燃料電池汽車氫氣消耗量檢測試驗臺測控系統的開發*

田 穎，金振華，裴方芳，聶圣芳，盧青春

(1.北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044; 2.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084;3.中機生產力促進中心，北京 100044)

前言

氫燃料熱值高、污染少、能源可再生的特性使其受到各國政府和企業的關注，成為研發熱點，并被日益廣泛地應用于燃料電池汽車和混合動力汽車，成為未來汽車的重要動力來源。作為燃料電池車的基礎性研究工作之一，其燃料經濟性測量具有重要的實際意義。根據目前國際上對于氫燃料消耗量測量方法的研究所取得的成果，SAE J2572推薦了3種前景較好的測量方法:質量稱重法、溫度壓力法和流量計法［1－3］。燃料電池汽車氫氣消耗量檢測試驗臺能夠對這3種測量方法進行研究。

1 系統硬件

氫氣消耗量檢測試驗中須測量的關鍵參數為試驗前后氣瓶的質量，氣瓶內部的溫度、壓力值以及質量流量計的值。此外，基于安全方面的考慮，還須監測測量系統管路中一、二級減壓后的溫度和壓力值。為模擬實際燃料電池汽車使用工況下的流量變化規律，還須控制流量控制器以獲得合適的放氣流量，測控系統硬件結構如圖1所示。

測控系統采用485總線采集模塊，結構簡單、可靠性好、抗干擾能力強、便于維護和擴展。對于系統中的各個測量參數，分別采用熱電阻采集模塊、電壓電流采集模塊進行采集。采用開關量輸出模塊驅動繼電器，進而控制系統中電磁閥的開合動作，采用模擬量輸出模塊輸出0～5V控制信號到流量控制器。各個模塊通過485總線接入工控機，工控機根據采集模塊的通信協議與采集模塊進行通信，獲取相關測量參數。

2 系統軟件

燃料電池汽車氫氣消耗量檢測試驗臺測控系統軟件基于美國National Instruments公司的虛擬儀器開發平臺LabVIEW構建，測控系統軟件功能見圖2，包括數據采集、數據存儲、信息監控和設備控制。

系統維護功能主要是監測系統硬件和軟件的設定，包括采集設備定義、二次儀表通道設定、熱電阻采集模塊通道設定、電壓電流采集模塊通道的設定和標定。采集設備定義中確定了所有采集設備的名稱和相關參數，這樣不用修改程序源代碼就可以實現測試設備的修改和增減。數據采集功能主要是與測量設備和傳感器進行底層通信，包括與流量計、二次儀表、熱電阻采集模塊、電壓電流采集模塊和開關量采集模塊的通信，通過這些功能的實現完成被測物理量的底層采集任務。設備控制功能主要是根據正常使用情況下用戶的手動操作或異常時監測程序輸出控制電磁閥動作，通過流量控制器控制管路內的氣體質量流量等。

試驗監測功能主要是試驗過程中軟件所要實現的功能，包括測量數據采集、界面顯示刷新、超限報警等。測量數據采集通過調用底層采集功能模塊獲取測量通道的數據，刷新界面顯示。在試驗過程中，試驗人員可以根據需要在線選擇界面上顯示的通道。數據保存功能是將采集到的數據實時保存到硬盤上，以便數據分析與處理。對任務分析發現系統的核心功能是進行數據采集和保存，要求保證10Hz的采樣頻率，實時監測的顯示功能則不需要這么高的頻率。因此采用多線程技術，數據采集模塊與數據顯示模塊運行在兩個并行的線程下，前者循環周期為100ms，后者循環周期為250ms。

3 試驗結果

出于安全考慮使用氦氣進行試驗。為減少密度計算帶來的誤差，氦氣密度通過直接查詢NIST網上標準數據庫獲得［4－5］。此外，由于試驗中所用的氦氣是較廉價的工業氦，其中有一定組分的空氣，而在試驗中是將瓶內氣體按純氦氣進行計算的，因此須分析氦氣中空氣成分對測量結果的影響，為簡單起見，采用理想氣體狀態方程進行理論分析。

設氣瓶內空氣的摩爾組分為x，氦氣的摩爾組分為1－x，記空氣的摩爾質量為MAir，氦氣的摩爾質量為MHe，試驗前瓶內氣體溫度為T1，壓力為p1，總的物質量為n1，試驗后的相應參數依次為T2、p2、n2。氣瓶體積固定為V。設瓶內空氣和氦氣均勻混合。

根據道爾頓分壓定律，試驗前后瓶內空氣的分壓分別為xp1與xp2，則空氣質量的減少量為

同理，氦氣的質量減少量為

則瓶內氣體質量總的減少量應為

如果將瓶內氣體按照純氦氣計算，則得到的氣體消耗量為

以上分析說明，當把瓶內氣體作為純氦氣計算時，結果比真實值偏小，當x不變時真實值與以純氦氣計算結果之間的比值是一個常數:

溫度壓力法和質量稱重法試驗數據如表1和表2所示。通過多組試驗數據分析發現，同組試驗各質量稱重法與溫度壓力法的試驗結果比值基本恒定，約為1.08，誤差在0.5%之內，這與氦氣純度對測量結果影響的分析結論吻合，此外，隨著氦氣純度的提高，各組試驗中上述比值減小。

表1 溫度壓力法的試驗數據

表2 質量稱重法的試驗數據 g

由于氣體不純造成的誤差與氣體的消耗量成正比，基于這一判斷，可以推斷在氣體消耗量較大時，測試系統引起的誤差(包括傳感器測量誤差和采集系統的誤差等)與氣體不純造成的誤差相比很小，正如上述各試驗中稱重法與溫度壓力法之間的比值基本符合式(1)，此時稱重法與溫度壓力法之間的差別主要是由于所用氦氣的純度較低造成的。在氣體消耗量較小時，測試系統引起的誤差不可忽略，并且此時由于氣體不純引起的誤差很小，則總的測量誤差也很小。為驗證這一點，進行了以下試驗，試驗結果見表3和表4，可見在質量消耗量小的情況下，總絕對誤差也較小，分別為0.7和0.3g。

表3 溫度壓力法穩態試驗數據

表4 質量稱重法的試驗數據 g

4 結論

燃料電池汽車氫氣消耗量檢測試驗臺的測控系統在試驗過程中能夠對相應的電磁閥和流量控制器進行控制，對測點的溫度、壓力和流量等參數進行采集、監測和存儲，同時還監測系統各部分的狀態，能夠對異常情況做出快速可靠的反應。試驗結果證明，此測控系統工作穩定可靠，測量精度達到試驗要求，系統維護和擴展性強，可以滿足氫氣消耗量檢測試驗要求。

［1］Yi Ding，John Bradley，Kevin Gady，et al.Hydrogen Consumption Measurement for Fuel Cell Vehicles［C］.SAE Paper 2004 －01 －1008.

［2］Satoshi Aoyagi，Takuya Shirasaka，Osamu Sukagawa，et al.Development of Fuel Econony Measurement for Fuel Cell Vehicle［C］.SAE Paper 2004－01－1305.

［3］Carl M Paulina.Hydrogen Fuel Cell Vehicle Fuel Economy Testing at the U.S.EPA National Vehicle and Fuel Emissions Laboratory［C］.SAE Paper 2004－01－2900.

［4］Eric W Lemmon，Marcia L Huber，Daniel G Friend，et al.Standardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications［C］.SAE Paper 2006 －01 －0434.

［5］謝起成，趙廣平.燃料電池電動汽車氫消耗量的計算［J］.清華大學學報(自然科學版)，2004，45(11):1534 －1536.