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燃料電池車載儲氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全性評價

2022-04-10 來源:捷氫科技作者:鄭彬 瀏覽數(shù):615

車載儲氫系統(tǒng)是燃料電池車的重要組成部分,包括高壓儲氫瓶、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)在運行時,需要穩(wěn)定壓力和流量的氫氣不斷地供應(yīng)。

   引言:
  
  “兵馬未動,糧草先行”。如同傳統(tǒng)車的油箱,電動車的鋰離子電池包,燃料電池車的“糧倉”就是車載儲氫系統(tǒng)。
  
  車載儲氫系統(tǒng)包括高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)、液態(tài)儲氫系統(tǒng)、固態(tài)儲氫系統(tǒng)等。目前,主流的方向為高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng),以下內(nèi)容也是針對這類儲氫方案進行討論。
  
  車載儲氫系統(tǒng)是燃料電池車的重要組成部分,包括高壓儲氫瓶、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)在運行時,需要穩(wěn)定壓力和流量的氫氣不斷地供應(yīng)。
圖1 捷氫科技70MPa燃料電池車載儲氫系統(tǒng)
  
  當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)計及防護多么重要,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”,車載儲氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全性評價顯得格外重要。
  
  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)計車載儲氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并對其安全性進行評價。
  
  我們在設(shè)計車載儲氫系統(tǒng)時,很難繞開兩個標準:GB/T 26990-2011《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 29126-2012《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng)試驗方法》。
  
  這兩個標準的要求基本涵蓋了車載氫系統(tǒng)的設(shè)計要點,同時也是對其安全性評價的標準。滿足以上兩個標準的要求,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)計車載儲氫系統(tǒng)才能滿足以上標準要求。

  氫安全要求
  
  首先是氫安全要求。我們在儲氫系統(tǒng)集成設(shè)計時,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,應(yīng)充分考慮氫脆現(xiàn)象對設(shè)計壽命的影響。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)整車實際運營工況,完成各自功能性試驗和安全性試驗,安全性試驗包括耐久試驗、壓力、溫度、振動循環(huán)試驗、氣密測試、爆破壓力等。
  
  除了零件級別的氫安全,集成設(shè)計的氫系統(tǒng),其氫安全要求同樣嚴苛:
  
  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,可靠運行;
  
  氫系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)最大限度減少高壓管路連接點的數(shù)量,減少潛在漏點,從設(shè)計上保證管路連接點施工方便、密封性能良好、易于檢查和維修;
  
  氫系統(tǒng)的儲氫瓶口閥應(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)采用電動方式,并應(yīng)在駕駛員易于操作的部位,當斷電時應(yīng)處于自動關(guān)閉狀態(tài)。壓力釋放閥(PRD)排放氫氣時,排放氣體流動的方位、方向遠離人、電源、火源。同時在儲氫瓶進口通道上應(yīng)裝有手動關(guān)斷閥,在加氫、排氫或維修時,可單獨地隔斷各個儲氫容器;
  
  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,也不會發(fā)生安全問題;
  
  儲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)計通風(fēng)管路或其他措施,將可能泄漏的氫氣及時排除;
  
  儲氫容器和管路等應(yīng)安裝牢固,緊固帶與儲氫容器之間應(yīng)有緩沖保護墊,以防行車時發(fā)生位移和損壞。儲氫容器按照標稱工作壓力充滿氫氣時,固定在儲氫容器上的零件是應(yīng)能承受車輛加速或制動時的沖擊而不發(fā)生松動現(xiàn)象。有可能發(fā)生損壞的部位,采取覆蓋物加以保護,儲氫容器緊固螺栓應(yīng)有防松裝置,緊固力矩應(yīng)符合設(shè)計要求。儲氫容器安裝緊固后,在上、下、前、后、左、右六個方向上應(yīng)能承受8g的沖擊力,保證儲氫容器與固定座不損壞,相對位移不超過13mm,同時滿足氣密性要求;
  
  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)計保護措施。如防撞框架等;
  
  車輛發(fā)生碰撞時,主關(guān)斷閥應(yīng)根據(jù)設(shè)計的碰撞級別,立即(自動)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位置,至少安裝一個或以上氫泄漏探測器,能實時檢查氫氣的泄漏量,并將信號傳遞給氫氣泄漏警告裝置。
  
  我們在設(shè)計氫系統(tǒng)集成方案時,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)計后,需要進行CAE強度分析。
  
  根據(jù)GB/T 26990-2011《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 29126-2012《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng)試驗方法》,氫系統(tǒng)應(yīng)滿足在上、下、前、后、左、右六個方向上應(yīng)能承受8g的沖擊力,保證儲氫容器與固定座不損壞,且相對位移不超過13mm。根據(jù)標準要求設(shè)置了合適的CAE邊界條件。如圖2所示,在氫系統(tǒng)進行實際試驗前,其結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計,首先得滿足CAE強度分析的結(jié)果符合標準要求。
 


圖2 不同軸向的CAE分析
 
   公告沖擊試驗
  
  氫系統(tǒng)集成在設(shè)計過程中,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮不到位,有可能需要多進行幾輪的仿真優(yōu)化,直到滿足標準要求。鎖定氫系統(tǒng)方案后,開始準備樣件進行公告試驗,同時也是驗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)計的車載儲氫系統(tǒng),壓力等級為35MPa。完全依據(jù)仿真的條件進行試驗,經(jīng)過±X、±Y、±Z六個方向8個g的加載沖擊后,檢查氫系統(tǒng)的變化,滿足GB/T 26990-2011《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 29126-2012《燃料電池電動汽車 車載氫系統(tǒng)試驗方法》要求。同時試驗后的氫系統(tǒng)做了一輪常規(guī)的保壓測試,確保了沖擊后的氫系統(tǒng)沒有發(fā)生泄露。
  
圖3 沖擊試驗
  
  振動試驗
  
  沖擊試驗針對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)生強烈的碰撞,更多的是來自地面的振動激勵,這種振動是隨機的,也就是說車輛在行駛時,我們的車載氫系統(tǒng)會長期處于一個隨機振動的環(huán)境中。這對于以高壓氣態(tài)儲存氫氣的車載氫系統(tǒng)是非常嚴峻的考驗。
  
  同時也意味著每個閥件、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,我們除了對每個零部件都單獨做了振動測試外,對集成的系統(tǒng)也要進行振動測試。
  
  同樣作為車輛的儲能裝置,可以參考GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》進行系統(tǒng)級的振動測試。如圖4所示,氫系統(tǒng)進行了X、Y、Z三坐標的隨機振動及定頻振動。


 
 
圖4 振動試驗
  
  振動測試完成后,需要判定儲氫瓶是否固定可靠、結(jié)構(gòu)完好、有無開裂、松脫等,管路是否完好。同時還需要對振動后的氫系統(tǒng)進行氣密性測試,結(jié)果滿足要求才能判定合格。
  
  目前,捷氫科技自主開發(fā)的車載儲氫系統(tǒng)涵蓋了35MPa和70MPa兩種壓力等級,分別為HSS 35與HSS 70兩種系列。從零件級別到系統(tǒng)級別都做高度集成設(shè)計,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。儲氫量可以根據(jù)整車需求,通過增減氫瓶數(shù)量進行匹配。圖5為捷氫科技部分燃料電池車載儲氫系統(tǒng)產(chǎn)品。
圖5 捷氫科技車載儲氫系統(tǒng)
  
  燃料電池車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足法律法規(guī),同時也能通過各種嚴苛的試驗,這就是對其安全性評判的標準。
  
  燃料電池車的“糧倉”經(jīng)過層層的優(yōu)化設(shè)計,不僅完成了“重兵把守”的任務(wù),還抵抗了各種“襲擊”。
  
  然而,車輛的道路運行工況猶如“戰(zhàn)場”的局勢一樣,瞬息萬變,只有不斷強化“糧倉”——車載儲氫系統(tǒng)的安全性,才能有力推動燃料電池車商業(yè)化進程。

【延伸閱讀】

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