基于全生命周期理论的车载氢安全检测系统设计

摘 要：【目的】为解决氢燃料电池汽车车载氢存在的安全问题，保证燃料电池汽车能长周期运行安全。基于氢的特性及全生命周期理论，提出全生命周期车载氢安全策略，并进行车载氢安全检测系统软硬件设计。【方法】首先，利用集成化的ESP-12F Wi-Fi 模组设计来制作设备端，用于数据的在线采集。其次，基于百度智能云平台构建物接入（IoT Hub）、时序数据库（TSDB）和物可视（IOTV）等数据处理模块，用于数据的云端互联。【结果】通过模拟测试，该系统不仅实现了对环境温湿度、氢气泄漏量等安全指标数据的在线采集、存储、展示和超值报警等功能，还将设备端采集到的数据以时间序列存储至云端数据库。【结论】研究结果表明，该系统可为全生命周期内燃料电池汽车用氢状态分析提供数据支持，是解决燃料电池汽车车载氢安全问题的一种新技术方案。

关键词：氢燃料电池汽车；全生命周期；车载氢安全；安全策略

中图分类号：TM93" " "文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2025）02-0014-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.003

Abstract：[Purposes] This paper aims to solve the hydrogen safety problem of hydrogen fuel cell vehicles and ensure the safety of the long-term operation of fuel cell vehicles. Based on the characteristics of hydrogen and the whole life cycle theory， a whole life cycle on-board hydrogen safety strategy is proposed， and the software and hardware design of the on-board hydrogen safety detection system is carried out. [Methods] First， the integrated ESP-12F Wi-Fi module" was used to design and manufacture the device side for online data collection. Secondly，" Baidu’s intelligent cloud platform was used to build data processing modules such as Internet of Things Hub （IoT Hub）， time-series database（TSDB） and Internet of Things Hub Visualization （IOTV），" which are used for cloud interconnection of data. [Findings] Through the simulation test， the system not only realizes the functions of online collection， storage， display and over-value alarm of safety index data such as environmental temperature and humidity and hydrogen leakage， but also stores the data collected on the equipment side to the cloud database in a time series. [Conclusions] The results show that the system can provide data support for the analysis of the hydrogen status of fuel cell vehicles in the whole life cycle， which is a new technical solution to solve the hydrogen safety problem of fuel cell vehicles.

Keywords：hydrogen fuel cell vehicle; whole life cycle theory; on-board hydrogen safety;safety strategy

0 引言

2019年，氢能源首次被写入《政府工作报告》中，要求推动充电、加氢等基础设施建设。2020年，新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）中指出，到2035年，氢燃料电池汽车实现商业化应用［1］。氢燃料电池汽车发展步入快车道，其车载氢安全问题事关用车安全，引起人们的广泛关注。目前，国内外学者已对车载储氢系统、车载供氢系统、氢安全控制系统和车内外氢安全防护系统等开展了广泛的研究与应用，并取得良好的成果，保证氢燃料电池汽车能一定周期内安全运行。而车载氢安全涉及燃料电池汽车的设计、制造、使用和报废等全过程，对其开展全生命周期的载氢安全问题研究，实时在线分析、判断用氢安全状态，有利于保证氢燃料电池汽车的长周期安全运行。本研究从可靠性出发，先构建全生命周期车载氢安全策略，再利用物联网技术及云平台来设计车载氢安全检测系统，最后对系统进行模拟测验。

1 全生命周期车载氢安全策略

1.1 全生命周期车载氢安全模型

氢是最轻的元素，容易泄漏，且泄漏后会迅速向外、向上扩散。氢气和空气混合物的燃爆极限宽、着火能小、容易燃爆，且高压储氢瓶易发生氢脆。氢气易泄漏、扩散、燃爆、氢脆等特性给氢燃料电池汽车的使用埋下了安全隐患［2］。随着电子信息技术的发展，通过构建氢安全管理系统以防范事故发生。但从保证氢安全系统可靠性及长周期安全运行角度出发，还要引入全生命周期理论。

全生命周期是指一个项目或事物“从有到无”的全过程。全生命周期管理是一种以时间和空间为维度开展的全过程管理，常用于设备管理中，对设备规划、设计、制造、选型、购置、安装、使用、维护、改造更新直至报废等环节进行全过程管理。目前，全生命周期理论在车辆中的研究与应用多聚焦在环境效益、经济效益、质量效益等方面。例如，于亚梅［3］对比柴油重型车，从全生命周期的能耗、温室气体及大气污染物排放量三个方面评估氢燃料电池重型车节能减排效果；柴瑞松等［4］通过计算不同能源货车在相同载货量下其全生命周期总成本，确认新能源货车经济优势；吴志林［5］结合汽车零部件质量管理实践，建立零部件全生命周期的供应商质量管理体制。当前，在车载用氢安全方面中基于全生命周期理论的研究较少，鉴于氢燃料电池汽车产出与使用数量不断增加，加入数量维度，从时间、空间和数量三个维度建立氢燃料电池汽车全生命周期车载氢安全模型，如图1所示。

在全生命周期车载氢安全模型中，归类分析氢燃料电池汽车有关氢安全的主要标准［6］，梳理氢气泄漏量、环境温湿度、供氢系统压力及流量等主要安全指标对车载氢安全运行的重要影响。以氢气泄漏量为例，从三个维度定性分析其对车载氢安全状态的影响。

1.1.1 时间维度。随着用车时间的推移，与氢气泄漏相关的检测仪表会因老化而性能下降，甚至失效，如不及时考虑这些因素的变化，将会产生不可预知的安全风险。此外，氢气泄漏量在单位时间内快速升高，此时虽未报警，但安全风险却在积聚。需要分析判断用车时长、参数变化率等时间因素对氢安全状态的影响。

1.1.2 空间维度。人车所处空间不同，氢气泄漏后对人车安全的影响也不同。由氢气泄漏与燃烧特性可知，氢气在封闭空间内发生泄漏时比空旷空间发生泄漏对人车安全更为不利。此外，随着车辆所处环境的温湿度变化，载氢部件的承压能力也会随之发生变化，导致氢气泄漏的可能性增大。此时，要分析判断人车所处空间、车辆所处环境等空间因素对氢安全状态的影响。

1.1.3 数量维度。在空间环境不变的前提下，随着燃料电池汽车在途使用基数增大，由氢气泄漏性决定，因氢气泄漏而导致的安全隐患数量将增加，在相对封闭环境内发生氢气泄漏积聚的概率也会随之增加，导致发生的爆炸风险也相应增加。此时，需要分析判断车辆在途使用数量、乘车人数等数量因素对氢安全状态的影响。

1.2 全生命周期车载氢安全策略

研究时间、空间和数量等因素对燃料电池氢安全状态的影响，并制定相应的安全策略。本研究从全生命周期、信息技术、宏观管理、微观管理这四个层面出发，构建全生命周期车载氢安全策略。

1.2.1 全生命周期层面。跟踪、记录和分析氢燃料电池汽车设计、制造、使用和报废等全生命周期过程中的各项信息指标，并判断氢安全指标对车载氢安全的影响。

1.2.2 信息技术层面。利用大数据、移动互联网、物联网和云平台等信息技术采集氢安全指标各项参数，并利用云计算及人工智能对各种安全指标进行分析、评判，做到氢安全数据可记录、可追溯；打破时空限制，准确掌握车载氢安全运行数据，不断提升氢安全管理策略。

1.2.3 宏观层面。政府及行业利用云端管理服务平台，建立燃料电池汽车安全评价管理模型，完善氢燃料电池汽车车载氢安全标准。

1.2.4 微观层面。企业对采集到的动态数据开展科学研究，开发、优化燃料电池汽车氢安全管理系统，保证车辆运行安全。

2 全生命周期车载氢安全检测系统软硬件设计

2.1 系统方案设计

实施全生命周期车载用氢安全策略是一个长周期的过程，要先设计一套在线数据采集系统，用于采集、存储和显示氢安全指标数据。本研究选择温度、湿度和泄漏量这三个较为重要且便于测试的氢安全检测指标，用于模拟测验，为实车验证和后续分析数据做好准备。氢安全检测指标见表1。

车载氢安全检测系统方案设计如图2所示，系统包括设备端和云端两个平台。

设备端平台包括泄漏量检测模块、温度检测模块、湿度检测模块、电源模块、报警模块和显示模块，借助智能网联技术搭载在微控制器上，实现设备端的网联功能。云端平台依次利用百度智能云的物接入（IoT Hub）、时序数据库（TSDB）和物可视（IoTV）这三个模块，实现数据采集、时序记录及显示功能。同时，设置扩展接口，用于其他安全指标的后续检测研究。

2.2 系统硬件设计

采取模块化集成的硬件设计思路，确保系统的稳定性与可靠性。电源模块、报警模块和显示模块的电路设计较为简单，不再赘述，主要介绍主控芯片、温湿度检测和氢气泄漏模块的选择及电路设计。

2.2.1 主控芯片选择及电路设计。为保证系统的稳定性与抗干扰能力，主控芯片应选择成熟的ESP-12F Wi-Fi模组。该模组高度集成，具有强大的处理和存储能力，可通过GPIO口集成传感器；内部的Wi-Fi模块可直接用于实现设备联网功能。接口定义如图3所示。

TXD、RXD引脚作为串行通信接口，连接串口转换芯片CH340C；ADC、GPIO5、GPIO10分别接入泄漏量传感器和温湿度传感器采集到的数据；GPIO4引脚接联网状态指示灯；GPIO9引脚接蜂鸣器，用于报警；GPIO0、GPIO2、GPIO15引脚作为通用I/O接口，用于实现串行下载模式与程序运行模式；GPIO12、GPIO13、GPIO16引脚作为通用接口，扩展预留。

2.2.2 温湿度传感器检测模块设计。采集燃料电池汽车所处环境的温湿度数据，要求传感器具有可靠性好、成本低、响应速度快、抗干扰能力强、数字信号输出等特点，据此选择DHT11数字温湿度传感器，参数见表2，电路设计采取常规设计，不再赘述。

2.2.3 氢气泄漏检测传感器选择及电路设计。考虑到可更换及模块化设计原则，且为了便于实现功能测试，选用MQ-2气体传感器用于检测氢气是否泄漏。该传感器是一款多用途传感器，还可对液化气、天然气进行检测，其灵敏度可根据需要进行调整，具体参数见表3。该传感器为模块化集成传感器，具有快插功能，预留了四个引脚，1号引脚接电源正、2号引脚接地、3号引脚为模拟量输出功能接口、4号引脚为数字量输出功能接口，分别与主控板相连。电路设计采取常规设计，不再赘述。

2.3 系统软件设计

在基于安可信的IDE集成开发环境 AiThinkerIDE_V0.5中开发系统程序，程序执行流程如图4所示。

用户通过初始化函数对相关外设和通信接口进行初始化，Wi-Fi函数执行联网。如果能连接到热点，LED快闪三次示意联网成功，并执行定时器回调函数；如果不能连接到热点，OLED显示需要微信配网，此时用户通过微信公众号对其配网。在定时器回调函数中，每隔5 s读取一次传感器参数，并上传到云平台，同时，监测传感器实测参数是否超过上限值，如果超过上限值，蜂鸣器发出间断的报警音。

该系统采用MQTT协议与云平台通信。MQTT是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通信协议，是基于TCP/IP协议构建的，其最大优点是减少代码和带宽，在连接远程设备时开销低、带宽要求低。MQTT传输的消息分为主题（Topic）和负载（payload）两部分，该系统共有温度、湿度和气体浓度这三个主题，采集到每个主题的实时数据就是对应主题的负载。在云平台上订阅好这三个主题，当设备端采集完温度、湿度和气体浓度等负载数据后，设备端就可通过MQTT协议上传到云端。

2.4 云端平台设计

云端平台基于百度智能云服务，百度智能云可实现数据随时随地调用，不易丢失，较为可靠。具体设计参数不再赘述，采用的平台类别及具体应用见表4。

3 系统联网调试与实现

首先，连接硬件线路，如图5所示。温湿度传感器和气体传感器具有快插功能，便于在模块老化后进行更换。其次，实现设备端与云端数据连接。利用flash_download_tools_v3.6.3烧录工具将程序烧录到主芯片，通过串口助手获得设备的联网状态数据和上报云平台的传感器参数，并分析、判断设备是否联网成功。最后，对比串口打印的传感器参数和云平台物影子数据，判断设备端上报的数据是否被云平台成功接收。

对氢安全监测系统调试完毕后，进行模拟测试。将该系统的传感器置于液化气（代替氢气）释放环境中，进行泄漏检测，改变环境温湿度，进行环境温湿度监测。功能实现界面如图6、图7所示。图6左侧为一个时段内浓度的变化曲线，右侧为每隔5 s存储采集的浓度值，浓度数值均以时间顺序存储在云端数据库，可不受时空限制查询及分析实时数据。图7以仪表盘形式分别显示环境温度、气体浓度和环境湿度，可用于车载显示。同时，该系统通过百度智能云规则引擎功能来判断参数，将大于上限的数据存储到报警记录数据库，实现报警功能。报警时间和数值可记录、可查询、可追溯，并可同步发送信息提醒给用户。这种异地报警功能使用户不在车内也能得知车辆的安全状态，保证驾驶安全。

通过系统联网调试，顺利实现了数据采集、时序存储、数据展示和超值报警功能，并验证了车载氢安全监测系统能有效监控车载氢安全状态，为解决好全生命周期内的车辆安全运行提供了数据保障。

4 结语

本研究从全生命周期角度出发，提出全生命周期车载氢安全策略，利用ESP-12F Wi-Fi模组和百度智能云平台，设计出一套车载氢安全检测系统，实现对温湿度、氢气泄漏量等安全指标的数据采集、时序存储和超值报警功能，满足全生命周期车载氢安全策略中对氢安全指标的数据采集需求，为燃料电池汽车实施全生命周期氢安全管理提供了初步的解决方案。本研究只对该系统进行了模拟测验，还未在实际车辆上开展验证与数据分析。接下来，可将该系统应用于实际车辆上，进行在线分析氢安全时序数据，并将时序数据进行提取用于离线研究。综上所述，该系统为解决燃料电池汽车车载氢安全问题提供了一种技术参考。

参考文献：

［1］国务院办公厅.国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）的通知（国办发〔2020〕39号）［EB/OL］.（2020-10-20）［2024-10-20］.https：//www.gov.cn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm.

［2］欧可升，郑津洋，花争立，等.国际氢安全领域研究热点及最新进展：记第五届国际氢安全会议（ICHS 2013）［J］.中外能源，2014，19（1）：34-38.

［3］于亚梅.氢燃料电池重型车全生命周期节能减排效果评估［J］.环境污染与防治，2024，46（4）：536-542，549.

［4］柴瑞松，刘翀，吕一凝.新能源货车全生命周期总成本的优势分析［J］.中国储运，2022（12）：112-113.

［5］吴志林.汽车零部件供应商全生命周期质量管理方法研究与实践［J］.汽车知识，2024，24（7）：187-189.

［6］第一电动网.燃料电池相关标委会及标准汇总.［EB/OL］.（2018-05-28）［2024-10-20］.https：//www.d1ev.com/kol/69164