燃料消耗量

燃料消耗量是指汽車的性能指標，使用車輛行駛100公里消耗多少L燃料的形式來表示，單位L/100km。燃料電池汽車是一種清潔能源汽車。由於其清潔、高效、低噪音等優點，已經引起世界範圍內的廣泛關注。除了採用液氫系統作為燃料電池汽車的燃料供給系統，高壓容器儲氫系統也有廣泛的套用前景，套用高壓氫氣的燃料電池汽車正在向實用化快速發展。汽車的燃料經濟性是汽車的重要指標之一。

基本介紹

• 中文名：燃料消耗量
• 外文名：Fuel consumption
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 單位：L/100km

簡介

燃料電池汽車是一種清潔能源汽車，由於其清潔、高效、低噪音等優點，已經引起世界範圍內的廣泛關注。除了採用液氫系統作為燃料電池汽車的燃料供給系統，高壓容器儲氫系統也有廣泛的套用前景。套用高壓氫氣的燃料電池汽車正在向實用化快速發展。汽車的燃料經濟性是汽車的重要指標之一。但是對於套用高壓氫氣的燃料電池汽車，傳統內燃機車輛採用的燃料消耗量測量方法如碳平衡法等並不適用，國際上也尚未確立適用於氫燃料電池汽車燃料消耗量測量的標準試驗方法。因此研究適合氫燃料電池汽車的燃料消耗量測量方法是非常緊迫的任務。

國外開展氫燃料電池汽車燃料消耗量測試方法研究的機構較多，如福特公司、本田公司和美國環保局等，但都仍處於研究階段，尚未得出確定的氫燃料電池汽車經濟性評價方法。

各種氫氣消耗量測量方法的原理

國際上提出的氫氣消耗量的測量方法有溫度壓力法、流量測量法、天平稱重法、水含量法和電流法等。其中稱重法、壓力溫度法和流量法受到了較廣泛的關注。SAE J2572( Issued 2006.08) 推薦了這三種方法。

稱重法使用高精度天平直接測量高壓氫瓶在試驗前後的質量，作差得到氫氣消耗量，此方法比較簡單且相對容易, 是直接的質量測量方法，如果試驗方法得當，儀器選擇合適，則可以期望較高的精度。溫度壓力法通過測量試驗前後高壓氫瓶中氫氣的溫度和壓力，利用合適的狀態方程來計算氫瓶中氣體摩爾數的變化。

由於理想氣體狀態方程對於高壓氫氣不太適用，范德瓦爾斯方程雖然一般比理想氣體狀態方程更接近真實情況，但計算出來的結果也常常不太精確，套用最廣泛的是壓縮因子法。

水含量測量法是考慮到燃料電池的機理是藉助催化劑進行氫燃料和氧氣(一般來自空氣) 結合的化學過程，產生電流和水，所以通過測量反應生成的水的摩爾數量可以估計氫氣的消耗量，但是這一方法需要考慮未參加反應的氫氣。同時，進氣和排氣中所含的水分也會影響測量的精度。

電流法通過測量燃料電池堆輸出的電流計算燃料的消耗量，此方法也需要考慮未參加反應的氫氣，測量精度較低。

氫氣消耗量測試平台

1.氫氣消耗量測試平台介紹

根據前面的分析，稱重法、溫度壓力法和質量流量計法是最有前景的測量方法。因此，建立了對這三種方法進行研究的測試平台。

此系統設計壓力為35MPa，由兩個40L 高壓氣瓶儲存最高壓力可達35MPa 的壓縮氫氣, 高壓氫氣經過兩級減壓後壓力降至0.1～0.3MPa。高壓儲氫氣瓶內部的瓶口和瓶尾處均裝有溫度和壓力感測器，以進行溫度壓力法的測量。高壓氣瓶可從管路中拆下置於天平上進行稱重。在二級減壓後的低壓管路上，裝有流量控制器可以控制管路中的流量大小，模擬不同燃料電池需要的流量值，並測量管路中的質量流量。此外，系統還設有由一個高壓氮氣瓶和一個高壓氫氣瓶組成了吹掃管路(未畫出) ，負責對管路中殘存的空氣進行吹掃、置換，以防止管路中空氣混入氫氣中，影響氫氣的純度。在減壓管路的二級減壓閥和流量計之間，設有一可拆卸處，可用於研究管路的長短對試驗結果的影響。此外管路中還裝有限流閥(未畫出)，可以在其前方任意管路破裂後，當流量超過限流閥設定值時自動關閉，從而提高系統的安全性。

2.設備選擇

系統所選用的主要設備如下：

①高精度天平

由於氫氣的密度非常小，導致每次試驗中氫氣的質量消耗量—亦即試驗前後氫瓶質量的變化量—相對氫瓶總質量的比例非常小，因此必須使用量程適當的並能夠測量微小質量的天平。系統中選用讀數精度為0.1g，量程64kg 的高精度電子天平。此外，為了充分發揮電子天平的測量精度，設計了防止載入時衝擊載荷的天平載入系統和減小氣流影響的防風裝置。

②溫度和壓力感測器

在實際的使用工況下，氣瓶內溫度變化範圍基本為- 25～75℃，壓力變化範圍基本為0～35MPa。對於所用40L氣瓶，在此範圍內，壓力測量誤差0.1MPa，將引起大約3～4g 的單點最終質量測量誤差，溫度測量誤差1℃，將引起不超過1.5g 的單點最終質量測量誤差。因此，壓力感測器的精度應不低於0.06MPa，溫度感測器的精度應不低於0.5℃。

③流量控制器

由於本測量系統需要在台架上模擬實際燃料電池使用工況下管路中的流量變化規律，因此選擇的是帶有流量測量和流量控制功能的熱式質量流量計，該流量控制器可通過控制施加在其流量控制端子上的電壓信號設定希望獲得的管路流量值。

測量平台的數據採集系統

1.功能需求分析

燃料電池氫氣消耗量測量系統中需要測量的關鍵參數為試驗前後氣瓶的質量、氣瓶內部的溫度、壓力值以及質量流量計的瞬時讀數。此外，基於安全方面的考慮，還需要監測測量系統管路中一、二級減壓後的溫度壓力數據。為了模擬實際燃料電池使用工況下的流量變化規律，還需要控制流量控制器以獲得合適的放氣流量。

2.硬體設計

整套系統以可變設計為核心，並採用了先進的現場匯流排技術。採用現場數據採集模組具有可靠性好、通訊協定簡單及模組化的優點，可以在短時間內搭建工作穩定且便於擴展的測試系統。

各溫度、壓力感測器測量氣瓶內部前後兩端以及管路中各個監測點的溫度、壓力。環境參數測量站測量環境溫度、濕度、大氣壓等試驗環境參數。各感測器的測量數據經相應的現場匯流排數據採集模組—熱電阻採集模組與模擬量採集模組—採集後通過RS485 匯流排同上位工控機進行通訊。同時，上位機通過控制模擬量輸出模組的輸出電壓調節流量控制器的設定流量，通過開關量輸出模組控制繼電器進而控制對應電磁閥的開合動作。

智慧型化的電子天平則通過RS232 接口與主機相連, 可以直接將測量結果傳送到主計算機，也可以直接在計算機上對天平進行零點調節等操作。

3.軟體設計

氫燃料電池汽車燃料消耗測試系統在WindowsXP 下採用了虛擬儀器開發平台Labview 開發。Labview是美國NI公司推出的測控軟體集成開發環境，採用圖形化程式語言。採用虛擬儀器開發平台大大提高了軟體的可靠性和開發效率。該測試系統的功能包括試驗、系統維護和數據處理三部分。系統的主要任務是實時採集氫氣壓力溫度流量計讀數等參數，根據需要設定控制流量計的流量設定值。試驗過程中顯示各參數並提供報警功能，存儲測量數據, 在試驗結束後計算出測量結果。

總結

建立了適用於氫燃料電池汽車燃料消耗量測量方法研究的試驗平台。該平台可以對SAE J2572 推薦的三種測量方法，即稱重法、溫度壓力法和流量計法進行試驗研究。測試系統硬體部分採用工業控制計算機、通訊採集卡以及模組化的現場數據採集與控制模組，顯著提高了系統的可擴展性。軟體基於虛擬儀器開發平台Labview開發。實踐表明測試平台工作可靠。