CN115389195A - 一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本案提供了一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，包括增压模块、测试模块、高低温模块、介质回收模块以及控制模块。通过增压模块提供高压的介质气，介质气经过测试模块的压力整定单元和流量控制单元，实现对介质气的压力、通断状态、循环(持续)时间循环次数或阀后流量参数进行控制，然后输出给高低温模块内的待测高压阀件，介质气由高压阀件经流量控制单元及各种变送器监控后与介质回收模块的入口相接，从而实现对测试过程、测试数据的采集、保存及自动分析。介质回收模块将待测高压阀件的阀后介质气重新整定后输出给增压模块，实现介质气的循环利用，从而可以长寿命、低成本的验证高压阀件的可靠性和耐久性。

Description

一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置。

背景技术

氢燃料电池汽车是氢能应用的重要方面，被认为是当下最具发展潜力的新能源发展路径之一。氢气理化特性比较特殊，对使用氢气介质的各类高压阀件(简称氢阀)的性能要求也远远高于传统阀件，而鉴于行业较新、各类标准和规范都不健全的情况下，如何基于应用工况对氢阀开展合理且必要的验证是当下必须解决的问题。

因此，如何克服上述技术缺陷，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，可以长寿命、低成本的验证氢阀的可靠性和耐久性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，用于对高压阀件进行性能测试，包括：

增压模块，用于对介质气增压；

测试模块，包括压力整定单元和控制单元，用于调整介质气的压力以及对测试过程中介质气通断状态、循环时间、循环次数或阀后流量的控制；

高低温模块，用于向所述高压阀件提供高低温载荷；

介质回收模块，用于回收介质气并进行压力调整和缓冲；

控制模块，用于控制所述测试模块和所述高低温模块的各控制部件的开闭并对所述高压阀件的参数进行分析；

其中，所述高压阀件置于所述高低温模块的内腔，所述增压模块的出口与所述测试模块的入口连通，所述测试模块的出口通过所述高低温模块与所述高压阀件的入口连通，所述高压阀件的出口通过所述高低温模块与所述介质回收模块的入口连通，所述介质回收模块的出口与所述增压模块的入口连通。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

还包括检漏模块，用于检测所述高压阀件内的介质气是否泄露。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

还包括设置于所述高低温模块内的防爆工装，所述防爆工装的内腔用于容纳所述高压阀件，所述防爆工装上设置有用于与外部连通的多个接口，所述高压阀件的进口和出口通过所述防爆工装的接口与所述测试模块连通；

所述检漏模块包括：

真空泵，用于对所述防爆工装抽真空；

氦检仪，用于捕捉所述防爆工装内是否有介质气产生；

质谱仪，用于计数并定量测算所述氦检仪的介质漏率。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述防爆工装包括相互连接的上盖和底座，所述上盖和所述底座的接触面之间设置有密封圈，所述上盖为圆顶状，且所述上盖的壁厚大于所述底座的壁厚。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述高低温模块包括高低温试验箱，所述高压阀件置于所述高低温试验箱内，所述高压阀件依次通过所述防爆工装和管路与所述测试模块连通，所述管路贯穿所述高低温试验箱。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述检漏模块包括：

气泡杯，用于放入所述高压阀件的接口；

计数器，用于通过红外信号可对所述高压阀件泄露的气泡的个数进行统计，从而实现对阀门漏率的定性测量。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述增压模块包括增压泵和缓冲罐，所述增压泵的入口用于通入介质气，所述增压泵的出口与所述缓冲罐的入口连通，所述缓冲罐的出口与所述测试模块的入口连通。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述增压泵至少包括相互串联的第一增压泵和第二增压泵。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述增压模块还包括设置于所述第一增压泵和第二增压泵之间的第一冷却器，以及设置于所述第二增压泵和所述缓冲罐之间的第二冷却器，所述第一冷却器的进气口和所述第二冷却器的进气口还与驱动气连通。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述介质回收模块包括缓冲罐和第三增压泵，所述第三增压泵的输出压力在所述增压模块的增压泵的最佳工作压力区间内。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述介质回收模块还包括流量和背压监控模块，用于控制所述第三增压泵的开启时机和上下游流量及压力的配合。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述测试模块的控制单元包括流量监控装置和温压监控装置，所述压力整定单元包括主调压阀，所述主调压阀的入口与所述增压模块的出口连通，所述主调压阀的出口与高压阀件的入口连通，所述高压阀件的出口分别与所述流量监控装置和所述介质回收模块的入口连通，所述主调压阀与高压阀件之间设置有温压监控装置。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述主调压阀和所述高压阀件之间串联有第一执行器，所述温压监控装置、所述高压阀件和所述流量监控装置的下游分别设置有第二执行器、第三执行器和第四执行器，所述第一执行器、所述第二执行器、所述第三执行器和所述第四执行器均为气动阀门；

所述控制单元还包括用于分别控制所述压力整定单元、所述第一执行器、所述第二执行器、所述第三执行器和所述第四执行器的电气控制器，用于通过驱动气启动阀杆或阀门开闭，所述电气控制器、所述温压监控装置和流量监控装置分别与所述控制模块电连接或信号连接。

可选的，在上述氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置中，

所述流量监控装置包括依次串联设置的前气动阀、流量计、电磁阀、拉瓦尔喷管和后气动阀，以及用于控制所述前气动阀、所述流量计和所述电磁阀的流量监控控制器。

本发明所提供的一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，有益效果在于：

通过增压模块提供高压的介质气，介质气经过测试模块的压力整定单元和流量控制单元，实现对介质气的压力、通断状态、循环(持续)时间循环次数或阀后流量参数进行控制，然后输出给高低温模块内的待测高压阀件，介质气由高压阀件经流量控制单元及各种变送器监控后与介质回收模块的入口相接，从而实现对测试过程、测试数据的采集、保存及自动分析。介质回收模块将待测高压阀件的阀后介质气重新整定后输出给增压模块，实现介质气的循环利用，从而可以长寿命、低成本的验证高压阀件的可靠性和耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置的连接关系示意图；

图2为本发明提供的增压模块的连接关系示意图；

图3为本发明提供的测试模块的连接关系示意图；

图4为本发明提供的防爆工装的结构示意图；

图5为本发明提供的流量监控装置的结构示意图。

上图中：

S-高压阀件；

100-增压模块；110-第一增压泵；120-第二增压泵；130-缓冲罐；140-第一冷却器；150-第二冷却器；160-第一温度和压力保护装置；170-第二温度和压力保护装置；

200-测试模块；210-压力整定单元；220-流量监控装置；230-温压监控装置；240-第一执行器；250-第二执行器；260-第三执行器；270-第四执行器；280-电气控制器；

300-控制模块；310-数据处理中心；

400-高低温模块；410-防爆工装；

500-介质回收模块；

600-检漏模块。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的核心是提供一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，可以长寿命、低成本的验证氢阀的可靠性和耐久性。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体请参考图1-图5，图1为本发明提供的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置的连接关系示意图；图2为本发明提供的增压模块的连接关系示意图；图3为本发明提供的测试模块的连接关系示意图；图4为本发明提供的防爆工装的结构示意图；图5为本发明提供的流量监控装置的结构示意图。

本发明实施时，国内尚无经验和技术可借鉴，国外相关标准由于过程定义不明，参数含糊不清，导致业内各家的理解均有差异，无法形成业内统一认识。本发明基于零件的实际使用工况，结合零件的特殊要求，合理地设计出一套用于验证车载氢气高压阀件可靠性和耐久性的测试装置，该装置可以实现对氢阀可靠性和耐久性进行验证的装置。为氢燃料电池汽车车载氢气阀门的国产化开发和验证提供硬件支持和原理依据，为促进国内70MPa高压车载储氢技术落地推广提供可能。

本案的主要设计构思包括以下几点：

(一)对高压阀件S的可靠性和耐久性提供一套加速验证方法

由于行业较新，很多氢阀标准缺失，只能基于氢燃料电池汽车的整车应用工况和阀门的特殊使用要求，设计针对氢气高压阀件S的试验方法。考虑阀门主要失效模式是内部软密封磨损失效，软密封的失效规律与其磨损的总距离呈正相关，该方法通过人为控制阀前和阀后的压比、流量、介质通断状态、循环周期等参数，使阀门内部结构承受频繁的交变载荷，实现阀芯以最大行程频繁做往复运动，人为增加内部密封件最大效率的磨损，记录阀门失效时所经历的循环次数，有

L＝Y×l0，----------------------------1-1

L为阀芯失效时磨损的总距离(mm)，Y为阀门失效时的循环次数(次)，l0为阀芯单次往返磨损的距离(mm)；

利用经验计算公式，

X＝(Y-10000)/2000；------------------------------1-2

Y为总循环次数(次)，X为阀门的使用寿命(年)

(1-1)和(1-2)作为阀门可靠性和耐久性的评判方法，进而对阀门内部执行机构的动密封、静密封、阀芯与阀瓣的寿命进行验证。该试验是一种加速耐久试验。

在本实施例中，集成的高低温模块400可提供温度载荷，也是基于整车工况，考验阀门在高低温状态下的可靠性和耐久性。

(二)以最小成本实现高压阀件S验证

氢阀耐久验证需采用氢气作为介质，由于氢阀耐久的试验循环次数在10，000～100，000次这个数量级，单个循环周期约10秒，包括加压和泄放两个过程，对氢气的消耗是极大的，而且氢气通常是直接排放至大气中的，不仅污染环境也有安全隐患。行业内，完成一个氢阀耐久所需的费用一般在100-150万之间。在本实施例中，设计的介质回收模块500，该模块入口与待测高压阀件S阀后泄放管路连接，该管将废气引入介质回收模块500内部的缓冲罐130和增压泵中，该介质回收模块500的输出口与增压模块100入口相接。介质回收模块500的增压泵特别选用小增压比、大流量的泵去匹配下游的增压模块100中大增压比、小流量的增压泵，实现压力和流量的匹配优化。此外，该模块也配置了压力和流量监控装置220及相应的软件控制逻辑，实现了介质的高效和安全地循环利用，其测试费用可以降低至15万以内。

本实施例中，装置在集成方案中设计的介质模块实现了废气的回收和循环利用，这个功能是行业内的各类阀门验证设备尚未具备的，在本装置上首次实现并实现了良好的经济效应和环境效应。

(三)解决增压模块100高损耗、低寿命的问题，实现设备长寿命运行

增压泵是本装置的核心部件之一，也是高损耗件。行业内传统的增压是通过增压泵实现的，增压泵工作利用“大活塞推动小活塞”的原理实现，本质是利用活塞内部的往复运动实现的，对泵内的动密封是极大的挑战，频繁启泵会极大消耗泵的寿命，考虑到氢阀测试循环次数高达100，000次，且对气源的消耗极大，这种工况对泵的考验是非常大的。

在本实施例中，从两方面解决泵的寿命问题。一方面，高增压比对导致泵内活塞往复运动的频率增快，降低增压比可以有效减少泵的往复次数。介质回收模块500中所选的增压泵的输出压力会设定在增压模块100增压泵的最佳工作压力区间内，从而使增压比维持在合理的范围内；另一方面，气源迅速消耗会导致泵端失压，为了弥补压力增压泵也会频繁启泵，缩短寿命。本实施例中，增压模块100的集成考虑了减少泵端的频繁失压，在泵后集成了高压缓冲罐130，缓冲罐130的尺寸和容积小于法规监检的最低下限，也方便了后期设备的维护。

(四)解决高压阀件S阀后流量控制

在本实施例中，创新性地利用拉瓦尔喷管的流体原理，率先将拉瓦尔喷管应用在氢阀测试装置中，实现了对高压阀件S后介质流量的进行精准控制。拉瓦尔喷管是流量控制单元的执行器，根据原理，在变截面一维定常流动中只考虑截面积变化这一种驱动势，忽略摩擦、传热、重力等其他驱动势，因此流动是绝热无摩擦的，即等熵流动，变截面定常等熵流动模型。

变截面一维定常等熵流动的控制方程组为：

m＝ρVA＝const----------------------------2-1

dp＝ρVdv------------------------------2-2

d(h+0.5V2)＝0----------------------------2-3

收敛管道中的一维定常等熵流动流速只能连续变化到M＝1，即达到临界状态，在此之后，流速既不可能增大，也不可能减小，收敛管道中的这种现象称为流动壅塞，从而得到一个恒音速流的喷管。喷管内设置电磁阀以PWM控制介质通断，通过控制器调节占空比控制单个周期内喷管的开启时间，进而精准地控制阀后流量。

Q＝q*T--------------------------------2-4

Q是阀后流量，q是单位时间音速流的体积流量，T是开启时间

在本实施例中，为了获得较大的阀后流量，流量控制单元采用多个执行器并联，通过计算和控制器标定，大幅提高了流量控制的上限，也实现了对阀后流量的精准控制。

(五)提供一种高压阀件S微小泄露的定量测定和定性测定方法

在本实施例中，为了增加测定微小漏率的准确度和灵敏度，创新了一种真空检漏法。在高低温模块400中设计一个特殊的防爆工装410，为了使体积最大化，特采用柱状圆顶的形状，工装的上盖与底座的密封圈配合，在上盖自身重力和螺栓作用下形成端面密封，之后用真空泵将工装(真空仓)内抽至目标真空度，从而排除环境气体的影响。当待测高压阀件S产生介质泄露时，由于分子的布朗运动，介质会第一时间迅速均匀布满整个真空空间，随后被检漏仪的吸枪捕捉，通过电离和电磁加速器，最终介质原子在目标区域被计数器捕捉和统计，从而实现对微小漏率的高灵敏度的定量测定。

此外，为了提高对高压阀件S失效检测的效率，该装置将阀门的特征接口连接到一个烧杯中，当特征接口处产生泄露会在烧杯中聚集成气泡，气泡上浮过程中会使红外线偏离靶向接收装置而实现对气泡的计数，此方法可为阀门泄露提供定性测量方法。

(六)实现设备装置的保护功能

本实施案例中，考虑氢阀测试周期时间跨度长，设备需高强度连续作业等特点，为使设备具备24小时无人值守自动运行的功能，特设计了设备的主被动安装架构的设计。

该架构从设备自身存在的潜在危险因子出发，结合具体潜在失效模式，有针对性地设置探测手段、故障分级、故障响应、设备急停、超温和超压主动保护等功能。

基于上述设计构思，本发明提供了一种氢燃料电池汽车车载高压阀件S性能测试装置，包括增压模块100、测试模块200、高低温模块400、介质回收模块500以及控制模块300。

增压模块100用于对介质气增压。

测试模块200包括压力整定单元210和控制单元，用于调整介质气的压力以及对测试过程中介质气通断状态、循环时间、循环次数或阀后流量的控制。

高低温模块400用于向高压阀件S提供高低温载荷。

介质回收模块500用于回收介质气并进行压力调整和缓冲。

控制模块300用于控制测试模块200和高低温模块400的各控制部件的开闭并对高压阀件S的参数进行分析。具体地，控制模块300分别与测试模块200和高低温模块400的各控制部件电连接或信号连接。

其中，高压阀件S置于高低温模块400的内腔，增压模块100的出口与测试模块200的入口连通，测试模块200的出口通过高低温模块400与高压阀件S的入口连通，高压阀件S的出口通过高低温模块400与介质回收模块500的入口连通，介质回收模块500的出口与增压模块100的入口连通。

本案提供的一种氢燃料电池汽车车载高压阀件S性能测试装置，通过增压模块100提供高压的介质气，介质气经过测试模块200的压力整定单元210和流量控制单元，实现对介质气的压力、通断状态、循环(持续)时间循环次数或阀后流量参数进行控制，然后输出给高低温模块400内的待测高压阀件S，介质气由高压阀件S经流量控制单元及各种变送器监控后与介质回收模块500的入口相接，从而实现对测试过程、测试数据的采集、保存及自动分析。介质回收模块500将待测高压阀件S的阀后介质气重新整定后输出给增压模块100，实现介质气的循环利用，从而可以长寿命、低成本的验证高压阀件S的可靠性和耐久性。

优选地，本发明还包括检漏模块600，用于检测高压阀件S内的介质气是否泄露。测试过程中可用检漏模块600对待测高压阀件S的气密性进行定性和定量检测。

在一种具体形式中，本案还设计有一个防爆工装410，该防爆工装410设置于高低温模块400内，防爆工装410的内腔用于容纳高压阀件S，防爆工装410上设置有用于与外部连通的多个接口，高压阀件S的进口和出口通过防爆工装410的接口与测试模块200连通。

检漏模块600包括：真空泵，用于对防爆工装410抽真空；氦检仪，用于捕捉防爆工装410内是否有介质气产生；以及质谱仪，用于计数并定量测算氦检仪的介质漏率。

其工作原理如上文，检漏模块600由氦检仪、气泡杯、真空泵、真空计等组成，通够真空泵将工装内抽至目标真空度从而排除环境气体的影响，即工装可视为真空仓。高低温模块400内的工装通过真空泵抽真空，可将真空度控制在目标值以下，当待测高压阀件S出现泄露，介质气会被氦检仪的吸枪捕捉，通过质谱仪计数得到介质漏率的定量测算。

其中，为了实现防爆工装410的密封性的同时，还起到防爆作用，如图4所示，工装整体采用316L不锈钢，可以有效防止氢脆。防爆工装410具体包括上盖和底座两部分，上盖与底座直接采用法兰螺栓连接，两者之间有密封圈，螺栓紧固后工装内部空间与外界隔离，该工装在设计时选用大壁厚以增加结构强度和自身重量，上盖盖好后，利用上盖自身重量亦可挤压密封圈实现密封，巧妙兼顾了防爆，也为真空法检漏提供封闭空间。底座上留有多种标准接口，方便与各类待测阀门转接。

当然，检漏模块600还具有另一种检漏方法，检漏模块600包括：气泡杯，用于放入高压阀件S的接口；以及计数器，用于通过红外信号可对高压阀件S泄露的气泡的个数进行统计，从而实现对阀门漏率的定性测量。

将高压阀件S相关接口接入气泡杯中，当待测高压阀件S有泄露时会在单位时间内产生一定数量的气泡，计数器通过红外信号可对气泡的个数进行统计，从而实现对阀门漏率的定性测量。

在一具体实施例中，高低温模块400包括高低温试验箱，高压阀件S置于高低温试验箱内，高压阀件S依次通过防爆工装410和管路与测试模块200连通，管路贯穿高低温试验箱。

具体地，所有潜在热源、点火源均改造至仓外，并用防爆工装410与仓室隔离。其加热原理也采用具有防爆功能的风热和风冷，同时，高低温模块400内设计了防爆工装410，其内留有各类阀门接口，通过接口可实现与待测高压阀件S的连接。防爆工装410置于高低温试验箱内营造了一个完全封闭的空间，通过对这个空间进行抽真空，由于防爆工装410自身设计强度很强，还可以兼顾防爆的功能。另外，高低温试验箱还可提供温度载荷，可开展氢阀在高低温载荷下的性能衰减情况的试验。

在一具体实施例中，如图2所示，增压模块100包括增压泵和缓冲罐130，增压泵的入口用于通入介质气，增压泵的出口与缓冲罐130的入口连通，缓冲罐130的出口与测试模块200的入口连通。

其中，增压泵用于对介质气增压，缓冲罐130作为增压泵和测试模块200的缓冲容器，可达到稳压的目的。介质气可通过增压模块100的增压泵向其下游的缓冲罐130中充入高压介质。

在上述具体实施例的基础上，增压泵至少包括相互串联的第一增压泵110和第二增压泵120。增压模块100通过增压泵将介质气进行两次增压后，和缓冲罐130共同组成一个稳定的介质气，用于输出给测试模块200。

需要说明的是，对低压介质进行两次增压，主要利用了“大活塞推动小活塞”的原理通过优化双级泵的流量和压力匹配，将介质气体从最低10bar增压至1000bar。

同时，增压模块100还包括设置于第一增压泵110和第二增压泵120之间的第一冷却器140，以及设置于第二增压泵120和缓冲罐130之间的第二冷却器150，第一冷却器140的进气口和第二冷却器150的进气口还与驱动气连通。

驱动气的作用是驱动各执行件，是设备动作的动力所在。利用驱动气的尾气对增压泵的泵头进行空冷，有效控制了因高增压比导致的泵口超温。此外，第一增压泵110和第二增压泵120之间，以及第二增压泵120和缓冲罐130之间还可以设置第一温度和压力保护装置160，以及第二温度和压力保护装置170。增压模块100内集成温度、压力保护装置，可有效探测装置超温超压等失效并利用程序优化实现对失效的应急处理。

在另一具体实施例中，介质回收模块500包括第三增压泵，第三增压泵的输出压力在增压模块100的增压泵的最佳工作压力区间内。

增压模块100和介质回收模块500中的增压泵是本装置的核心部件之一，也是高损耗件。行业内传统的增压是通过增压泵实现的，本案的增压泵工作利用“大活塞推动小活塞”的原理实现，本质是利用活塞内部的往复运动实现的，对泵内的动密封是极大的挑战，频繁启泵会极大消耗泵的寿命，考虑到高压阀件S测试循环次数高达100，000次，且对气源的消耗极大，这种工况对泵的考验是非常大的。

基于上述背景，在本实施例中，从两方面解决增压泵的寿命问题。一方面，高增压比对导致泵内活塞往复运动的频率增快，降低增压比可以有效减少泵的往复次数。介质回收模块500中所选的第三增压泵的输出压力会设定在增压模块100的增压泵的最佳工作压力区间内，从而使增压比维持在合理的范围内；另一方面，气源迅速消耗会导致泵端失压，为了弥补压力增压泵也会频繁启泵，缩短寿命。本实施例中，增压模块100的集成考虑了减少泵端的频繁失压，在泵后集成了高压缓冲罐130，缓冲罐130的尺寸和容积小于法规监检的最低下限，也方便了后期设备的维护。

此外，介质回收模块500还包括流量和背压监控模块，用于控制第三增压泵的开启时机和上下游流量及压力的配合。

介质回收模块500可将待测件阀后介质通过压力整定和缓冲后重新输入到增压模块100中，为了减少介质回收模块500背压对待测高压氢阀的阀后参数测定的影响，该模块设计了流量和背压监控模块，用以控制启泵的时机和上下游流量及压力的配合。

在一具体实施例中，测试模块200的控制单元包括流量监控装置220和温压监控装置230，压力整定单元210包括主调压阀，主调压阀的入口与增压模块100的出口连通，主调压阀的出口与高压阀件S的入口连通，高压阀件S的出口分别与流量监控装置220和介质回收模块500的入口连通，主调压阀与高压阀件S之间设置有温压监控装置230。

相应的，控制模块300至少包括数据处理中心310，数据处理中心310用于分别控制电气控制器280、温压监控装置230和流量监控装置220执行相应操作，温压监控装置230和流量监控装置220将相应检测数值反馈至数据处理中心310，以实现闭环逻辑控制。

主调压阀和高压阀件S之间串联有第一执行器240，温压监控装置230、高压阀件S和流量监控装置220的下游分别设置有第二执行器250、第三执行器260和第四执行器270，第一执行器240、第二执行器250、第三执行器260和第四执行器270均为气动阀门；

控制单元还包括用于分别控制压力整定单元210、第一执行器240、第二执行器250、第三执行器260和第四执行器270的电气控制器280，用于通过驱动气启动阀杆或阀门开闭，电气控制器280、温压监控装置230和流量监控装置220分别与控制模块300电连接或信号连接。

电气控制器280为多个电气比例阀，可实现压力、速度的无极调节，避免了常通的开关式气阀换向时的冲击现象，能实现远程控制和程序控制。具体如，多个电气比例阀与压力整定单元210、流量监控装置220以及各执行器一一对应，可通过电信号以调节压力整定单元210自身阀杆或各执行器阀门的开度，通过驱动气启动压力整定单元210以及各执行器。

相应的，第一执行器240、第二执行器250、第三执行器260和第四执行器270的下游还联通有泄压管路，实现对阀前阀后快速泄压功能。

此外，控制模块300依设计了控制程序和用户界面，用户通过用户界面实现对整装的手动和自动控制，此外，控制模块300会对待测阀件的各类特征参数采样、显示和自动保存，可对试验数据进行曲线绘制和数据分析，从而方便用户对氢阀的性能有更直观的判断。

基于上述设计，测试模块200通过电气比例阀、气动阀、主调压装置、流量计、比例阀等实现对介质气源的压力调整和对测试过程中介质通断状态、循环时间、循环次数、阀后流量等参数的控制。经过重新整定的介质可通过高低温模块400内部的工装与待测氢阀的前后端相连，阀后与测试模块200的介质返回路相连，测试模块200内部的流量监测装置和流量控制装置可实现对介质返回路的流量和压力进行闭环控制。

如图3所示，本发明实施例提供的一种氢燃料电池汽车车载高压阀件S性能测试装置的测试模块200，其可对从增压模块100后端的介质压力进行重新整定，并能通过电气比例阀和气动阀的联动，实现对气路通断状态的控制，此外，其内部集成的各种变送器可实时采集待测件阀前和阀后的介质压力、温度、流量等状态参数，为后续试验数据的分析提供可能。

在一种具体实施例中，如图5所示，流量监控装置220包括依次串联设置的前气动阀、流量计、电磁阀、拉瓦尔喷管和后气动阀，以及用于控制前气动阀、流量计和电磁阀的流量监控控制器。当然，电磁阀和拉瓦尔喷管为一一对应的一组流量控制执行器，可以并联多组流量控制执行器。

拉瓦尔喷管是一种常用的流体元件，当入口和出口的压力比大于临界压力比时，出口将产生流动壅塞，即在给定的初始条件下，可压缩流体在流道内的流动情况不再随下游条件而变化，此时质量流率达到最大值，即临界流量q。而总流量Q＝q*t，t即流通的总时间，这样流量和时间成正比，通过调节电磁阀驱动的占空比控制流通时间，进而获得预设的流量值。流量监控装置220正是利用了流动壅塞的物理特性，实现了对流量的控制。

基于上述设计，通过安装测试，装置的测试流程符合气密测试、特征测试和加速耐久测试要求，通过控制阀前和阀后的压力、流量、介质通断状态、频率等参数，使阀门内部承受变载荷，执行件在特定条件下以最大行程做往复运动，从而对阀门内部执行机构的动密封、静密封、阀芯与阀瓣的疲劳寿命进行验证，用已知寿命衰减规律的阀门进行测试，测试结果符合客观规律。

介质回收装置可以循环利用测试废气，合理的增压泵选型可以提高设备使用寿命，大大降低测试成本。按业内常规测试设备计，增压泵的使用寿命通常只有1年左右，本装置从2020年投产至今，增压泵依然完好。测试费用按如皋国家机动车检测中心的报价计，某阀件的耐久测试费用为80万元，本装置由于循环利用介质，其测试成本可控制在15万以内。

业内常用的阀件测试装置，都是利用热式或柯式流量计、比例阀、控制单元等组成的闭环逻辑控制阀后流量的，由于流量计原理所限，流量的测算延迟较大，通常在5-15秒之久，无法准确控制阀后流量。且因比例阀的工作区间有限，其对流量的控制也是非线性的，导致只能应用在较为粗略的测试当中。本装置利用拉瓦尔喷管的原理特性，利用流体装置解决了对介质流量的精准控制。

本装置提高了氢阀气密性的探测灵敏度和精确度。巧妙利用工装营造的封闭真空空间和分子布朗运动，解决了对阀门微小泄露量的测定。另结合经验探测手段，装置也提供了定性测试的气泡计数法，用于对探测精度要求较粗的场合。实际使用下来，真空法测试的探测精度可以达到10-9mbar·L/s，气泡法适合测定泄漏量在10-6mbar·L/s的场合。

本装置还从氢安全角度采取多种安全探测手段，对可能出现的超压安全阀泄放、高压爆裂、电路故障急停、超温溶栓泄放、氢浓度探测报警、整体防爆、压力和温度变送器监控等潜在失效设计了主被动安全保护策略，当出现某种失效时，控制模块300依据各类变送器的异常数据和判定阈值，控制实行相关参数的监控和逻辑判断，自动对故障进行诊断和应急动作，具备24小时无人值守的测试能力。装置还可自动采集、保存和分析试验数据，为后续研究阀门性能的普遍规律提供有力保障。

综上，本装置从高压阀件S失效原理出发，结合氢燃料电池汽车的应用工况，创新发明了长寿命，低成本、全自动无人值守的，验证高压阀件S可靠性和耐久性的一种装置，并设计了相应的软件和硬件设施，为充分验证高压阀件S性能开创新河。

本说明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，用于对高压阀件进行性能测试，其特征在于，包括：

增压模块，用于对介质气增压；

测试模块，包括压力整定单元和控制单元，用于调整介质气的压力以及对测试过程中介质气通断状态、循环时间、循环次数或阀后流量的控制；

高低温模块，用于向所述高压阀件提供高低温载荷；

介质回收模块，用于回收介质气并进行压力调整和缓冲；

控制模块，用于控制所述测试模块和所述高低温模块的各控制部件的开闭并对所述高压阀件的参数进行分析；

其中，所述高压阀件置于所述高低温模块的内腔，所述增压模块的出口与所述测试模块的入口连通，所述测试模块的出口通过所述高低温模块与所述高压阀件的入口连通，所述高压阀件的出口通过所述高低温模块与所述介质回收模块的入口连通，所述介质回收模块的出口与所述增压模块的入口连通。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，还包括检漏模块，用于检测所述高压阀件内的介质气是否泄露。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，还包括设置于所述高低温模块内的防爆工装，所述防爆工装的内腔用于容纳所述高压阀件，所述防爆工装上设置有用于与外部连通的多个接口，所述高压阀件的进口和出口通过所述防爆工装的接口与所述测试模块连通；

所述检漏模块包括：

真空泵，用于对所述防爆工装抽真空；

氦检仪，用于捕捉所述防爆工装内是否有介质气产生；

质谱仪，用于计数并定量测算所述氦检仪的介质漏率。

4.根据权利要求3所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述防爆工装包括相互连接的上盖和底座，所述上盖和所述底座的接触面之间设置有密封圈，所述上盖为圆顶状，且所述上盖的壁厚大于所述底座的壁厚。

5.根据权利要求3所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述高低温模块包括高低温试验箱，所述高压阀件置于所述高低温试验箱内，所述高压阀件依次通过所述防爆工装和管路与所述测试模块连通，所述管路贯穿所述高低温试验箱。

6.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述检漏模块包括：

气泡杯，用于放入所述高压阀件的接口；

计数器，用于通过红外信号可对所述高压阀件泄露的气泡的个数进行统计，从而实现对阀门漏率的定性测量。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述增压模块包括增压泵和缓冲罐，所述增压泵的入口用于通入介质气，所述增压泵的出口与所述缓冲罐的入口连通，所述缓冲罐的出口与所述测试模块的入口连通。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述增压泵至少包括相互串联的第一增压泵和第二增压泵。

9.根据权利要求8所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述增压模块还包括设置于所述第一增压泵和第二增压泵之间的第一冷却器，以及设置于所述第二增压泵和所述缓冲罐之间的第二冷却器，所述第一冷却器的进气口和所述第二冷却器的进气口还与驱动气连通。

10.根据权利要求7所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述介质回收模块包括缓冲罐和第三增压泵，所述第三增压泵的输出压力在所述增压模块的增压泵的最佳工作压力区间内。

11.根据权利要求10所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述介质回收模块还包括流量和背压监控模块，用于控制所述第三增压泵的开启时机和上下游流量及压力的配合。

12.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述测试模块的控制单元包括流量监控装置和温压监控装置，所述压力整定单元包括主调压阀，所述主调压阀的入口与所述增压模块的出口连通，所述主调压阀的出口与高压阀件的入口连通，所述高压阀件的出口分别与所述流量监控装置和所述介质回收模块的入口连通，所述主调压阀与高压阀件之间设置有温压监控装置。

13.根据权利要求12所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述主调压阀和所述高压阀件之间串联有第一执行器，所述温压监控装置、所述高压阀件和所述流量监控装置的下游分别设置有第二执行器、第三执行器和第四执行器，所述第一执行器、所述第二执行器、所述第三执行器和所述第四执行器均为气动阀门；

所述控制单元还包括用于分别控制所述压力整定单元、所述第一执行器、所述第二执行器、所述第三执行器和所述第四执行器的电气控制器，用于通过驱动气启动阀杆或阀门开闭，所述电气控制器、所述温压监控装置和流量监控装置分别与所述控制模块电连接或信号连接。

14.根据权利要求12所述的氢燃料电池汽车车载高压阀件性能测试装置，其特征在于，所述流量监控装置包括依次串联设置的前气动阀、流量计、电磁阀、拉瓦尔喷管和后气动阀，以及用于控制所述前气动阀、所述流量计和所述电磁阀的流量监控控制器。

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