快速注册开放开放啦！

0 引言

车辆碰撞试验是为了评估和测试汽车安全性能而进行的试验。它在提高汽车安全性能、保护乘客安全、鼓励汽车制造商竞争和优化汽车设计等方面具有重要意义。

1 碰撞试验必要性

氢燃料电池车辆使用氢气作为燃料，与传统汽油车相比，其技术特点和使用环境存在较大差异，在产业发展初期，公众对其信任和接受度不高。因此，氢燃料电池车辆需要经过专门的试验来评估安全性能，以确保其在发生事故时具有足够的安全保障，提升人们的认可度和安全信心，推动氢能源产业的发展，促进其商业化应用。因此，氢燃料电池车辆碰撞试验在具有和一般车辆碰撞试验同样重要意义的同时，还具有确保氢燃料电池车辆安全性能、提高公众对氢燃料电池车辆的接受度和推动氢能源产业发展等独特作用。

2 说明

UNGTR13提供了车辆在碰撞条件下燃料系统完整性的要求，但未规定车辆碰撞条件。联合国《1998年协定书》的缔约方应执行其各自国家标准法规所规定的碰撞条件。同时，各缔约方认为，对于无法进行碰撞试验的重型车辆，可通过测试燃料系统完整性来实现最低安全水平；在这方面，储气容器及其固定装置的加速试验已在多个法规中得到了确立，如联合国关于液化石油气（LPG）的第67号法规、关于压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）的第110号法规，以及欧盟ECE/TRANS/WP.29/2023/8113第406/2010号法规（EC），实施关于氢气安全的第79/2009号法规等。在这些试验中，根据车辆类别确定储存系统及其与车辆结构的固定装置承载的加速度。如果能够证明等效性，则可以使用计算方法代替物理测试。

3 发展历程与未来展望

碰撞要求也是随着产品和试验技术的发展而逐步完善的。

2013年6月27日，UNGTR13一阶段文本发布，该法规规定了使用中和碰撞后压缩氢气储存系统（CHSS）和车辆级的氢燃料系统等内容的要求。UNGTR13一阶段的重点是乘用车（车辆总重GVM为4536千克或更小的1-1类别和1-2类别车辆）的安全，而在第2阶段的目标是将重型车辆（GVM大于4536千克的1-2类别车辆和2类别车辆）也包含进来，第3阶段还会考虑其他工况下的完整性要求，例如侧面碰撞试验的要求。

4 法规制定原理

UNGTR13法规规定了氢燃料电池车辆碰撞后燃料系统的完整性要求，包含燃料泄漏限值、封闭空间内的浓度限值和储氢容器位移。而具体试验内容则包括碰撞后压缩氢气储存系统泄漏测试、液氢储存系统（LHSS）泄漏测试以及封闭空间的浓度测试。

4.1 安全性能要求

（1）碰撞后系统的完整性

各签约方可维持其现有国家碰撞测试（正面、侧面、后部和侧翻）要求，并使用下文规定的燃料泄漏限值、封闭空间内浓度限值以及容器位移限制。

①燃料泄漏限值：在时间间隔Δt内，氢气泄漏的平均体积流量不得超过118NL/min。

②封闭空间内的浓度限值：氢气泄漏不得导致乘客和行李舱内的氢气体积浓度大于空气体积的4.0%。如果压缩氢气储存系统的截止阀在碰撞后5s内关闭，且压缩氢气储存系统无泄漏，则满足要求。

③容器位移：容器应至少在一个连接点处与车辆保持连接。

（1）系统完整性计算

①储氢系统泄漏值计算

为确定储氢系统的泄漏率，参考了多部法规后选择以联合国第94号法规中30克/分钟的值作为计算基础。

碰撞后氢气泄漏标准是基于汽油车允许的等效燃烧能量释放标准制定的。氢气的低热值为120MJ/kg，汽油的低热值为42.7MJ/kg，对于使用CHSS或LHSS的车辆，其允许的等效氢气泄漏率（WH）由下式确定：

WH=30克/分钟（汽油泄漏率）×42.7MJ/kg

=10.7克/分钟（氢气泄漏率）

因此，在碰撞后60分钟内，氢气的总允许损失为642克。

对于使用CHSS或LHSS的车辆，在基准温度（0℃）和大气压下，允许的氢气泄漏率也可用体积流量（VH）表示：

②封闭空间内碰撞后浓度限值原理

这一限值是为了确保氢气不会积聚在乘客舱、行李箱或货舱中，从而避免碰撞后可能造成的危险。因为氢气可能发生燃烧的最低浓度约为4%（研究结果表明在该值下燃烧极弱），故标准保守地设定碰撞后封闭空间内氢气浓度应低于4%。由于该试验与碰撞后泄漏试验同时进行，将至少持续60分钟，因此氢气具有充足的时间扩散到整个舱室，所以无需设定标准裕量来管理稀释区域。

③容器位移原理

加拿大机动车辆安全标准（CMVSS）301是适用于装有压缩气体燃料系统车辆碰撞的安全法规之一。UNGTR13关于容器位移的设定即参考该法规。

（2）碰撞后氦气泄漏和氢气关系

“燃料损失”表示车辆上整个储氢系统的容许释放量。

可采用以下方式确定碰撞后的释放量：测量碰撞后至少60分钟时间（该时间间隔Δt的详细计算方式见5.1）内的压缩氢气储存系统的压力损失，然后根据测量的压力损失和时间，使用压缩氢气储存系统中压缩气体的状态方程计算氢气的释放速率（若有多个压缩氢气储存设备，则将各个数值相加），以确定压缩氢气储存系统中氢气的总释放量。

该方法也可以扩展至计算碰撞试验中的不可燃气体。以氦气为例（因其类似于氢气，分子质量较低），为确定氦气和氢气释放的体积流量比（从而在氢气和氦气泄漏之间建立必要关系），假设可以将压缩氢气储存系统的泄漏描述为通过孔口的阻塞流，其中，孔口面积A表示碰撞后系统的同等总泄漏面积。在此情况下，质量流量的等式如下：

W=C×Cd×A×(ρ×P)1/2

其中，Cd为孔口排放系数，A为孔口面积，P为上游（停滞）流体密度和压力，而ρ和C通过以下等式得到：

ρ=RU×T/M

C=γ/[(γ+1)/2](γ+1)(γ-1)

其中，RU为通用气体常数，T、M和γ分别为正在泄漏的特定气体的温度、分子质量和比热比(CV/CP)。由于Cd、A、RU、T和P在确定碰撞后氦气与氢气泄漏之间的关系时均为常数，以下等式说明了氢气和氦气的质量流量比和体积流量比：

基于上述关系，对于从相同压缩氢气储存系统泄漏的氦气和氢气之间的体积流量之比约为75%。进而可以确定碰撞后氢气的泄漏率：

VH2=VHe/0.75

其中，VHe为碰撞后氦气的平均泄漏率（NL/min）。

如果车辆使用压缩氦气完成泄漏试验，则有必要规定泄漏的氦气浓度相当于氢气体积分数为4%的标准，故将氢气浓度标准乘以0.75，以确定容许泄漏的氦气体积分数XHe。

XHe=4%（氢气体积分数）×0.75

=3.0%（氦气体积分数）

因此，如果用压缩氦气而非压缩氢气来对装有压缩氢气储存系统的车辆进行碰撞试验，则乘客舱、行李舱和货舱中氦气浓度标准为3%（体积分数）。

4.2 LHSS车辆泄漏相关要求

在碰撞试验期间，用液态氢(LH2)填充LHSS达到最大量或用液氦(LHe)填充LHSS达到相当于LH2按重量计的最大填充水平（约为LHSS中液化氢最大体积的8%）。可以在碰撞后通过目视检查确认LHSS是否存在不可接受的泄漏。而当使用标准泄漏检测液时，气泡的直径应约为1.5mm。在0.005mg/sec（216NmL/hr）的局部化速率下，容许产生气泡的速率约为每分钟2030个气泡。

如果不可能或不希望进行气泡试验，则可进行全面泄漏试验，在此情况下，泄漏标准与装有压缩氢气储存系统的车辆的标准相同。

LHSS车辆封闭空间内的浓度限值的计算与CHSS车辆一样，可直接测量氢或相应氧含量的减少量。当液氦用于碰撞试验时，可在碰撞后进行氦泄漏试验。为确定在体积上相当于4%氢气浓度的氦气浓度标准，除考虑物理性质的差异之外，还需根据运行LHSS和进行氦气泄漏试验时的气体温度差异来调整该比例，氦氢的质量和体积流量比如下：

经过计算得出LHSS碰撞试验后氦气浓度的容许值约为0.8%。

5 碰撞试验测试

5.1 压缩氢气储存系统泄漏测试

碰撞试验之前应确保CHSS已安装所需的压力和温度测量装置。目标压力可根据方程计算得出：

其中，NWP为标称工作压力(MPa)，T0为预计压缩氢气储存系统稳定时的环境温度（℃），Ptarget为温度稳定之后的目标充装压力。

为使容器在碰撞试验之前稳定下来，其最少应填充至目标压力的95%。撞击前，位于下游氢气管道中的氢气主截止阀和截断阀应能够在正常行驶时保持打开。碰撞前应测试氢气压力P0(MPa)和温度T0(°C)，然后在碰撞的一段时间Δt后再次测量。时间间隔Δt自车辆碰撞后进入静止状态开始，持续至少60分钟。如有必要，可增加时间间隔Δt，以适应容积较大、工作压力高达70MPa的压缩氢气储存系统的测量要求。在此情况下，Δt可以通过下式计算：

其中Rs=Ps/NWP，Ps是压力传感器的测量范围（MPa），VCHSS是CHSS的体积（L），Δt是时间间隔（分钟）。如果Δt的计算值小于60分钟，则将其设为60分钟。

CHSS中氢气的初始质量可计算如下：

相应地，在时间间隔Δt结束时，压缩氢气储存系统中氢气的最终质量Mf可按如下公式计算：

其中Pf为时间间隔结束时测量的最终压力（MPa），

Tf是测量的最终温度（℃）。

时间间隔内的氢气平均流速计算方式如下：

其中VH2是时间间隔内的平均体积流率（NL/min），(Ptarget/P0)是用于补偿测得初始压力(Po)和目标注入压力(Ptarget)之间差异的术语。

5.2 封闭空间的碰撞后浓度测试

传感器可以测量氢气和氦气的积聚或者氧气的减少（这是由于氢气或氦气泄漏而导致空气中的氧气减少）来确定氢气或氦气的含量。这些传感器应经过可追溯的参考校准，以确保在空气中氢气浓度为4.0％或氦气浓度为3.0％时，其精度为±5％。此外，这些传感器的测量能力至少应超过目标条件25％满量程。最后，这些传感器应能够在10秒内对90％满量程的浓度变化做出响应。在碰撞之前，传感器按如下所述，放置于车辆的乘客舱和行李舱中。

（1）距离驾驶员座椅上方车顶篷250mm以内，或靠近乘客舱顶部中心；

（2）在乘客舱后排（或最后排）座位前方，距离车内地板250mm范围内；

（3）距离车辆内行李舱顶部100mm内，不会直接受到将要进行的特定碰撞撞击影响。

传感器应牢固地安装在车辆结构或座椅上，不会被碰撞试验导致的碎片、气囊排出的气体和抛射物破坏，并由位于车辆内的仪器或远程传输设备记录碰撞后的测量值。测试可在室外防风和防止潜在太阳影响的区域内进行，也可在室内足够大或通风的空间内进行。在车辆停止后开始收集封闭空间内的碰撞后数据。在碰撞后持续的60分钟内，应至少每5秒采集一次来自传感器的数据。在碰撞后60分钟测试期间，每个传感器的读数应始终低于目标标准：氢气为4.0%，氦气为3.0%。

5.3 液氢储存系统碰撞后泄漏试验

（1）压力控制装置和/或安全泄压阀验证试验在车辆碰撞试验之前，应按要求准备好液氢储存系统，并将其充满氮气，其重量等于氢气的最大加注水平，当LHSS的压力和温度传感器显示系统已冷却并达到平衡后，车辆应按照各自国家法规进行碰撞。在碰撞后至少1小时内，冷氮气或液体不应有可见泄漏。此外，应证明压力控制装置或PRD的可操作性，以确保LHSS在碰撞后不会爆裂。如果LHSS的真空度未因碰撞而受损，则可通过充/排气口向LHSS添加氮气，直到压力控制装置和/或PRD激活。如果重新关闭压力控制装置或PRD，应证明激活和重新关闭至少2个循环。在碰撞后的测试中，压力控制装置或PRD的排气不得排放至乘客舱、行李舱或货舱。

（2）LHSS碰撞后泄漏试验

在确认压力控制装置和/或安全泄压阀仍起作用后，可以使用和5.1节CHSS泄漏测试相同的程序对LHSS进行泄漏试验。LHSS的密封性可以通过使用嗅探传感器检测所有可能的泄漏部件来证明。

（3）碰撞后封闭空间试验

LHSS车辆的传感器安装位置应和CHSS车辆相同，但使用传感器记录空气中氦气浓度值时（对于室温氦气检测），其值应始终低于0.8%。

6 总结

燃料电池是一种环保、高效、可再生能源转化的载体，被视为未来技术发展方向之一。而燃料电池汽车碰撞试验的意义不仅在于评估车辆的安全性能、优化车辆设计、验证和改进燃料系统的安全性，还可以提升公众对其的信任度。通过这些试验，不仅可以为燃料电池汽车的发展提供科学依据和技术支持，还可以促进氢能产业的开发和推广，加速绿色低碳生活的实现。