燃料電池汽車氫氣消耗量檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)*

田 穎，金振華，裴方芳，聶圣芳，盧青春

(1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044; 2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084;3.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)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(guó)政府和企業(yè)的關(guān)注，成為研發(fā)熱點(diǎn)，并被日益廣泛地應(yīng)用于燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車，成為未來(lái)汽車的重要?jiǎng)恿?lái)源。作為燃料電池車的基礎(chǔ)性研究工作之一，其燃料經(jīng)濟(jì)性測(cè)量具有重要的實(shí)際意義。根據(jù)目前國(guó)際上對(duì)于氫燃料消耗量測(cè)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(cè)量方法:質(zhì)量稱重法、溫度壓力法和流量計(jì)法［1－3］。燃料電池汽車氫氣消耗量檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)@3種測(cè)量方法進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)硬件

氫氣消耗量檢測(cè)試驗(yàn)中須測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)為試驗(yàn)前后氣瓶的質(zhì)量，氣瓶?jī)?nèi)部的溫度、壓力值以及質(zhì)量流量計(jì)的值。此外，基于安全方面的考慮，還須監(jiān)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)管路中一、二級(jí)減壓后的溫度和壓力值。為模擬實(shí)際燃料電池汽車使用工況下的流量變化規(guī)律，還須控制流量控制器以獲得合適的放氣流量，測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測(cè)控系統(tǒng)采用485總線采集模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、便于維護(hù)和擴(kuò)展。對(duì)于系統(tǒng)中的各個(gè)測(cè)量參數(shù)，分別采用熱電阻采集模塊、電壓電流采集模塊進(jìn)行采集。采用開關(guān)量輸出模塊驅(qū)動(dòng)繼電器，進(jìn)而控制系統(tǒng)中電磁閥的開合動(dòng)作，采用模擬量輸出模塊輸出0～5V控制信號(hào)到流量控制器。各個(gè)模塊通過(guò)485總線接入工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)采集模塊的通信協(xié)議與采集模塊進(jìn)行通信，獲取相關(guān)測(cè)量參數(shù)。

2 系統(tǒng)軟件

燃料電池汽車氫氣消耗量檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件基于美國(guó)National Instruments公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW構(gòu)建，測(cè)控系統(tǒng)軟件功能見圖2，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息監(jiān)控和設(shè)備控制。

系統(tǒng)維護(hù)功能主要是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)定，包括采集設(shè)備定義、二次儀表通道設(shè)定、熱電阻采集模塊通道設(shè)定、電壓電流采集模塊通道的設(shè)定和標(biāo)定。采集設(shè)備定義中確定了所有采集設(shè)備的名稱和相關(guān)參數(shù)，這樣不用修改程序源代碼就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的修改和增減。數(shù)據(jù)采集功能主要是與測(cè)量設(shè)備和傳感器進(jìn)行底層通信，包括與流量計(jì)、二次儀表、熱電阻采集模塊、電壓電流采集模塊和開關(guān)量采集模塊的通信，通過(guò)這些功能的實(shí)現(xiàn)完成被測(cè)物理量的底層采集任務(wù)。設(shè)備控制功能主要是根據(jù)正常使用情況下用戶的手動(dòng)操作或異常時(shí)監(jiān)測(cè)程序輸出控制電磁閥動(dòng)作，通過(guò)流量控制器控制管路內(nèi)的氣體質(zhì)量流量等。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)功能主要是試驗(yàn)過(guò)程中軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能，包括測(cè)量數(shù)據(jù)采集、界面顯示刷新、超限報(bào)警等。測(cè)量數(shù)據(jù)采集通過(guò)調(diào)用底層采集功能模塊獲取測(cè)量通道的數(shù)據(jù)，刷新界面顯示。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員可以根據(jù)需要在線選擇界面上顯示的通道。數(shù)據(jù)保存功能是將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到硬盤上，以便數(shù)據(jù)分析與處理。對(duì)任務(wù)分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和保存，要求保證10Hz的采樣頻率，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的顯示功能則不需要這么高的頻率。因此采用多線程技術(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)顯示模塊運(yùn)行在兩個(gè)并行的線程下，前者循環(huán)周期為100ms，后者循環(huán)周期為250ms。

3 試驗(yàn)結(jié)果

出于安全考慮使用氦氣進(jìn)行試驗(yàn)。為減少密度計(jì)算帶來(lái)的誤差，氦氣密度通過(guò)直接查詢NIST網(wǎng)上標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得［4－5］。此外，由于試驗(yàn)中所用的氦氣是較廉價(jià)的工業(yè)氦，其中有一定組分的空氣，而在試驗(yàn)中是將瓶?jī)?nèi)氣體按純氦氣進(jìn)行計(jì)算的，因此須分析氦氣中空氣成分對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為簡(jiǎn)單起見，采用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行理論分析。

設(shè)氣瓶?jī)?nèi)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(zhì)量為MAir，氦氣的摩爾質(zhì)量為MHe，試驗(yàn)前瓶?jī)?nèi)氣體溫度為T1，壓力為p1，總的物質(zhì)量為n1，試驗(yàn)后的相應(yīng)參數(shù)依次為T2、p2、n2。氣瓶體積固定為V。設(shè)瓶?jī)?nèi)空氣和氦氣均勻混合。

根據(jù)道爾頓分壓定律，試驗(yàn)前后瓶?jī)?nèi)空氣的分壓分別為xp1與xp2，則空氣質(zhì)量的減少量為

同理，氦氣的質(zhì)量減少量為

則瓶?jī)?nèi)氣體質(zhì)量總的減少量應(yīng)為

如果將瓶?jī)?nèi)氣體按照純氦氣計(jì)算，則得到的氣體消耗量為

以上分析說(shuō)明，當(dāng)把瓶?jī)?nèi)氣體作為純氦氣計(jì)算時(shí)，結(jié)果比真實(shí)值偏小，當(dāng)x不變時(shí)真實(shí)值與以純氦氣計(jì)算結(jié)果之間的比值是一個(gè)常數(shù):

溫度壓力法和質(zhì)量稱重法試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。通過(guò)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，同組試驗(yàn)各質(zhì)量稱重法與溫度壓力法的試驗(yàn)結(jié)果比值基本恒定，約為1.08，誤差在0.5%之內(nèi)，這與氦氣純度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的分析結(jié)論吻合，此外，隨著氦氣純度的提高，各組試驗(yàn)中上述比值減小。

表1 溫度壓力法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 質(zhì)量稱重法的試驗(yàn)數(shù)據(jù) g

由于氣體不純?cè)斐傻恼`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(shí)，測(cè)試系統(tǒng)引起的誤差(包括傳感器測(cè)量誤差和采集系統(tǒng)的誤差等)與氣體不純?cè)斐傻恼`差相比很小，正如上述各試驗(yàn)中稱重法與溫度壓力法之間的比值基本符合式(1)，此時(shí)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(shí)，測(cè)試系統(tǒng)引起的誤差不可忽略，并且此時(shí)由于氣體不純引起的誤差很小，則總的測(cè)量誤差也很小。為驗(yàn)證這一點(diǎn)，進(jìn)行了以下試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4，可見在質(zhì)量消耗量小的情況下，總絕對(duì)誤差也較小，分別為0.7和0.3g。

表3 溫度壓力法穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 質(zhì)量稱重法的試驗(yàn)數(shù)據(jù) g

4 結(jié)論

燃料電池汽車氫氣消耗量檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中能夠?qū)ο鄳?yīng)的電磁閥和流量控制器進(jìn)行控制，對(duì)測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，同時(shí)還監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分的狀態(tài)，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r做出快速可靠的反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，此測(cè)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度達(dá)到試驗(yàn)要求，系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展性強(qiáng)，可以滿足氫氣消耗量檢測(cè)試驗(yàn)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(dòng)汽車氫消耗量的計(jì)算［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，45(11):1534 －1536.