氢燃料电池车氢耗的测量方法及装置与流程

本公开属于燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池车氢耗的测量方法及装置。

背景技术：

燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生电能作为动力的新能源汽车。氢燃料电池发电系统可以将氢能直接转化成电能，在燃料电池的阳极：h2分裂成两个质子和两个电子，2h2→4h⁺+4e^-，质子穿过质子交换膜，电子通过阳极板，通过外部负载进入阴极板；在燃料电池的阴极：质子、电子和o2重新结合形成h2o，o2+4e^-+4h+→2h2o。对于燃料电池汽车而言，电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统的核心部分。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板(阴极板及阳极板)，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

相关技术中，为了保证电堆能够对汽车进行正常的供能，就必须保证氢气的充足。

然而，氢燃料电池车在实际使用中，会持续消耗氢气。若无法对氢气的消耗进行准确实时的监测，将出现因氢气耗光而出现汽车抛锚的情况。

技术实现要素：

本公开实施例提供了一种氢燃料电池车氢耗的测量方法及装置，可以实时确定氢燃料电池车中电堆内部的氢耗量。所述技术方案如下：

一方面，本公开实施例提供了一种氢燃料电池车氢耗的测量方法，所述测量方法包括：

获取氢燃料电池车的实际需求功率，所述实际需求功率为所述氢燃料电池车在当前时刻行驶所需要的功率；

获取所述氢燃料电池车的电堆的伏安特性曲线；

根据所述实际需求功率及所述伏安特性曲线，确定所述电堆在所述实际需求功率下的电流值；

获取所述电堆的效率，并根据所述电堆的效率，计算得到所述电堆的氢气利用率；

根据所述氢气利用率以及所述电流值，计算得到所述电堆的氢气流量；

根据所述氢气流量，计算得到所述电堆的氢耗量。

在本公开的一种实现方式中，所述获取所述电堆的效率，并根据所述电堆的效率，计算得到所述电堆的氢气利用率，包括：

所述电堆的氢气利用率满足下述公式：

其中，为电堆的氢气利用率，η为所述电堆的效率，δ(h2o)＝241.83×103j/mol，n为所述电堆的电池数目，z为氢原子移动电子数，f为阿伏伽德罗常数，v为所述电堆的额定电压。

在本公开的另一种实现方式中，所述根据所述氢气利用率以及所述电流值，计算得到所述电堆的氢气流量，包括：

所述电堆的氢气流量满足下述公式：

其中：为所述电堆的氢气流量，r为理想气体常数，t为所述电堆的内部温度，n为所述电堆的电池数目，i为所述电堆的电流值，f为阿伏伽德罗常数，为所述电堆的氢气压力，为所述电堆的氢气利用率。

在本公开的又一种实现方式中，所述根据所述氢气流量，计算得到所述电堆的氢耗量，包括：

所述电堆的氢耗量满足下述公式：

m=∫o^tmh2；

其中，m为所述电堆的氢耗量，为所述电堆的氢气流量。

在本公开的又一种实现方式中，在所述根据所述氢气流量，计算得到所述电堆的氢耗量之后，所述测量方法，还包括：

根据所述电堆的氢耗量，计算得到所述氢燃料电池车的剩余氢量；

若所述剩余氢量小于氢量阈值，则进行报警。

另一方面，本公开实施例提供了一种氢燃料电池车氢耗的测量装置，所述测量装置包括：

功率获取模块，用于获取氢燃料电池车的实际需求功率，所述实际需求功率为所述氢燃料电池车在当前时刻行驶所需要的功率；

伏安特性曲线获取模块，获取所述氢燃料电池车的电堆的伏安特性曲线；

电流计算模块，用于根据所述实际需求功率及所述伏安特性曲线，确定所述电堆在所述实际需求功率下的电流值；

氢气利用率计算模块，获取所述电堆的效率，并根据所述电堆的效率，计算得到所述电堆的氢气利用率；

氢气流量计算模块，根据所述氢气利用率以及所述电流值，计算得到所述电堆的氢气流量；

氢耗量计算模块，根据所述氢气流量，计算得到所述电堆的氢耗量。

在本公开的又一种实现方式中，所述氢气利用率计算模块，还用于通过下述公式计算所述电堆的氢气利用率：

其中，为电堆的氢气利用率，η为所述电堆的效率，δ(h2o)＝241.83×103j/mol，n为所述电堆的电池数目，z为氢原子移动电子数，f为阿伏伽德罗常数，v为所述电堆的额定电压。

在本公开的又一种实现方式中，所述氢气流量计算模块还用于通过下述公式计算所述电堆中氢气的流量：

其中：为所述电堆的氢气流量，r为理想气体常数，t为所述电堆的内部温度，n为所述电堆的电池数目，i为所述电堆的电流值，f为阿伏伽德罗常数，为所述电堆的氢气压力，为所述电堆的氢气利用率。

在本公开的又一种实现方式中，所述氢耗量计算模块还用于通过下述公式计算所述电堆的氢耗量：

m=∫o^tmh2；

其中，m为所述电堆的氢耗量，为所述电堆的氢气流量。

在本公开的又一种实现方式中，所述测量装置还包括剩余氢量计算模块，所述剩余氢量计算模块用于根据所述电堆的氢耗量，计算得到所述氢燃料电池车的剩余氢量；

若所述剩余氢量小于氢量阈值，则进行报警。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本实施例提供的测量方法在对氢燃料电池车中的电堆进行测试时，首先，获取待测氢燃料电池车的实际需求功率，这样可以知道电池车所需要的实际动力。接着，获取氢燃料电池车中的电堆的伏安特性曲线，电堆的伏安特性曲线用于体现该电堆的实际供能情况。然后，通过将电池车的实际需求功率，对照伏安特性曲线便可具体得知在当前功率时，电堆中的电压及电流值，以便后续计算电堆的氢耗量。

然后根据电堆的效率，计算电堆的氢气利用率，进一步确定电堆中氢气的消耗情况。接着根据氢气利用率以及电流值，确定电堆中氢气的流量，这样可以明确知道电堆中在当前输出功率时需要传输的氢气量。因为一定时间内氢气流量边对应的电堆的氢耗量，所以可以根据氢气的流量，来确定电堆中氢耗量。因此，最后，根据氢气流量，确定电堆的氢耗量。

也就是说，本实施例提供的氢燃料电池车氢耗的测量方法可以准确计算出电堆内部氢耗量，该方法操作简单，可以对氢燃料电池车的氢耗以及搭建的电堆模型的氢耗可以进行测定。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种氢燃料电池车氢耗的测量方法的流程图；

图2是本公开实施例提供的另一种氢燃料电池车氢耗的测量方法的流程图；

图3是本公开实施例提供的一种氢燃料电池车氢耗的测量装置的示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

本公开实施例提供了一种氢燃料电池车氢耗的测量方法，如图1所示，测量方法包括：

s101、获取氢燃料电池车的实际需求功率，实际需求功率为氢燃料电池车在当前时刻行驶所需要的功率；

s102、获取氢燃料电池车的电堆的伏安特性曲线；

s103、根据实际需求功率及伏安特性曲线，确定电堆在实际需求功率下的电流值；

s104、获取电堆的效率，并根据电堆的效率，计算得到电堆的氢气利用率；

s105、根据氢气利用率以及电流值，计算得到电堆的氢气流量；

s106、根据氢气流量，计算得到电堆的氢耗量

通过本实施例提供的测量方法在对氢燃料电池车中的电堆进行测试时，首先，获取待测氢燃料电池车的实际需求功率，这样可以知道电池车所需要的实际动力。接着，获取氢燃料电池车中的电堆的伏安特性曲线，电堆的伏安特性曲线用于体现该电堆的实际供能情况。然后，通过将电池车的实际需求功率，对照伏安特性曲线便可具体得知在当前功率时，电堆中的电压及电流值，以便后续计算电堆的氢耗量。

然后根据电堆的效率，计算电堆的氢气利用率，进一步确定电堆中氢气的消耗情况。接着根据氢气利用率以及电流值，确定电堆中氢气的流量，这样可以明确知道电堆中在当前输出功率时需要传输的氢气量。因为一定时间内氢气流量边对应的电堆的氢耗量，所以可以根据氢气的流量，来确定电堆中氢耗量。因此，最后，根据氢气流量，确定电堆的氢耗量。

也就是说，本实施例提供的氢燃料电池车氢耗的测量方法可以准确计算出电堆内部氢耗量，该方法操作简单，可以对氢燃料电池车的氢耗以及搭建的电堆模型的氢耗可以进行测定。

图2是本公开实施例提供的另一种氢燃料电池车氢耗的测量方法的流程图，参见图2，该氢燃料电池车氢耗的测量方法包括：

步骤201：获取氢燃料电池车的实际需求功率，实际需求功率为氢燃料电池车在当前时刻行驶所需要的功率。

在上述实现方式中，通过对待测氢燃料电池车的实际需求功率进行确定，可以明确知道该氢燃料电池车行驶时所需要的提供的功率，可以依据氢燃料电池车中实际需要的功率反过来推算该待测氢燃料电池车中电堆需要输出的电能。

一般来讲，实际需求功率也就是氢燃料电池车的电堆在当前时刻输出的实际电功率。

步骤202：获取氢燃料电池车的电堆的伏安特性曲线。

需要说明的是，电堆的伏安特性曲线是在构建电堆时就已经对应做出的一种能够体现电堆性能的伏安特性曲线图。

伏安特性曲线是通过电堆的不同电流值与不同电压值拟合的一个电压与电流之间的相互关系的曲线。

步骤203：根据实际需求功率及伏安特性曲线，确定电堆在实际需求功率下的电流值。

在上述实现方式中，可以通过直接对应查阅电堆的伏安特性曲线来对应得到燃料电池车在当前的实际功率时，电堆对应的电流值的大小。

简单理解，电堆的输出功率p＝ui，其中u即是电堆的电压值，i为电堆的电流值。

步骤204：根据实际需求功率及伏安特性曲线，确定电堆在实际需求功率下的电流值。

示例性地，步骤204通过以下方式进行实现：

电堆的氢气利用率满足下述公式：

其中，为电堆的氢气利用率，η为电堆的效率，δ(h2o)＝241.83×103j/mol，n为电堆的电池数目，z为氢原子移动电子数，f为阿伏伽德罗常数，v为电堆的额定电压。

在上述实现方式中，通过以上公式可以对电堆的氢气利用率进行计算，因为，电堆中氢气与氧气发生电化学反应时，有一部分氢气并没有参与到实际的电化学反应中，未参与电化学反应的氢气跟随反应后的产物一起排出电堆。也就是说，未参与反应的氢气同样也算为氢耗量。所以，这里为了精确的确定氢气的消耗量，需要先计算处氢气的利用率才能准确的确定氢耗量。

步骤205：根据氢气利用率以及电流值，计算得到电堆的氢气流量。

示例性地，步骤205通过以下方式进行实现：

堆的氢气流量满足下述公式：

其中：为电堆的氢气流量，r为理想气体常数，t为电堆的内部温度，n为电堆的电池数目，i为电堆的电流值，f为阿伏伽德罗常数，为电堆的氢气压力，为电堆的氢气利用率。

在上述实现方式中，通过计算氢气的流量，就可以通过氢气的流量确定出在一定时间范围内的电堆的氢耗量。

步骤206：根据氢气流量，计算得到电堆的氢耗量。

示例性地，步骤206通过以下方式实现：

电堆的氢耗量满足下述公式：

m=∫o^tmh2；(3)

其中，m为电堆的氢耗量，为电堆的氢气流量。

在上述实现方式中，可以通过以上公式准确的确定出该电堆的氢耗量，进而根据电堆的氢耗量，来确定相应的氢燃料电池车的续航里程。

步骤207：根据电堆的氢耗量，计算得到氢燃料电池车的剩余氢量；

若剩余氢量小于氢量阈值，则进行报警。

若剩余氢量不小于氢量阈值，则不报警。

在上述实现方式中，通过计算得到的电堆的氢耗量之后，氢燃料电池车中的对应的整车控制器vcu(vehiclecontrolunit)能够实时跟踪并且能够检测电堆的氢耗具体情况，并将电堆中的氢耗情况传送到仪表盘，显示出当前时刻总的消耗量。

根据电堆中总的氢的消耗量，整车控制器vcu确定出燃料电池车中剩余氢量，当燃料电池车中剩余氢量低于整车控制器vcu中设定的阈值时，这时整车控制器vcu将发出警告提示音，说明氢气即将用尽，通过警报提示可以有效的避免该氢燃料电池车因动力不足而引发的一些故障。

如果燃料电池车中剩余氢量不低于整车控制器vcu中设定的阈值时，则整车控制器vcu不作提示。

示例性地，步骤207通过以下方式进行实现:

首先，通过整车控制器vcu读取电堆的耗氢量。

然后，整车控制器vcu将电堆的耗氢量显示在电池车的仪表盘中；

接着，整车控制器vcu根据电堆的耗氢量，确定出燃料电池车中剩余氢量，并判断剩余氢量是否低于阈值，如果低于阈值，则整车控制器vcu将判断结果显示在仪表盘中，并进行警报提醒。

可以理解，本公开实施例提供的氢燃料电池车电堆的测量方法及测量装置，不仅仅针对氢燃料电池车中的电堆进行测试，也可以对在运用在整车之前的电堆模型进行测试，通过对电堆模型进行测试，便可以知道在构建电堆时，精确的了解电堆的氢耗性能，可想而知，这对电堆的实际使用大有帮助。

另外，对电堆模型的测试步骤与上述相同，这里不再赘述。

图3是本公开实施例提供的一种氢燃料电池车氢耗的测量装置的示意图，结合图3，本公开实施例还提供一种氢燃料电池车氢耗的测量装置，氢燃料电池车氢耗的测量装置包括：

功率获取模块1，用于获取氢燃料电池车的实际需求功率，实际需求功率为氢燃料电池车在当前时刻行驶所需要的功率；

伏安特性曲线获取模块2，用于获取氢燃料电池车的电堆的伏安特性曲线；

电流计算模块3，用于根据实际需求功率及伏安特性曲线，确定电堆在实际需求功率下的电流值；

氢气利用率计算模块4，获取电堆的效率，并根据电堆的效率，计算得到电堆的氢气利用率；

氢气流量计算模块5，根据氢气利用率以及电流值，计算得到电堆的氢气流量；

氢耗量计算模块6，根据氢气流量，计算得到电堆的氢耗量。

在上述实现方式中，通过以上装置可以快速的将氢燃料电池车氢耗的测量方法中需要的数据信息等进行获取或计算，进而最终知道氢燃料电池车氢耗的情况。

可选地，氢气利用率计算模块4，还用于通过下述公式计算电堆的氢气利用率：

其中，为电堆的氢气利用率，η为电堆的效率，δ(h2o)＝241.83×103j/mol，n为电堆的电池数目，z为氢原子移动电子数，f为阿伏伽德罗常数，v为电堆的额定电压。

在上述实现方式中，通过上述公式可以快速准确地将电堆的氢气利用率计算出来。

之所以计算氢气利用率，因为进入电堆中氢气并不能全部参与电化学反应，所以只有通过确定氢气利用率才能准确的计算电堆的实际氢耗量。

可选地，氢气流量计算模块5还用于通过下述公式计算电堆中氢气的流量：

其中：为电堆的氢气流量，r为理想气体常数，t为电堆的内部温度，n为电堆的电池数目，i为电堆的电流值，f为阿伏伽德罗常数，为电堆的氢气压力，为电堆的氢气利用率。

在上述实现方式中，通过测试电堆中的温度、电堆内氢气的压力等因素，利用上述公式便可计算电堆中氢气的流量，进而依据氢气的流量来确定电堆的氢耗量。

可选地，氢耗量计算模块6还用于通过下述公式计算电堆的氢耗量：

m=∫o^tmh2；(6)

其中，m为电堆的氢耗量，为电堆的氢气流量。

在上述实现方式中，通过对电堆中氢气的流量进行积分运算，便可得到电堆在一定时间范围内的对应的氢耗量，也就是电堆的氢耗量。

可选地，测量装置还包括剩余氢量计算模块7，剩余氢量计算模块7用于根据电堆的氢耗量，计算得到氢燃料电池车的剩余氢量；

若剩余氢量小于氢量阈值，则进行报警。

在上述实现方式中，通过剩余氢量计算模块可以实时提醒该氢燃料电池车的氢耗是否耗尽。

本实施例中，剩余氢量计算模块7与氢燃料电池车的整车控制器vcu电连接，整车控制器vcu通过剩余氢量计算模块7来确定出燃料电池车中剩余氢量。

当燃料电池车中剩余氢量低于整车控制器vcu中设定的阈值时，这时整车控制器vcu发出警告提示音，说明氢气即将用尽，通过警报提示可以有效的避免该氢燃料电池车因动力不足而引发的一些故障。

如果燃料电池车中剩余氢量不低于整车控制器vcu中设定的阈值时，整车控制器vcu不作提示。

另外，本实施例还提供了一种氢燃料电池电堆模型的构造方法，该构造方法基于上述氢燃料电池车氢耗的测量方法，根据氢燃料电池车氢耗的测量方法，最终计算出氢燃料电池电堆中的氢耗量，即公式(6)。

其中，m为电堆的氢耗量，为电堆的氢气流量。

然后，利用matlab软件，并在matlab中搭建电堆模型，并输入电堆中相应的供求功率(对应氢燃料电池中的实际输出功率)，然后利用电堆的伏安特性曲线分别求得电堆的输出电流i等，并最终得到电堆的氢气消耗量m。接着，根据电堆的氢气消耗量m，搭建电堆的基本模型以满足实际氢燃料电池的需求。

通过上述方法搭建电堆模型，可以使得搭建的电堆模型能够仿真氢燃料电池车实际数据，依据氢燃料电池车的实际数据，最终能够准确的确定出电堆的氢耗量，以此来确定电堆对应的氢燃料电池车的真实续航里程。

以上仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。