蘭昊 郝冬 王曉兵

摘 ?要：本文針對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中氫氣消耗量，分析了質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了具體的測(cè)試方案以及測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了三種方法的可行性與等效性，質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法都可以完成燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的氫氣消耗量測(cè)試。質(zhì)量法造價(jià)昂貴，但是精度較高;壓力溫度法測(cè)量成本低，但是無(wú)法測(cè)量氣瓶?jī)?nèi)部溫度;流量法測(cè)量簡(jiǎn)單高效，但是低流量時(shí)精度偏低。壓力溫度法和流量法在目前的條件下有2.5%左右的誤差。

關(guān)鍵詞：氫氣消耗量;質(zhì)量法;壓力溫度法;流量法

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0014-06

The Equivalent Study of Mass Method， P/T Method and Flow Method In Hydrogen Consumption Measurement

LAN Hao， HAO Dong， WANG Xiao-bing

（China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： In this paper， the advantages and disadvantages of the mass method， pressure temperature method and flow method are analyzed in the measurement of hydrogen consumption in fuel cell electric vehicles， and the specific test scheme and test data are given， and the feasibility and equivalent of the three methods are studied. Quality， pressure temperature and flow methods all complete hydrogen consumption tests for fuel cell electric vehicles. The mass method is expensive， but the accuracy is high， the P/T method is cheap， but the internal temperature of the cylinder cannot be measured directly. The flow method is simple and efficient， but the accuracy is low at low flow rate. The P/T method and flow method have an error of about 2.5% under the current conditions.

蘭 ? 昊

碩士研究生，現(xiàn)就職于中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，任工程師，從事燃料電池電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

前 ? ?言

近年來(lái)，燃料電池電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)快速發(fā)展，與此同時(shí)，對(duì)于燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的評(píng)價(jià)技術(shù)也提出了更高的要求。氫氣消耗量是評(píng)價(jià)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)能耗的重要指標(biāo)，2017年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB/T 35178-2017《燃料電池電動(dòng)汽車(chē) 氫氣消耗量 測(cè)量方法》[1]，其中規(guī)定了氫氣消耗量的三種方法，分別為質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法，對(duì)于規(guī)范燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的氫氣消耗量有著重要的指導(dǎo)作用，但是該標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有給出具體的測(cè)量方案以及三種測(cè)試方法的等效性分析;ISO 23828：2013《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量測(cè)量方法》[2]給出了四種測(cè)量方法，包括質(zhì)量法、壓力溫度法、流量法以及電流法，由于電流法假設(shè)了燃料電池堆的氫氣利用率為100%，應(yīng)用場(chǎng)景有限，因此通常采用其它三種測(cè)量方法，同樣ISO標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出這四種測(cè)量方法的具體測(cè)試方案以及等效性。

本文研究了現(xiàn)有氫氣消耗量的測(cè)量方法，分析了質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了具體的測(cè)試方案以及測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了三種方法的可行性與等效性。

1 ? ?現(xiàn)有測(cè)量方法分析

1.1 ? 質(zhì)量法

1.1.1 原理及測(cè)試方案

質(zhì)量法的測(cè)量原理簡(jiǎn)單直接，如公式（1）所示，采用試驗(yàn)前后測(cè)量的儲(chǔ)氫瓶質(zhì)量差即可計(jì)算出氫氣消耗量;

w=g1-g2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中：

w為試驗(yàn)工況循環(huán)期間氫氣消耗量（g）;g1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)量的儲(chǔ)氫瓶質(zhì)量（g）;g2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)量的儲(chǔ)氫瓶質(zhì)量（g）。

質(zhì)量法的測(cè)試示意圖如圖1所示，測(cè)量過(guò)程中需要采用外接氣瓶的方式進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于允許從加氫口接入電堆，并且可以關(guān)閉儲(chǔ)氫氣瓶出入口的車(chē)輛，可以采用車(chē)輛的加氫口作為管路與車(chē)輛的接口，某些類(lèi)型車(chē)輛，打開(kāi)加氫蓋之后會(huì)切斷燃料電池系統(tǒng)動(dòng)力輸出，這種情況下，可以通過(guò)刷新整車(chē)程序修正。對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接從加氫口提供動(dòng)力源，或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)閉儲(chǔ)氫氣瓶出入口的車(chē)輛，需要采用改裝的方式接入燃料電池電堆氫氣入口端。

1.1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

質(zhì)量法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了所有的氫氣消耗包括氫氣泄漏、滲透、吹掃、排氣，同時(shí)測(cè)量結(jié)果不需要進(jìn)一步修正，在測(cè)試精度足夠高的情況下，質(zhì)量法可以作為壓力溫度法和流量法的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。

質(zhì)量法的缺點(diǎn)是需要采用外接氣瓶的方式進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量都需要斷開(kāi)管路，并且對(duì)測(cè)試環(huán)境要求也較為苛刻，如圖2所示，在質(zhì)量法測(cè)量的過(guò)程中，質(zhì)量秤需要配備風(fēng)擋以及防振動(dòng)底座，同時(shí)操作中應(yīng)該注意對(duì)于氣瓶表面保護(hù)漆的保護(hù)，由于氫氣分子量較小，試驗(yàn)過(guò)程中的剮蹭可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

1.2 ? 壓力溫度法

1.2.1 原理及測(cè)試方案

試驗(yàn)前后，分別測(cè)量氣瓶氣體的壓力和溫度，代入公式（2），計(jì)算出氫氣消耗量：

其中：

w為試驗(yàn)工況循環(huán)期間氫氣消耗量（g）;m為氫元素分子的摩爾質(zhì)量（2.016）;v為儲(chǔ)氫瓶的水容積和管路容積（L）;R為儲(chǔ)氫瓶中氣體的常量0.0083145 （MPaL/mol K）;P1，T1為試驗(yàn)前儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;P2，T2為試驗(yàn)后儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;Z1為在P1，T1條件下的氫氣壓縮因子;Z2為在P2，T2條件下的氫氣壓縮因子。

對(duì)于一組確定的溫度T和壓力P，利用公式（3）可以求出一個(gè)對(duì)應(yīng)的壓縮因子Z。

其中：p為壓力（MPa）;T為溫度（K）;vij為常數(shù)，見(jiàn)表1。

其測(cè)量示意圖如圖3所示，同樣需要采用外接氣瓶的方式進(jìn)行測(cè)量。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，無(wú)法測(cè)量到氣瓶?jī)?nèi)部溫度，因此需要采用外部溫度傳感器，這對(duì)于溫度傳感器的測(cè)量點(diǎn)也提出了要求，氣瓶不同位置的外部溫度與內(nèi)部溫度的一致性存在較大差異，因此需要與標(biāo)準(zhǔn)流量表對(duì)比從而進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)選擇。

在天然氣計(jì)費(fèi)等計(jì)量領(lǐng)域，通常會(huì)采用音速噴嘴氣體流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，其具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

音速噴嘴結(jié)構(gòu)如圖 4所示，P0為音速噴嘴的上游入口壓力，P1為音速噴嘴的下游出口壓力，比值P1/P0為背壓比[5]。

背壓比大于臨界壓力比的時(shí)候，通過(guò)噴嘴喉部的氣體流速隨背壓比的減小而增加，當(dāng)背壓比等于臨界壓力比的時(shí)候，會(huì)達(dá)到最大流速——音速，此時(shí)即使進(jìn)一步減小P1，流速也將保持不變，這是由于這樣的定速特性，所以音速噴嘴可以用來(lái)高精度測(cè)量氣體流量，基于此，提出以下測(cè)量方案，在流量計(jì)之后安裝壓力控制器以及音速噴嘴，后接真空泵，保證音速噴嘴可以達(dá)到臨界狀態(tài)，在該試驗(yàn)中，設(shè)定氫氣的流量為0.5L/s。

氣瓶表面需要安裝外部溫度傳感器，布置如圖6所示，試驗(yàn)過(guò)程中，采用公式4采集并測(cè)量

的數(shù)值。

w1為試驗(yàn)工況循環(huán)期間氫氣消耗量（g）;m為氫元素分子的摩爾質(zhì)量（2.016）;v為儲(chǔ)氫瓶的水容積和管路容積（L），47L;R為儲(chǔ)氫瓶中氣體的常量0.0083145 （MPaL/mol K）;P0，T0為試驗(yàn)前儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;Pt，Tt試驗(yàn)后某一時(shí)刻下儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氣體的壓力（MPa）和罐體溫度（K）;Z0為在P0，T0條件下的氫氣壓縮因子;Zt為在Pt，Tt條件下的氫氣壓縮因子。

w2為氫氣消耗量（g）;m為氫分子摩爾量（2.016）;Qb為氣體體積流量（L/s），0.5L/s。

當(dāng) ? ?為0時(shí)，此時(shí)氣瓶?jī)?nèi)外的溫度一致，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，針對(duì)該款氣瓶，T5和T6測(cè)量點(diǎn)5分鐘之后即可達(dá)到內(nèi)外溫度相同，其他測(cè)量點(diǎn)需要60min左右。

1.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

壓力溫度法的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了所有的氫氣消耗，包括氫氣泄漏、滲透、吹掃、排氣，同時(shí)環(huán)境適應(yīng)性影響強(qiáng)，測(cè)量設(shè)備成本較低，其缺點(diǎn)在于實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，難以測(cè)量氣瓶?jī)?nèi)部的溫度，需要采用氣瓶表面溫度進(jìn)行替代，而氣瓶表面溫度傳感器的布置點(diǎn)選擇的過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

1.3 ? 流量法

1.3.1 原理及測(cè)量方案

流量計(jì)種類(lèi)眾多，常見(jiàn)的流量計(jì)根據(jù)工作原理不同，可以熱式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、科式流量計(jì)、超聲流量計(jì)等，來(lái)自日本汽車(chē)研究所JARI的研究表明，以上種類(lèi)的流量計(jì)在低流量的時(shí)候，都存在較大誤差。

如圖7所示，熱式流量計(jì)的低流量偏差較大，這是由于熱式流量計(jì)采用了溫差的計(jì)算原理導(dǎo)致的，同時(shí)其偏差為單偏差，會(huì)導(dǎo)致流量積分過(guò)程中誤差進(jìn)一步加大。超聲流量計(jì)更適合測(cè)量液體流量，普通的超聲流量計(jì)無(wú)法完成氣體流量測(cè)量，如圖8所示。容積式流量計(jì)具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，同時(shí)使用壓力通常為0～0.5MPa，使用范圍受限?？剖搅髁坑?jì)一方面適用壓力范圍較大，可以滿足10MPa以內(nèi)的高精度測(cè)量，同時(shí)其低流量時(shí)的誤差具有對(duì)稱(chēng)性，有利于積分計(jì)算時(shí)減少誤差，并且其設(shè)備體積相對(duì)較小。

試驗(yàn)的過(guò)程中，采用科式流量計(jì)，如果采用了體積流量計(jì)，則代入公式（7），計(jì)算試驗(yàn)中氫氣的消耗量（氫氣體積）：

其中：

w為氫氣消耗量（g）;m為氫分子摩爾量（2.016）;Qb為氣體體積流量（L/s）。

如果使用質(zhì)量流量計(jì)，則代入公式（8），計(jì)算氫氣消耗量（氫氣質(zhì)量）：

其中：

w為氫氣消耗量（g）;Qm為氣體質(zhì)量流量（g/s）。

其測(cè)量示意圖如圖 8所示，與質(zhì)量法和壓力溫度法不同，如果試驗(yàn)室規(guī)劃了氫氣專(zhuān)用管路，流量分析法可以直接采用外接氣源的方式進(jìn)行測(cè)量。

1.3.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

流量法的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了所有的氫氣消耗，包括氫氣泄漏、滲透、吹掃、排氣，并且可以在線實(shí)時(shí)測(cè)量，其缺點(diǎn)在于氫氣的質(zhì)量流量在低流量的時(shí)候誤差較大，需要找到適合燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的氫氣流量計(jì)。

2 ? ?質(zhì)量法與壓力溫度法對(duì)比

2.1 ? 設(shè)備參數(shù)

如1.2所述，壓力溫度法最終采用了計(jì)算值作為結(jié)果，為了準(zhǔn)確評(píng)估壓力溫度法的準(zhǔn)確度，需要高精度質(zhì)量秤做標(biāo)準(zhǔn)，其參數(shù)如表2所示：

2.1 ? 測(cè)量結(jié)果

2.1.1 質(zhì)量法

為了進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，質(zhì)量法在工況循環(huán)之前和工況循環(huán)之后，分別進(jìn)行五次測(cè)量，如表3、表4所示，計(jì)算結(jié)果應(yīng)排除最大值和最小值，然后計(jì)算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測(cè)量值。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)排除最大值和最小值，然后計(jì)算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測(cè)量值56760.64g。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)排除最大值和最小值，然后計(jì)算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測(cè)量值56651.08g。

根據(jù)公式（1）計(jì)算氫氣消耗量為109.56g。

2.1.2 壓力溫度法

試驗(yàn)前后測(cè)量的壓力和溫度數(shù)值如表5、表6所示，其中壓縮因子Z是根據(jù)公式（3）計(jì)算所得。

壓縮因子反映了同樣條件下真實(shí)的氣體摩爾體積與理想氣體摩爾體積的比值，它的大小反映出真實(shí)氣體偏離理想氣體的程度。

2.1.3 結(jié)果比較

在通常的壓力溫度法計(jì)算中不考慮氣體的壓縮因子，但是對(duì)于氫氣介質(zhì)而言，如果不考慮壓縮因子，會(huì)導(dǎo)致較大的偏差，如表7所示，不考慮壓縮因子的影響，誤差為19.19%;考慮壓縮因子后，誤差為2.7%。

3 ? ?質(zhì)量法與流量法對(duì)比

3.1 ? 設(shè)備參數(shù)

與壓力溫度法最終采用的是計(jì)算值不同，流量法為測(cè)量值，因此可以采用一般精度的質(zhì)量秤進(jìn)行測(cè)量，也可評(píng)估流量法的準(zhǔn)確性。

3.2 ? 測(cè)量結(jié)果

3.1.1 質(zhì)量法

為了進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，質(zhì)量法在工況循環(huán)之前和工況循環(huán)之后，分別進(jìn)行五次測(cè)量，最后計(jì)算結(jié)果應(yīng)排除最大值和最小值，然后計(jì)算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測(cè)量值，圖5為測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)排除最大值和最小值，然后計(jì)算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測(cè)量值7771.4g。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)排除最大值和最小值，然后計(jì)算剩余三組數(shù)據(jù)的平均值，作為最終測(cè)量值7733.0g。

根據(jù)公式（1）計(jì)算氫氣消耗量為38.4g。

3.1.2 流量法

質(zhì)量流量計(jì)可以實(shí)時(shí)記錄氫氣流量，根據(jù)公式（5）進(jìn)行積分計(jì)算后其質(zhì)量為37.47g，如圖6所示：

3.1.3 ?結(jié)果比較

采用質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量值37.47g，與質(zhì)量法的測(cè)量值38.4g相比，誤差為2.42%。

4 ? ?結(jié)論

本文針對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中氫氣消耗量常用的質(zhì)量法、壓力溫度法、流量法進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了三種測(cè)量方法的試驗(yàn)方案，驗(yàn)證了三種方法的可行性，總結(jié)全文，可以得出以下結(jié)論：1）質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法可以完成燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的氫氣消耗量測(cè)試。2）質(zhì)量法、壓力溫度法以及流量法各有優(yōu)缺點(diǎn)，質(zhì)量法造價(jià)昂貴，但是精度較高;壓力溫度法測(cè)量成本低，但是無(wú)法測(cè)量氣瓶?jī)?nèi)部溫度;流量法測(cè)量簡(jiǎn)單高效，但是低流量時(shí)精度偏低。3）壓力溫度法和流量法在目前的條件下有2.5%左右的誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 35178-2017《燃料電池電動(dòng)汽車(chē) 氫氣消耗量 測(cè)量方法》.

[2]ISO 23828：2013 Fuel Cell Road Vehicle-Energy Consumption Measurement Vehicles fueled with compressed hydrogen.

[3]日本汽車(chē)研究所. http：//www.jari.or.jp.

[4]黃敏，任佳，陳密.成都分站音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置能力提升及驗(yàn)證[J].工業(yè)計(jì)量，2020，30（05）：59-62.

[5]王煥玲，雷陽(yáng).負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017，第44卷（3）： 92-93.