燃料电池汽车氢气消耗量检测试验台测控系统的开发*

田 颖，金振华，裴方芳，聂圣芳，卢青春

(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044; 2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084;3.中机生产力促进中心，北京 100044)

前言

氢燃料热值高、污染少、能源可再生的特性使其受到各国政府和企业的关注，成为研发热点，并被日益广泛地应用于燃料电池汽车和混合动力汽车，成为未来汽车的重要动力来源。作为燃料电池车的基础性研究工作之一，其燃料经济性测量具有重要的实际意义。根据目前国际上对于氢燃料消耗量测量方法的研究所取得的成果，SAE J2572推荐了3种前景较好的测量方法:质量称重法、温度压力法和流量计法［1－3］。燃料电池汽车氢气消耗量检测试验台能够对这3种测量方法进行研究。

1 系统硬件

氢气消耗量检测试验中须测量的关键参数为试验前后气瓶的质量，气瓶内部的温度、压力值以及质量流量计的值。此外，基于安全方面的考虑，还须监测测量系统管路中一、二级减压后的温度和压力值。为模拟实际燃料电池汽车使用工况下的流量变化规律，还须控制流量控制器以获得合适的放气流量，测控系统硬件结构如图1所示。

测控系统采用485总线采集模块，结构简单、可靠性好、抗干扰能力强、便于维护和扩展。对于系统中的各个测量参数，分别采用热电阻采集模块、电压电流采集模块进行采集。采用开关量输出模块驱动继电器，进而控制系统中电磁阀的开合动作，采用模拟量输出模块输出0～5V控制信号到流量控制器。各个模块通过485总线接入工控机，工控机根据采集模块的通信协议与采集模块进行通信，获取相关测量参数。

2 系统软件

燃料电池汽车氢气消耗量检测试验台测控系统软件基于美国National Instruments公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW构建，测控系统软件功能见图2，包括数据采集、数据存储、信息监控和设备控制。

系统维护功能主要是监测系统硬件和软件的设定，包括采集设备定义、二次仪表通道设定、热电阻采集模块通道设定、电压电流采集模块通道的设定和标定。采集设备定义中确定了所有采集设备的名称和相关参数，这样不用修改程序源代码就可以实现测试设备的修改和增减。数据采集功能主要是与测量设备和传感器进行底层通信，包括与流量计、二次仪表、热电阻采集模块、电压电流采集模块和开关量采集模块的通信，通过这些功能的实现完成被测物理量的底层采集任务。设备控制功能主要是根据正常使用情况下用户的手动操作或异常时监测程序输出控制电磁阀动作，通过流量控制器控制管路内的气体质量流量等。

试验监测功能主要是试验过程中软件所要实现的功能，包括测量数据采集、界面显示刷新、超限报警等。测量数据采集通过调用底层采集功能模块获取测量通道的数据，刷新界面显示。在试验过程中，试验人员可以根据需要在线选择界面上显示的通道。数据保存功能是将采集到的数据实时保存到硬盘上，以便数据分析与处理。对任务分析发现系统的核心功能是进行数据采集和保存，要求保证10Hz的采样频率，实时监测的显示功能则不需要这么高的频率。因此采用多线程技术，数据采集模块与数据显示模块运行在两个并行的线程下，前者循环周期为100ms，后者循环周期为250ms。

3 试验结果

出于安全考虑使用氦气进行试验。为减少密度计算带来的误差，氦气密度通过直接查询NIST网上标准数据库获得［4－5］。此外，由于试验中所用的氦气是较廉价的工业氦，其中有一定组分的空气，而在试验中是将瓶内气体按纯氦气进行计算的，因此须分析氦气中空气成分对测量结果的影响，为简单起见，采用理想气体状态方程进行理论分析。

设气瓶内空气的摩尔组分为x，氦气的摩尔组分为1－x，记空气的摩尔质量为MAir，氦气的摩尔质量为MHe，试验前瓶内气体温度为T1，压力为p1，总的物质量为n1，试验后的相应参数依次为T2、p2、n2。气瓶体积固定为V。设瓶内空气和氦气均匀混合。

根据道尔顿分压定律，试验前后瓶内空气的分压分别为xp1与xp2，则空气质量的减少量为

同理，氦气的质量减少量为

则瓶内气体质量总的减少量应为

如果将瓶内气体按照纯氦气计算，则得到的气体消耗量为

以上分析说明，当把瓶内气体作为纯氦气计算时，结果比真实值偏小，当x不变时真实值与以纯氦气计算结果之间的比值是一个常数:

温度压力法和质量称重法试验数据如表1和表2所示。通过多组试验数据分析发现，同组试验各质量称重法与温度压力法的试验结果比值基本恒定，约为1.08，误差在0.5%之内，这与氦气纯度对测量结果影响的分析结论吻合，此外，随着氦气纯度的提高，各组试验中上述比值减小。

表1 温度压力法的试验数据

表2 质量称重法的试验数据 g

由于气体不纯造成的误差与气体的消耗量成正比，基于这一判断，可以推断在气体消耗量较大时，测试系统引起的误差(包括传感器测量误差和采集系统的误差等)与气体不纯造成的误差相比很小，正如上述各试验中称重法与温度压力法之间的比值基本符合式(1)，此时称重法与温度压力法之间的差别主要是由于所用氦气的纯度较低造成的。在气体消耗量较小时，测试系统引起的误差不可忽略，并且此时由于气体不纯引起的误差很小，则总的测量误差也很小。为验证这一点，进行了以下试验，试验结果见表3和表4，可见在质量消耗量小的情况下，总绝对误差也较小，分别为0.7和0.3g。

表3 温度压力法稳态试验数据

表4 质量称重法的试验数据 g

4 结论

燃料电池汽车氢气消耗量检测试验台的测控系统在试验过程中能够对相应的电磁阀和流量控制器进行控制，对测点的温度、压力和流量等参数进行采集、监测和存储，同时还监测系统各部分的状态，能够对异常情况做出快速可靠的反应。试验结果证明，此测控系统工作稳定可靠，测量精度达到试验要求，系统维护和扩展性强，可以满足氢气消耗量检测试验要求。

［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］谢起成，赵广平.燃料电池电动汽车氢消耗量的计算［J］.清华大学学报(自然科学版)，2004，45(11):1534 －1536.