一种加氢装置及加氢方法
技术领域
本发明涉及氢燃料汽车技术领域，尤其涉及一种加氢装置及其加氢方法。
背景技术
随着氢燃料电池汽车的发展，对燃料电池汽车续驶里程和能量消耗量的检测认证的要求日益突出。车辆检测认证机构在对燃料电池汽车进行续驶里程和能量消耗量进行测试时，必需保证车辆的燃料罐(即车载氢气瓶)在续驶里程测试实验前加注满氢气，即SOC(state of charge，充氢状态)达到100％±1％，且必需能够精确计算车辆在续驶里程测试过程中消耗的氢气量。SOC为车载氢气瓶中氢气的加注程度，常用百分数表示，其取值范围为0～100％，当SOC＝0时表示未加入氢气且呈真空状态，当SOC＝100％时表示氢气加满。
现有技术中的车载氢气瓶通常无法直接测试温度，常规的加氢站或加氢装置通常没有温度补偿功能，加氢时，通常将车载氢气瓶中的氢气加注至35MPa或70MPa后即停止继续加氢。而车载氢气瓶在加氢的过程中，其加氢量会受到温度和压力的影响，加氢的过程会导致车载氢气瓶内温度升高，压力升高，而当车载氢气瓶的温度降至环境温度后，瓶内压力也降低，储氢瓶内氢气实际并未加满。因此，现有技术中的加氢装置无法准确衡量氢气瓶中的氢气是否加满。对于一般使用的燃料电池汽车这个问题并不突出，但对于待测试续驶里程和能量消耗量的氢燃料电池汽车，这个问题就必需解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加氢装置及加氢方法，能够将车辆的储氢瓶加满氢气并能准确计算车辆的氢气消耗量。
一方面，本发明提供一种加氢方法，包括步骤：
S10：获取实时的环境温度Tn，根据环境温度Tn计算待测试车辆上的储氢瓶加注满氢气时的目标压力Pn，其中n＝1；
S20：对所述储氢瓶充入氢气，使所述储氢瓶中氢气的实际压力调整至目标压力Pn；
S30：将待测试车辆静置一设定时间，并获取此时的环境温度Tn+1，以及所述储氢瓶中氢气的实际压力Pn’；
S40：根据环境温度Tn+1计算待测试车辆上的储氢瓶加注满氢气时的目标压力Pn+1；
S50：计算ΔP＝Pn+1-Pn’；
若ΔP>0.3MPa或ΔP<-0.3Mpa，n＝n+1，执行步骤S20；
若-0.3MPa≤ΔP≤0.3MPa，执行下一步骤；
S60：根据公式
n为大于零的整数。
作为加氢方法的优选技术方案，步骤S10包括：
S11：获取实时的环境温度Tn，并预设环境温度Tn下待测试车辆上的储氢瓶的目标压力Pn；
S12：根据公式
根据公式
S13：若SOCn＞100.5％，Pn＝Pn-0.1Mpa，执行步骤S11；
若SOCn＜99.5％，Pn＝Pn+0.1Mpa，执行步骤S11。
作为加氢方法的优选技术方案，步骤S40包括：
S41：预设环境温度Tn+1下储氢瓶的目标压力Pn+1；
S42：根据公式
根据公式
S43：若SOCn+1＞100.5％，Pn+1＝Pn+1-0.1Mpa，执行步骤S41；
若SOCn+1＜99.5％，Pn+1＝Pn+1+0.1Mpa，执行步骤S41。
作为加氢方法的优选技术方案，步骤S60之后还包括：
S70：待测试车辆行驶N公里后，向所述储氢瓶中加注质量为w2的氢气后；
S80：获取实时环境温度Tn+2，并获取所述储氢瓶中氢气的压力Pn+2；
S90：根据公式
S100：计算待测试车辆每行驶100公里消耗的氢气质量X：
作为加氢方法的优选技术方案，w2不小于0.1kg。
作为加氢方法的优选技术方案，S70中，需要在30分钟内完成向所述储氢瓶中加注质量为w2的氢气。
另一方面，本发明提供一种加氢装置，用于实施任一上述方案中所述的加氢方法，所述加氢装置包括加气管路，所述加气管路的一端与氢气气源连接，另一端与加注枪连接，所述加氢装置还包括沿氢气的加注方向依次设置于所述加气管路上的氢气进气控制阀、进气压力表、增压泵，出口控制阀和出口压力表，以及接入所述加气管路的放空组件和缓冲组件；
所述缓冲组件包括缓冲管路、缓冲罐、以及设置于所述缓冲管路上的流量计和第一控制阀，所述缓冲管路的一端与所述加气管路连接于所述增压泵的出气口，所述缓冲管路的另一端与所述缓冲罐连接；
所述放空组件包括放空管路和设置于所述放空管路上的放空控制阀，所述放空管路的入口端与所述加气管路连接于所述出口控制阀和所述加注枪之间，所述放空管路的出口端与外界大气连通。
作为加氢装置的优选技术方案，所述加氢装置还包括设置于所述加气管路上的进气压力传感器和第一出口压力传感器，所述进气压力传感器位于所述进气压力表和所述增压泵之间，所述第一出口压力传感器设置于所加注枪和所述出口控制阀之间。
作为加氢装置的优选技术方案，所述加氢装置还包括安全阀，所述安全阀的入口端与所述加气管路通过管路连通，所述安全阀的出口端与外界大气通过管路连通。
作为加氢装置的优选技术方案，所述加氢装置还包括氮气吹扫组件，所述氮气吹扫组件包括氮气置换管路，以及设置于所述氮气置换管路上的氮气进气控制阀和单向阀，所述氮气置换管路的一端用于和氮气源连接，所述氮气置换管路的另一端和所述加气管路连接于所述氢气进气控制阀和所述进气压力表之间，所述单向阀被配置为仅允许所述氮气置换管路中的氮气向所述加气管路中流动。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种加氢方法充分考虑了环境温度对氢气瓶中气体加注程度的影响，并通过在环境温度下，对氢气瓶中的实际压力与目标压力的差值控制，从而保证储氢瓶中加注满氢气。
本发明还提供一种加氢装置，保证上述加氢方法的顺利实现。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种加氢方法的流程框图。
图2为本发明实施例中加氢装置的结构示意图。
图中：
1、加气管路；
2、加注枪；
31、氢气进气控制阀；32、进气压力表；33、增压泵；34、出口控制阀；35、出口压力表；36、进气压力传感器；37、第一出口压力传感器；38、第二控制阀；
4、缓冲组件；41、缓冲管路；42、缓冲罐；43、流量计；44、第一控制阀；45、第二出口压力传感器；
5、放空组件；51、放空管路；52、放空控制阀；53、第三控制阀；54、阻火器；
6、安全阀；
7、氮气吹扫组件；71、氮气置换管路；72、氮气进气控制阀；73、单向阀；
8、过滤器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图2为本发明实施例中加氢装置的结构示意图。如图2所示，本实施例提供一种加氢装置。该加氢装置包括加气管路1、加注枪2、氢气进气控制阀31、进气压力表32、增压泵33、出口控制阀34、出口压力表35以及缓冲组件4。其中，加气管路1的一端与氢气气源连接，另一端与加注枪2连接，加注枪2用于向待测试车辆的储氢瓶内注入氢气。在沿氢气的加注方向上，氢气进气控制阀31、进气压力表32、增压泵33，出口控制阀34和出口压力表35依次设置于加气管路1上。缓冲组件4包括缓冲管路41、缓冲罐42、以及设置于缓冲管路41上的流量计43和第一控制阀44。缓冲管路41的一端与加气管路1连接于出口控制阀34和增压泵33之间，缓冲管路41的另一端与缓冲罐42连接。需要加氢时，可通过加注枪2与待测试的氢燃料电池汽车上的加注口对接，以对氢燃料电池汽车上的储氢瓶加注氢气。具体地，可将氢气进气控制阀31、第一控制阀44和出口控制阀34均打开，氢气源提供的氢气在增压泵33的增压作用下，其中的一部分通过加气管路1并由加注枪2加入到储氢瓶，另一部分通过缓冲管路41进入到缓冲罐42，缓冲罐42可存储一部分的氢气，待其存满氢气后，可起到缓冲作用，能够降低由于增压泵33出口端压力脉冲式变动对加气管路1下游各测试部件测试精度造成的影响。
进一步的，加氢装置还包括放空组件5，放空组件5包括放空管路51和设置于放空管路51上的放空控制阀52，放空管路51的入口端与加气管路1连接于出口控制阀34和加注枪2之间，放空管路51的出口端与外界大气连通。放空组件5能够起到安装防护作用，同时还能够用于释放储氢瓶中氢气压力的作用。优选的，放空控制阀52为电磁阀，便于自动控制加氢装置的放空功能。
较佳地，在本实施例中，加氢装置还包括一控制器，氢气进气控制阀31、进气压力表32、增压泵33，出口控制阀34和出口压力表35及缓冲组件4中的各部件电连接，该控制器用于控制加氢装置的各部件的协同运作，以完成加氢方法。该控制器包含的多个模块及运行其上的软件为本领域现有技术。
本实施例中，氢气进气控制阀31和出口控制阀34均为电磁阀，且氢气进气控制阀31和出口控制阀34均与控制器连接，可实现对加气管路1的输入端和输出端的自动控制。第一控制阀44为手动阀，便于操作人员进行主动操作。
可选地，加氢装置还包括均设置于加气管路1上的进气压力传感器36和第一出口压力传感器37，进气压力传感器36位于进气压力表32和增压泵33之间，第一出口压力传感器37设置于所加注枪2和出口控制阀34之间。进气压力传感器36和第一出口压力传感器37均与控制器连接，控制器可通过进气压力传感器36和第一出口压力传感器37采集加气管路1的输入端和输出端的压力值，以便进行数据保存和分析。
可选地，加氢装置还包括设置于加气管路1上的第二控制阀38，第二控制阀38位于出口控制阀34与加气管路1和缓冲管路41的连接处之间。在本实施例中，第二控制阀38优选为手动阀，便于操作人员进行主动操作，便于保障该加氢装置的使用安全性，避免意外发生。
可选地，缓冲组件4还包括设置于缓冲管路41上的第二出口压力传感器45。第二出口压力传感器45与控制器连接，可用于采集缓冲罐42输出端的压力。
可选地，放空组件5还包括与放空控制阀52并联于放空管路51上的第三控制阀53。本实施例中，第三控制阀53为手动阀，可通过第三控制阀53和放空控制阀52构成冗余保护，防止放空控制阀52出现故障导致放空功能失效。
可选地，放空组件5还包括设置于放空管路51的出口端的阻火器54。阻火器54可起到安全防护作用。
可选地，加氢装置还包括安全阀6，安全阀6的入口端与加气管路1通过管路连通，安全阀6的出口端与外界大气通过管路连通。当加气管路1中气压超过限阀值时，安全阀6打开，此时加气管路1和外界大气导通，当加气管路1中气压未超过阀值时，安全阀6关闭，安全阀6可用于防止加气管路1中气压过高。可选地，安全阀6同样通过阻火器54与外界大气连通。
可选地，加氢装置还包括氮气吹扫组件7，氮气吹扫组件7包括氮气置换管路71，以及设置于氮气置换管路71上的氮气进气控制阀72和单向阀73，氮气置换管路71的一端用于和氮气源连接，氮气置换管路71的另一端和加气管路1连接于氢气进气控制阀31和进气压力表32之间，单向阀73被配置为仅允许氮气置换管路71中的氮气向加气管路1中流动。通过向加气管路1中充入氮气，可对加气管路1中的气体进行置换。在验证之前，可通过向加气管路1中加入氮气，将加气管路1中残存的空气清除，防止加氢过程中混入氧气进而引发安全事故。
可选地，加氢装置还包括安装在加气管路1上的过滤器8，过滤器8位于氢气进气控制阀31和进气压力表32之间。
图1为本发明实施例中的一种加氢方法的流程框图。参考图1，本实施例提供一种加氢方法，该加氢方法通过上述加氢装置实现，该加氢方法包括以下步骤：
S10：获取实时的环境温度Tn，根据环境温度Tn计算待测试车辆上的储氢瓶加注满氢气时的目标压力Pn，其中n＝1。
目标压力Pn是指在环境温度Tn下，将待测试车辆上的储氢瓶加注满氢气时的储氢瓶内氢气的压力。加注满氢气的标准为，在温度Tn和压力Pn下，SOC位于100％±0.5％的范围内。环境温度Tn可通过待测试车辆上的温度仪表获取，或者通过温度表直接测取。
具体地，本实施例中，S10包括S11至S13。
S11：获取实时的环境温度Tn，并预设环境温度Tn下待测试车辆上的储氢瓶的目标压力Pn。目前，氢燃料电池汽车上储氢瓶氢气的加注压力通常为两种规格，一种在温度为15℃的条件下，加注至压力为35MPa；另一种是在温度为15℃的条件下，加注至压力为70MPa。因此，预设的目标压力Pn可以根据需要选择35MPa或者70MPa，以减小运算次数。
S12：根据公式
表一vij的取值表
根据公式
S13：若SOCn＞100.5％，Pn＝Pn-0.1Mpa，执行步骤S11；
若SOCn＜99.5％，Pn＝Pn+0.1Mpa，执行步骤S11；
并直至99.5％≤SOCn≤100.5％。
通过步骤S11至S13中迭代Pn，使SOC位于100％±0.5％的范围内，相当于控制99.5％≤SOC≤100.5％后，再进入步骤S20。从而可以得到温度Tn下，将储氢瓶加注满氢气时的目标压力Pn。
S20：对储氢瓶充入氢气，使储氢瓶中氢气的实际压力调整至目标压力Pn，可以通过前述的加氢装置将储氢瓶中的氢气压力调整至Pn。
当储氢瓶中氢气的压力小于目标压力Pn需要将储氢装置上的氢气进气控制阀31、第一控制阀44和出口控制阀34均打开，放空控制阀52关闭，此时氢气气源中的氢气在增压泵33的增压下加注至储氢瓶以及缓冲罐42中，缓冲罐42可起到避免由于增压泵33出口端压力脉冲式变动对加气管路1下游各部件的影响。对于储氢瓶中氢气的实际压力大于目标压力Pn的情况，需通过储氢瓶系统的放空管路，将储氢瓶中氢气的压力减小至Pn。储氢瓶内气体的压力可通过第一出口压力传感器37获得。
S30：关闭加氢装置，将待测试车辆静置一设定时间。这里的设定时间优选为30min。获取此时的环境温度Tn+1，以及所述储氢瓶中氢气的实际压力Pn’。
此时加氢装置中的阀门34关闭，保持加注枪2与待测试车辆连接，可通过第一出口压力传感器37获得压力Pn’。
将待测试车辆静置30min，可以将氢气瓶内的温度降低至环境温度。需要注意的是，作为举例而非限制，本实施例对于待测试车辆的静置时间不做限定，但是要保证在待测试车辆静置的时间段内，储氢瓶内部的温度能够降低至环境温度。
S40：计算环境温度Tn+1下待测试车辆上的储氢瓶加注满氢气时的目标压力Pn+1。
S40具体包括S41至S43：
S41：预设环境温度Tn+1下储氢瓶的目标压力Pn+1。
S42：根据公式
根据公式
S43：若SOCn+1＞100.5％，Pn+1＝Pn+1-0.1Mpa，执行步骤S41；
若SOCn+1＜99.5％，Pn+1＝Pn+1+0.1Mpa，执行步骤S41；
并直至99.5％≤SOCn+1≤100.5％。
通过步骤S41至S43中迭代Pn+1，使SOC位于100％±0.5％的范围内，相当于控制99.5％≤SOC≤100.5％后，再进入后续步骤。
需要注意的是，本实施例中，计算Tn+1下储氢瓶的目标压力Pn+1与步骤S10中计算温度Tn下氢气瓶的目标压力Pn的过程是一致的。
S50：计算ΔP＝Pn+1-Pn’；
若ΔP>0.3MPa或ΔP<-0.3Mpa，即ΔP的绝对值大于0.3MPa时，n＝n+1，执行步骤S20。具体来说将Pn+1代入Pn继续从步骤S20执行。
直至-0.3MPa≤ΔP≤0.3MPa，即ΔP的绝对值小于0.3MPa时，执行步骤S60。
需要注意的是，通常情况下，当ΔP>0.3MPa，表明此时储氢瓶内的氢气尚未充满，需要在S20中通过加氢装置向储氢瓶中加注氢气，当ΔP≤-0.3MPa，表明此时储氢瓶中氢气的压力超过目标压力Pn+1，储氢瓶内氢气已经处于加满状态，需要在S20中，通过储氢瓶系统的放空管路释放储氢瓶中的部分氢气。
S60：根据公式
其中，n为大于零的整数。
需要注意的是，压缩因子的计算公式引用国家标准《GB/T 35178-2017燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法》。
通过步骤S10至S60可保证在当前温度Tn+1下，将储氢瓶加注满氢气，并且计算出此时储氢瓶中氢气的质量。
在步骤S60以后还包括下述步骤：
S70：待测试车辆行驶N公里后，将所述加注枪2与所述储氢瓶的氢气加注口对接，通过加氢装置向所述储氢瓶中加注质量为w2的氢气后，关闭加氢装置。
具体地，S70的目的主要是获取实时环境温度下储氢瓶内气体的压力以计算储氢瓶内气体的质量，以便进一步计算待测试车辆行驶N公里后消耗的氢气质量，因此无需向储氢瓶中加注过多氢气，仅需通过打开第一控制阀44、出口控制阀34，关闭氢气进气控制阀31和放空控制阀52，将缓冲罐42内的氢气加注至储氢瓶内。当缓冲罐42向储氢瓶中加注氢气时，由于缓冲罐42内氢气加注量少，压差变化小，不容易导致储氢瓶中氢气温度的变化。需要注意的是，w2不小于0.1kg，需要在30分钟内完成向所述储氢瓶中加注质量为w2的氢气。w2可以由缓冲罐42输出端的流量计43增加的数值获取。
S80：获取实时环境温度Tn+2，并获取所述储氢瓶中氢气的压力Pn+2。加注完成后，阀门34关闭，保持加注枪2与待测试车辆连接，可通过第一出口压力传感器37获得压力Pn+2。
S90：根据公式
S100：计算待测试车辆每行驶100公里消耗的氢气质量X。
其中，w1+w2-w3为氢气瓶中剩余的氢气的质量，即待测试车辆在行驶N公里路程时，所消耗的氢气的量。
本实施例提供的加氢方法及其加氢装置，可准确地将待测试车辆上的储氢瓶中的氢气加注至SOC位于99.5％至100.5％之间，并且至少保证储氢瓶中氢气的加注程度在与结束加氢时的外界环境温度相匹配，进而无需称重，即可准确地计算出储氢瓶中氢气的质量。当待测试车辆行驶N公里后，在对待测试测量进一步加氢，并采集待测试车辆的储氢瓶内的气压以及实时环境温度，进而无需称重便可准确获取储氢瓶中氢气此时的剩余质量，通过两次加注的氢气质量的和与该剩余质量的相减即可计算出在测试过程中储氢瓶中氢气的剩余量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
