[科普中国]-燃料消耗量

燃料消耗量是指汽车的性能指标，使用车辆行驶100公里消耗多少L燃料的形式来表示，单位L/100km。燃料电池汽车是一种清洁能源汽车。由于其清洁、高效、低噪音等优点，已经引起世界范围内的广泛关注。除了采用液氢系统作为燃料电池汽车的燃料供给系统，高压容器储氢系统也有广泛的应用前景，应用高压氢气的燃料电池汽车正在向实用化快速发展。汽车的燃料经济性是汽车的重要指标之一。

简介燃料电池汽车是一种清洁能源汽车，由于其清洁、高效、低噪音等优点，已经引起世界范围内的广泛关注。除了采用液氢系统作为燃料电池汽车的燃料供给系统，高压容器储氢系统也有广泛的应用前景。应用高压氢气的燃料电池汽车正在向实用化快速发展。汽车的燃料经济性是汽车的重要指标之一。但是对于应用高压氢气的燃料电池汽车，传统内燃机车辆采用的燃料消耗量测量方法如碳平衡法等并不适用，国际上也尚未确立适用于氢燃料电池汽车燃料消耗量测量的标准试验方法。因此研究适合氢燃料电池汽车的燃料消耗量测量方法是非常紧迫的任务。

国外开展氢燃料电池汽车燃料消耗量测试方法研究的机构较多，如福特公司、本田公司和美国环保局等，但都仍处于研究阶段，尚未得出确定的氢燃料电池汽车经济性评价方法。

各种氢气消耗量测量方法的原理国际上提出的氢气消耗量的测量方法有温度压力法、流量测量法、天平称重法、水含量法和电流法等。其中称重法、压力温度法和流量法受到了较广泛的关注。SAE J2572( Issued 2006.08) 推荐了这三种方法。

称重法使用高精度天平直接测量高压氢瓶在试验前后的质量，作差得到氢气消耗量，此方法比较简单且相对容易, 是直接的质量测量方法，如果试验方法得当，仪器选择合适，则可以期望较高的精度。温度压力法通过测量试验前后高压氢瓶中氢气的温度和压力，利用合适的状态方程来计算氢瓶中气体摩尔数的变化。

由于理想气体状态方程对于高压氢气不太适用，范德瓦尔斯方程虽然一般比理想气体状态方程更接近真实情况，但计算出来的结果也常常不太精确，应用最广泛的是压缩因子法。

水含量测量法是考虑到燃料电池的机理是借助催化剂进行氢燃料和氧气(一般来自空气) 结合的化学过程，产生电流和水，所以通过测量反应生成的水的摩尔数量可以估计氢气的消耗量，但是这一方法需要考虑未参加反应的氢气。同时，进气和排气中所含的水分也会影响测量的精度。

电流法通过测量燃料电池堆输出的电流计算燃料的消耗量，此方法也需要考虑未参加反应的氢气，测量精度较低1。

氢气消耗量测试平台1.氢气消耗量测试平台介绍

根据前面的分析，称重法、温度压力法和质量流量计法是最有前景的测量方法。因此，建立了对这三种方法进行研究的测试平台。

此系统设计压力为35MPa，由两个40L 高压气瓶储存最高压力可达35MPa 的压缩氢气, 高压氢气经过两级减压后压力降至0.1～0.3MPa。高压储氢气瓶内部的瓶口和瓶尾处均装有温度和压力传感器，以进行温度压力法的测量。高压气瓶可从管路中拆下置于天平上进行称重。在二级减压后的低压管路上，装有流量控制器可以控制管路中的流量大小，模拟不同燃料电池需要的流量值，并测量管路中的质量流量。此外，系统还设有由一个高压氮气瓶和一个高压氢气瓶组成了吹扫管路(未画出) ，负责对管路中残存的空气进行吹扫、置换，以防止管路中空气混入氢气中，影响氢气的纯度。在减压管路的二级减压阀和流量计之间，设有一可拆卸处，可用于研究管路的长短对试验结果的影响。此外管路中还装有限流阀(未画出)，可以在其前方任意管路破裂后，当流量超过限流阀设定值时自动关闭，从而提高系统的安全性。

2.设备选择

系统所选用的主要设备如下：

①高精度天平

由于氢气的密度非常小，导致每次试验中氢气的质量消耗量—亦即试验前后氢瓶质量的变化量—相对氢瓶总质量的比例非常小，因此必须使用量程适当的并能够测量微小质量的天平。系统中选用读数精度为0.1g，量程64kg 的高精度电子天平。此外，为了充分发挥电子天平的测量精度，设计了防止加载时冲击载荷的天平加载系统和减小气流影响的防风装置。

②温度和压力传感器

在实际的使用工况下，气瓶内温度变化范围基本为- 25～75℃，压力变化范围基本为0～35MPa。对于所用40L气瓶，在此范围内，压力测量误差0.1MPa，将引起大约3～4g 的单点最终质量测量误差，温度测量误差1℃，将引起不超过1.5g 的单点最终质量测量误差。因此，压力传感器的精度应不低于0.06MPa，温度传感器的精度应不低于0.5℃。

③流量控制器

由于本测量系统需要在台架上模拟实际燃料电池使用工况下管路中的流量变化规律，因此选择的是带有流量测量和流量控制功能的热式质量流量计，该流量控制器可通过控制施加在其流量控制端子上的电压信号设定希望获得的管路流量值2。

测量平台的数据采集系统1.功能需求分析

燃料电池氢气消耗量测量系统中需要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瞬时读数。此外，基于安全方面的考虑，还需要监测测量系统管路中一、二级减压后的温度压力数据。为了模拟实际燃料电池使用工况下的流量变化规律，还需要控制流量控制器以获得合适的放气流量。

2.硬件设计

整套系统以可变设计为核心，并采用了先进的现场总线技术。采用现场数据采集模块具有可靠性好、通讯协议简单及模块化的优点，可以在短时间内搭建工作稳定且便于扩展的测试系统。

各温度、压力传感器测量气瓶内部前后两端以及管路中各个监测点的温度、压力。环境参数测量站测量环境温度、湿度、大气压等试验环境参数。各传感器的测量数据经相应的现场总线数据采集模块—热电阻采集模块与模拟量采集模块—采集后通过RS485 总线同上位工控机进行通讯。同时，上位机通过控制模拟量输出模块的输出电压调节流量控制器的设定流量，通过开关量输出模块控制继电器进而控制对应电磁阀的开合动作。

智能化的电子天平则通过RS232 接口与主机相连, 可以直接将测量结果发送到主计算机，也可以直接在计算机上对天平进行零点调节等操作。

3.软件设计

氢燃料电池汽车燃料消耗测试系统在WindowsXP 下采用了虚拟仪器开发平台Labview 开发。Labview是美国NI公司推出的测控软件集成开发环境，采用图形化编程语言。采用虚拟仪器开发平台大大提高了软件的可靠性和开发效率。该测试系统的功能包括试验、系统维护和数据处理三部分。系统的主要任务是实时采集氢气压力温度流量计读数等参数，根据需要设定控制流量计的流量设定值。试验过程中显示各参数并提供报警功能，存储测量数据, 在试验结束后计算出测量结果1。

总结建立了适用于氢燃料电池汽车燃料消耗量测量方法研究的试验平台。该平台可以对SAE J2572 推荐的三种测量方法，即称重法、温度压力法和流量计法进行试验研究。测试系统硬件部分采用工业控制计算机、通讯采集卡以及模块化的现场数据采集与控制模块，显著提高了系统的可扩展性。软件基于虚拟仪器开发平台Labview开发。实践表明测试平台工作可靠1。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学