別及具體應(yīng)用見表4。

3 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

首先，連接硬件線路，如圖5所示。溫濕度傳感器和氣體傳感器具有快插功能，便于在模塊老化后進(jìn)行更換。其次，實(shí)現(xiàn)設(shè)備端與云端數(shù)據(jù)連接。利用flash_download_tools_v3.6.3燒錄工具將程序燒錄到主芯片，通過串口助手獲得設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和上報云平臺的傳感器參數(shù)，并分析、判斷設(shè)備是否聯(lián)網(wǎng)成功。最后，對比串口打印的傳感器參數(shù)和云平臺物影子數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備端上報的數(shù)據(jù)是否被云平臺成功接收。

對氫安全監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試完畢后，進(jìn)行模擬測試。將該系統(tǒng)的傳感器置于液化氣（代替氫氣）釋放環(huán)境中，進(jìn)行泄漏檢測，改變環(huán)境溫濕度，進(jìn)行環(huán)境溫濕度監(jiān)測。功能實(shí)現(xiàn)界面如圖6、圖7所示。圖6左側(cè)為一個時段內(nèi)濃度的變化曲線，右側(cè)為每隔5 s存儲采集的濃度值，濃度數(shù)值均以時間順序存儲在云端數(shù)據(jù)庫，可不受時空限制查詢及分析實(shí)時數(shù)據(jù)。圖7以儀表盤形式分別顯示環(huán)境溫度、氣體濃度和環(huán)境濕度，可用于車載顯示。同時，該系統(tǒng)通過百度智能云規(guī)則引擎功能來判斷參數(shù)，將大于上限的數(shù)據(jù)存儲到報警記錄數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)報警功能。報警時間和數(shù)值可記錄、可查詢、可追溯，并可同步發(fā)送信息提醒給用戶。這種異地報警功能使用戶不在車內(nèi)也能得知車輛的安全狀態(tài)，保證駕駛安全。

通過系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)調(diào)試，順利實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、時序存儲、數(shù)據(jù)展示和超值報警功能，并驗(yàn)證了車載氫安全監(jiān)測系統(tǒng)能有效監(jiān)控車載氫安全狀態(tài)，為解決好全生命周期內(nèi)的車輛安全運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)保障。

4 結(jié)語

本研究從全生命周期角度出發(fā)，提出全生命周期車載氫安全策略，利用ESP-12F Wi-Fi模組和百度智能云平臺，設(shè)計出一套車載氫安全檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫濕度、氫氣泄漏量等安全指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集、時序存儲和超值報警功能，滿足全生命周期車載氫安全策略中對氫安全指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集需求，為燃料電池汽車實(shí)施全生命周期氫安全管理提供了初步的解決方案。本研究只對該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬測驗(yàn)，還未在實(shí)際車輛上開展驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析。接下來，可將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際車輛上，進(jìn)行在線分析氫安全時序數(shù)據(jù)，并將時序數(shù)據(jù)進(jìn)行提取用于離線研究。綜上所述，該系統(tǒng)為解決燃料電池汽車車載氫安全問題提供了一種技術(shù)參考。

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