0 引言

車輛碰撞試驗(yàn)是為了評(píng)估和測(cè)試汽車安全性能而進(jìn)行的試驗(yàn)。它在提高汽車安全性能、保護(hù)乘客安全、鼓勵(lì)汽車制造商競(jìng)爭(zhēng)和優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)等方面具有重要意義。

1 碰撞試驗(yàn)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(diǎn)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(duì)其信任和接受度不高。因此，氫燃料電池車輛需要經(jīng)過(guò)專門的試驗(yàn)來(lái)評(píng)估安全性能，以確保其在發(fā)生事故時(shí)具有足夠的安全保障，提升人們的認(rèn)可度和安全信心，推動(dòng)氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用。因此，氫燃料電池車輛碰撞試驗(yàn)在具有和一般車輛碰撞試驗(yàn)同樣重要意義的同時(shí)，還具有確保氫燃料電池車輛安全性能、提高公眾對(duì)氫燃料電池車輛的接受度和推動(dòng)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展等獨(dú)特作用。

2 說(shuō)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(guó)《1998年協(xié)定書》的締約方應(yīng)執(zhí)行其各自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)所規(guī)定的碰撞條件。同時(shí)，各締約方認(rèn)為，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行碰撞試驗(yàn)的重型車輛，可通過(guò)測(cè)試燃料系統(tǒng)完整性來(lái)實(shí)現(xiàn)最低安全水平；在這方面，儲(chǔ)氣容器及其固定裝置的加速試驗(yàn)已在多個(gè)法規(guī)中得到了確立，如聯(lián)合國(guó)關(guān)于液化石油氣（LPG）的第67號(hào)法規(guī)、關(guān)于壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）的第110號(hào)法規(guī)，以及歐盟ECE/TRANS/WP.29/2023/8113第406/2010號(hào)法規(guī)（EC），實(shí)施關(guān)于氫氣安全的第79/2009號(hào)法規(guī)等。在這些試驗(yàn)中，根據(jù)車輛類別確定儲(chǔ)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(jì)算方法代替物理測(cè)試。

3 發(fā)展歷程與未來(lái)展望

碰撞要求也是隨著產(chǎn)品和試驗(yàn)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(chǔ)存系統(tǒng)（CHSS）和車輛級(jí)的氫燃料系統(tǒng)等內(nèi)容的要求。UNGTR13一階段的重點(diǎn)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(jìn)來(lái)，第3階段還會(huì)考慮其他工況下的完整性要求，例如側(cè)面碰撞試驗(yàn)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(chǔ)氫容器位移。而具體試驗(yàn)內(nèi)容則包括碰撞后壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)泄漏測(cè)試、液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)（LHSS）泄漏測(cè)試以及封閉空間的濃度測(cè)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(guó)家碰撞測(cè)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(shí)間間隔Δt內(nèi)，氫氣泄漏的平均體積流量不得超過(guò)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(chǔ)存系統(tǒng)的截止閥在碰撞后5s內(nèi)關(guān)閉，且壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)無(wú)泄漏，則滿足要求。

③容器位移：容器應(yīng)至少在一個(gè)連接點(diǎn)處與車輛保持連接。

（1）系統(tǒng)完整性計(jì)算

①儲(chǔ)氫系統(tǒng)泄漏值計(jì)算

為確定儲(chǔ)氫系統(tǒng)的泄漏率，參考了多部法規(guī)后選擇以聯(lián)合國(guó)第94號(hào)法規(guī)中30克/分鐘的值作為計(jì)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(duì)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(duì)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(huì)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(xiǎn)。因?yàn)闅錃饪赡馨l(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(yàn)與碰撞后泄漏試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，將至少持續(xù)60分鐘，因此氫氣具有充足的時(shí)間擴(kuò)散到整個(gè)艙室，所以無(wú)需設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)裕量來(lái)管理稀釋區(qū)域。

③容器位移原理

加拿大機(jī)動(dòng)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(gè)儲(chǔ)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(cè)量碰撞后至少60分鐘時(shí)間（該時(shí)間間隔Δt的詳細(xì)計(jì)算方式見(jiàn)5.1）內(nèi)的壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的壓力損失，然后根據(jù)測(cè)量的壓力損失和時(shí)間，使用壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中壓縮氣體的狀態(tài)方程計(jì)算氫氣的釋放速率（若有多個(gè)壓縮氫氣儲(chǔ)存設(shè)備，則將各個(gè)數(shù)值相加），以確定壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中氫氣的總釋放量。

該方法也可以擴(kuò)展至計(jì)算碰撞試驗(yàn)中的不可燃?xì)怏w。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(chǔ)存系統(tǒng)的泄漏描述為通過(guò)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(guò)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(shí)均為常數(shù)，以下等式說(shuō)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(duì)于從相同壓縮氫氣儲(chǔ)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(jìn)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(yàn)，則有必要規(guī)定泄漏的氦氣濃度相當(dāng)于氫氣體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)XHe。

XHe=4%（氫氣體積分?jǐn)?shù)）×0.75

=3.0%（氦氣體積分?jǐn)?shù)）

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

4.2 LHSS車輛泄漏相關(guān)要求

在碰撞試驗(yàn)期間，用液態(tài)氫(LH2)填充LHSS達(dá)到最大量或用液氦(LHe)填充LHSS達(dá)到相當(dāng)于LH2按重量計(jì)的最大填充水平（約為L(zhǎng)HSS中液化氫最大體積的8%）。可以在碰撞后通過(guò)目視檢查確認(rèn)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(cè)液時(shí)，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(gè)氣泡。

如果不可能或不希望進(jìn)行氣泡試驗(yàn)，則可進(jìn)行全面泄漏試驗(yàn)，在此情況下，泄漏標(biāo)準(zhǔn)與裝有壓縮氫氣儲(chǔ)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(jì)算與CHSS車輛一樣，可直接測(cè)量氫或相應(yīng)氧含量的減少量。當(dāng)液氦用于碰撞試驗(yàn)時(shí)，可在碰撞后進(jìn)行氦泄漏試驗(yàn)。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(yùn)行LHSS和進(jìn)行氦氣泄漏試驗(yàn)時(shí)的氣體溫度差異來(lái)調(diào)整該比例，氦氫的質(zhì)量和體積流量比如下：

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出LHSS碰撞試驗(yàn)后氦氣濃度的容許值約為0.8%。

5 碰撞試驗(yàn)測(cè)試

5.1 壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)泄漏測(cè)試

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

其中，NWP為標(biāo)稱工作壓力(MPa)，T0為預(yù)計(jì)壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)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(yàn)之前穩(wěn)定下來(lái)，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?cái)嚅y應(yīng)能夠在正常行駛時(shí)保持打開。碰撞前應(yīng)測(cè)試氫氣壓力P0(MPa)和溫度T0(°C)，然后在碰撞的一段時(shí)間Δt后再次測(cè)量。時(shí)間間隔Δt自車輛碰撞后進(jìn)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(shí)間間隔Δt，以適應(yīng)容積較大、工作壓力高達(dá)70MPa的壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的測(cè)量要求。在此情況下，Δt可以通過(guò)下式計(jì)算：

其中Rs=Ps/NWP，Ps是壓力傳感器的測(cè)量范圍（MPa），VCHSS是CHSS的體積（L），Δt是時(shí)間間隔（分鐘）。如果Δt的計(jì)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(jì)算如下：

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

其中Pf為時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)測(cè)量的最終壓力（MPa），

Tf是測(cè)量的最終溫度（℃）。

時(shí)間間隔內(nèi)的氫氣平均流速計(jì)算方式如下：

其中VH2是時(shí)間間隔內(nèi)的平均體積流率（NL/min），(Ptarget/P0)是用于補(bǔ)償測(cè)得初始?jí)毫?Po)和目標(biāo)注入壓力(Ptarget)之間差異的術(shù)語(yǔ)。

5.2 封閉空間的碰撞后濃度測(cè)試

傳感器可以測(cè)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(lái)確定氫氣或氦氣的含量。這些傳感器應(yīng)經(jīng)過(guò)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(shí)，其精度為±5％。此外，這些傳感器的測(cè)量能力至少應(yīng)超過(guò)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(duì)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(huì)直接受到將要進(jìn)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(huì)被碰撞試驗(yàn)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(yuǎn)程傳輸設(shè)備記錄碰撞后的測(cè)量值。測(cè)試可在室外防風(fēng)和防止?jié)撛谔?yáng)影響的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，也可在室內(nèi)足夠大或通風(fēng)的空間內(nèi)進(jìn)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(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)。在碰撞后60分鐘測(cè)試期間，每個(gè)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(chǔ)存系統(tǒng)碰撞后泄漏試驗(yàn)

（1）壓力控制裝置和/或安全泄壓閥驗(yàn)證試驗(yàn)在車輛碰撞試驗(yàn)之前，應(yīng)按要求準(zhǔn)備好液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)，并將其充滿氮?dú)猓渲亓康扔跉錃獾淖畲蠹幼⑺剑?dāng)LHSS的壓力和溫度傳感器顯示系統(tǒng)已冷卻并達(dá)到平衡后，車輛應(yīng)按照各自國(guó)家法規(guī)進(jìn)行碰撞。在碰撞后至少1小時(shí)內(nèi)，冷氮?dú)饣蛞后w不應(yīng)有可見(jiàn)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(huì)爆裂。如果LHSS的真空度未因碰撞而受損，則可通過(guò)充/排氣口向LHSS添加氮?dú)猓钡綁毫刂蒲b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(gè)循環(huán)。在碰撞后的測(cè)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(yàn)

在確認(rèn)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(cè)試相同的程序?qū)HSS進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。LHSS的密封性可以通過(guò)使用嗅探傳感器檢測(cè)所有可能的泄漏部件來(lái)證明。

（3）碰撞后封閉空間試驗(yàn)

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(shí)（對(duì)于室溫氦氣檢測(cè)），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(lái)技術(shù)發(fā)展方向之一。而燃料電池汽車碰撞試驗(yàn)的意義不僅在于評(píng)估車輛的安全性能、優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和改進(jìn)燃料系統(tǒng)的安全性，還可以提升公眾對(duì)其的信任度。通過(guò)這些試驗(yàn)，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(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的開發(fā)和推廣，加速綠色低碳生活的實(shí)現(xiàn)。