0 引言

車輛碰撞試驗是為了評估和測試汽車安全性能而進行的試驗。它在提高汽車安全性能、保護乘客安全、鼓勵汽車制造商競爭和優化汽車設計等方面具有重要意義。

1 碰撞試驗必要性

氫燃料電池車輛使用氫氣作為燃料，與傳統汽油車相比，其技術特點和使用環境存在較大差異，在產業發展初期，公眾對其信任和接受度不高。因此，氫燃料電池車輛需要經過專門的試驗來評估安全性能，以確保其在發生事故時具有足夠的安全保障，提升人們的認可度和安全信心，推動氫能源產業的發展，促進其商業化應用。因此，氫燃料電池車輛碰撞試驗在具有和一般車輛碰撞試驗同樣重要意義的同時，還具有確保氫燃料電池車輛安全性能、提高公眾對氫燃料電池車輛的接受度和推動氫能源產業發展等獨特作用。

2 說明

UNGTR13提供了車輛在碰撞條件下燃料系統完整性的要求，但未規定車輛碰撞條件。聯合國《1998年協定書》的締約方應執行其各自國家標準法規所規定的碰撞條件。同時，各締約方認為，對于無法進行碰撞試驗的重型車輛，可通過測試燃料系統完整性來實現最低安全水平；在這方面，儲氣容器及其固定裝置的加速試驗已在多個法規中得到了確立，如聯合國關于液化石油氣（LPG）的第67號法規、關于壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）的第110號法規，以及歐盟ECE/TRANS/WP.29/2023/8113第406/2010號法規（EC），實施關于氫氣安全的第79/2009號法規等。在這些試驗中，根據車輛類別確定儲存系統及其與車輛結構的固定裝置承載的加速度。如果能夠證明等效性，則可以使用計算方法代替物理測試。

3 發展歷程與未來展望

碰撞要求也是隨著產品和試驗技術的發展而逐步完善的。

2013年6月27日，UNGTR13一階段文本發布，該法規規定了使用中和碰撞后壓縮氫氣儲存系統（CHSS）和車輛級的氫燃料系統等內容的要求。UNGTR13一階段的重點是乘用車（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）也包含進來，第3階段還會考慮其他工況下的完整性要求，例如側面碰撞試驗的要求。

4 法規制定原理

UNGTR13法規規定了氫燃料電池車輛碰撞后燃料系統的完整性要求，包含燃料泄漏限值、封閉空間內的濃度限值和儲氫容器位移。而具體試驗內容則包括碰撞后壓縮氫氣儲存系統泄漏測試、液氫儲存系統（LHSS）泄漏測試以及封閉空間的濃度測試。

4.1 安全性能要求

（1）碰撞后系統的完整性

各簽約方可維持其現有國家碰撞測試（正面、側面、后部和側翻）要求，并使用下文規定的燃料泄漏限值、封閉空間內濃度限值以及容器位移限制。

①燃料泄漏限值：在時間間隔Δt內，氫氣泄漏的平均體積流量不得超過118NL/min。

②封閉空間內的濃度限值：氫氣泄漏不得導致乘客和行李艙內的氫氣體積濃度大于空氣體積的4.0%。如果壓縮氫氣儲存系統的截止閥在碰撞后5s內關閉，且壓縮氫氣儲存系統無泄漏，則滿足要求。

③容器位移：容器應至少在一個連接點處與車輛保持連接。

（1）系統完整性計算

①儲氫系統泄漏值計算

為確定儲氫系統的泄漏率，參考了多部法規后選擇以聯合國第94號法規中30克/分鐘的值作為計算基礎。

碰撞后氫氣泄漏標準是基于汽油車允許的等效燃燒能量釋放標準制定的。氫氣的低熱值為120MJ/kg，汽油的低熱值為42.7MJ/kg，對于使用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，氫氣的總允許損失為642克。

對于使用CHSS或LHSS的車輛，在基準溫度（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封閉空間內碰撞后濃度限值原理

這一限值是為了確保氫氣不會積聚在乘客艙、行李箱或貨艙中，從而避免碰撞后可能造成的危險。因為氫氣可能發生燃燒的最低濃度約為4%（研究結果表明在該值下燃燒極弱），故標準保守地設定碰撞后封閉空間內氫氣濃度應低于4%。由于該試驗與碰撞后泄漏試驗同時進行，將至少持續60分鐘，因此氫氣具有充足的時間擴散到整個艙室，所以無需設定標準裕量來管理稀釋區域。

③容器位移原理

加拿大機動車輛安全標準（CMVSS）301是適用于裝有壓縮氣體燃料系統車輛碰撞的安全法規之一。UNGTR13關于容器位移的設定即參考該法規。

（2）碰撞后氦氣泄漏和氫氣關系

“燃料損失”表示車輛上整個儲氫系統的容許釋放量。

可采用以下方式確定碰撞后的釋放量：測量碰撞后至少60分鐘時間（該時間間隔Δt的詳細計算方式見5.1）內的壓縮氫氣儲存系統的壓力損失，然后根據測量的壓力損失和時間，使用壓縮氫氣儲存系統中壓縮氣體的狀態方程計算氫氣的釋放速率（若有多個壓縮氫氣儲存設備，則將各個數值相加），以確定壓縮氫氣儲存系統中氫氣的總釋放量。

該方法也可以擴展至計算碰撞試驗中的不可燃氣體。以氦氣為例（因其類似于氫氣，分子質量較低），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系），假設可以將壓縮氫氣儲存系統的泄漏描述為通過孔口的阻塞流，其中，孔口面積A表示碰撞后系統的同等總泄漏面積。在此情況下，質量流量的等式如下：

W=C×Cd×A×(ρ×P)1/2

其中，Cd為孔口排放系數，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，T、M和γ分別為正在泄漏的特定氣體的溫度、分子質量和比熱比(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系時均為常數，以下等式說明了氫氣和氦氣的質量流量比和體積流量比：

基于上述關系，對于從相同壓縮氫氣儲存系統泄漏的氦氣和氫氣之間的體積流量之比約為75%。進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，則有必要規定泄漏的氦氣濃度相當于氫氣體積分數為4%的標準，故將氫氣濃度標準乘以0.75，以確定容許泄漏的氦氣體積分數XHe。

XHe=4%（氫氣體積分數）×0.75

=3.0%（氦氣體積分數）

因此，如果用壓縮氦氣而非壓縮氫氣來對裝有壓縮氫氣儲存系統的車輛進行碰撞試驗，則乘客艙、行李艙和貨艙中氦氣濃度標準為3%（體積分數）。

4.2 LHSS車輛泄漏相關要求

在碰撞試驗期間，用液態氫(LH2)填充LHSS達到最大量或用液氦(LHe)填充LHSS達到相當于LH2按重量計的最大填充水平（約為LHSS中液化氫最大體積的8%）。可以在碰撞后通過目視檢查確認LHSS是否存在不可接受的泄漏。而當使用標準泄漏檢測液時，氣泡的直徑應約為1.5mm。在0.005mg/sec（216NmL/hr）的局部化速率下，容許產生氣泡的速率約為每分鐘2030個氣泡。

如果不可能或不希望進行氣泡試驗，則可進行全面泄漏試驗，在此情況下，泄漏標準與裝有壓縮氫氣儲存系統的車輛的標準相同。

LHSS車輛封閉空間內的濃度限值的計算與CHSS車輛一樣，可直接測量氫或相應氧含量的減少量。當液氦用于碰撞試驗時，可在碰撞后進行氦泄漏試驗。為確定在體積上相當于4%氫氣濃度的氦氣濃度標準，除考慮物理性質的差異之外，還需根據運行LHSS和進行氦氣泄漏試驗時的氣體溫度差異來調整該比例，氦氫的質量和體積流量比如下：

經過計算得出LHSS碰撞試驗后氦氣濃度的容許值約為0.8%。

5 碰撞試驗測試

5.1 壓縮氫氣儲存系統泄漏測試

碰撞試驗之前應確保CHSS已安裝所需的壓力和溫度測量裝置。目標壓力可根據方程計算得出：

其中，NWP為標稱工作壓力(MPa)，T0為預計壓縮氫氣儲存系統穩定時的環境溫度（℃），Ptarget為溫度穩定之后的目標充裝壓力。

為使容器在碰撞試驗之前穩定下來，其最少應填充至目標壓力的95%。撞擊前，位于下游氫氣管道中的氫氣主截止閥和截斷閥應能夠在正常行駛時保持打開。碰撞前應測試氫氣壓力P0(MPa)和溫度T0(°C)，然后在碰撞的一段時間Δt后再次測量。時間間隔Δt自車輛碰撞后進入靜止狀態開始，持續至少60分鐘。如有必要，可增加時間間隔Δt，以適應容積較大、工作壓力高達70MPa的壓縮氫氣儲存系統的測量要求。在此情況下，Δt可以通過下式計算：

其中Rs=Ps/NWP，Ps是壓力傳感器的測量范圍（MPa），VCHSS是CHSS的體積（L），Δt是時間間隔（分鐘）。如果Δt的計算值小于60分鐘，則將其設為60分鐘。

CHSS中氫氣的初始質量可計算如下：

相應地，在時間間隔Δt結束時，壓縮氫氣儲存系統中氫氣的最終質量Mf可按如下公式計算：

其中Pf為時間間隔結束時測量的最終壓力（MPa），

Tf是測量的最終溫度（℃）。

時間間隔內的氫氣平均流速計算方式如下：

其中VH2是時間間隔內的平均體積流率（NL/min），(Ptarget/P0)是用于補償測得初始壓力(Po)和目標注入壓力(Ptarget)之間差異的術語。

5.2 封閉空間的碰撞后濃度測試

傳感器可以測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致空氣中的氧氣減少）來確定氫氣或氦氣的含量。這些傳感器應經過可追溯的參考校準，以確保在空氣中氫氣濃度為4.0％或氦氣濃度為3.0％時，其精度為±5％。此外，這些傳感器的測量能力至少應超過目標條件25％滿量程。最后，這些傳感器應能夠在10秒內對90％滿量程的濃度變化做出響應。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，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，距離車內地板250mm范圍內；

（3）距離車輛內行李艙頂部100mm內，不會直接受到將要進行的特定碰撞撞擊影響。

傳感器應牢固地安裝在車輛結構或座椅上，不會被碰撞試驗導致的碎片、氣囊排出的氣體和拋射物破壞，并由位于車輛內的儀器或遠程傳輸設備記錄碰撞后的測量值。測試可在室外防風和防止潛在太陽影響的區域內進行，也可在室內足夠大或通風的空間內進行。在車輛停止后開始收集封閉空間內的碰撞后數據。在碰撞后持續的60分鐘內，應至少每5秒采集一次來自傳感器的數據。在碰撞后60分鐘測試期間，每個傳感器的讀數應始終低于目標標準：氫氣為4.0%，氦氣為3.0%。

5.3 液氫儲存系統碰撞后泄漏試驗

（1）壓力控制裝置和/或安全泄壓閥驗證試驗在車輛碰撞試驗之前，應按要求準備好液氫儲存系統，并將其充滿氮氣，其重量等于氫氣的最大加注水平，當LHSS的壓力和溫度傳感器顯示系統已冷卻并達到平衡后，車輛應按照各自國家法規進行碰撞。在碰撞后至少1小時內，冷氮氣或液體不應有可見泄漏。此外，應證明壓力控制裝置或PRD的可操作性，以確保LHSS在碰撞后不會爆裂。如果LHSS的真空度未因碰撞而受損，則可通過充/排氣口向LHSS添加氮氣，直到壓力控制裝置和/或PRD激活。如果重新關閉壓力控制裝置或PRD，應證明激活和重新關閉至少2個循環。在碰撞后的測試中，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

在確認壓力控制裝置和/或安全泄壓閥仍起作用后，可以使用和5.1節CHSS泄漏測試相同的程序對LHSS進行泄漏試驗。LHSS的密封性可以通過使用嗅探傳感器檢測所有可能的泄漏部件來證明。

（3）碰撞后封閉空間試驗

LHSS車輛的傳感器安裝位置應和CHSS車輛相同，但使用傳感器記錄空氣中氦氣濃度值時（對于室溫氦氣檢測），其值應始終低于0.8%。

6 總結

燃料電池是一種環保、高效、可再生能源轉化的載體，被視為未來技術發展方向之一。而燃料電池汽車碰撞試驗的意義不僅在于評估車輛的安全性能、優化車輛設計、驗證和改進燃料系統的安全性，還可以提升公眾對其的信任度。通過這些試驗，不僅可以為燃料電池汽車的發展提供科學依據和技術支持，還可以促進氫能產業的開發和推廣，加速綠色低碳生活的實現。