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附录13:联合国全球技术规范第13号。

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摘要
本文探讨了氢气作为替代燃料的潜力,特别在减少温室气体排放方面。文章回顾了欧洲和美国在氢燃料车辆发展上的努力,并强调了制定相关法规和标准的重要性。UN GTR规范确保了氢燃料车辆的安全水平,涵盖了氢燃料系统的各个方面。文章还讨论了氢燃料车辆的组件和测试的重要性,以确保其安全性和可靠性。通过这些努力,氢燃料车辆有望在未来可持续交通中发挥重要作用。
   
     
     
     
     

UN GTR13法规解读一

介绍





      在关于需要确定新能源来源并减少温室气体排放的持续辩论中,世界各地的公司已经探索了使用各种替代燃料的可能性,包括压缩天然气、液化丙烷气和氢气等。氢气由于其车辆排放几乎为零而成为最具前景的替代品之一。在1990年代末,欧洲共同体拨款研究了这个问题,在其欧洲集成氢项目(EIHP)下提出了两项建议,分别是压缩气态氢和液态氢,并将结果提交给了ECE秘书处。随后的项目EIHP2开始讨论为氢燃料车辆制定全球技术规范的可能性。几年后,美国提出了一个全球倡议的愿景,即国际氢经济合作伙伴关系,并邀请中国、日本、俄罗斯联邦、欧盟和许多其他国家参与此努力。

     几十年来,科学家、研究人员和经济学家一直指出,氢气,无论是压缩气体形式还是液态形式,都可能成为汽油和柴油的替代燃料。确保氢气作为燃料的安全使用是成功转向全球氢经济的关键因素。由于其能量含量,所有燃料本质上都具有一定程度的危险性。氢气的安全使用,特别是在压缩气体形式下,在于预防涉及燃料、空气和点火源以及压力和电气危险的灾难性故障。

    政府已确定制定法规和标准是推动氢燃料车辆商业化的关键要求之一。法规和标准将有助于克服商业化过程中的技术障碍,促进制造商投资建设氢燃料车辆,并通过提供系统性和准确的评估和传达与使用氢车辆相关的风险,无论是针对普通公众、消费者、应急响应人员还是保险行业,从而促进公众的接受。

      这个联合国全球氢燃料电池车辆技术规范(UN GTR)的制定发生在欧洲经济委员会(ECE)的内陆运输委员会(ITC)的车辆法规协调世界论坛(WP.29)内。这个全球技术规范(UN GTR)的目标是制定并建立一个适用于氢燃料车辆的UN GTR,其安全水平达到或超过传统汽油燃料车辆的水平;并且是基于性能的,不限制未来技术的发展。

     2013年6月27日,联合国GTR第13号(ECE/TRANS/180/Add.13)在德国、日本和美国的赞助下成立。联合国GTR第13号适用于所有1-1和1-2类别的氢燃料车辆,总质量不超过4536千克。联合国GTR第13号包括三个主要部分:高压系统、氢气储存系统和车辆级别的氢燃料系统。联合国GTR为使用中和事故后情况提供了规定。

      日本、韩国和欧盟代表提出了一项建议,授权联合国全球技术规范(GTR)第13号的第二阶段发展,由氢燃料电池车辆非正式工作组(IWG HFCV-SGS)负责安全子组(ECE/TRANS/WP.29/2017/56 ECE/TRANS/WP.29/AC.3/49)进行。

       这一授权已被转交给被动安全工作组(GRSP),后者建议在2017年3月的WP.29和AC.3会议上批准授权后,第2阶段应立即开始。IWG HFCV-SGS的第2阶段工作计划于2020年年底前完成。该任务已被WP.29和AC.3在2020年11月和2022年3月的会议上延长至2022年12月。

B、第一阶段和第二阶段的工作范围

阶段一:联合国全球技术规则行动计划。

    1.  鉴于氢燃料车辆技术仍在不断发展中,WP.29的1998年协定执行委员会(WP.29/AC.3)同意研究人员的参与对此努力至关重要。借鉴现有的氢燃料电池车辆(HFCV)和传统车辆的法规和标准,重要的是要调查和考虑:

(1)传统车辆和氢燃料车辆在安全和环境问题上的主要差异;以( 2)适用于氢燃料车辆的要求的技术理由。

     2005年6月,WP.29/AC.3同意德国、日本和美国关于如何最好管理联合国关于氢燃料车辆的全球技术规则(UN GTR)开发过程的提议(ECE/TRANS/WP.29/AC.3/17)。

    根据达成的协议,AC.3批准了由联合发起人提交的UN GTR开发行动计划。成立了两个小组来解决UN GTR的安全和环境方面问题。关于氢燃料电池车辆(HFCV-SGS)安全的非正式工作小组向WP.29附属被动安全工作组(GRSP)报告。HFCV-SGS由日本和美国共同主持。该小组的主席于2007年夏季确定。环境小组(HFCV-SGE)由欧洲委员会主持,并向WP.29附属污染和能源工作组(GRPE)报告。为了确保小组之间的沟通和与WP.29和AC.3的持续参与,项目经理(德国)协调和管理工作的各个方面,以确保已达成的行动计划得以正确实施,并在UN GTR的开发过程中设定和达到里程碑和时间表。UN GTR的初始阶段涵盖了燃料电池(FC)和内燃机(ICE)、压缩氢气(CGH2)和液态氢(LH2)UN GTR。在WP.29的随后会议上,UN GTR行动计划提交并得到AC.3的批准(ECE/TRANS/WP.29/2007/41)。

2. 联合国全球技术规则将包括以下关键要素:

   (a) 组件和子系统级要求(非碰撞测试基础):通过审查分析和评估来评估非碰撞要求,以证明这些要求的合理性。根据现有评估或合同各方和参与者可以进行的快速评估,根据需要添加和删除要求或修改测试程序。避免设计特定要求,并且不要包含没有技术合理性的规定。主要关注的领域是:

(1),氢储存系统、高压封闭装置、减压装置和燃料管路的性能要求;

(2)电气隔离,安全和防止电击(在使用中);

(3)车辆中子系统集成的性能和其他要求。

(b) 车辆级需求:

     研究不同碰撞模式下不同燃料系统所带来的风险。审查和评估进行的分析和碰撞测试,以研究风险并确定适当的减轻措施,针对氢燃料车辆。主要关注的领域如下:

     (i) 氢气释放的使用和事故后限制。事故后泄漏限制适用于执行了前、侧和后方事故测试(根据各司法管辖区的碰撞安全测试国家要求规定)之后。

(ii) 使用中和事故后的电气隔离和防电击要求。事故后的电气安全标准适用于执行事故测试(前、侧和后方),这些测试在各个司法管辖区的事故安全测试国家要求中指定。

阶段二:工作范围

11. 由欧盟、日本和韩国赞助的HFCV-SGS IWG的任务延期将处理剩余问题的发展。第2阶段的活动应在2017年3月WP.29和AC.3批准授权后立即开始。

12. IWG将处理以下事项:

(a) ECE/TRANS/WP.29/AC.3/17中描述的原始项目应予以保留;

(b) 可能的范围修订以解决额外车辆类别的问题;

(c) 关于材料兼容性和氢脆性的要求;

(d) 关于加油接口的要求;

(e) 关于每项要求和测试程序的编辑或技术修订;

(f) 根据第1阶段完成后报告的研究结果进行修订 - 具体涉及氢存储系统、火灾测试和事故后安全性的研究;

(g) 将最低爆裂要求修订为200%标称工作压力(NWP)或更低;

(h) 为新类型的容器(例如符合性油箱)进行修订。

C. 典型氢燃料车辆描述

1. 车辆描述

    13. 氢燃料车辆可以使用内燃机(ICEs)或燃料电池来提供动力。氢燃料电池车辆(HFCVs)采用由燃料电池产生电能的电动传动系统。一般来说,HFCVs配备了其他提高效率的先进技术,例如回收制动系统,可以捕获制动过程中损失的动能,并将其储存到电池或超级电容器中。虽然不同的HFCVs在系统和硬件/软件实现的细节上可能有所不同,但以下主要系统通常适用于大多数HFCVs:

(a) 氢燃料系统;

(b) 氢储存系统;

(c) 氢燃料输送系统;

(d) 燃料电池系统;

(e) 电动推进和能量管理系统。

     高级示意图显示了氢燃料电池车(HFCV)主要系统的功能相互作用,如图1所示。在加注过程中,氢气通过加注接口供给到车辆,并流向氢气储存系统。供给到和储存在氢气储存系统内的氢气可以是压缩气态氢或液态氢。当车辆启动时,氢气从氢气储存系统释放出来。压力调节器和氢气传送系统内的其他设备将氢气的压力降至适合燃料电池系统运行的水平。氢气在燃料电池系统内与氧气(来自空气)发生电化学反应,产生高压电能。这种电能被供给到电动推进功率管理系统,用于驱动电动马达和/或充电电池和超级电容器。

 


     图2至图4展示了典型氢燃料电池车(HFCV)主要系统中关键部件的典型布局。加注燃料口通常位于乘用车的后四分之一面板上,但位置可能会因车型而异。与汽油容器一样,无论是压缩气体还是液氢,氢气储存容器通常横向安装在乘用车后部,但也可以以不同方式安装,比如纵向安装在车辆中央隧道上或者在公交车上安装在车顶上。燃料电池和附属设备通常(如图所示)位于乘客舱下方或传统的“发动机舱”中,与功率管理、驱动电机控制器和驱动电机一起。鉴于牵引电池和超级电容器的尺寸和重量,这些部件通常安装在车辆中,以保持车辆适当处理所需的重量平衡。


典型氢燃料电池车



     典型的使用压缩氢储存并由燃料电池驱动的氢燃料车辆的组件布置示于图2、图3和图4中。加氢接口、检验阀、T/PRD(压力释放装置)阀门、关闭阀门、氢储存容器 A. 氢加注 B. 氢储存 C. 氢输送调节器 D. 燃料电池系统流量控制器 排气 阳极 排气 阴极 排气 鼓风机 燃料电池 E. 电动推进 动力管理 电池 超/超级电容器 电力管理 驱动电机 驱动电机控制器和电制动 Z 空气。


   
   


   


01

 氢燃料系统

17. 汽车在加氢站可以供应液化氢或压缩气体,取决于汽车中的氢气储存系统类型。目前,氢气最常见的供应方式是将压缩气体以高达车辆名义工作压力(NWP)的125%的压力供应给车辆,以补偿加注过程中绝热压缩产生的瞬态加热。

18. 无论氢气的状态如何,汽车都通过加氢站燃料分配器上的特殊加注喷嘴进行加注,该喷嘴连接到汽车上的加氢接收口,以提供“封闭系统”将氢气传输给汽车。

汽车上的加氢接收口包含一个止回阀(或其他装置),在加注喷嘴断开时防止氢气泄漏出汽车。


02

3. 氢储存系统

19. 氢储存系统由所有组成主要高压边界的组件组成,用于容纳储存的氢气。氢储存系统的关键功能是在加注时接收氢气,将氢气保存直至需要时,然后释放氢气到燃料电池系统或内燃机中,用于驱动车辆。目前,储存和传递氢燃料的最常见方法是以压缩气体形式。氢气也可以以液态形式储存(在低温条件下)。这些类型的氢储存系统将在下面的章节中描述。20. 其他类型的氢储存,如低温压缩储存,可能会在未来修订的联合国全球技术法规中涵盖,一旦它们的发展成熟。低温压缩氢(CcH2)储存是液态和压缩气体储存之间的混合体,可以用低温压缩和压缩氢气两种方式加注。

(a) 压缩氢储存系统

典型压缩氢储存系统的组成部分如图5所示。该系统包括容器和所有其他组件,构成了防止氢气从系统中泄漏的“主要压力边界”。在这种情况下,压缩氢储存系统的以下组件包括:(a) 容器;(b) 检查阀;(c) 切断阀;(d) 热激活压力释放装置(TPRD)。氢气储罐 电池组 燃料电池 E-轴。

       

     氢气储存容器存储了压缩的氢气。氢气储存系统可能包含多个容器,具体取决于需要存储的数量以及特定车辆的物理约束。氢燃料的能量密度每单位体积较低。为了克服这一限制,压缩氢气储存容器以非常高的压力存储氢气。在目前的发展车辆(2011年之前)中,氢气通常以35兆帕或70兆帕的名义工作压力存储,最大加注压力为名义工作压力的125%(分别为43.8兆帕或87.5兆帕)。在正常的“快速充氢”加注过程中,容器内的压力可能会升至名义工作压力的25%,因为气体的绝热压缩导致容器内部升温。在加注后容器内温度降低时,压力会减小。根据定义,系统的稳定压力将在容器处于15°C时等于名义工作压力。

随着商业化的推进,未来可能会出现不同的压力(高于、低于或介于目前的选择)。

    目前,为了满足高压氢气在车辆应用中的容纳挑战,并且保持重量在可接受范围内,容器通常采用复合材料构造。大多数用于燃料电池或内燃机车辆的高压氢气储存容器由两层构成:内层防止气体泄漏/渗透(通常由金属或热塑性聚合物制成),外层提供结构完整性(通常由覆盖在气密内层上的金属或热固性树脂浸渍的纤维增强复合材料制成)。

    一个容器可以在单个腔室中存储氢气,也可以在多个永久相互连接的腔室中存储。永久相互连接的腔室之间不应该闭合。容器不应该允许拆卸,并且应该导致永久将容器从使用中移除。

   一个容器可能具有容器附件,这些附件是非承压部件,为容器提供额外支撑和/或保护。

    加注燃料时,氢气通过一个止回阀进入储氢系统。止回阀防止氢气倒流进入加注管道。

   自动氢气切断阀在车辆不运行或检测到需要隔离氢气储存系统的故障时,防止储存的氢气流出。

在发生火灾时,热激活压力释放装置(TPRDs)能够在火灾中的高温削弱容器并导致危险破裂之前,控制释放压缩氢储存容器中的气体。TPRDs被设计为快速释放容器的全部内容。它们不会重新密封或允许重新增压容器。经历火灾的储存容器和TPRDs预计将被移除并销毁。封闭容器切断阀止回阀TPRD排气储存容器。

(b)液态氢储存系统

29. 由于液态氢储存系统在道路车辆上的使用经验有限,并且仅限于示范车队,因此安全要求尚未进行全面评估,测试程序也尚未广泛检验其可行性和与已知故障条件的相关性。因此,本预备文本的G节和规则文本的第7段分别提出了液态氢储存系统车辆的可选要求和测试程序,供缔约方考虑并可能纳入其各自的规定中。预计这些要求将被视为适用于液态氢储存系统车辆的未来联合国全球技术规则(UN GTR)中的要求。

4. 氢燃料输送系统

   氢燃料传递系统将氢气从储存系统以适当的压力和温度传输到动力系统,以使燃料电池(或内燃机)正常运行。这是通过一系列流量控制阀、压力调节器、过滤器、管道和换热器来实现的。在具有液态氢储存系统的车辆中,储存系统可以释放液态和气态氢气,然后加热至适当温度后再传递到内燃机或燃料电池系统。同样,在具有压缩氢气储存系统的车辆中,对气态氢气进行热调节可能也是必要的,特别是在极冷、零下的天气条件下。

     燃料输送系统应将氢气储存系统中的压力降低至燃料电池或内燃机系统所需的数值。例如,对于70 MPa NWP压缩氢气储存系统,压力可能需要从高达87.5 MPa降低到燃料电池系统入口处低于1 MPa,通常在内燃机系统入口处低于1.5 MPa。这可能需要多级压力调节来实现准确稳定的控制和过压保护,以防止压力调节器失效时下游设备出现超压情况。燃料输送系统的过压保护可以通过通过压力释放阀排放多余的氢气或在检测到下游超压状态时隔离氢气供应(通过关闭氢气储存系统中的切断阀)来实现。

5. 燃料电池系统

     燃料电池系统产生所需的电力来驱动电动机并充电车辆电池和/或电容器。有几种类型的燃料电池,但质子交换膜(PEM)燃料电池是汽车中常用的类型,因为其较低的操作温度可以缩短启动时间。PEM燃料电池在电化学上将氢气和氧气(空气中)结合以产生电力。燃料电池在供应氢气和氧气(空气)时能够持续产生电力,同时产生电力和水,而不会产生汽油发动机(ICEs)产生的二氧化碳(CO2)或其他有害排放物。

    如图1所示,典型的燃料电池系统包括一个鼓风机,用于向燃料电池堆提供空气。供给给燃料电池堆的氧气约50%至70%会在电池内被消耗。其余部分将从系统中排出。大部分供给燃料电池系统的氢气会在电池内被消耗,但需要一小部分过量的氢气来确保电池不会受损。这些多余的氢气要么与废气混合以产生车辆的非可燃废气,要么进行催化反应。

    燃料电池系统还包括辅助组件来移除废热。大多数燃料电池系统通过甘醇和水的混合物进行冷却。泵将冷却剂在燃料电池和散热器之间循环。

     燃料电池单元通常在堆叠中串联电连接,以使它们的组合电压,即总堆叠电压,介于300至600伏直流之间。由于燃料电池堆叠以高电压运行,因此所有与燃料电池堆叠的反应物和冷却剂连接(包括冷却剂本身)需要充分隔离,以防止与ECE/TRANS/180/Add.13/Amend.1 12车辆的导电底盘发生电短路,可能损坏设备或危害人员,如果绝缘被破坏。

6.电动推进和电力管理系统

     燃料电池系统产生的电力用于驱动推动车辆的电动马达。如图2所示,许多燃料电池车辆为前驱,电动驱动马达和传动系统位于“发动机舱”中,横向安装在前轴上;然而,其他配置和后驱也是可行的选择。较大的燃料电池车辆可能为全轮驱动,前后轴上配有电动马达,或者在每个车轮上配备紧凑的电动马达。

   “节气门位置”被驱动电机控制器用来确定发送到驱动轮的功率量。许多燃料电池车辆使用电池或超级电容器来补充燃料电池的输出。这些车辆在停车时还可以通过再生制动来回收能量,从而为电池或超级电容器充电,从而最大化效率。

   驱动电机可以是直流或交流。如果驱动电机是交流的,驱动电机控制器将把来自燃料电池、电池和超级电容器的直流电能转换为交流电能。相反,如果车辆具有再生制动系统,驱动电机控制器将把驱动电机产生的交流电能转换回直流,以便能量可以储存在电池或超级电容器中。

7、内燃机 (ICE)

      氢燃料也可以用于内燃发动机,而不是燃料电池系统。尽管需要进行一些改进才能在内燃发动机中使用氢气,但燃烧原理与汽油发动机相同,因此大部分汽油发动机车辆的传动系统可以被利用。氢燃料系统和氢储存系统将与氢燃料电池车辆相同,而燃料输送系统将被改装为内燃发动机车辆的喷射系统。

D.范围、定义和适用性的理由。

1、第二段的理论基础(范围)。

本联合国GTR适用于额定工作压力(NWP)为70兆帕或以下的氢气储存系统,其相关的最大加注压力为额定工作压力的125%。额定工作压力高达70兆帕的系统包括目前预计在车辆应用中具有商业利益的储存系统。未来,如果有兴趣将系统资格认证至更高的额定工作压力,资格认证的测试程序将被重新审查。

    本联合国全球技术规则适用于安全固定在车辆内部供车辆使用寿命期间的燃料储存系统。它不适用于旨在在车辆加油时交换的储存系统。本联合国全球技术规则不适用于使用氢化学键合的储存系统的车辆;它适用于通过物理容纳气态或液态氢进行储存的车辆。

    2010年之前建立的氢燃料基础设施适用于最高70兆帕(MPa)的车辆加注。这项联合国全球技术规则(UN GTR)未涉及加注站点或加注站点/车辆接口的要求。

    本《联合国全球技术法规》规定了车辆在碰撞条件下的燃油系统完整性要求,但并未明确指定车辆碰撞条件。根据1998年协议,合约方应按照各自国家的法规执行碰撞条件。

     对于重型车辆的情况,如果无法进行碰撞测试,许多合约方认为需要通过测试燃油系统完整性来引入最低安全水平。在这方面,几项法规已经建立了气体储存容器及其固定装置的加速测试,例如液化石油气(LPG)的联合国法规第67号、压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)的联合国法规第110号,以及欧盟法规(EC)第ECE/TRANS/180/Add.13/Amend.1 13 406/2010,实施了有关氢气安全的法规(EC)第79/2009。

     在这些加速测试中,储存系统及其固定装置会根据车辆类别受到加速度的作用。如果可以证明等效性,计算方法可以代替物理测试。

    在联合国GTR No. 13非正式工作组的第二阶段中,关于加速测试并未达成一致意见,因为缔约方对加速测试的目标以及其如何满足特定的安全需求存在分歧。然而,双方同意在随后的第三阶段进一步调查燃油系统完整性,该阶段将允许从原始设备制造商(OEM)和其他相关方收集现场数据。第三阶段还将考虑其他燃油系统完整性要求,如侧面碰撞测试。

    第一阶段的UN GTR No. 13发展重点在乘用车(车辆类别1-1和1-2,总重量不超过4536千克)上,而第二阶段旨在将重型车辆(总重超过4536千克的1-2类别和2类别)纳入范围。这反映了商业部署中对替代燃料技术日益增长的需求。商业公共汽车中使用压缩氢气系统已经显示出在总重超过4536千克的1-2类别车辆上安装系统的可行性、效益和安全性。包括2类别车辆将促进收集有关这些车辆适用性的数据。重型车辆的要求和测试程序的开发应考虑各种配置和使用情况、更大的质量和尺寸、安全概念(例如碰撞测试程序的可用性、速度和其他限制等)、更长的使用寿命等因素。

2. 第3.9和3.48段的理论基础(关于使用寿命和退役日期的定义)。

     这些定义涉及压缩氢储存系统在道路服务中的资格。服务寿命是服务(使用)合格和/或授权的最长时间段。本文件提供了液态和压缩氢储存系统的资格标准,其服务寿命为25年或更短(第5.1段)。服务寿命由制造商规定。

     退役日期是指规定的退役日期(年月)。退役日期可能由监管机构设定。预计是制造商发布的初始使用日期加上使用寿命。

3.第四段的理由(要求的适用性):

      第5段中的性能要求涉及道路服务的设计合格性。预计所有缔约方将认可符合本联合国全球技术法规的全部要求的车辆适用于其司法管辖范围内的道路服务。具备型式认证制度的缔约方可能要求额外遵守其对生产一致性、材料合格性和氢脆性的要求

     还应理解,任何缔约方都可以选择制定不同的要求,以使特定车辆符合其管辖范围内的道路服务资格。例如,符合本联合国全球技术法规中第5.1.2段的11,000次液压压力循环测试要求的车辆将被认为适合在所有缔约方的道路服务中使用。某个缔约方可以选择使用7,500次压力循环测试来确定轻型车辆在其独立管辖范围内的服务资格(第5.1.1.2段)。

E. 第5段的理论基础(性能要求)的合理性。

压缩氢储存系统测试要求和安全需求

     压缩氢储存系统内氢气的封闭至关重要,以成功地将氢气与周围环境和下游系统隔离开来。储存系统被定义为包括所有提供高压氢气主要封闭的闭合表面。该定义考虑了未来设计、材料和结构方面的进展,预期这些进展将在重量、体积、适应性和其他属性方面带来改善。

     压缩氢储存系统(CHSS)及其主要封闭件的要求在第5.1段中定义。第5.1.(b)段中的规定允许缔约方要求主要封闭装置直接安装在容器上。如有需要,制造商可以选择在容器的替代位置安装额外的TPRD。然而,任何额外的TPRD应通过使用已经在CHSS资格测试中证明具有机械完整性和耐久性的供应线直接连接到容器上(第5.1.1.和5.1.2.段)。

     在路上车辆使用的所有压缩氢储存系统的性能测试要求在第5.1段中指定。基于性能的要求涉及记录的路上应力因素和用途,以确保车辆服务的强大资格认证。资格测试旨在证明能够在服务期间执行关键功能,包括加注/卸载燃料、在极端条件下停车以及在火灾中表现而不影响储存系统内氢气的安全封装。这些标准适用于用于新车生产的储存系统的资格认证。

     生产符合正式设计资格测试的存储系统的一致性:制造商应确保所有生产单位符合第5.1.2段中性能验证测试的要求。此外,制造商应监测代表性生产单位在使用寿命期间的可靠性、耐久性和剩余强度。

需求的组织结构:

第5.1段。压缩氢储存系统设计资格要求包括:

5.1.1. 基线指标验证测试 

5.1.2. 性能耐久性验证测试(液压顺序测试)

5.1.3. 预期路上性能验证测试(气动顺序测试)

5.1.4. 火灾中终止服务性能验证测试。

     第5.1.1段建立了在剩余的性能验证测试和生产质量控制中使用的度量标准。第5.1.2和5.1.3段是资格测试,验证系统在极端的道路条件下能够在指定的使用寿命内进行加油、卸油和停车等基本功能,而不会发生泄漏或破裂。第5.1.4段确认系统在火灾等终止服务的条件下能够安全运行。

     欧盟赞助的评估对欧盟法规与欧洲法规进行了可比较严格性的比较(C. Visvikis(TRL CPR1187,2011)“氢动力车辆:欧洲立法与ECE全球技术规范草案的比较”)。结论是:“总体而言,该研究表明欧洲立法与全球技术规范草案之间存在根本差异。缺乏足够的测试或真实世界数据来确定哪一个更为严格。在欧洲对氢储存系统及其安装进行了规范,但这些内容并未包含在全球技术规范草案中。然而,从整体来看,全球规定中的性能要求似乎比欧洲立法更为严格。”报告补充道:“...穿透测试是ECE/TRANS/180/Add.13/Amend.1 15草案中潜在的重大遗漏。氢容器在使用过程中可能不太可能遭遇枪击,但这可能会对安全、破坏或恐怖主义产生影响。”

     通过对各个合同方在道路安全方面的要求的技术基础进行审查,并随后确认相关预期安全目标通过联合国全球技术规则(UN GTR)的要求得以实现,以确保与当前国家法规在道路服务方面的可比严格性。其中两个例子值得注意。

     第一个例子:一些国家法规要求,如果没有发生中间泄漏,压缩储存必须经受45,000次完全充填的液压循环而不破裂

     第二个例子:在一些地方,先前曾经使用过对于低压CNG容器的初爆压力要求(碳纤维复合容器超过225% NWP,玻璃纤维复合容器超过350% NWP)。

     对于这种新(未使用)容器的初爆压力要求的基础进行了研究。并未找到与历史要求相关的可信的定量数据基础,该要求与道路使用需求有关。相反,使用现代工程方法,通过几十年的实际使用经验识别服务中的应力条件,并设计资格测试来复 制和加剧这些条件的极端,以迫使系统展示功能和在寿命期内生存的能力。然而,一个风险因素,其他测试要求尚未解决的,且初爆压力测试将是相关的,即展示容器在整个使用寿命期内能够抵抗加油站过压引起的爆破。更严格的测试条件适用于处于“寿命终点”(通过极端测试条件模拟)的容器,而不是新(未使用)容器。

      因此,基于在180% NWP下暴露(无爆破)4分钟后失败概率与在150% NWP下暴露10小时后失败概率等价的证据(基于“最坏情况”玻璃复合纤维的失效时间数据),采用了暴露(无爆破)180% NWP 4分钟的残余(寿命终点)要求。最大加油站过压为150% NWP。对高度绝缘容器的实验表明,从压缩加热冷却所需时间约为10小时。

      对于新的未使用容器,另一个要求是将最小初爆压力设定为200% NWP,作为对最小新容器能力的筛选条件,有潜力完成需要初爆压力高于180% NWP的耐久性测试序列,考虑到新容器强度的<±10%的变化。这份文件采用了历史最低225% NWP作为保守的占位符,没有定量数据基础,而是利用一些缔约方的先前历史,期望会有额外的考虑和数据/分析来支持225% NWP值或重新考虑最小新容器初爆要求。

     历史最低的碳纤维复合容器的最低工作压力(NWP)为225%,已被采用为一个占位符,因为联合国全球技术规则第13号文件中缺乏定量数据。在第1阶段的后续讨论中,基于日本提供的碳纤维复合容器70兆帕(MPa)数据,假定初始爆破压力的变化在BPO ±10%之内,验证了容器实现寿命末期爆破压力180%NWP的能力。因此,已验证碳纤维复合容器的初始爆破压力应指定为200%NWP。

第5.1.1.2段的要求(基准初始压力循环寿命)为22,000个循环。这22,000个充满循环对应于寿命服务中行驶的超过7百万辆车的公里数(每次充满行驶350-500公里)。

     由于预期的寿命服务远远少于1百万公里,因此判定22,000个压力循环的要求提供了远高于极端最坏情况车辆服务的重要保证。其次,在国家标准中有各种规定,以确保ECE/TRANS/180/Add.13/Amend.1 16在静态(停车)和循环(加油)压力暴露中具有足够的强度。通常通过相当于第5.1.2.4、5.1.2.5和5.1.2.6段的测试来评估单个静态和循环压力暴露的生存能力,但每个测试都在单独的新容器上进行。对于初始破裂压力的最高要求(对于碳纤维复合材料容器为NWP的225%以上,对于玻璃纤维复合材料容器为NWP的350%以上)通常用于间接考虑未复 制的因素,如单独施加的应力和化学/物理冲击以及在加油中的过压情况下的生存能力。

     然而,联合国全球技术规则的要求提供了对这些因素的直接计算,明确复 制了应力和化学/物理冲击的复合以及过压情况。与其他气体燃料的条件不同,氢燃料的规格提供了限制潜在过压情况的保障,以避免在容器测试中复 制的极端情况。此外,联合国全球技术规则要求在生命周期末期具有足够的残余强度,以确保保留稳定性,足以抵抗接近(在新容器能力的20%内)的破裂压力。

      所有联合国全球技术规则的要求均明确使用已发表的数据推导,清晰且定量地将测试标准与安全的指定道路性能方面联系起来。因此,提供了在整个服务寿命中间接推断安全性能的标准被替换为在合成最坏情况暴露条件下提供安全性能在生命周期末期直接验证的标准;

      因此,结果是增加了对整个服务寿命期间安全性能能力的严格保证。此类增加的严格性的示例包括联合国全球技术规则要求在极端温度下(第5.1.3.2段)使用氢气进行压力循环测试,

而不仅仅是在常温下,使用氢气进行渗透测试并在复 制的生命周期末期(第5.1.3.3段)进行测试,

在多种应力因素(第5.1.2段)的复合暴露后进行生命周期末期残余强度测试(第5.1.2.7段),

以及局部和全面火灾测试(第5.1.4段)。6049. 以下各节(第5.1.1.至5.1.4.段)指定了为了压缩氢储存系统的完整性而在第5.1.段中建立的性能要求的理由。

第5.1.1段落中进行基准指标验证测试的理论基础。

      基线指标的验证测试具有几个用途:(i) 验证提交进行设计资格认证的系统(资格认证批次)在其特性上保持一致,并与生产质量控制的制造商记录保持一致;(ii) 确定初始中位爆破压力,用于性能验证测试(第5.1.2和5.1.3段),并可用于生产质量控制(即,确保生产与资格认证批次的特性一致),以及(iii) 验证满足最小爆破压力和泄漏前的压力循环次数的要求。

    基础初始爆裂压力要求与在5.1.2和5.1.3段结束测试序列的“寿命终点”爆裂压力要求不同。基础爆裂压力涉及新的、未使用的容器,而“寿命终点”爆裂压力涉及完成了一系列性能测试(5.1.2或5.1.3段)的容器,这些测试复 制了最坏情况使用和环境暴露条件在整个使用寿命中。由于疲劳在使用和暴露条件下积累,预计“寿命终点”爆裂压力(即爆裂强度)可能低于新的和未暴露的容器。

(i) 第5.1.1.1段的基线初始爆发压力的理论基础。

     第5.1.1.1段建立了中点初始爆破压力(BPO)并验证了合格批次系统的初始爆破压力是否在BPO ± 10%范围内。BPO用作性能验证(第5.1.2.8和5.1.3.5段)和合格批次内一致性验证的参考点。

     第5.1.1.1段验证了BPO是否大于或等于225%NWP或350%NWP(用于玻璃纤维复合材料),这些值是暂时选择的,没有数据驱动的推导,而是基于历史使用,并在此作为占位符,预期数据或分析将可用于在ECE/TRANS/180/Add.13/Amend.1 17这个UN GTR的第2阶段重新考虑该主题。例如,通过数据驱动的性能相关的理由可以支持200%的最小初始爆破压力要求,该要求与大于180%NWP的终端服务爆破要求(与能够承受最大加油站超压)相结合,以及从中位初始爆破强度的最大允许寿命下降20%(最大允许值)等效于对中位初始爆破强度的225%NWP的要求,这对应于最大允许初始强度变异性为10%的最小爆破强度为200%NWP的要求。

     第I阶段和第II阶段之间的间隔提供了在第2阶段解决该主题之前开展新数据或分析的机会,以确定225%NWP(或其他百分比NWP)的最小值。

在第5.1.1.1段中,碳纤维容器的最小初始爆裂压力被规定为NWP的225%,而玻璃纤维容器为NWP的350%,作为联合国全球技术规则第13号的历史占位符。

在第二阶段的讨论中,日本提供了使用碳纤维复合容器进行实验的数据,支持仅针对碳纤维容器将最小初始爆破压力变化从225% NWP降至200% NWP(Tomioka, J. et al(2019年9月);“液压顺序测试对4型压缩氢容器爆裂强度的影响。”2019年国际氢安全会议。技术论文编号159)。

注:玻璃纤维容器的要求仍保持在350% NWP。


       


    图6显示了当前初始爆破压力要求与预估寿命末期爆破压力要求之间的关系。日本的实验表明,符合BPO ±10%要求并经过液压顺序测试的容器,即使最小初始爆破压力降低到200% NWP,也能够达到至少180% NWP的寿命末期爆破压力。

    通过顺序液压测试的验证方法:利用碳纤维容器(N≥10)的测试数据,研究了初始爆破压力和终生爆破压力的变化,以及初始和终生爆破压力之间降解比率的平均值。这些容器是从一个已知能够达到初始爆破压力的225%以上的单批次中选择的。


       
       

     测试结果如图7所示。初始爆裂压力的最小值大于225%,并且在±10%的BPO要求范围内。考虑到测试中的变化和降解比率,终端寿命爆裂压力大于180% NWP。它也比BPO的80%大得足够多(图8)。

   结果表明,当保持终端寿命爆破压力(BPEOL)在180% NWP以上和80%的BPO要求时,225% NWP的最小初始突压可以降低至200% NWP。

    这个结论适用于所有基于BPmin相对于设计NWP的容器。目前没有证据表明变异性取决于NWP。然而,在第2阶段讨论中,另一缔约方表示,改变35MPa容器的初始破裂压力要求的数据不足。因此,将碳纤维复合容器的35MPa要求值留在225% NWP,作为缔约方的选择,期望将来会有额外的数据或分析可用。虽然碳纤维容器的最小初始破裂压力为200% NWP被认为足够作为性能要求,但应根据容器供应商提供的BP0进行评估,BPEOL ≥180% NWP(安全要求)初始破裂压力【% NWP】寿命终了0 180 BP0 BPEOL -5%(结果)-16% -7% +8%(结果)+8%(结果)200 225 BPmin ≥200% NWP初始破裂压力BP0 BPEOL 寿命终了破裂压力※ ≥80% BP0(对于破裂压力变化的一致性/稳定性的要求)应根据容器供应商提供的BP0进行评估-10% +10% -20% ≥80% BP0ECE/TRANS/180/Add.13/Amend.1 19 UN GTR No. 13的要求,验证数据基于从单批次中选择的容器进行的测试。与不同生产批次之间的差异相关的生产质量等应被视为容器制造商的责任。除了作为性能要求外,预期满足此要求将向测试设施提供确保在进行第5.1.2、5.1.3和5.1.4段规定的资格测试之前对容器稳定性的保证。

     (ii) 段落5.1.1.2的基线初始压力循环寿命72的理由。该要求规定,三(3)个随机选择的新容器必须在循环压力至125% NWP的情况下进行22,000次循环,直到发生泄漏为止。对于轻型车辆(LDV),在7,500或11,000次循环内不得发生泄漏,由缔约方自行决定;对于重型车辆(HDV),在11,000次循环内不得发生泄漏。对于超过15年至25年的使用寿命,不得发生泄漏的压力循环次数为11,000。本规范中使用的数值的理由如下:

a. 基准压力循环寿命要求中“漏气前爆裂”方面的理论基础

     基准压力循环寿命要求旨在为在道路服务期间由于压力循环而导致破裂的抗性提供初步检查。基准压力循环测试要求在破裂发生之前要么(i)发生泄漏(旨在导致车辆停机并随后修复或将容器从使用中移除(第5.2.1.4.3段。)),要么(ii)具有在不破裂或泄漏的情况下承受22,000次充满液压压力循环的能力。

     无论容器失效模式如何,该要求都为车辆的安全使用提供了足够的保护。在车辆的使用寿命内,容器泄漏之前的最小行驶距离取决于多种因素,包括承包方选择的循环次数以及车辆的充填里程。无论如何,设计最低要求为容器在泄漏前经受7,500个循环,并且每次充填只使用320公里(200英里),可提供超过1.6百万公里(1百万英里)的行驶里程,直到容器因泄漏而失效。最糟糕的情况是容器破裂导致失效,此时容器应能够承受22,000个循环。对于满负荷加油后在道路上行驶范围为480公里(300英里)的车辆,22,000次完全充填循环相当于超过1,000万公里(6百万英里)的行驶里程,这远远超出了道路车辆实际寿命范围的极端情况(详见下文5.1.1.2.2段的讨论)。因此,容器要么表现出能够在道路使用中承受压力循环而避免失效(泄漏或破裂),要么在破裂之前发生泄漏,从而阻止持续使用可能导致破裂的情况发生。无论容器失效模式如何,该要求都为车辆的安全使用提供了足够的保护。在车辆的使用寿命内,容器泄漏之前的最小行驶距离取决于多种因素,包括承包方选择的循环次数以及车辆的充填里程。无论如何,设计最低要求为容器在泄漏前经受7,500个循环,并且每次充填只使用320公里(200英里),可提供超过1.6百万公里(1百万英里)的行驶里程,直到容器因泄漏而失效。最糟糕的情况是容器破裂导致失效,此时容器应能够承受22,000个循环。对于满负荷加油后在道路上行驶范围为480公里(300英里)的车辆,22,000次完全充填循环相当于超过1,000万公里(6百万英里)的行驶里程,这远远超出了道路车辆实际寿命范围的极端情况(详见下文5.1.1.2.2段的讨论)。因此,容器要么表现出能够在道路使用中承受压力循环而避免失效(泄漏或破裂),要么在破裂之前发生泄漏,从而阻止持续使用可能导致破裂的情况发生。

     对于抗破裂的证明需要更多的压力循环,即22,000个(在没有干预泄漏的情况下),而对于抗泄漏的证明所需的循环次数为7,500至11,000个,这是因为破裂事件的更高严重性意味着每个压力循环发生该事件的概率应低于较不严重的泄漏事件的概率。风险 = (事件发生的概率)x(事件的严重性)。

(注意:在超过125%NWP的更高压力下循环可能会在更短的测试时间内引发故障,然而,这可能会引发无法在真实世界服务中发生的故障模式。)

    循环次数、合格测试中的液压压力循环次数的理由:循环次数大于或等于7,500且小于或等于11,000 76。液压测试压力循环次数应由各个缔约方具体规定,主要是因为不同司法管辖区内预期的最坏情况下的车辆寿命范围(车辆使用寿命内行驶距离)和最坏情况下加油频率的差异。预期最大加油次数的差异主要与高使用量的商用出租车应用有关,在不同的监管司法管辖区内可能受到非常不同的操作限制。例如:

     车辆车队里程数据(包括出租车):《加利福尼亚空气资源委员会》的《Sierra研究报告》SR2004-09-04(2004年)报告了加利福尼亚报废车辆的寿命行驶里程,所有车辆的寿命行驶里程均低于560,000公里(350,000英里)。根据这些数据以及每次加满油 行驶320 - 480公里(200 - 300英里),可以估算寿命内加满油的最大次数为1,200 - 1,800次。

    车队里程表数据(包括出租车):加拿大交通部报告称,2009年在加拿大不列颠哥伦比亚省进行的必要排放测试显示,使用最为频繁的5辆车的里程表读数在80万至100万公里(50万至60万英里)之间。根据这些车辆的报告型号年份,这相当于每年不到300次加满油,或者每天不到1次加满油。根据这些数据以及每次加满油 行驶320至480公里(200至300英里),可以估计空到满油的最大次数为1,650至3,100次。

     出租车使用情况(每天班次和每周天数)数据:纽约市(NYC)出租车事实手册(Schaller Consulting, 2006)报告称,每班次的极限使用里程为320公里(200英里),最长使用寿命为5年。不到10%的车辆能够保持5年的使用寿命。每年平均行驶里程为72,000公里,对于每天2个班次、每周7天运营的车辆而言。没有记录显示任何车辆在整个5年的使用寿命中保持高度使用。然而,如果一辆车被预测每天加油1.5-2次,并且保持在纽约市(NYC)出租车服务寿命的最长5年内,那么在出租车服务寿命期间加油的最大次数将为2,750-3,600次。

    出租车使用情况(每天班次和每周天数)数据:加拿大交通部报告了在多伦多和渥太华运营的出租车进行的调查,显示普遍的高使用率为每天20小时,每周7天,每天行驶距离为540 - 720公里(335 - 450英里)。车辆里程表读数未报告。在极端最糟糕的情况下,可以预测如果一辆车能够保持这种高使用水平达到7年(报告的出租车最长寿命);那么预测的最大极限行驶距离为1,400,000 - 1,900,000公里(870,000 - 1,200,000英里)。基于每次加满油 行驶320 - 480公里(200 - 300英里),预测全使用15年的加满油次数可能为2,900 - 6,000次。与这些极端使用预测一致,氢储存系统的全压力液压合格测试循环的最小次数设定为5,500次,适用于UN GTR No. 13,第1阶段。全加压循环次数的上限设定为11,000次,对应于一辆车在整个15年的使用寿命中每天进行2次加满油的高使用服务(预期寿命行驶里程为3)

(未完待续)


   






 


来源:气瓶设计的小工程师
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首次发布时间:2024-04-08
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气瓶设计的小攻城狮
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