CN105459786B - 一种柴油机辅助动力源的控制系统及其工作方法 - Google Patents

一种柴油机辅助动力源的控制系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柴油机辅助动力源的控制系统，主要包括柴油箱、水箱、柴油重整器、燃料电池、功率转换器、干电池、功率平衡器、负载。用功率平衡器控制柴油重整器和燃料电池的空气供应量，产生随着负载变化而变化的电能，实现柴油机不工作(怠速或停止)时也能保证负载的正常用电，彻底解决了柴油机在停机时车载用电器的供电问题。由于燃料电池反应后只生成水，因此也同时消除了柴油机燃烧发电而生成的NOx和颗粒物，实现了柴油机的超低排放。

Description

一种柴油机辅助动力源的控制系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机辅助动力源的控制系统及其工作方法。
背景技术
柴油重整后产生氢气，可作为燃料电池的燃料，燃料电池作为一种新能源，由于其零污染现成为研究的热点，但其产生的电能不能满足实际的要求，可作为辅助能源，需要不断变化其电压与电流以满足负载。
专利(CN201310112315)提供了一种燃料电池测控平台，集合了电源转换、数据采集、报警显示、执行机构和数据通信等模块于一体，具有实时采集电堆参数并控制电堆温湿度功能的测控系统，其中电源转换模块包括5V、12V、6V转换路，数据采集模块包括电堆电压、电流、温度、室温等采集，报警显示模块包括蜂鸣器、LED报警，执行机构调节风扇转速与电磁阀开闭时间，数据通信模块通过串口实现。该系统主要应用于质子交换膜燃料电池的技术研究与教学，实际应用性还需进一步研究。
对于某些特殊用途柴油车(如冷冻车，豪华大巴等)，柴油机停止工作后车载用电器仍需要大量电能。有些研究结构和科研院所对大型柴油车采用燃料电池做为辅助能源向车载用电器或车外负载供电进行了技术性的研究，但是无法解决燃料电池随负载变化而产生的电量不足等系列问题。
本发明将对燃料电池作为柴油机的辅助能源进行系统研究，提出更具有可行性的新型柴油车用燃料电池控制整体方案。
发明内容
本发明从解决燃料电池的氢气自供应问题的方面着手，实现了柴油机怠速或停止工作时燃料电池仍能满足负载的用电需求。同时使柴油机系统有害气体排放物几乎为零，符合中国目前汽车减排的现状。
本发明提供了一种柴油机辅助动力源的控制系统，主要包括柴油箱，水箱，柴油重整器，燃料电池，功率转换器，干电池，功率平衡器，负载。其中，柴油箱和水箱分别与柴油重整器管道连接，柴油重整器与燃料电池管道连接，燃料电池与第一功率转换器电连接，第一功率转换器接入功率平衡器，干电池通过第二功率转换器接入功率平衡器，负载与功率平衡器电连接。
进一步地，柴油重整器具有外壳，该外壳一侧设置有柴油入口、水入口，分别经管道连接柴油箱和水箱。柴油重整器壳体的顶部设置空气入口，用于连接空气供应管道。柴油重整器壳体的另一侧设置有重整好的混合气体出口。混合气体出口经管道与燃料电池的燃烧室连接，燃料电池还连接有空气供应管道。
进一步地，功率转换器包括第一功率转换器和第二功率转换器，均为直流/直流或直流/交流的电力电子变换器模块，作为优选，第一功率转换器和/或第二功率转换器的数量不限于一个。
进一步地，功率平衡器包括微芯片或PLC、与微芯片或PLC的控制管脚相连的检测电路、空气泵、电力电子开关器件。空气泵连接前述的柴油重整器和燃料电池的空气供应管道。检测电路包括负载功率检测电路、燃料电池输出功率检测电路。
本发明还提供了所述一种柴油机辅助动力源的控制系统的工作方法，具体如下：
柴油箱中的柴油与水箱中的水进入柴油重整器，在柴油重整器中，柴油、水和经空气供应管道进入柴油重整器的空气发生裂解反应生成以H2为主的混合气体，混合气体经管道进入燃料电池。上述的混合气体中的H2作为燃料，与经空气供应管道进入燃料电池的空气中的O2在燃料电池的燃烧室内发生燃烧反应以产生电能。
在柴油机启动时，燃料电池的输出功率为零，功率平衡器关断燃料电池输出电路上的电力电子开关器件，控制干电池向车辆用电器供电。
在负载变化时，功率平衡器根据检测电路反馈的负载功率和燃料电池输出功率，调整空气泵的转速以增加或减少柴油重整器和燃料电池的空气供给量，从而调整柴油重整器产生的H2量和燃料电池产生的电量。若燃料电池的最大电量不足负载使用，则功率平衡器控制打开干电池支路上的电力电子开关器件以补充电量。
本发明是使柴油和水通过柴油重整器产生充分裂解反应，生成燃料电池所需的H2，燃料电池生成的电能通过功率转化器产生适应负载的电流和电压，用功率平衡器控制柴油重整器和燃料电池的空气供应量，产生随着负载变化而变化的电能，实现柴油机不工作(怠速或停止)时也能保证负载的正常用电。
采用本发明可以在柴油机不工作也能保证车载用电器的正常运转。由于燃料电池反应后只生成水，因此也同时消除了柴油机燃烧发电而生成的NOx和颗粒物，实现了柴油机的超低排放。并且燃料电池的电量能够随着负载的变化而变化，彻底解决了柴油机在停机时车载用电器的供电问题。
附图说明
图1是本发明的总体方案流程图。
图中：1-柴油箱，2-水箱，3-柴油重整器，4-燃料电池，5-功率转换器，6-功率平衡器，7-干电池，8-负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明的一种柴油机辅助动力源的控制系统，主要包括柴油箱1，水箱2，柴油重整器3，燃料电池4，功率转换器5，干电池7，功率平衡器6，负载8。其中，柴油箱1和水箱2分别与柴油重整器3管道连接，柴油重整器3与燃料电池4管道连接，燃料电池4与第一功率转换器5电连接，第一功率转换器5接入功率平衡器6，干电池7通过第二功率转换器5接入功率平衡器6，负载8与功率平衡器6电连接。
柴油箱1可以为车辆中柴油机的油箱。燃料电池4可以采用燃料电池堆。
柴油重整器3具有外壳，该外壳一侧设置有柴油入口、水入口，分别经管道连接柴油箱1和水箱2。柴油重整器3壳体的顶部设置空气入口，用于连接空气供应管道。柴油重整器3壳体的另一侧设置有重整好的混合气体出口。混合气体出口经管道与燃料电池4的燃烧室连接，燃料电池4还连接有空气供应管道。
功率转换器5包括第一功率转换器和第二功率转换器，均为直流/直流或直流/交流的电力电子变换器模块，并且第一功率转换器和/或第二功率转换器的数量不限于一个，以将燃料电池4、干电池7产生的电能提供给不同电流形式和/或功率需求的用电器。
功率平衡器6是一个以微芯片或PLC为中心的综合控制装置，包括与微芯片或PLC的控制管脚相连的检测电路、空气泵、电力电子开关器件。空气泵连接前述的柴油重整器3和燃料电池4的空气供应管道。检测电路包括负载功率检测电路、燃料电池输出功率检测电路。
通过以下内容对本发明实施例的工作原理、工作方法和工作过程进行详细阐述。
柴油箱1中的柴油与水箱2中的水进入柴油重整器3，在柴油重整器3中与空气一起发生裂解反应。其中水将首先被加热到约100℃，空气与柴油的O2/C摩尔比为0.47。柴油、水和空气反应生成约170℃的H2、以CO2和水蒸气为主的反应副产品，反应后的混合气体经管道进入燃料电池4。上述的混合气体中的H2作为燃料，与空气中的O2在燃料电池4内发生燃烧反应以产生电能。
负载变化时，如多个车载用电器的启用或停用，或是其他情况，如某冷冻车夏季需3.95kWh而冬季需要2.89kWh。功率平衡器6根据检测电路反馈的负载功率和燃料电池输出功率，调整空气泵的转速以增加或减少柴油重整器3和燃料电池4的空气(O2)供给量，从而调整柴油重整器3产生的H2量和燃料电池4产生的电量。若燃料电池4的最大输出功率(电量)不足负载使用，则功率平衡器6控制打开干电池7支路上的电力电子开关器件以补充电量。
本发明中的水在进入柴油重整器3前或在柴油重整器3需要被预加热到约100℃，热源主要依靠柴油机冷却水箱以及柴油重整器3中的反应热能。在柴油机启动时，燃料电池4的输出功率为零，功率平衡器6则关断燃料电池4输出电路上的电力电子开关器件，而控制干电池7向车辆用电器供电。燃料电池4有功率输出时，功率平衡器6则打开其输出电路上的电力电子开关器件。即使柴油机启动运转(或怠速)一段时间后再停止，本发明中的燃料电池系统仍可依靠自身反应热能持续工作。
通过以上控制，柴油车实现不燃烧发电、排放降低且满足不同负载的需要。
本发明的控制系统可以工作在需要经常用电的柴油车上，比如冷冻车、豪华大巴等。同时，燃料电池生成的电还可供车载其它电器设备使用，如用于驾驶室空调、照明和电视等用电设备，也可以通过输出接口对车外负载供电。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如功率转换器和功率平衡器的具体电路构成形式等，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柴油机辅助动力源的控制系统，其特征在于：
主要包括柴油箱、水箱、柴油重整器、燃料电池、功率转换器、干电池、功率平衡器、负载；
其中，所述柴油箱和所述水箱分别与所述柴油重整器通过管道连接；所述柴油重整器与所述燃料电池通过管道连接；
所述功率转换器包括第一功率转换器和第二功率转换器；
所述燃料电池与所述第一功率转换器电连接，所述第一功率转换器接入所述功率平衡器；
所述干电池通过所述第二功率转换器接入所述功率平衡器；
所述负载与所述功率平衡器电连接；
所述功率平衡器包括检测电路和空气泵；
在负载变化时，所述功率平衡器根据所述检测电路反馈的负载功率和燃料电池输出功率，调整所述空气泵的转速以增加或减少所述柴油重整器和所述燃料电池的空气供给量，从而调整所述柴油重整器产生的H2量和所述燃料电池产生的电量。
2.如权利要求1所述的一种柴油机辅助动力源的控制系统，其特征在于：
所述柴油重整器具有外壳；所述外壳一侧设置有柴油入口、水入口，所述柴油入口、所述水入口分别经管道连接所述柴油箱和所述水箱；
所述外壳的顶部设置空气入口，用于连接空气供应管道；所述外壳的另一侧设置有混合气体出口；
所述混合气体出口经管道与所述燃料电池的燃烧室连接。
3.如权利要求2所述的一种柴油机辅助动力源的控制系统，其特征在于：
所述燃料电池还连接有空气供应管道。
4.如权利要求3所述的一种柴油机辅助动力源的控制系统，其特征在于：
所述第一功率转换器和第二功率转换器，均为直流/直流或直流/交流的电力电子变换器模块。
5.如权利要求4所述的一种柴油机辅助动力源的控制系统，其特征在于：
第一功率转换器和/或第二功率转换器的数量不限于一个。
6.如权利要求5所述的一种柴油机辅助动力源的控制系统，其特征在于：
所述功率平衡器包括微芯片或PLC、与所述微芯片或PLC的控制管脚相连的检测电路、空气泵、电力电子开关器件；
所述空气泵连接所述柴油重整器的空气供应管道和所述燃料电池的空气供应管道；
所述检测电路包括负载功率检测电路、燃料电池输出功率检测电路。
7.如权利要求6所述的一种柴油机辅助动力源的控制系统的工作方法，其特征在于：
所述柴油箱中的柴油与所述水箱中的水进入所述柴油重整器；
在所述柴油重整器中，柴油、水和由空气供应管道进入所述柴油重整器的空气发生裂解反应，生成以H2为主的混合气体；
所述混合气体经管道进入燃料电池，所述混合气体中的H2作为燃料，与经空气供应管道进入燃料电池的空气中的O2在燃料电池的燃烧室内发生燃烧反应以产生电能；
在柴油机启动时，所述燃料电池的输出功率为零，所述功率平衡器关断所述燃料电池输出电路上的电力电子开关器件，控制所述干电池向用电器供电；
若燃料电池的最大电量不足所述负载使用，则所述功率平衡器控制打开干电池支路上的电力电子开关器件以补充电量。
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