专利名称：用于燃料电池车的燃料效率测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池车的燃料效率测量系统和方法，其可精 确地测量燃料电池车的燃料效率。
背景技术：
通常燃料电池由于其发电效率高和零排放特征被认为是未来的发 电系统。燃料电池已经作为车辆动力源而被广泛研究，其可解决诸如 近年来提出的环境污染和全球变暖的各种问题。
燃料电池是将通过将具有活性的物质，如氢(例如LNG、 LPG、 甲醇等)氧化所产生的化学能经电化学反应直接转化为电能的装置。 一般来说，燃料电池使用易从天然气生成的氢气，和空气中的氧气。
在装配有使用氢作为燃料的上述燃料电池的氢燃料电池车中，不 能通过应用于内燃机车的方法来测量燃料效率，即采用废气中的碳含 量来测量，因此需要用于氢燃料电池车的新的燃料效率测量方法。
图1中所示的应用于氢燃料电池车的燃料效率测量方法包括基于 氢气罐11温度和压力变化的测量，基于供应给燃料电池14的氢气量 的测量，和基于燃料电池14电流的测量。在此种情况下，提供用于燃 料效率测量的传感器包括氢气罐11的温度传感器1和压力传感器2， 测量供应给燃料电池14的氢气量的流量传感器3，和测量燃料电池14 电流量的电流传感器4。
氢燃料电池车的燃料效率是基于燃料电池14中所用氢气量和行驶 距离测量的，并通过氢的等效能量表示为汽油等效燃料效率(gasoline equivalent fbel efficiency),以便与内燃机车的效率相比较。
类似地，在氢燃料电池车的燃料效率计算中，精确地测量从氢气 罐11供应的氢气量是很重要的，而传统的燃料效率测量方法具有以下 缺点。
尽管基于氢燃料罐的温度和压力变化的测量方法具有计算氢清洗
(purge)量的优点，但压力和温度传感器的误差很大，需要湿机 (soaking)。
而且，尽管基于供应的氢气量的测量方法的优势是能计算氢气清 洗量，但氢气流量传感器的误差相当大。
而且，尽管基于燃料电池电流量的测量方法的优势在于电流量和 反应率的计算很优异，但不能估计氢气清洗量且电流传感器的误差相 当大。
背景技术：
部分中公开的上述信息仅为了增强对本发明背景技术的 理解，因此可以包含不构成在本国内对于本领域普通技术人员公知的 现有技术的信息。
发明内容
本发明已经努力解决了上述与现有技术相关的问题。 在一个方面，本发明提供了用于燃料电池车的燃料效率测量系统，
该燃料电池车装配有使用氢气作为燃料的燃料电池，该系统包括燃 料供应罐，其用于向燃料电池供应用作燃料的氢气；主管，其具有与 连接到燃料供应罐的出口阀的氢气供应管相连接的入口端和与车辆的 氢气注入管相连接的出口端，使得来自燃料供应罐的氢气被供应到氢 气注入管以便用作燃料电池中的燃料；在主管上设置的高压调节器， 其将从燃料供应罐供应的氢气的压力减小至可用于燃料电池中的压 力；设置在主管上的多个阀门；连接到燃料供应罐的溢流阀的氢气排 放管，从而当溢流阀打开时向外部排放燃料供应罐的超压氢气；电子 天平(electronic balance),其用于检测燃料供应罐的重量；和系统控制 单元，其从电子天平接收基于燃料供应罐的重量的检测值，在系统连 接到车辆的状态中该系统控制单元与功率控制单元通信，并控制系统 和车辆中的各个阀门的整体操作以及系统的整体操作，其中系统控制 单元基于从功率控制单元传送的车辆行驶距离，和由电子天平检测并 传送的车辆行驶前后燃料供应罐的重量差来计算燃料效率。
在另一个方面，本发明提供了用于燃料电池车的燃料效率测量方 法，该燃料电池车装配有使用氢气作为燃料的燃料电池，该方法包括: 连接燃料效率测量系统的主管至车辆的氢气注入管；在开启起动器钥
匙之前接收燃料效率测量系统中燃料供应罐的重量的信息；在测量燃
料效率的过程中向车辆的氢气供应系统的氢气供应被切断的状态中， 经车辆的主管和氢气注入管将燃料效率测量系统中的燃料供应罐的氢
气供应至车辆的燃料电池用作燃料；基于车辆行驶距离和燃料供应罐 在车辆行驶前后的重量变化差来计算燃料效率。
可以理解这里所用的术语"车"或"车辆的"或其他类似术语包 括大体上包括机动车，诸如包括运动型多功能车(SUV)的客车、公 共汽车、卡车、各种商用车、包括各种舟和船的水运工具、飞行器等 等。
本发明上面和其他特征在下面讨论。
本发明上面和其他特征将在下面参考以附示的某些示例性实 施方式详细地描述，下面给出的附图仅用于说明而非限制本发明，且 其中
图1是显示用于测量燃料电池车的燃料效率的传统方法和系统的 示意图2是显示根据本发明用于测量燃料电池车的燃料效率的方法和 系统的概念图3是显示根据本发明优选实施方式的用于燃料电池车的燃料效 率测量系统的配置图；以及
图4是显示根据本发明优选实施方式的系统控制单元，功率控制 单元，和燃料效率测量系统中附加组件间的信号连接的框图。
附图中给出的附图标记包括如下进一步讨论的下列组件的标记
10:
lla
14:
100
101 103 111
功率控制单元(PCU) 11:
出口阀 12:
燃料电池 15: 燃料效率测量系统
系统控制单元 102:
氢气传感器 110:
氢气供应管 110a:
氢气供应管 氢气注入管
:电子天平 燃料供应罐 出口阀
120:清洗氢气罐 121:氢气供应管 130:主管 132:排放管 140:氢气排放管 C2:联接器 El:溢流阀 HPR1:高压调节器 PRV:减压阀 VI至lj V6:阀门
120a:出口阀
122:供应支管
131:第一排放支管 133:第二排放支管 Cl:联接器 C3:可拆式联接器 Gl:压力计 HPR2:高压调节器
Rh压力计
V7:入口阀
V8: 3向阀门
应该理解，附图不必按比例绘制，其提供了说明本发明基本原理 的多种优选特征的简化表示。如下面公开的本发明特定设计特征包括， 例如特定尺寸，取向，位置，和形状将部分由特定目的应用和使用环 境决定。
在附图的几张图中，图中的附图标记均指本发明的相同或等效部件。
具体实施例方式
下面参考本发明各的实施方式，其实施例在附图中图示并说明如 下。虽然本发明将结合示例性实施方式进行说明，但要理解的是，本 说明书并不打算将本发明限制于那些示例性的实施方式。相反，本发 明不仅涵盖示例性的实施方式，而且包括各种替换，修改，等效手段 和其他实施方式，这些都包括在附加权利要求限定的本发明的精神和
范畴内。
图2是根据本发明的用于燃料电池车的测量燃料效率的方法的概 念图。如图所示，燃料效率测量系统IOO包括燃料供应罐IIO(其具有
与安装在车辆中的氢气罐11相同的规格)，和用于测量从燃料供应罐
IIO供应的氢气量变化的电子天平102。
在上述配置中，在燃料效率的测量过程中，已经安装在车辆上的 氢气罐11的氢气供应由阀门V8切断，且设置在燃料效率测量系统100
中的燃料供应罐IIO将作为燃料的氢气供应至车辆的燃料电池14。在 车辆操作过程中，从燃料供应罐110供应的氢气的量，即燃料供应罐 110的重量变化是用电子天平102测量的，从而计算燃料效率。
图3是显示根据本发明优选实施方式的燃料效率测量系统的配置 图，图4是显示根据本发明的系统控制单元，功率控制单元，和燃料 效率测量系统中附加组件间信号连接的框图。如图所示，作为氢燃料 电池车的基本组件，车辆装配有用氢气作为燃料的燃料电池14、其中 以约350巴高压充填的作为燃料的氢气的氢气罐11、调节氢气罐11的 压力至可施加于燃料电池14的约10巴压力的高压调节器HPR2、和控 制燃料电池系统的整体操作的功率控制单元(PCU) 10。
而且，设置了从位于高压调节器HPR2和燃料电池14之间的氢气 供应管12分支并用来向车辆注入氢气的氢气注入管15，位于氢气供应 管12和氢气注入管15间分支位置处的3向阀门V8，和安装在氢气注 入管15上的入口阀V7。
其中，根据本发明的燃料效率测量系统100包括清洗氢气罐120， 以及燃料供应罐IIO和精密电子天平102。
燃料供应罐110是在燃料效率测量过程中用于供应氢气至车辆的 罐子。优选，燃料供应罐110与安装在车辆中的氢气罐11具有相同的 规格。
而且，连接到燃料供应罐110的氢气排放管140被提供来在紧急 情况下向外部排放燃料供应罐110中的高压氢气。氢气排放管140连 接到燃料供应罐110的溢流阀El。
溢流阀E1是一种紧急排放阀，其被配置为在由于过量氢气存储在 燃料供应罐110中，或由于燃料供应罐110内部温度升高至预定水平 以上，或由于故障引起罐压力超过预定压力的紧急情况下打开从而经 氢气排放管140向外部排放燃料供应罐110中的氢气。
用于供应存储在燃料供应罐110中用作燃料的氢气的氢气供应管 lll连接到燃料供应罐llO，且电子出口阀(例如，电磁阀)110a设置 在燃料供应罐110的出口处以控制经氢气供应管111供应的氢气。
而且，燃料效率测量系统100包括经联接器Cl连接到氢气供应管 111的主管130。高压调节器HPR1设置在主阀门130处，该高压调节
器用于将从燃料供应罐110经氢气供应管111供应的氢气压力(约350 巴)减小至车辆的燃料电池14可使用的约10巴的压力。优选，高压 调节器HPR1与安装在车辆中的高压调节器HPR2具有相同的规格。
可拆式联接器C3设置在主管130的出口处用于与车辆连接。通过 可拆式联接器C3，主管130连接到安装在车辆中的氢气注入管15的 注入孔中，使得用作燃料的氢气从燃料供应罐110经主管130供应到 车辆。
传统上用来连接车辆至氢气充填系统的可拆式联接器可用作可拆 式联接器C3。当车辆在燃料效率测试过程中离开底盘测功机时，可拆 式联接器C3被设置用来安全并高效地从车辆上分离燃料效率测量系 统100。
同时，清洗氢气罐120连接到氢气供应管121，存储在清洗氢气罐 120中用于清洗的氢气经该供应管供应。电子出口阀120a (例如，电 磁阀)设置在清洗氢气罐120的出口处以便经氢气供应管121控制氢 气供应。
而且，用于检测清洗氢气压力的压力计R1安装在清洗氢气罐120 的氢气供应管121上。氢气供应管121连接到经联接器C2连接到主管 130的供应支管122上。用于控制氢气供应的阀门VI安装在供应支管 122上。
在联接器C1和高压调节器HPR1间分支的第一排放支管131设置 用来连接第一供应罐110和主管130，该排放支管连接到氢气排放管 140，经该排放管氢气排放到外部。独立的排放管132从高压调节器 HPR1连接到氢气排放管140，以便经减压阀PRV排放的氢气被输送到 氢气排放管140。而且，在高压调节器HPR1和可拆式联接器C3间分 支的第二排放支管133也连接到氢气排放管140。
减压阀PRV是设置用来在高压调节器HPR1有故障的情形中高压 氢气被供应给车辆时，防止燃料电池系统可能出现的任何问题的阀门。 当高压调节器HPR1的出口端出现高压时，减压阀PRV打开，因此氢 气被强制性地排放到排放管132和氢气排放管140中。
用于打开和关闭流动路径的阀门VI和V2设置在供应支管122和 第一排放支管131上，且用于打开和关闭流动路径的阀门V3设置在高
压调节器HPR1和供应支管122与第一排放支管131的分支位置之间 的主管130上。
而且，在高压调节器HPR1的下游侧，用于测量氢气压力的压力 计Gl安装在主管130上，阀门V4设置在高压调节器HPR1和第二排 放支管133分支位置之间的主管130上，阀门V5设置在可拆式联接器 C3和第二排放支管133的分支位置之间的主管130上，且阀门V6设 置在第二排放支管133上。
在此，阀门VI到V6可优选以能够根据来自控制器的电信号输出 打开和关闭相应流动路径的防爆电磁阀来实施。
同时，燃料效率测量系统100包括用于控制系统整体操作的系统 控制单元101。系统控制单元101接收来自电子天平102的检测信号(即 通过测量燃料供应罐110的重量变化所检测的信号)和来自功率控制单 元10的测量燃料效率过程中的车辆行驶距离。因此，燃料效率测量系 统100基于所用的氢气量、电子天平102的检测值和从功率控制单元 10传送的车辆行驶距离计算燃料效率。
系统控制单元101通过与功率控制单元10的通信而输出控制信号 来控制燃料效率测量系统100中设置的各阀门110a、 120a和VI到V8 的打开和关闭操作，并使功率控制单元10控制车辆中设置的阀门lla、 V7和V8的打开和关闭操作。
而且，系统控制单元101通过与功率控制单元10的通信而控制阀 门和各安全设备，从而确保使用氢气的系统的安全。
附图标记103表示连接到系统控制单元101从而输入检测信号的 氢气传感器，并当基于氢气传感器103的检测信号检测到氢气量超过 预定值时，系统控制单元101关闭燃料效率测量系统100中各阀门， 因此关闭燃料效率测量系统100。
下面说明使用上述燃料效率测量系统测量燃料电池车的燃料效率 的过程。
在原理上，在测量燃料效率过程中，测试车辆在底盘测功机上行 驶，且此时，燃料效率测量系统100的燃料供应罐110供应氢气至车 辆，其中车辆内的氢气供应系统关闭，因此燃料电池14使用从燃料供 应罐110供应的氢气作为燃料。然后，基于车辆行驶前后燃料供应罐
110的重量变化和底盘测功机上车辆行驶距离来计算燃料效率。
第一步，在测量燃料效率之前去除管道中的残余空气。更具体地，
可拆式联接器C3连接到车辆的氢气注入管15的注入孔。当车辆在测 量燃料效率过程中离开底盘测功机时，可拆式联接器C3使系统能够与 车辆分开，因此确保稳定的氢气供应。然后，燃料效率测量系统100 中阀门V4关闭，车辆中3向阀门V8与车辆的氢气注入管15和氢气 罐11连接，且车辆中的入口阀V7、燃料效率测量系统100中的阀门 V5，氢气罐ll的出口阀门lla和阀门V6依次打开从而除去与车辆连 接的管道中的空气(该车辆使用氢气罐11供应的氢气)，然后各阀门关 闭。
结果，用从车辆端供应的氢气，即车辆中氢气罐11的氢气执行清 洗和氢气充填过程。具体来说，由于车辆中氢气罐ll的氢气是通过主 管130、第二排放支管133、经氢气注入管15和可拆式联接器C3连接 的氢气排放管140排放到外部，所以在阀门V4和车辆管道后的系统管 道中的残余空气被除去。然后，随着各管关闭，氢气充填到管中。
在此，如果燃料效率测量系统100中各阀门是电子阀，则燃料效 率测量系统100和车辆中各阀门的操作由系统控制单元101和功率控 制单元IO进行电控制。这样的控制以相同方式应用到下面要说明的各 阀门的操作。
同时，燃料供应罐110在测量前的重量gl由电子天平102传送到 系统控制单元101。
为了在阀门V4和车辆间残余空气被除去的状态中除去燃料效率 测量系统100中管道中的残余空气，阀门V3关闭，然后阀门V1、清 洗氢气罐120的出口阀120a和阀门V2依次打开以除去清洗氢气罐120 和阀门V3之间使用清洗氢气罐120中氢气的管道中的残余空气，然后 相应阀门关闭。在除去残余空气后，清洗氢气罐120的氢气清洗相应 管道然后经第一排放支管131和氢气排放管140排放到外部。
在阀门V5关闭的状态中，阀门VI、 V3和V4、清洗氢气罐120 的出口阀120a和阀门V6打开以除去阀门V3和V4间使用清洗氢气罐 120的氢气的管道中的残余空气，同时氢气充填到管中，然后各阀门关 闭。在除去残余空气过程中，清洗氢气罐120的氢气清洗相应管道并
经第二排放支管133和氢气排放管140排放到外部。然后，随着各阀
门关闭，氢气充填到管道中。
另一方面，在燃料供应罐110出现故障时，连接到燃料供应罐140 的溢流阀E1的氢气排放管140向外部排放超压氢气，且在高压调节器 HPR1出现故障时，连接到高压调节器HPR1的减压阀PRV的排放管 132排放高压氢气至氢气排放管140。因此，在紧急情况下，氢气经氢 气排放管140安全地排放到外部，从而防止任何危险。
如上所述，当系统管道中的残余空气都除去时，执行燃料效率测 量的条件得以建立。首先，当起动器钥匙开启以进行燃料效率测量时， 功率控制单元10发送命令至燃料效率测量系统100的系统控制单元 101，从而打开燃料供应罐110的出口阀110a和阀门V3到V5。而且， 车辆中的入口阀V7打开，且同时，车辆中的3向阀门V8转向连接到 氢气注入管15和燃料电池14的管道。结果，在燃料效率测量过程中， 车辆中的氢气罐11的氢气不供应到车辆，而是燃料效率测量系统100 的燃料供应罐110供应全部量的氢气用作车辆燃料电池14的燃料。因 此，在测量效率过程中为使车辆行驶而在燃料电池14中消耗的氢气量 等于从燃料效率测量系统100的燃料供应罐110供应的氢气量，其与 燃料供应罐110的重量变化相对应。
当起动器钥匙关闭从而结束燃料效率测量时，功率控制单元10发 出命令至燃料效率测量系统100的系统控制单元101，从而恰在车辆熄 火时关闭燃料供应罐110的出口阀110a和阀门V3到V5。而且，车辆 中的入口阀V7关闭，且同时，车辆中的3向阀门V8转向以连接氢气 罐11的管道和燃料电池14的管道。
在氢气的外部供应关闭后，阀门V2打开，且燃料供应罐110的重 量g2由电子天平102传送到系统控制单元101。因为高压氢气是在联 接器C1前后充填的，所以由于压力原因，阀门V2打开除去氢气促进 了联接器C1的分离。
计算燃料供应罐110测试前的重量gl和测试后燃料供应罐110的 重量g2间的差，并分析该重量差和从功率控制单元10接收的行驶距 离以计算汽油等效燃料效率。
在燃料供应罐110中氢气量低于使车辆行驶所需量时，清洗氢气
罐120的氢气可作为燃料供应以执行燃料效率测试。
如上所述，根据燃料效率测量系统和用于燃料电池车的方法，可 使用燃料供应罐和精密电子天平而非使用安装在车辆中的氢气罐的氢 气，基于车辆行驶前后外部燃料供应罐的重量变化精确计算燃料效率， 因此允许更精确地测量燃料效率。
已经参考了本发明的优选实施方式来详细说明本发明。然而，本 领域技术人员要理解的是，对这些实施方式可以做出许多变化而不偏 离本发明的原理和精神，本发明的范畴由权利要求及其等价物所限定。
权利要求
1.一种用于燃料电池车的燃料效率测量系统，所述燃料电池车装配有使用氢气作为燃料的燃料电池，所述系统包括燃料供应罐，其用于向所述燃料电池供应用作燃料的氢气；主管，其具有与连接到燃料供应罐的出口阀的氢气供应管相连接的入口端和与车辆的氢气注入管相连接的出口端，使得来自所述燃料供应罐的氢气供应到所述氢气注入管；设置在所述主管上的高压调节器，其用于将从所述燃料供应罐供应的氢气的压力减小至可用于所述燃料电池中的压力；设置在所述主管上的多个阀门；氢气排放管，其连接到所述燃料供应罐的溢流阀从而在所述溢流阀打开时向外部所述排放燃料供应罐的超压氢气；电子天平，其用于检测燃料供应罐的重量；以及系统控制单元，其用于从所述电子天平接收基于所述燃料供应罐的重量的检测值，在所述系统连接到所述车辆的状态中与功率控制单元通信，并控制所述系统和车辆中的各个阀门的整体操作以及所述系统的整体操作，其中所述系统控制单元基于从所述功率控制单元传送的车辆行驶距离和由所述电子天平检测并传送的所述燃料供应罐在所述车辆行驶前后的重量差来计算燃料效率。
2. 如权利要求l所述的系统，其中所述主管的出口端由可拆式联 接器连接到所述车辆的氢气注入管，以便在紧急情况下容易与所述车 辆分离。
3. 如权利要求1所述的系统，其进一步包括清洗氢气罐，其用于在测量燃料效率之前预先除去所述系统中包 括所述主管的管道中的残余空气，和供应要充填在所述管道中的氢气， 供应支管，其从所述主管分支并连接到氢气供应管，所述氢气供 应管与所述清洗氢气罐的出口阀相连接；排放支管，其连接所述主管和所述氢气排放管，使得从所述清洗 氢气罐供应到所述主管的氢气被排放到外部；以及设置在所述供应支管和所述排放支管上的多个阀门。
4. 如权利要求3所述的系统，其中所述排放支管包括第一排放支 管和第二排放支管，所述第一排放支管在所述高压调节器的上游侧从 所述主管分支并连接到所述氢气排放管，所述第二排放支管从所述高 压调节器的下游侧分支并连接到所述氢气排放管。
5. —种用于燃料电池车的燃料效率测量方法，所述燃料电池车装 配有使用氢气作为燃料的燃料电池，所述方法包括连接燃料效率测量系统的主管至车辆的氢气注入管； 在开启起动器钥匙之前接收所述燃料效率测量系统中的燃料供应罐的重量的信息；在测量燃料效率的过程中向所述车辆中的氢气供应系统的氢气供应被切断的状态中，经所述车辆的主管和氢气注入管将所述燃料效率测量系统中的所述燃料供应罐的氢气供应至所述车辆的所述燃料电池用作燃料；基于车辆行驶距离和所述燃料供应罐在所述车辆行驶前后的重量 变化差来计算燃料效率。
6. 如权利要求5所述的方法，其中在所述车辆中的氢气罐的出口 阀打开，且向所述燃料电池的氢气供应被切断的状态中，从所述车辆 中的所述氢气罐供应的氢气经所述车辆的氢气供应管和氢气注入管、 连接到所述氢气注入管的主管和所述燃料效率测量系统中的氢气排放 管排放到外部，以便在开启起动器钥匙前预先除去所述燃料效率测量 系统的主管中和所述车辆的管道中的残余空气，同时向其中充填氢气。
7. 如权利要求5所述的方法，其中所述燃料效率测量系统中的清 洗氢气罐的出口阀打开以将从所述清洗氢气罐供应的氢气经所述燃料 效率测量系统的主管和氢气排放管排放到外部，以便在开启起动器钥匙之前预先除去所述主管中的残余空气，同时向其中充填氢气。
全文摘要
燃料效率测量系统包括燃料供应罐，其用于在测量燃料效率过程中将用作燃料的氢气供应至车辆的燃料电池，该系统还包括精密电子天平，其用于检测燃料供应罐的重量，从而在测量燃料效率过程中基于车辆行驶距离和电子天平测量的燃料供应罐重量的变化来执行燃料效率的测量。根据此燃料效率测量系统，可不使用安装在车辆中的氢气罐的氢气而更精确地计算燃料效率。
文档编号G01R31/36GK101349739SQ200810131568
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月17日 优先权日2007年7月18日
发明者吴炯锡, 朴贞圭, 芮昌换, 郑荣雨 申请人:现代自动车株式会社;起亚自动车株式会社