专利名称：燃料电池汽车的燃料消耗测评装置的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源汽车性能测试与评价技术领域，尤其涉及一种燃料电池汽车的 燃料消耗测评装置。
背景技术：
随着国内燃料电池汽车研究工作的深入、示范运行范围的不断扩大和租赁使用的 开展，对燃料电池汽车性能的评价方法提出了越来越紧迫的要求。而燃料消耗量的准确测 量和经济性评价又在燃料电池汽车性能评价中处于十分重要的地位。由于氢燃料的特殊 性，传统内燃机汽车所采用的燃料消耗量测量方法如碳平衡法等并不适用于氢燃料，因此 有必要研究适用于氢气的燃料消耗量检测方法。美国、日本和欧洲的各大汽车制造厂商、相 关政府部门已经对氢消耗量测量的方法展开研究工作，并取得了一些阶段性的成果，我国 在这方面也进行了很多研究。国家“863计划”中已经明确地将燃料电池车列为我国电动汽 车发展的重点。目前，针对燃料电池汽车经济性评价的方法尚处于试验阶段，在该研究领域，得到 普遍认可的试验方法包括质量称重法、温度压力法和流量计法。本发明中的PRD为压力释放装置，当由于气瓶受热等原因导致气瓶内部压力上 升，为了保护气瓶的安全，PRD的爆破片会在压力达到一定数值时，自动爆破，释放压力，由 于氢气是可燃性气体，所以释放的氢气需要合理收集、处理。
发明内容
本发明的目的在于，为以氢气为燃料的电池汽车提供一种燃料消耗测评装置，用 于评价燃料电池汽车的燃料消耗量和经济性。技术方案是，一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，其特征是所述测评装置包 括气源瓶架1以及与所述气源瓶架相连的管路系统2，所述管路系统2与燃料电池汽车3相 连；所述气源瓶架1包括放置气瓶的气瓶支架4、第一汇流管5、第二汇流管6和第三 高压气体软管9，所述气瓶支架4包括第一高压气体软管7、第二高压气体软管8、压力释放 装置PRD 10、第一气瓶温度传感器14、第一气瓶压力传感器15、第二气瓶温度传感器16和 第二气瓶压力传感器17 ；所述管路系统3包括气源入口 18、第一气体流出口 19、第二气体流出口 20、气体吹 扫出口 21、带气动执行机构的阀门22、第一流向选择阀门23、第一减压阀24、安全阀25、通 断阀30、第二流向选择阀门31、第二减压阀32、第三流向选择阀门35和氢气过滤器36 ；所述第一高压气体软管7 —端与第一汇流管5相连，另一端与气瓶11的前堵12相 连；第二高压气体软管8 —端与压力释放装置PRD 10相连，另一端与气瓶11的后堵13相 连；第三高压气体软管9的一端与第一汇流管5相连，另一端与管路系统3的气源入口 18 相连；压力释放装置PRD 10还与第二汇流管8相连；第二汇流管8与试验室的风道相连；
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所述第一气瓶温度传感器14和第一气瓶压力传感器15安装在气瓶11的前堵12 上；所述第二气瓶温度传感器16和第二气瓶压力传感器17安装在气瓶11的后堵13 上；所述气源入口 18分别与第三高压气体软管9和氢气过滤器36相连；所述氢气过滤器36分别与气源入口 18和带气动执行机构的阀门22相连；所述带气动执行机构的阀门22分别氢气过滤器36与第一流向选择阀门23相连；所述第一流向选择阀门23的一路与第一减压阀24相连，另一路与安全阀第一端 口 26相连；所述第一减压阀24与安全阀第二端口 27相连；所述安全阀第二端口 27与通断阀第二端口 29相连；所述通断阀第二端口 29与第二流向选择阀门31相连；所述通断阀第一端口 28分别与安全阀第一端口 26和气体吹扫出口 21相连；所述第二流向选择阀门31的一路与第二减压阀第一端口 33相连，另一路与第二 减压阀第二端口 34相连；所述第二减压阀第二端口 34与第三流向选择阀门35相连；所述第三流向选择阀门35的一路与第一气体流出口 19相连，另一路与第二气体 流出口 20相连；所述第一气体流出口 19与燃料电池汽车加气入口相连；所述第二气体流出口 20与质量流量计37相连；所述氢气过滤器36与带气动执行机构的阀门22之间、第一减压阀24与安全阀第 二端口 27之间、第二减压阀第二端口 34与第三流向选择阀门35之间分别安装第一机械式 压力表38、第二机械式压力表39和第三机械式压力表40 ；所述第一流向选择阀门23与第一减压阀之间24安装第一管路温度传感器41和 第一管路压力传感器42 ；所述通断阀第二端口 29与第二流向选择阀门31之间安装第二管路温度传感器43 和第二管路压力传感器44。所述测评装置还包括质量称重装置，所述质量称重装置包括防风防震箱体45、精 密天平46、天平称重辅助装置47。所述天平称重辅助装置47采用蜗轮蜗杆_凸轮-顶杆结构。所述第一气瓶温度传感器14和第一气瓶压力传感器15分别与计算机相连，所述 第二气瓶温度传感器16和第二气瓶压力传感器17分别与计算机相连。所述气瓶11采用铝合金内胆并用碳纤维缠绕包覆。本发明的效果在于，利用本发明提供的燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，配合 重型燃料电池汽车转鼓试验台，能够完成对于重型燃料电池汽车燃料消耗的测量和燃料经 济性的评价工作，为燃料电池汽车技术研发和普及提供保障。
图1是燃料电池汽车的燃料消耗测评装置结构示意图2是气源瓶架与气瓶连接示意图；图3是管路系统结构图；图4是质量称重装置结构示意图；图5是燃料电池汽车的燃料消耗测评装置使用的部件型号列表；图中标号1-气源瓶架，2-管路系统，3-燃料电池汽车，4-气瓶支架，5-第一汇流管，6_第二 汇流管，7-第一高压气体软管，8-第二高压气体软管，9-第三高压气体软管，10-压力释放 装置PRD，11-气瓶，12-前堵，13-后堵，14-第一气瓶温度传感器，15-第一气瓶压力传感 器，16-第二气瓶温度传感器，17-第二气瓶压力传感器，18-气源入口，19-第一气体流出 口，20-第二气体流出口，21-气体吹扫出口，22-带气动执行机构的阀门，23-第一流向选择 阀门，24-第一减压阀，25-安全阀，26-安全阀第一端口，27-安全阀第二端口，28-通断阀第 一端口，29-通断阀第二端口，30-通断阀，31-第二流向选择阀门，32-第二减压阀，33-第二 减压阀第一端口，34-第二减压阀第二端口，35-第三流向选择阀门，36-氢气过滤器，37-质 量流量计，38-第一机械式压力表，39-第二机械式压力表，40-第三机械式压力表，41-第一 管路温度传感器，42-第一管路压力传感器，43-第二管路温度传感器，44-第二管路压力传 感器，45-防风防震箱体，46-精密天平，47-天平称重辅助装置。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性 的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。实施例图1是燃料电池汽车的燃料消耗测评装置结构示意图，图1中，燃料电池汽车的燃 料消耗测评装置包括气源瓶架1以及与气源瓶架相连的管路系统2，管路系统2与燃料电池 汽车3相连。其中，测评装置中的气源瓶架1和管路系统2可移动，并可分别单独使用，提 高了测量的灵活性和装置的兼容性。图2是气源瓶架与气瓶连接示意图。图2中，气源瓶架1包括放置气瓶的气瓶支 架4 (见图1)、第一汇流管5、第二汇流管6和第三高压气体软管9。气源瓶架1应当有至少 2个能够放置气瓶的气瓶支架4，其中1个气瓶支架用于放置氢气瓶，1个用于放置氮气瓶。 在本实施例中，气源瓶架1包括6个气瓶支架4，其中，5个用于放置氢气瓶，1个用于放置 氮气瓶。此处5只气瓶数目是根据国际上车辆负荷最大的测试循环所需的氢气供应量设计 的。不同的实验装置针对不同的被测试车辆，可以根据实际需求计算所需的氢气质量，确定 所需的氢气瓶数目。另外，由于氢气是一种易燃易爆气体，如果在空气中混入的氢气浓度达 到一定的数值，遇到明火就会有爆炸的危险。为此，在测试前，需要使用氮气将试验管路中 的空气排空，从而防止氢气与空气混合，从而保证试验过程的安全。图2中，每只气瓶支架4包括第一高压气体软管7、第二高压气体软管8、压力释放 装置PRD10、第一气瓶温度传感器14、第一气瓶压力传感器15、第二气瓶温度传感器16和第 二气瓶压力传感器17。气瓶11与气瓶支架4的连接具体是第一高压气体软管7 —端与 第一汇流管5相连，另一端与气瓶11的前堵12相连。第三高压气体软管9的一端与第一 汇流管5相连，另一端与管路系统2的气源入口 18相连。由于本实施例中的1个气源瓶架能够放置5个氢气瓶，并且试验过程中，可能需要5个氢气瓶共同为燃料电池汽车3提供燃 料，所以需要使用第一汇流管5，使各个氢气瓶的氢气通过第一汇流管5进入管路系统2。第二高压气体软管8 一端与压力释放装置PRD 10相连，另一端与气瓶11的后堵 13相连；压力释放装置PRD 10还与第二汇流管6相连；第二汇流管6与试验室的风道相连。 压力释放装置PRD 10的作用在于，当气瓶11内的压力过大时，可以通过释放氢气的方式释 放瓶内压力，避免发生危险。但是，由于氢气是可燃性气体，需要安全处置。因此，需要将释 放的氢气通过第二汇流管6，汇入试验室的风道，安全排出。在本实施例中，第一气瓶温度传感器14和第一气瓶压力传感器15分别安装于气 瓶11的前堵12，用于测量试验前后氢气瓶内氢气的温度与压力。第二气瓶温度传感器16 和第二气瓶压力传感器17分别安装于气瓶11的后堵13，用于测量氢气瓶内氢气的温度与 压力是否达到安全极值。另外，第一气瓶温度传感器14和第一气瓶压力传感器15可以分 别与计算机相连，第二气瓶温度传感器16和第二气瓶压力传感器17也可以分别与计算机 相连。连接时，可以采用对插连接器、多芯快插连接器、多芯连接器座或本质安全电缆，将上 述传感器连接至计算机，从而将测量的温度和压力数据传送入计算机，并根据温度压力法， 利用计算机计算试验前后氢气瓶内氢气的质量。本实施例中的氢气瓶11采用铝合金内胆并用碳纤维缠绕包覆，标称储水容积为 50L，最高耐受压力为20MPa。图3是管路系统结构图，图3中，管路系统2包括气源入口 18、第一气体流出口 19、 第二气体流出口 20、气体吹扫出口 21、带气动执行机构的阀门22、第一流向选择阀门23、第 一减压阀24、安全阀25、通断阀30、第二流向选择阀门31、第二减压阀32、第三流向选择阀 门35和氢气过滤器36。气源入口 18分别与第三高压气体软管9和氢气过滤器36相连。第三高压气体软 管9可以通过快插接头，与气源入口 18连接。氢气瓶中的氢气通过第三高压气体软管9送 入气源入口 18，氢气由此进入管路系统2。氢气进入管路系统后，氢气过滤器36过滤氢气 中存在的尘埃等杂质，避免对燃料电池汽车3造成影响。氢气过滤器36还与带气动执行机 构的阀门22相连。带气动执行机构的阀门22在外界的压缩空气气源的控制下实现对氢气 供应主管路的通断控制。带气动执行机构的阀门22还与第一流向选择阀门23相连。第一 流向选择阀门23的一路与第一减压阀24相连，该路在试验过程中打开。第一流向选择阀 门23的另一路与安全阀第一端口 26相连。安全阀第二端口 27与通断阀第二端口 29相连； 通断阀第二端口 29与第二流向选择阀门31相连。通断阀的第一端口 28分别与安全阀的 第一端口 26和气体吹扫出口 21相连。在试验时，第一流向选择阀门23开启与第一减压阀 24相连的一路，关闭与安全阀第一端口 26相连的一路。安全阀25的作用在于，在试验过程 中，开启一路的氢气压力过高，可能导致危险发生时，自动将管路中的氢气通过气体吹扫出 口 21排除管路系统。通断阀30的作用在于，在安全阀25失效时，手动打开通断阀30，将开 启一路的氢气从气体吹扫出口 21放出。第二流向选择阀门31的一路与第二减压阀第一端口 33相连，另一路与第二减压 阀第二端口 34相连。第二减压阀第二端口 34与第三流向选择阀门35相连。第三流向选 择阀门35的一路与第一气体流出口 19相连，另一路与第二气体流出口 20相连。第一气体 流出口 19与燃料电池汽车加气入口相连，第二气体流出口 20与质量流量计37相连。由于实际生产的燃料电池汽车有两类，一类是高压型燃料电池汽车，另一类是低压型燃料电池 汽车，两者的区别在于对氢气源的压力要求不一样。因此，本发明的管路系统提供第二流向 选择阀门31，在对高压型燃料电池汽车进行试验时，通过第二流向选择阀门31开启与第二 减压阀第一端口 33相连的一路，关闭另一路，从而使第二减压阀32对高压氢气减压。在对 低压型燃料电池汽车进行试验时，通过第二流向选择阀门31开启与第二减压阀第二端口 34相连的一路，关闭另一路。在试验中，如果采用燃料电池汽车测量氢气消耗量，则第三流 向选择阀门35开启与第一气体流出口 19相连的一路，关闭另一路；当需要采取流量计法测 量燃料电池汽车的消耗量时，则第三流向选择阀门35开启与第二气体流出口 20相连的一 路，关闭另一路。氢气过滤器36与带气动执行机构的阀门22之间安装第一机械式压力表38，用于 测量气源入口 18与带气动执行机构的阀门22之间的压力。第一减压阀24与安全阀第二 端口 27之间安装第二机械式压力表37，用于测量减压之后的管路压力。第二减压阀第二端 口 34与第三流向选择阀门35之间分别安装第三机械式压力表40，用于测量对高压型燃料 电池汽车的氢气减压之后的管路压力。第一流向选择阀门23与第一减压阀24之间安装第一管路温度传感器41和第一 管路压力传感器42。通断阀第二端口 29与第二流向选择阀门31之间安装第二管路温度传 感器43和第二管路压力传感器44。上述两组管路温度传感器和管路压力传感器，分别用于 测量第一减压阀24加压后的管路中的氢气的温度和压力。本发明提供的测评装置还可以包括质量称重装置，该质量称量装置用于称量试验 前后的氢气瓶的质量，通过试验前后的氢气瓶的质量获得氢气消耗量。图4是质量称重装 置结构示意图，图4中，质量称重装置包括防风防震箱体45、精密天平46、天平称重辅助装 置47。防风防震箱体45为铸铁结构，通过密封来实现防风功能，通过四角采用的防震轮， 实现防震功能。天平称重辅助装置47采用蜗轮蜗杆-凸轮-顶杆结构，有效的保护精密天 平46免收意外操作引起的损害。精密天平46的精度为0. lg，最大量程为64Kg，用以称量 气瓶质量。试验过程前后，应当将氢气瓶从气源瓶架1中卸下，放在精密天平46上进行称 量。质量称重装置在试验精度要求较高时，或者需要验证温度压力法的准确性的时候才会 采用。使用本发明的测评装置测量燃料电池汽车的燃料消耗量和评价燃料电池汽车的 经济性的具体过程如下首先参照图5选择测评装置中使用的各个部件。然后，参照图2连接气源瓶架上的 管路。接下来，将氮气瓶与管路系统3的气体吹扫出口 21连接，对管路系统进行吹扫，排除 空气。待管路系统中的空气排空后，分别设置第一流向选择阀门23、第二流向选择阀门31 和第三流向选择阀门35的流向。开启第一流向选择阀门23与第一减压阀24相连的一路， 关闭另一路。根据试验中燃料电池汽车所使用的燃料类型(高压型燃料或者低压型燃料)， 开启第二流向选择阀门33的一路，关闭另一路。开启第三流向选择阀门35与第一气体流出 口 19连接的一路，关闭另一路。最后，将第一气体流出口 19与燃料电池汽车的加气入口相 连，再将第三高压气体软管9通过快插接口与气源入口 18相连。燃料电池汽车在实验室的 转鼓试验台上进行“中国典型城市公交循环”试验。第一减压阀24将氢气瓶中15 20MPa 的高压氢气减压到3 5Mpa ；第一管路温度传感器41、第一管路压力传感器42、第一管路温度传感器43、第一管路压力传感器44检测第一减压阀24前后的氢气温度、压力状态；第 二减压阀32根据试验需要，在第二流向选择阀门31的控制下接入氢气供应主管路中，将经 过第一减压阀24后的3 5Mpa的氢气二次减压到0. 8 1. 2MPa ；通过第三机械式压力表 40观察氢气供应主管路中氢气的压力。利用气源瓶架中安装的第一气瓶温度传感器14，第 一气瓶压力传感器15采集的氢气瓶内部氢气的状态参数计算试验过程中氢气的消耗量， 或者可以使用质量称量装置测量氢气的消耗量。在本实施例提供的试验中，燃料电池汽车 为重型燃料电池城市客车，质量为15500Kg，主减速比为6. 83，减速器速比为2. 56，车轮滚 动半径为0. 51m,迎风面积为8m2，空气阻力系数为0. 75Ns2/m4,传动系统总效率为0. 88，其 氢气消耗质量为1125. 85g。 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
权利要求
一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，其特征是所述测评装置包括气源瓶架(1)以及与所述气源瓶架相连的管路系统(2)，所述管路系统(2)与燃料电池汽车(3)相连；所述气源瓶架(1)包括放置气瓶的气瓶支架(4)、第一汇流管(5)、第二汇流管(6)和第三高压气体软管(9)，所述气瓶支架(4)包括第一高压气体软管(7)、第二高压气体软管(8)、压力释放装置PRD(10)、第一气瓶温度传感器(14)、第一气瓶压力传感器(15)、第二气瓶温度传感器(16)和第二气瓶压力传感器(17)；所述管路系统(3)包括气源入口(18)、第一气体流出口(19)、第二气体流出口(20)、气体吹扫出口(21)、带气动执行机构的阀门(22)、第一流向选择阀门(23)、第一减压阀(24)、安全阀(25)、通断阀(30)、第二流向选择阀门(31)、第二减压阀(32)、第三流向选择阀门(35)和氢气过滤器(36)；所述第一高压气体软管(7)一端与第一汇流管(5)相连，另一端与气瓶(11)的前堵(12)相连；第二高压气体软管(8)一端与压力释放装置PRD(10)相连，另一端与气瓶(11)的后堵(13)相连；第三高压气体软管(9)的一端与第一汇流管(5)相连，另一端与管路系统(3)的气源入口(18)相连；压力释放装置PRD(10)还与第二汇流管(8)相连；第二汇流管(8)与试验室的风道相连；所述第一气瓶温度传感器(14)和第一气瓶压力传感器(15)安装在气瓶(11)的前堵(12)上；所述第二气瓶温度传感器(16)和第二气瓶压力传感器(17)安装在气瓶(11)的后堵(13)上；所述气源入口(18)分别与第三高压气体软管(9)和氢气过滤器(36)相连；所述氢气过滤器(36)分别与气源入口(18)和带气动执行机构的阀门(22)相连；所述带气动执行机构的阀门(22)分别氢气过滤器(36)与第一流向选择阀门23(23)相连；所述第一流向选择阀门(23)的一路与第一减压阀(24)相连，另一路与安全阀第一端口(26)相连；所述第一减压阀(24)与安全阀第二端口(27)相连；所述安全阀第二端口(27)与通断阀第二端口(29)相连；所述通断阀第二端口(29)与第二流向选择阀门(31)相连；所述通断阀第一端口(28)分别与安全阀第一端口(26)和气体吹扫出口(21)相连；所述第二流向选择阀门(31)的一路与第二减压阀第一端口(33)相连，另一路与第二减压阀第二端口(34)相连；所述第二减压阀第二端口(34)与第三流向选择阀门(35)相连；所述第三流向选择阀门(35)的一路与第一气体流出口(19)相连，另一路与第二气体流出口(20)相连；所述第一气体流出口(19)与燃料电池汽车加气入口相连；所述第二气体流出口(20)与质量流量计(37)相连；所述氢气过滤器(36)与带气动执行机构的阀门(22)之间、第一减压阀(24)与安全阀第二端口(27)之间、第二减压阀第二端口(34)与第三流向选择阀门(35)之间分别安装第一机械式压力表(38)、第二机械式压力表(39)和第三机械式压力表(40)；所述第一流向选择阀门(23)与第一减压阀之间(24)安装第一管路温度传感器(41)和第一管路压力传感器(42)；所述通断阀第二端口(29)与第二流向选择阀门(31)之间安装第二管路温度传感器(43)和第二管路压力传感器(44)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，其特征是所述测评 装置还包括质量称重装置，所述质量称重装置包括防风防震箱体(45)、精密天平(46)、天 平称重辅助装置(47)。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，其特征是所述天平 称重辅助装置(47)采用蜗轮蜗杆-凸轮-顶杆结构。
4 根据权利要求1或2所述的一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，其特征是所述 第一气瓶温度传感器(14)和第一气瓶压力传感器(15)分别与计算机相连，所述第二气瓶 温度传感器(16)和第二气瓶压力传感器(17)分别与计算机相连。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，其特征是所述 气瓶(11)采用铝合金内胆并用碳纤维缠绕包覆。
全文摘要
本发明公开了新能源汽车性能测试与评价技术领域中的一种燃料电池汽车的燃料消耗测评装置，用于评价燃料电池汽车的燃料消耗量和经济性。测评装置包括气源瓶架以及与所述气源瓶架相连的管路系统，管路系统与燃料电池汽车相连；气源瓶架包括放置气瓶的气瓶支架以及测量气瓶内气体的温度传感器和压力传感器，并通过温度传感器和压力传感器测量的结果计算燃料消耗量；测评装置还包括质量称重装置，质量称重装置包括防风防震箱体、精密天平和天平称重辅助装置，用于对燃料消耗量进行精细测量。本发明可以实现对重型燃料电池汽车燃料消耗的测量和燃料经济性的评价工作。
文档编号G01M15/10GK101975663SQ20101052076
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者刘文斌, 卢青春, 李永利, 聂华威, 聂圣芳, 贺远良, 金振华, 陈明洁 申请人:清华大学