“兵馬未動(dòng),糧草先行”。如同傳統(tǒng)車的油箱,電動(dòng)車的鋰離子電池包,燃料電池車的“糧倉”就是車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)。
車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)、液態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)、固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)等。目前,主流的方向?yàn)楦邏簹鈶B(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng),以下內(nèi)容也是針對(duì)這類儲(chǔ)氫方案進(jìn)行討論。
車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)是燃料電池車的重要組成部分,包括高壓儲(chǔ)氫瓶、集成瓶閥、加注口、單向閥、過濾器、減壓閥、高壓與低壓壓力傳感器、氫氣管路等零部件(如圖1),其主要功能是為燃料電池系統(tǒng)提供具有穩(wěn)定壓力和流量的氫氣。燃料電池系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),需要穩(wěn)定壓力和流量的氫氣不斷地供應(yīng)。
當(dāng)年曹操與袁紹陳兵官渡,曹操親自率領(lǐng)幾千騎兵偷襲了袁紹在烏巢的糧倉。失去了糧食的幾十萬袁紹大軍,根本撐不下去,最后被曹操以少勝多,統(tǒng)一了北方。可見“糧倉”的設(shè)計(jì)及防護(hù)多么重要,不僅要“重兵把守”,還要能抵抗各種“襲擊”。所以,作為燃料電池車的“糧倉”,車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)顯得格外重要。
下面,我們從法律法規(guī)的角度出發(fā),分析如何合理地設(shè)計(jì)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
我們?cè)谠O(shè)計(jì)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)時(shí),很難繞開兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 26990-2011《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 29126-2012《燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》。
這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求基本涵蓋了車載氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),同時(shí)也是對(duì)其安全性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。滿足以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,燃料電池車才有可能完成公告要求,最后車輛才得以上牌銷售。
那么,下面我們具體分析一下,如何設(shè)計(jì)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)才能滿足以上標(biāo)準(zhǔn)要求。
氫安全要求
首先是氫安全要求。我們?cè)趦?chǔ)氫系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)時(shí),零部件需滿足以下要求:
與高壓氫氣直接接觸的零部件材料應(yīng)具備氫氣兼容性,零部件在選擇材料時(shí),應(yīng)充分考慮氫脆現(xiàn)象對(duì)設(shè)計(jì)壽命的影響。如高壓管材料選擇抗氫脆的316L不銹鋼材料;
零部件要根據(jù)整車實(shí)際運(yùn)營工況,完成各自功能性試驗(yàn)和安全性試驗(yàn),安全性試驗(yàn)包括耐久試驗(yàn)、壓力、溫度、振動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)、氣密測(cè)試、爆破壓力等。
除了零件級(jí)別的氫安全,集成設(shè)計(jì)的氫系統(tǒng),其氫安全要求同樣嚴(yán)苛:
車載氫系統(tǒng)應(yīng)符合GB/T 24549的規(guī)定,且車載氫系統(tǒng)及其裝置的安裝應(yīng)能在正常使用條件下,安全,可靠運(yùn)行;
氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度減少高壓管路連接點(diǎn)的數(shù)量,減少潛在漏點(diǎn),從設(shè)計(jì)上保證管路連接點(diǎn)施工方便、密封性能良好、易于檢查和維修;
氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫瓶口閥應(yīng)集成主關(guān)斷閥、單向閥和壓力釋放裝置(PRD)、溢流閥。主關(guān)斷閥的操作應(yīng)采用電動(dòng)方式,并應(yīng)在駕駛員易于操作的部位,當(dāng)斷電時(shí)應(yīng)處于自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)。壓力釋放閥(PRD)排放氫氣時(shí),排放氣體流動(dòng)的方位、方向遠(yuǎn)離人、電源、火源。同時(shí)在儲(chǔ)氫瓶進(jìn)口通道上應(yīng)裝有手動(dòng)關(guān)斷閥,在加氫、排氫或維修時(shí),可單獨(dú)地隔斷各個(gè)儲(chǔ)氫容器;
氫系統(tǒng)管路安裝位置及走向要避開熱源及可能產(chǎn)生電弧的地方,至少應(yīng)有200mm的距離。尤其管路接頭這種潛在漏點(diǎn)不能位于密閉的空間內(nèi)。高壓管路及部件位于可能產(chǎn)生靜電的地方要可靠接地或有其他控制氫泄漏量及濃度的措施,即便在產(chǎn)生靜電的地方,也不會(huì)發(fā)生安全問題;
儲(chǔ)氫容器和管路一般不應(yīng)安裝在乘客艙、行李艙或其他通風(fēng)不良的地方;如果不可避免要安裝在行李艙或其他通風(fēng)不良的地方,應(yīng)設(shè)計(jì)通風(fēng)管路或其他措施,將可能泄漏的氫氣及時(shí)排除;
儲(chǔ)氫容器和管路等應(yīng)安裝牢固,緊固帶與儲(chǔ)氫容器之間應(yīng)有緩沖保護(hù)墊,以防行車時(shí)發(fā)生位移和損壞。儲(chǔ)氫容器按照標(biāo)稱工作壓力充滿氫氣時(shí),固定在儲(chǔ)氫容器上的零件是應(yīng)能承受車輛加速或制動(dòng)時(shí)的沖擊而不發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。有可能發(fā)生損壞的部位,采取覆蓋物加以保護(hù),儲(chǔ)氫容器緊固螺栓應(yīng)有防松裝置,緊固力矩應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。儲(chǔ)氫容器安裝緊固后,在上、下、前、后、左、右六個(gè)方向上應(yīng)能承受8g的沖擊力,保證儲(chǔ)氫容器與固定座不損壞,相對(duì)位移不超過13mm,同時(shí)滿足氣密性要求;
氫系統(tǒng)安裝位置,應(yīng)距車輛邊緣有100mm距離,如果距離不足,應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)措施。如防撞框架等;
車輛發(fā)生碰撞時(shí),主關(guān)斷閥應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的碰撞級(jí)別,立即(自動(dòng))關(guān)閉,切斷向管路的氫氣供應(yīng);
在安裝氫氣系統(tǒng)的封閉或半封閉空間的上方的適當(dāng)位置,至少安裝一個(gè)或以上氫泄漏探測(cè)器,能實(shí)時(shí)檢查氫氣的泄漏量,并將信號(hào)傳遞給氫氣泄漏警告裝置。
我們?cè)谠O(shè)計(jì)氫系統(tǒng)集成方案時(shí),應(yīng)該包括且不限于以上的氫安全要求。
CAE虛擬分析
氫系統(tǒng)完成集成方案初步設(shè)計(jì)后,需要進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析。
根據(jù)GB/T 26990-2011《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 29126-2012《燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》,氫系統(tǒng)應(yīng)滿足在上、下、前、后、左、右六個(gè)方向上應(yīng)能承受8g的沖擊力,保證儲(chǔ)氫容器與固定座不損壞,且相對(duì)位移不超過13mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置了合適的CAE邊界條件。如圖2所示,在氫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)前,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì),首先得滿足CAE強(qiáng)度分析的結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖2 不同軸向的CAE分析
公告沖擊試驗(yàn)
氫系統(tǒng)集成在設(shè)計(jì)過程中,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮不到位,有可能需要多進(jìn)行幾輪的仿真優(yōu)化,直到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。鎖定氫系統(tǒng)方案后,開始準(zhǔn)備樣件進(jìn)行公告試驗(yàn),同時(shí)也是驗(yàn)證我們有限元分析結(jié)果的可靠性。
如圖3所示,這是一款由捷氫科技為匹配某款18T物流車設(shè)計(jì)的車載儲(chǔ)氫系統(tǒng),壓力等級(jí)為35MPa。完全依據(jù)仿真的條件進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)過±X、±Y、±Z六個(gè)方向8個(gè)g的加載沖擊后,檢查氫系統(tǒng)的變化,滿足GB/T 26990-2011《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 29126-2012《燃料電池電動(dòng)汽車 車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》要求。同時(shí)試驗(yàn)后的氫系統(tǒng)做了一輪常規(guī)的保壓測(cè)試,確保了沖擊后的氫系統(tǒng)沒有發(fā)生泄露。
圖3 沖擊試驗(yàn)
振動(dòng)試驗(yàn)
沖擊試驗(yàn)針對(duì)的是整車非常極限的工況,比如發(fā)生碰撞。但車輛在安全行駛過程中,極少發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞,更多的是來自地面的振動(dòng)激勵(lì),這種振動(dòng)是隨機(jī)的,也就是說車輛在行駛時(shí),我們的車載氫系統(tǒng)會(huì)長期處于一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)的環(huán)境中。這對(duì)于以高壓氣態(tài)儲(chǔ)存氫氣的車載氫系統(tǒng)是非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
同時(shí)也意味著每個(gè)閥件、管路、接頭都要在這樣復(fù)雜的環(huán)境中保持自身的功能正常及氣密正常。為此,我們除了對(duì)每個(gè)零部件都單獨(dú)做了振動(dòng)測(cè)試外,對(duì)集成的系統(tǒng)也要進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。
同樣作為車輛的儲(chǔ)能裝置,可以參考GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的振動(dòng)測(cè)試。如圖4所示,氫系統(tǒng)進(jìn)行了X、Y、Z三坐標(biāo)的隨機(jī)振動(dòng)及定頻振動(dòng)。
圖4 振動(dòng)試驗(yàn)
振動(dòng)測(cè)試完成后,需要判定儲(chǔ)氫瓶是否固定可靠、結(jié)構(gòu)完好、有無開裂、松脫等,管路是否完好。同時(shí)還需要對(duì)振動(dòng)后的氫系統(tǒng)進(jìn)行氣密性測(cè)試,結(jié)果滿足要求才能判定合格。
目前,捷氫科技自主開發(fā)的車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)涵蓋了35MPa和70MPa兩種壓力等級(jí),分別為HSS 35與HSS 70兩種系列。從零件級(jí)別到系統(tǒng)級(jí)別都做高度集成設(shè)計(jì),可以靈活匹配各種車型,包括乘用車、公交客車、輕型卡車、重型卡車、叉車等。儲(chǔ)氫量可以根據(jù)整車需求,通過增減氫瓶數(shù)量進(jìn)行匹配。圖5為捷氫科技部分燃料電池車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)產(chǎn)品。
圖5 捷氫科技車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)
燃料電池車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足法律法規(guī),同時(shí)也能通過各種嚴(yán)苛的試驗(yàn),這就是對(duì)其安全性評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。
燃料電池車的“糧倉”經(jīng)過層層的優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅完成了“重兵把守”的任務(wù),還抵抗了各種“襲擊”。
然而,車輛的道路運(yùn)行工況猶如“戰(zhàn)場(chǎng)”的局勢(shì)一樣,瞬息萬變,只有不斷強(qiáng)化“糧倉”——車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全性,才能有力推動(dòng)燃料電池車商業(yè)化進(jìn)程。