CN113314741A - 氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，包括：采集发动机系统工作期间即时的发动机系统净输出电压Ufci和电流Ifci，氢气进气口处即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据；依据净输出电压Ufci和电流Ifci，分别计算在各时间段ti内发动机系统消耗的总功率P0；依据体积流量Vi和温度Ti数据，计算在各时间段ti内流入电堆氢气进气口的总的氢气质量m；并转变对应时间段ti的转化功率P1；对得到的一段时间ti内的P0和P1进行均方根处理得到实际氢气提供的总功率功率
Figure DDA0003049028110000013
根据
Figure DDA0003049028110000012
推算所消耗的总氢气质量
Figure DDA0003049028110000011
除以时间ti，得到瞬时氢气的消耗率。本发明可配合仪表存储实现智能氢耗显示的功能，为客户提供即时的车辆能耗提醒，增加客户对动力感知维度。

Description

氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池领域，特别涉及一种氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法。
背景技术
氢燃料电池是利用氢气和氧气/空气作为反应气体，利用催化化学反应，降低氧还原反应能量势垒，使反应生成电子，从而形成电流，为负载提供电能的装置。该装置利用了脱离卡诺热循环，具有非常高的热电转化效率，只产生对环境零污染的水，具有绝对的环境友好型。目前已经广泛应用于便携式电源、固定电源/站、公路交通、海运及军事领域。氢燃料电池驱动车辆同样作为能量消耗型运输工具，其经济性等评价受能耗数据影响非常大，即能耗的高低直接影响工具运营成本。
目前计算氢耗的方式主要有两种：一种根据GBT35178-2017《燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法》，另一种是根据欧标GTR13标准。由于受到温度、湿度及压强等因素的影响，这两种算法应用于计算每日车辆的耗氢量及换算的百公里耗氢量是比较准确的，但对于瞬时耗氢量计算并不适用。
专利文献1(专利号：CN201610894720.6)公开了一种燃料电池氢耗计算方法,其包括以下步骤：根据氢气供应至阳极的时刻的第一压力和氢气不再供应至阳极的时刻的第二压力来计算代表性部分所消耗的氢气量；通过将多个部分消耗的氢气量进行累积来计算总共消耗的氢气量。
专利文献2(专利号：CN200710304098.X)公开了一种利用氢系统重量与压强变化，系统在高压气瓶的瓶阀连接的主管路上依次安装有瓶口电磁阀、卡套式接头、可拆卸管路旋拧阀、干路电磁阀、干路手动阀、第一级减压阀、安全阀、第二级减压阀、流量控制器和阻火器。经过测量气瓶放气前后的重量及气瓶尾堵和瓶阀处的温度、压力值可得出三组氢气消耗量值。
以上两种现有专利技术对于计算瞬时氢耗的测算方法都不够准确。
发明内容
本发明目的是：提供一种氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，利用系统净输出电流、电压，并结合电堆入口质量/统计流量计、温度传感器采集数据进行综合计算之后得出瞬时氢耗。
本发明的技术方案是：
氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，包括步骤：
S1、采集氢燃料电池的发动机系统工作期间即时的发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，
同时采集氢燃料电池的电堆氢气进气口处即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据；
S2、设定依次等长的时间段t1、t2……tn，各时间段的长度均为x；
依据即时的发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，以及发动机系统的效率图谱，分别计算在各时间段ti内发动机系统消耗的总功率P0；
S3、依据即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据，利用理想气体方程计算在各时间段ti内流入电堆氢气进气口的总的氢气质量m；
S4、利用所得氢气质量m进行能量换算，得到所用氢气转化得到的所有热量，并转变对应时间段ti的转化功率P1；
S5、对得到的一段时间ti内的P0和P1进行均方根处理得到实际氢气提供的总功率功率
Figure BDA0003049028090000022
根据
Figure BDA0003049028090000023
推算所消耗的总氢气质量
Figure BDA0003049028090000024
将
Figure BDA0003049028090000025
除以时间ti，得到瞬时氢气的消耗率rH2。
优选的，步骤S1中，采集发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，以及氢气体积流量Vi和温度Ti数据，分别反馈给发动机系统控制器FCU。
优选的，步骤S2中，发动机系统控制器FCU计算发动机系统即时的净输出功率Pfci，
Pfci＝Ufci×Ifci；
依据发动机系统的净输出功率Pfci，通过查询发动机系统的效率图谱，获得发动机系统整体效率μfci；进而计算出发动机系统获得目标的净输出功率Pfci所需要的即时总功率Pi：
Pi＝Pfci/μfci；
将即时总功率Pi在ti时间段进行积分处理，获得ti时间段内发动机系统消耗的总功率P0：
Figure BDA0003049028090000021
优选的，步骤S2中，将发动机系统消耗的总功率P0数据存储在发动机系统控制器FCU中。
优选的，步骤S3中，将即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据，带入以下气体状态方程：
PV＝nRT；
计算即时的流入电堆的氢气的物质的量n，其中P为进堆低压管路的压强，V＝Vi，T＝Ti；进而计算即时的流入电堆的氢气质量mi：
mi＝n·2；
对mi+在ti时间段进行积分处理，得到ti时间段内流入电堆的氢气量m。
优选的，步骤S4中，利用所得氢气质量m进行能量换算，是按照低热值243kJ/mol进行换算，得到所用氢气转化得到的所有热量。
优选的，步骤S5中根据
Figure BDA0003049028090000031
推算所消耗的总氢气质量
Figure BDA0003049028090000032
同样按照低热值243kJ/mol进行换算。
优选的，步骤S5中，完成ti时间段内的瞬时氢气的消耗率rH2计算后，存储于系统控制器FCU中，进而计算ti+1时间段内的瞬时氢气的消耗率，并更新存储数据。
优选的，所述系统控制器FCU瞬时氢气的消耗率数据通过CAN通讯传送至VCU或仪表进行显示。
本发明的优点是：
1、本发明提供的一种氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，利用燃料电池发动机系统净输出电流和电压计算净输出功率，并配合功率与效率查表通过计算获得氢燃料电池发动机系统的输出功率，结果相对比较准确；
2、本发明采用与流量计实采结果求均方根的方法，使得所得结果更加准确；
3、本发明可配合仪表存储实现智能氢耗显示的功能，为客户提供即时的车辆能耗提醒，增加客户对动力感知维度，建立健康驾驶习惯。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法的流程图；
图2为实施例的燃料电池发动机系统净输出功率与系统效率图谱。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，包括步骤：
S1、采集氢燃料电池的发动机系统工作期间即时的发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，采样频率可选择10-1000ms；同时采集氢燃料电池的电堆氢气进气口处即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据；分别将以上采集数据反馈给发动机系统控制器FCU；
S2、设定依次等长的时间段t1、t2……tn，各时间段的长度均为x，可选择10s～300s，具体以控制器计算与数据存储能力为设计条件。
依据即时的发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，以及如图2所示的发动机系统的效率图谱，分别计算在各时间段ti内发动机系统消耗的总功率P0；具体的：
发动机系统控制器FCU计算发动机系统即时的净输出功率Pfci，
Pfci＝Ufci×Ifci；
依据发动机系统的净输出功率Pfci，通过查询发动机系统的效率图谱，获得发动机系统整体效率μfci；进而计算出发动机系统获得目标的净输出功率Pfci所需要的即时总功率Pi：
Pi＝Pfci/μfci；
将即时总功率Pi在ti时间段进行积分处理，获得ti时间段内发动机系统消耗的总功率P0：
Figure BDA0003049028090000041
将发动机系统消耗的总功率P0数据存储在发动机系统控制器FCU中。
S3、依据即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据，利用理想气体方程计算在各时间段ti内流入电堆氢气进气口的总的氢气质量m；具体的：
将即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据，带入以下气体状态方程：
PV＝nRT；
计算即时的流入电堆的氢气的物质的量n，其中P为进堆低压管路的压强，V＝Vi，T＝Ti；进而计算即时的流入电堆的氢气质量mi：
mi＝n·2；
对mi+在ti时间段进行积分处理，得到ti时间段内流入电堆的氢气量m。
S4、利用所得氢气质量m，按照低热值243kJ/mol进行能量换算，得到所用氢气转化得到的所有热量，并转变对应时间段ti的转化功率P1；
S5、对得到的一段时间ti内的P0和P1进行均方根处理得到实际氢气提供的总功率功率
Figure BDA0003049028090000051
根据
Figure BDA0003049028090000052
同样按照低热值243kJ/mol推算所消耗的总氢气质量
Figure BDA0003049028090000053
将
Figure BDA0003049028090000054
除以时间ti，得到瞬时氢气的消耗率rH2：
Figure BDA0003049028090000055
完成ti时间段内的瞬时氢气的消耗率rH2计算后，存储于系统控制器FCU中，进而计算ti+1时间段内的瞬时氢气的消耗率，并更新存储数据。
计算结束后，所述系统控制器FCU瞬时氢气的消耗率数据通过CAN通讯传送至VCU或仪表进行显示。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采集氢燃料电池的发动机系统工作期间即时的发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，
同时采集氢燃料电池的电堆氢气进气口处即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据；
S2、设定依次等长的时间段t1、t2……tn，各时间段的长度均为x；
依据即时的发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，以及发动机系统的效率图谱，分别计算在各时间段ti内发动机系统消耗的总功率P0；
S3、依据即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据，利用理想气体方程计算在各时间段ti内流入电堆氢气进气口的总的氢气质量m；
S4、利用所得氢气质量m进行能量换算，得到所用氢气转化得到的所有热量，并转变对应时间段ti的转化功率P1；
S5、对得到的一段时间ti内的P0和P1进行均方根处理得到实际氢气提供的总功率功率
Figure FDA0003049028080000012
根据
Figure FDA0003049028080000013
推算所消耗的总氢气质量
Figure FDA0003049028080000014
将
Figure FDA0003049028080000015
除以时间ti，得到瞬时氢气的消耗率rH2。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S1中，采集发动机系统净输出电压Ufci和净输出电流Ifci，以及氢气体积流量Vi和温度Ti数据，分别反馈给发动机系统控制器FCU。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S2中，发动机系统控制器FCU计算发动机系统即时的净输出功率Pfci，
Pfci＝Ufci×Ifci；
依据发动机系统的净输出功率Pfci，通过查询发动机系统的效率图谱，获得发动机系统整体效率μfci；进而计算出发动机系统获得目标的净输出功率Pfci所需要的即时总功率Pi：
Pi＝Pfci/μfci；
将即时总功率Pi在ti时间段进行积分处理，获得ti时间段内发动机系统消耗的总功率P0：
Figure FDA0003049028080000011
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S2中，将发动机系统消耗的总功率P0数据存储在发动机系统控制器FCU中。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S3中，将即时的氢气体积流量Vi和温度Ti数据，带入以下气体状态方程：
PV＝n RT；
计算即时的流入电堆的氢气的物质的量n，其中P为进堆低压管路的压强，V＝Vi，T＝Ti；进而计算即时的流入电堆的氢气质量mi：
mi＝n·2；
对mi+在ti时间段进行积分处理，得到ti时间段内流入电堆的氢气量m。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S4中，利用所得氢气质量m进行能量换算，是按照低热值243kJ/mol进行换算，得到所用氢气转化得到的所有热量。
7.根据权利要求5所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S5中根据
Figure FDA0003049028080000021
推算所消耗的总氢气质量
Figure FDA0003049028080000022
同样按照低热值243kJ/mol进行换算。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，步骤S5中，完成ti时间段内的瞬时氢气的消耗率rH2计算后，存储于系统控制器FCU中，进而计算ti+1时间段内的瞬时氢气的消耗率，并更新存储数据。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池车的瞬时氢耗的测算方法，其特征在于，所述系统控制器FCU瞬时氢气的消耗率数据通过CAN通讯传送至VCU或仪表进行显示。
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