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    燃料電池客車(chē)系統(tǒng)集成安全與碰撞防護(hù)研究

    2023-10-23 05:12:12房永強(qiáng)
    關(guān)鍵詞:系統(tǒng)集成整車(chē)燃料電池

    房永強(qiáng)

    (廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司, 福建 廈門(mén) 361023)

    0 引言

    燃料電池汽車(chē)是新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向之一,在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一定規(guī)模的推廣應(yīng)用[1-2],相關(guān)的安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善[3],但由于氫能不同于傳統(tǒng)燃料能源的物理特性,還存在著車(chē)載用氫的安全問(wèn)題[4-5]。

    本文基于某燃料電池公路客車(chē)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目, 從整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成的安全管理與結(jié)構(gòu)碰撞防護(hù)角度出發(fā), 對(duì)整車(chē)主被動(dòng)安全進(jìn)行了相關(guān)研究。

    1 動(dòng)力系統(tǒng)集成方案

    某項(xiàng)目燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成方案總體架構(gòu)如圖1 所示, 集成了大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、 高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng),以及動(dòng)力電池、雙電機(jī)兩檔行星排變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多合一集成控制器等關(guān)鍵子系統(tǒng)部件。

    圖1 燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of fuel cell bus power system integration

    其中,動(dòng)力電源方案采用燃料電池-動(dòng)力電池混合動(dòng)力方案, 以彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有限、 過(guò)載功率低、不能回收制動(dòng)電能等問(wèn)題。 車(chē)輛加速、爬坡或高速行駛時(shí),優(yōu)先燃料電池提供電能,當(dāng)功率不能夠滿(mǎn)足整車(chē)功率需求時(shí),動(dòng)力電池及時(shí)補(bǔ)充,與燃料電池組成混合電源跟隨整車(chē)功率需求變化, 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直驅(qū)后橋?yàn)檎?chē)提供動(dòng)力。在燃料電池功率能夠滿(mǎn)足整車(chē)功率需求時(shí),動(dòng)力電池吸收富余功率進(jìn)行補(bǔ)電, 車(chē)輛減速制動(dòng)時(shí)也能回收制動(dòng)電能。

    燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由燃料電池電堆及其輔助系統(tǒng)構(gòu)成,輔助系統(tǒng)包括了燃料供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)[6]。 其中,控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部電壓、電流、氣壓、流量、溫度等多個(gè)變量,根據(jù)燃料電池工作狀態(tài)對(duì)參量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,并與整車(chē)控制器進(jìn)行通信交互,在整車(chē)運(yùn)行工況下保障燃料電池運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。

    儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用70MPa 高壓IV 型碳纖維儲(chǔ)氫瓶,由塑料內(nèi)膽纏繞碳纖維增強(qiáng)層形成耐壓氣瓶,與瓶口閥、管路系統(tǒng)、防護(hù)框架等配套組件集成為車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)。根據(jù)續(xù)駛里程要求選型140L 的8 瓶組方案,氣瓶組通過(guò)框架集中固定,為充分利用安裝空間,氣瓶組采用斜向疊加方式布置,縮小縱向尺寸,更好的適應(yīng)整車(chē)布置。

    2 系統(tǒng)集成安全管理

    燃料電池客車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,車(chē)輛控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控各系統(tǒng)部件狀態(tài)和故障信息,對(duì)電壓、電流、溫度、絕緣電阻、煙霧、氫氣、碰撞等與安全相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行綜合檢測(cè),根據(jù)故障部件及嚴(yán)重程度執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施。 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成主要的安全管理單元由圖2 所示構(gòu)成。

    圖2 燃料電池整車(chē)主要的安全管理單元Fig.2 Main safety management units of fuel cell vehicles

    參考ASIL 等級(jí)的安全目標(biāo)[7]總體定義,從整車(chē)安全行駛考慮進(jìn)行功能分解, 定義了一種四級(jí)分類(lèi)故障及相應(yīng)的處理機(jī)制:

    (1)四級(jí)故障:最高級(jí)別起火風(fēng)險(xiǎn)故障,整車(chē)立即切斷電機(jī)扭矩,車(chē)速低于5km/h 時(shí)切斷所有高壓回路;系統(tǒng)進(jìn)入鎖止?fàn)顟B(tài),未重新上電不能復(fù)位。

    (2)三級(jí)故障:次高級(jí)別系統(tǒng)嚴(yán)重故障,整車(chē)限功率直至切斷電機(jī)扭矩, 當(dāng)車(chē)速低于5km/h 時(shí)根據(jù)故障類(lèi)型切斷相應(yīng)高壓回路;停車(chē)后若故障消除,系統(tǒng)進(jìn)入扭矩恢復(fù)模式。

    (3)二級(jí)故障:一般性故障,整車(chē)維持限功率、限車(chē)速的跛行回廠(chǎng)模式。

    (4)一級(jí)故障:充電/加氫提醒、里程不足、一般性設(shè)備故障等儀表提示告警。

    燃料電池系統(tǒng)集成的安全性是燃料電池客車(chē)整車(chē)安全的重要保障[8]。 在以上整車(chē)級(jí)故障處理機(jī)制基礎(chǔ)上,結(jié)合燃料電池系統(tǒng)從輕到重的故障特征, 可進(jìn)一步制定相應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)故障分級(jí)響應(yīng)策略:

    (1)當(dāng)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí),燃料電池控制系統(tǒng)向整車(chē)控制系統(tǒng)請(qǐng)求停機(jī), 而后整車(chē)依靠動(dòng)力電池輔助電源,可切換為純電行駛狀態(tài)下的限功率、限車(chē)速跛行模式。

    (2)當(dāng)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生一般性故障,燃料電池還能降額使用時(shí), 整車(chē)控制系統(tǒng)可以根據(jù)燃料電池功率限額調(diào)整能量管理策略,使整車(chē)進(jìn)入燃料電池-動(dòng)力電池混動(dòng)狀態(tài)下限功率、限車(chē)速跛行模式。

    (3)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生警告提示故障時(shí),按整車(chē)一級(jí)故障級(jí)別發(fā)送儀表提示。

    此外,其他系統(tǒng)安全管理單元的主動(dòng)請(qǐng)求保護(hù),以及煙霧報(bào)警、氫氣報(bào)警、碰撞報(bào)警等安全特征發(fā)生時(shí),也應(yīng)觸發(fā)燃料電池系統(tǒng)響應(yīng)控制或進(jìn)入停機(jī)保護(hù)流程, 尤其是當(dāng)報(bào)警達(dá)到最嚴(yán)重程度時(shí), 需同步控制氫氣瓶閥門(mén)關(guān)閉,以確保燃料電池、氫系統(tǒng)及整車(chē)始終處于安全狀態(tài),主要措施有:

    (1)為了保障極端情況下,駕駛員能主動(dòng)切斷供氫系統(tǒng)保障車(chē)輛安全,車(chē)輛儀表臺(tái)設(shè)置“氫閥急斷”控制開(kāi)關(guān),觸發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令, 控制燃料電池系統(tǒng)停機(jī)并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

    (2)當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧顆粒濃度過(guò)高時(shí),觸發(fā)煙霧報(bào)警,整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令,控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

    (3)當(dāng)氫濃度檢測(cè)傳感器檢測(cè)到氫氣達(dá)到報(bào)警濃度時(shí),觸發(fā)氫泄漏報(bào)警,整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令,控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

    (4)當(dāng)車(chē)輛發(fā)生碰撞事故,碰撞檢測(cè)傳感器觸發(fā)報(bào)警時(shí),整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令,控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén)。

    (5)當(dāng)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器等其他安全部件,發(fā)生嚴(yán)重過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、絕緣過(guò)低等整車(chē)四級(jí)故障時(shí),整車(chē)控制器發(fā)送應(yīng)急關(guān)機(jī)指令, 控制燃料電池系統(tǒng)緊急停機(jī)下電并關(guān)閉氫氣閥門(mén);發(fā)生整車(chē)三級(jí)故障時(shí),整車(chē)控制器發(fā)送待機(jī)指令,燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài);發(fā)生整車(chē)二級(jí)故障時(shí),整車(chē)控制器按燃料電池系統(tǒng)中、低檔發(fā)電功率發(fā)送請(qǐng)求指令,限制燃料電池系統(tǒng)發(fā)電功率;發(fā)生整車(chē)一級(jí)故障時(shí),燃料電池系統(tǒng)工作不影響。

    綜上, 燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的故障分級(jí)響應(yīng)處理流程邏輯如圖3 所示。

    圖3 基于整車(chē)故障分級(jí)流程的燃料電池系統(tǒng)安全管理思路Fig.3 A safety management approach for fuel cell systems based on the whole vehicle fault classification process

    3 關(guān)鍵部位碰撞分析

    相比于其他新能源汽車(chē)類(lèi)型,燃料電池車(chē)輛增加了燃料電池系統(tǒng)和車(chē)載氫系統(tǒng),這兩個(gè)關(guān)鍵部件涉及到儲(chǔ)氫、用氫的整車(chē)安全,如果在碰撞事故中受到侵入破壞,可能會(huì)造成氫氣泄漏引發(fā)火災(zāi)[9],因此重點(diǎn)對(duì)兩者安裝部位防護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行碰撞仿真分析。

    3.1 整車(chē)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

    首先, 對(duì)燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行布置設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全考慮。 項(xiàng)目原基礎(chǔ)車(chē)型平臺(tái)側(cè)圍骨架、頂蓋骨架及艙立柱均采用封閉環(huán)設(shè)計(jì),在進(jìn)行燃料電池整車(chē)平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)需提升中段承重能力與碰撞保護(hù)能力[10],以適應(yīng)車(chē)載氫系統(tǒng)安裝集成; 后部層疊式骨架也需適應(yīng)性調(diào)整,形成足夠的安裝空間,滿(mǎn)足大功率型燃料電池系統(tǒng)的布置。

    基于以上思路, 對(duì)圖1 中整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行三維總布置設(shè)計(jì),如圖4 所示。

    圖4 燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成布置方案Fig.4 Integrated layout plan for the power system of fuel cell buses

    由于燃料電池客車(chē)車(chē)身較高, 氫氣瓶如果頂置對(duì)造型影響較大,并且對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求極高,側(cè)翻安全性也有較大風(fēng)險(xiǎn)??紤]到公路客車(chē)下部行李艙空間較大,可用來(lái)承載氫系統(tǒng),因此氫氣瓶組集中布置于行李艙中部,避免車(chē)輛因前、后碰撞受到擠壓。氫氣瓶艙兩側(cè)設(shè)計(jì)有防護(hù)裝置,從側(cè)面加強(qiáng)氫氣瓶的結(jié)構(gòu)安全,側(cè)面碰撞防護(hù)在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行仿真分析??紤]到涉氫安全性,中部艙體還需進(jìn)行氫氣逸散及排放的特殊設(shè)計(jì),包括:①艙體立面及頂部采用無(wú)縫、無(wú)孔設(shè)計(jì),避免縫隙及孔洞出現(xiàn);②頂部中間位置跑道梁取消檢修面板,改至車(chē)內(nèi)地板檢修口,防止氫氣進(jìn)入跑道梁內(nèi)積聚,產(chǎn)生危險(xiǎn);同時(shí),艙頂部采用斜面設(shè)計(jì),將氫氣引流至車(chē)身邊緣排出;③艙門(mén)高處增加格柵,保證艙體內(nèi)氣流流動(dòng),有利于艙內(nèi)空氣流暢;④氫系統(tǒng)排空口、泄放口均通過(guò)管路引至車(chē)頂排放,確保排出的氫氣不在艙內(nèi)停留;⑤由于燃料電池系統(tǒng)布置于后艙,氫氣管路通過(guò)跑道梁引至車(chē)尾部,內(nèi)部對(duì)高壓線(xiàn)束、低壓線(xiàn)束及管路采用分離布置設(shè)計(jì),保持安全距離。

    車(chē)輛后部高壓設(shè)備艙, 主要布置燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、多合一集成控制器、動(dòng)力電池等部件。其中,多合一集成控制器布置于右側(cè),冷卻及進(jìn)排氣放置于車(chē)輛左側(cè),燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)布置于中間位置,離地高度達(dá)530mm;燃料電池電堆集成于本體框架內(nèi),與車(chē)架尾橫梁構(gòu)成雙重防護(hù),保證燃料電池電堆不易受外部碰撞。 動(dòng)力電池箱采用中2 后2方式布置于車(chē)輛中部和后部空間,動(dòng)力電池組側(cè)面設(shè)計(jì)有防護(hù)裝置,離地高度達(dá)400mm,滿(mǎn)足車(chē)輛涉水深度要求。

    3.2 側(cè)面碰撞仿真

    對(duì)燃料電池客車(chē)中部氫氣瓶組安裝部位的碰撞防護(hù)進(jìn)行仿真分析。試驗(yàn)時(shí),移動(dòng)壁障對(duì)車(chē)輛最薄弱位置進(jìn)行撞擊,并同步分析碰撞對(duì)氫氣瓶組的影響。

    首先,將整車(chē)三維CAD 模型導(dǎo)出的STEP 格式文件,導(dǎo)入到HyperMesh 中建立整車(chē)有限元CAE 模型, 在建模過(guò)程中,有限元模型進(jìn)行相應(yīng)合理簡(jiǎn)化[11],如圖5 所示。定義移動(dòng)臺(tái)車(chē)、 碰撞裝置為剛性的鋼制結(jié)構(gòu), 碰撞速度為(50±2)km/h,移動(dòng)臺(tái)車(chē)和碰撞裝置總質(zhì)量為(1100±20)kg。

    圖5 側(cè)面碰撞有限元分析模型Fig.5 Finite element analysis model for side impact

    側(cè)面碰撞過(guò)程的能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果如圖6 所示。 從圖中可知,撞擊過(guò)程分為撞擊和回彈兩個(gè)階段,從開(kāi)始時(shí)刻到0.04s 是撞擊階段,之后是回彈過(guò)程。 整個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換為材料變形的內(nèi)能,到終止時(shí)間0.12s 最大能量損耗比值為-7.4%,質(zhì)量增加比例為3.2%,能量損耗結(jié)果和質(zhì)量增加比例都處于正常范圍。

    圖6 側(cè)面碰撞能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of side impact energy curve

    側(cè)艙門(mén)上分布的各處測(cè)量點(diǎn)侵入距離仿真結(jié)果如圖7 所示。最大侵入量為132.349mm,未碰及氫氣瓶組,氫氣瓶處于安全位置,骨架設(shè)計(jì)的側(cè)面強(qiáng)度可靠。

    圖7 側(cè)艙門(mén)測(cè)量點(diǎn)侵入量Fig.7 Side hatch measurement point intrusion volume

    氫氣瓶組及安裝支架應(yīng)力分布如圖8 所示, 結(jié)果顯示氫氣瓶支架最大應(yīng)力值為266.2MPa, 低于材料的屈服強(qiáng)度345MPa,固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

    圖8 氫氣瓶組支架應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of hydrogen bottle group bracke

    3.3 后部碰撞仿真

    客車(chē)后碰撞時(shí),后圍骨架和車(chē)架是主要的受力區(qū)域,也是主要的力傳遞路徑,側(cè)圍骨架、頂蓋骨架是次要的力傳遞路徑,碰撞力由后圍蒙皮、后圍骨架以及同車(chē)架尾端相連的后保險(xiǎn)杠、后縱梁、后橫梁依次向車(chē)身前段骨架傳遞[12]。 進(jìn)一步的,設(shè)置后部碰撞邊界條件,通過(guò)網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定、質(zhì)量配重,定義碰撞臺(tái)車(chē)屬性,建立后部碰撞的CAE 仿真模型,如圖9 所示。

    圖9 后部碰撞有限元分析模型Fig.9 Finite element analysis model for rear impact

    后部碰撞過(guò)程的能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果如圖10 所示,能量數(shù)值沒(méi)有發(fā)生突變,能量轉(zhuǎn)換正常,沙漏能與接觸能比值小于5%; 側(cè)碰壁障與后圍發(fā)生了劇烈的碰撞與摩擦,總能量一部分被接觸摩擦消耗掉了,轉(zhuǎn)換成了接觸能,總體來(lái)說(shuō),能量變化在合理的范圍內(nèi)。

    圖10 后部碰撞能量曲線(xiàn)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of rear collision energy curve

    同樣,通過(guò)軟件分析碰撞歷程,避障小車(chē)與車(chē)身最大接觸時(shí)刻為60ms,此時(shí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)框架沒(méi)有受到外部侵入,燃料電池電堆未受到破壞,后尾骨架和防護(hù)措施能起到保護(hù)效果。

    4 結(jié)論

    本文針對(duì)燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)集成主被動(dòng)安全問(wèn)題,特別是故障安全管理與布置結(jié)構(gòu)防護(hù)兩方面進(jìn)行了研究,提出了基于整車(chē)故障處理流程的燃料電池系統(tǒng)安全管理的思路,以及完成了燃料電池整車(chē)涉氫結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)力系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì),相關(guān)的思路和措施能有益于提高燃料電池客車(chē)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)安全,保障車(chē)輛的安全使用。

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