0 引言

車輛碰撞試驗是為了評估和測試汽車安全性能而進行的試驗。它在提高汽車安全性能、保護乘客安全、鼓勵汽車制造商競爭和優(yōu)化汽車設(shè)計等方面具有重要意義。

1 碰撞試驗必要性

氫燃料電池車輛使用氫氣作為燃料，與傳統(tǒng)汽油車相比，其技術(shù)特點和使用環(huán)境存在較大差異，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，公眾對其信任和接受度不高。因此，氫燃料電池車輛需要經(jīng)過專門的試驗來評估安全性能，以確保其在發(fā)生事故時具有足夠的安全保障，提升人們的認可度和安全信心，推動氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進其商業(yè)化應(yīng)用。因此，氫燃料電池車輛碰撞試驗在具有和一般車輛碰撞試驗同樣重要意義的同時，還具有確保氫燃料電池車輛安全性能、提高公眾對氫燃料電池車輛的接受度和推動氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展等獨特作用。

2 說明

UNGTR13提供了車輛在碰撞條件下燃料系統(tǒng)完整性的要求，但未規(guī)定車輛碰撞條件。聯(lián)合國《1998年協(xié)定書》的締約方應(yīng)執(zhí)行其各自國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)所規(guī)定的碰撞條件。同時，各締約方認為，對于無法進行碰撞試驗的重型車輛，可通過測試燃料系統(tǒng)完整性來實現(xiàn)最低安全水平；在這方面，儲氣容器及其固定裝置的加速試驗已在多個法規(guī)中得到了確立，如聯(lián)合國關(guān)于液化石油氣（LPG）的第67號法規(guī)、關(guān)于壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）的第110號法規(guī)，以及歐盟ECE/TRANS/WP.29/2023/8113第406/2010號法規(guī)（EC），實施關(guān)于氫氣安全的第79/2009號法規(guī)等。在這些試驗中，根據(jù)車輛類別確定儲存系統(tǒng)及其與車輛結(jié)構(gòu)的固定裝置承載的加速度。如果能夠證明等效性，則可以使用計算方法代替物理測試。

3 發(fā)展歷程與未來展望

碰撞要求也是隨著產(chǎn)品和試驗技術(shù)的發(fā)展而逐步完善的。

2013年6月27日，UNGTR13一階段文本發(fā)布，該法規(guī)規(guī)定了使用中和碰撞后壓縮氫氣儲存系統(tǒng)（CHSS）和車輛級的氫燃料系統(tǒng)等內(nèi)容的要求。UNGTR13一階段的重點是乘用車（車輛總重GVM為4536千克或更小的1-1類別和1-2類別車輛）的安全，而在第2階段的目標(biāo)是將重型車輛（GVM大于4536千克的1-2類別車輛和2類別車輛）也包含進來，第3階段還會考慮其他工況下的完整性要求，例如側(cè)面碰撞試驗的要求。

4 法規(guī)制定原理

UNGTR13法規(guī)規(guī)定了氫燃料電池車輛碰撞后燃料系統(tǒng)的完整性要求，包含燃料泄漏限值、封閉空間內(nèi)的濃度限值和儲氫容器位移。而具體試驗內(nèi)容則包括碰撞后壓縮氫氣儲存系統(tǒng)泄漏測試、液氫儲存系統(tǒng)（LHSS）泄漏測試以及封閉空間的濃度測試。

4.1 安全性能要求

（1）碰撞后系統(tǒng)的完整性

各簽約方可維持其現(xiàn)有國家碰撞測試（正面、側(cè)面、后部和側(cè)翻）要求，并使用下文規(guī)定的燃料泄漏限值、封閉空間內(nèi)濃度限值以及容器位移限制。

①燃料泄漏限值：在時間間隔Δt內(nèi)，氫氣泄漏的平均體積流量不得超過118NL/min。

②封閉空間內(nèi)的濃度限值：氫氣泄漏不得導(dǎo)致乘客和行李艙內(nèi)的氫氣體積濃度大于空氣體積的4.0%。如果壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的截止閥在碰撞后5s內(nèi)關(guān)閉，且壓縮氫氣儲存系統(tǒng)無泄漏，則滿足要求。

③容器位移：容器應(yīng)至少在一個連接點處與車輛保持連接。

（1）系統(tǒng)完整性計算

①儲氫系統(tǒng)泄漏值計算

為確定儲氫系統(tǒng)的泄漏率，參考了多部法規(guī)后選擇以聯(lián)合國第94號法規(guī)中30克/分鐘的值作為計算基礎(chǔ)。

碰撞后氫氣泄漏標(biāo)準(zhǔn)是基于汽油車允許的等效燃燒能量釋放標(biāo)準(zhǔn)制定的。氫氣的低熱值為120MJ/kg，汽油的低熱值為42.7MJ/kg，對于使用CHSS或LHSS的車輛，其允許的等效氫氣泄漏率（WH）由下式確定：

WH=30克/分鐘（汽油泄漏率）×42.7MJ/kg

=10.7克/分鐘（氫氣泄漏率）

因此，在碰撞后60分鐘內(nèi)，氫氣的總允許損失為642克。

對于使用CHSS或LHSS的車輛，在基準(zhǔn)溫度（0℃）和大氣壓下，允許的氫氣泄漏率也可用體積流量（VH）表示：

②封閉空間內(nèi)碰撞后濃度限值原理

這一限值是為了確保氫氣不會積聚在乘客艙、行李箱或貨艙中，從而避免碰撞后可能造成的危險。因為氫氣可能發(fā)生燃燒的最低濃度約為4%（研究結(jié)果表明在該值下燃燒極弱），故標(biāo)準(zhǔn)保守地設(shè)定碰撞后封閉空間內(nèi)氫氣濃度應(yīng)低于4%。由于該試驗與碰撞后泄漏試驗同時進行，將至少持續(xù)60分鐘，因此氫氣具有充足的時間擴散到整個艙室，所以無需設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)裕量來管理稀釋區(qū)域。

③容器位移原理

加拿大機動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)（CMVSS）301是適用于裝有壓縮氣體燃料系統(tǒng)車輛碰撞的安全法規(guī)之一。UNGTR13關(guān)于容器位移的設(shè)定即參考該法規(guī)。

（2）碰撞后氦氣泄漏和氫氣關(guān)系

“燃料損失”表示車輛上整個儲氫系統(tǒng)的容許釋放量。

可采用以下方式確定碰撞后的釋放量：測量碰撞后至少60分鐘時間（該時間間隔Δt的詳細計算方式見5.1）內(nèi)的壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的壓力損失，然后根據(jù)測量的壓力損失和時間，使用壓縮氫氣儲存系統(tǒng)中壓縮氣體的狀態(tài)方程計算氫氣的釋放速率（若有多個壓縮氫氣儲存設(shè)備，則將各個數(shù)值相加），以確定壓縮氫氣儲存系統(tǒng)中氫氣的總釋放量。

該方法也可以擴展至計算碰撞試驗中的不可燃氣體。以氦氣為例（因其類似于氫氣，分子質(zhì)量較低），為確定氦氣和氫氣釋放的體積流量比（從而在氫氣和氦氣泄漏之間建立必要關(guān)系），假設(shè)可以將壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的泄漏描述為通過孔口的阻塞流，其中，孔口面積A表示碰撞后系統(tǒng)的同等總泄漏面積。在此情況下，質(zhì)量流量的等式如下：

W=C×Cd×A×(ρ×P)1/2

其中，Cd為孔口排放系數(shù)，A為孔口面積，P為上游（停滯）流體密度和壓力，而ρ和C通過以下等式得到：

ρ=RU×T/M

C=γ/[(γ+1)/2](γ+1)(γ-1)

其中，RU為通用氣體常數(shù)，T、M和γ分別為正在泄漏的特定氣體的溫度、分子質(zhì)量和比熱比(CV/CP)。由于Cd、A、RU、T和P在確定碰撞后氦氣與氫氣泄漏之間的關(guān)系時均為常數(shù)，以下等式說明了氫氣和氦氣的質(zhì)量流量比和體積流量比：

基于上述關(guān)系，對于從相同壓縮氫氣儲存系統(tǒng)泄漏的氦氣和氫氣之間的體積流量之比約為75%。進而可以確定碰撞后氫氣的泄漏率：

VH2=VHe/0.75

其中，VHe為碰撞后氦氣的平均泄漏率（NL/min）。

如果車輛使用壓縮氦氣完成泄漏試驗，則有必要規(guī)定泄漏的氦氣濃度相當(dāng)于氫氣體積分數(shù)為4%的標(biāo)準(zhǔn)，故將氫氣濃度標(biāo)準(zhǔn)乘以0.75，以確定容許泄漏的氦氣體積分數(shù)XHe。

XHe=4%（氫氣體積分數(shù)）×0.75

=3.0%（氦氣體積分數(shù)）

因此，如果用壓縮氦氣而非壓縮氫氣來對裝有壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的車輛進行碰撞試驗，則乘客艙、行李艙和貨艙中氦氣濃度標(biāo)準(zhǔn)為3%（體積分數(shù)）。

4.2 LHSS車輛泄漏相關(guān)要求

在碰撞試驗期間，用液態(tài)氫(LH2)填充LHSS達到最大量或用液氦(LHe)填充LHSS達到相當(dāng)于LH2按重量計的最大填充水平（約為LHSS中液化氫最大體積的8%）。可以在碰撞后通過目視檢查確認LHSS是否存在不可接受的泄漏。而當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)泄漏檢測液時，氣泡的直徑應(yīng)約為1.5mm。在0.005mg/sec（216NmL/hr）的局部化速率下，容許產(chǎn)生氣泡的速率約為每分鐘2030個氣泡。

如果不可能或不希望進行氣泡試驗，則可進行全面泄漏試驗，在此情況下，泄漏標(biāo)準(zhǔn)與裝有壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的車輛的標(biāo)準(zhǔn)相同。

LHSS車輛封閉空間內(nèi)的濃度限值的計算與CHSS車輛一樣，可直接測量氫或相應(yīng)氧含量的減少量。當(dāng)液氦用于碰撞試驗時，可在碰撞后進行氦泄漏試驗。為確定在體積上相當(dāng)于4%氫氣濃度的氦氣濃度標(biāo)準(zhǔn)，除考慮物理性質(zhì)的差異之外，還需根據(jù)運行LHSS和進行氦氣泄漏試驗時的氣體溫度差異來調(diào)整該比例，氦氫的質(zhì)量和體積流量比如下：

經(jīng)過計算得出LHSS碰撞試驗后氦氣濃度的容許值約為0.8%。

5 碰撞試驗測試

5.1 壓縮氫氣儲存系統(tǒng)泄漏測試

碰撞試驗之前應(yīng)確保CHSS已安裝所需的壓力和溫度測量裝置。目標(biāo)壓力可根據(jù)方程計算得出：

其中，NWP為標(biāo)稱工作壓力(MPa)，T0為預(yù)計壓縮氫氣儲存系統(tǒng)穩(wěn)定時的環(huán)境溫度（℃），Ptarget為溫度穩(wěn)定之后的目標(biāo)充裝壓力。

為使容器在碰撞試驗之前穩(wěn)定下來，其最少應(yīng)填充至目標(biāo)壓力的95%。撞擊前，位于下游氫氣管道中的氫氣主截止閥和截斷閥應(yīng)能夠在正常行駛時保持打開。碰撞前應(yīng)測試氫氣壓力P0(MPa)和溫度T0(°C)，然后在碰撞的一段時間Δt后再次測量。時間間隔Δt自車輛碰撞后進入靜止?fàn)顟B(tài)開始，持續(xù)至少60分鐘。如有必要，可增加時間間隔Δt，以適應(yīng)容積較大、工作壓力高達70MPa的壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的測量要求。在此情況下，Δt可以通過下式計算：

其中Rs=Ps/NWP，Ps是壓力傳感器的測量范圍（MPa），VCHSS是CHSS的體積（L），Δt是時間間隔（分鐘）。如果Δt的計算值小于60分鐘，則將其設(shè)為60分鐘。

CHSS中氫氣的初始質(zhì)量可計算如下：

相應(yīng)地，在時間間隔Δt結(jié)束時，壓縮氫氣儲存系統(tǒng)中氫氣的最終質(zhì)量Mf可按如下公式計算：

其中Pf為時間間隔結(jié)束時測量的最終壓力（MPa），

Tf是測量的最終溫度（℃）。

時間間隔內(nèi)的氫氣平均流速計算方式如下：

其中VH2是時間間隔內(nèi)的平均體積流率（NL/min），(Ptarget/P0)是用于補償測得初始壓力(Po)和目標(biāo)注入壓力(Ptarget)之間差異的術(shù)語。

5.2 封閉空間的碰撞后濃度測試

傳感器可以測量氫氣和氦氣的積聚或者氧氣的減少（這是由于氫氣或氦氣泄漏而導(dǎo)致空氣中的氧氣減少）來確定氫氣或氦氣的含量。這些傳感器應(yīng)經(jīng)過可追溯的參考校準(zhǔn)，以確保在空氣中氫氣濃度為4.0％或氦氣濃度為3.0％時，其精度為±5％。此外，這些傳感器的測量能力至少應(yīng)超過目標(biāo)條件25％滿量程。最后，這些傳感器應(yīng)能夠在10秒內(nèi)對90％滿量程的濃度變化做出響應(yīng)。在碰撞之前，傳感器按如下所述，放置于車輛的乘客艙和行李艙中。

（1）距離駕駛員座椅上方車頂篷250mm以內(nèi)，或靠近乘客艙頂部中心；

（2）在乘客艙后排（或最后排）座位前方，距離車內(nèi)地板250mm范圍內(nèi)；

（3）距離車輛內(nèi)行李艙頂部100mm內(nèi)，不會直接受到將要進行的特定碰撞撞擊影響。

傳感器應(yīng)牢固地安裝在車輛結(jié)構(gòu)或座椅上，不會被碰撞試驗導(dǎo)致的碎片、氣囊排出的氣體和拋射物破壞，并由位于車輛內(nèi)的儀器或遠程傳輸設(shè)備記錄碰撞后的測量值。測試可在室外防風(fēng)和防止?jié)撛谔栍绊懙膮^(qū)域內(nèi)進行，也可在室內(nèi)足夠大或通風(fēng)的空間內(nèi)進行。在車輛停止后開始收集封閉空間內(nèi)的碰撞后數(shù)據(jù)。在碰撞后持續(xù)的60分鐘內(nèi)，應(yīng)至少每5秒采集一次來自傳感器的數(shù)據(jù)。在碰撞后60分鐘測試期間，每個傳感器的讀數(shù)應(yīng)始終低于目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：氫氣為4.0%，氦氣為3.0%。

5.3 液氫儲存系統(tǒng)碰撞后泄漏試驗

（1）壓力控制裝置和/或安全泄壓閥驗證試驗在車輛碰撞試驗之前，應(yīng)按要求準(zhǔn)備好液氫儲存系統(tǒng)，并將其充滿氮氣，其重量等于氫氣的最大加注水平，當(dāng)LHSS的壓力和溫度傳感器顯示系統(tǒng)已冷卻并達到平衡后，車輛應(yīng)按照各自國家法規(guī)進行碰撞。在碰撞后至少1小時內(nèi)，冷氮氣或液體不應(yīng)有可見泄漏。此外，應(yīng)證明壓力控制裝置或PRD的可操作性，以確保LHSS在碰撞后不會爆裂。如果LHSS的真空度未因碰撞而受損，則可通過充/排氣口向LHSS添加氮氣，直到壓力控制裝置和/或PRD激活。如果重新關(guān)閉壓力控制裝置或PRD，應(yīng)證明激活和重新關(guān)閉至少2個循環(huán)。在碰撞后的測試中，壓力控制裝置或PRD的排氣不得排放至乘客艙、行李艙或貨艙。

（2）LHSS碰撞后泄漏試驗

在確認壓力控制裝置和/或安全泄壓閥仍起作用后，可以使用和5.1節(jié)CHSS泄漏測試相同的程序?qū)HSS進行泄漏試驗。LHSS的密封性可以通過使用嗅探傳感器檢測所有可能的泄漏部件來證明。

（3）碰撞后封閉空間試驗

LHSS車輛的傳感器安裝位置應(yīng)和CHSS車輛相同，但使用傳感器記錄空氣中氦氣濃度值時（對于室溫氦氣檢測），其值應(yīng)始終低于0.8%。

6 總結(jié)

燃料電池是一種環(huán)保、高效、可再生能源轉(zhuǎn)化的載體，被視為未來技術(shù)發(fā)展方向之一。而燃料電池汽車碰撞試驗的意義不僅在于評估車輛的安全性能、優(yōu)化車輛設(shè)計、驗證和改進燃料系統(tǒng)的安全性，還可以提升公眾對其的信任度。通過這些試驗，不僅可以為燃料電池汽車的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，還可以促進氫能產(chǎn)業(yè)的開發(fā)和推廣，加速綠色低碳生活的實現(xiàn)。