CN105644341B - 一种充电式混氢动力汽车控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车控制系统及控制方法，属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种充电式混氢动力汽车控制系统及控制方法。本发明根据车辆行驶状态计算出实时需要向发动机添加的氢气预定量，根据所述氢气预定量控制氢气发生器向发动机输送氢气气体，并且根据氢气实际产量与氢气预定产量之间的关系，实时调整发动机的燃角和喷油量。因此，本发明实现了在不改变现有汽车结构和燃料补充方式的情况下，可实现在相同动力条件下，减少污染排放并可降低油耗30％以上。

Description

一种充电式混氢动力汽车控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车控制系统及控制方法，属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种充电式混氢动力汽车控制系统及控制方法。

背景技术

在全世界共同治理日益严重的大气污染，减少对石化燃料依赖的大背景下，新能源汽车最近几年成为了世界各国汽车生产领域中最主要发展的方向之一，各种最新款PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle)，EV(Electric Vehicle)不断大量推向市场。

目前国际上新能源汽车的特征是增加或采用了包括电力能源和/或氢气能源。

电力能源汽车包括纯电动车EV和不使用电网电源充电的，以燃油加电力的混合动力车HEV。可使用电网电源充电的PHEV采用传统内燃机和电动机两种动力分别或交替式直接驱动汽车，如宝马X5PHEV，奥迪Q7 E-TON以及三菱的Outlander PHEV等。除了可以从公共充电桩充电外，将汽车在运行中制动，下坡等过程中产生的废弃电能进行回收，对动力电池进行充电。

除了电力能源汽车外，使用氢气为能源的汽车近几年已经开始走向市场，但还只在小型客车市场。如Mercedes-Benz B-Class F-Cell，Chevrolet Equinox Fuel Cell,Honda FCX Clarity,Toyota Mirai，Hyundai ix35 FCEV等。

以上不论哪种混动技术方式，都₁必须改变现有车辆的驱动结构，而且也只能解决新生产的城市用中小型车辆和短途客货运车辆的需要，没有解决世界上污染严重的大、重型柴油长途汽车，轮船，以燃油式发动机为动力的工程机械，农用机械和正在使用中的上述运输工具的节能减排的问题。

通过给石油燃料发动机加氢，使内燃机以混氢的方式实现节能减排的理论和实践已经在国际上得到证实，已有大量的论文，报告及专利发表，近20年来已经有各种不同类型，功能方式的产品在以不同的方式销售和应用，早已成为公知的技术和产品。

以电网电能，太阳能、风能或利用车辆尾气热能温差发电为能源直接给动力电池充电并给氢气发生器供电，同时将汽车在运行中怠速，制动，下坡等过程中产生的废弃电能进行回收，对动力电池进行充电，解决大型和重型内燃式发动机的节能减排，特别使行驶在远离城市和没有充电桩的长途载重运输车辆，轮船，工程机械和农用机械也可以成为新能源汽车技术的受益者。

产氢的方式有多种，其中按需产氢HOD(Hydrogen On Demand)方式中的电解水氢气发生器HG(Hydrogen Generator)的技术成熟，安全性高，设备简单，成本低，多年来在世界上不同领域得到广泛应用，特别适用于各种类型的石化燃料内燃发动机汽车，轮船，工程和农用机械等。

但电解水制氢HOD方式有一个与其优点一样明显的缺点就是其耗能高。全世界以电解水制氢HOD的方式在车辆产氢的应用基本是以车辆自身发电机为能源。但由于电解水制氢HOD方式产氢所需的电能来自汽车发电机，在提高燃油的燃烧效率，增加动力，减少有害气体排放的同时，其消耗的电能同样在消耗燃油，按照能量守恒的定律，经过世界各国专家通过理论计算和实际测试证明，车载供电HOD方式的汽车只能实现减少HC,CO的污染废气排放作用，如果氢气量与燃角(汽油车指点火角度，柴油车指喷油提前角)和喷油量配比不合适，不但不能减少油耗，反而可能比没有加氢的油耗更高，并造成发动机温度升高，NOx排放增加，甚至损坏发动机。

此外，以石化为燃料的内燃发动机，在混氢后，由于HHO的特性，燃角快于纯石化燃料，所以在混氢后，如果不修正燃角，必然出现爆震，损伤发动机。

发明内容

本发明主要是解决现有技术在产氢和混氢过程控制中节能效率低，耗能高和发动机因爆震而损伤、NoX污染排放增加的问题，提供了一种充电式混氢动力汽车控制系统及控制方法。

该控制系统及方法可以保持现有活塞内燃式发动机驱动结构，按照目前国际上混合动力汽车PHEV的模式，以按需产氢HOD的方式，以动力电池为氢气发生器的能源，给内燃发动机加氢，成为可充电式混氢动力汽车PHHEV(Plug in Hydrogen Hybrid ElectricVehicle)。在使用现有汽车的加油站设施的基础上，也可使用为新能源汽车设置的充电桩，使PHHEV成为PHEV新能源汽车的一种新的模式。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种充电式混氢动力汽车控制系统，包括：

混合动力控制器，用于根据车辆行驶状态，计算出实时需要向发动机添加的氢气预定量，根据所述氢气预定量控制氢气发生器向发动机输送氢气气体，并且根据氢气实际产量与氢气预定产量之间的关系，实时向车辆发动机电脑ECU发送调整燃角和喷油量的参考数据。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制系统，所述混合动力控制器包括：

氢气缓冲供气控制模块，用于在车辆进入燃料突减时，将已经产生的氢气气体导入缓存罐暂存；并且在车辆需要燃料突然增加时，将缓存罐中暂存的氢气气体输出至发动机。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制系统，所述混合动力控制器包括：

动力电池状态监测控制模块，与动力电池相连，用于当监测到汽车发电机产生多余电能时，将多余电能存储至动力电池中。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制系统，所述混合动力控制器与动力电池相连，所述动力电池与市电充电装置、太阳能充电装置、风力发电装置、车辆尾气热能温差发电机中的一个或多个相连。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制系统，所述混合动力控制器进一步包括：

发动机状态监测模块，用于获取发动机运行状态，并根据预定的混氢比例计算所需氢气的预设量；

燃角监测及修正模块，用于根据发动机的状态以及氢气实际产量和氢气预定产量的关系计算出数据并传送给车辆发动机电脑ECU，由车辆发动机电脑ECU调整燃角；

油量监测及调整模块，用于根据发动机的实时状态计算出由于混氢和燃角修正后得到的动力增量的数据传送给车辆发动机电脑ECU，由车辆发动机电脑ECU调整喷油量。

为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种充电式混氢动力汽车控制方法，包括：

闭环控制步骤，用于根据车辆行驶状态计算出实时需要向发动机添加的氢气预定量，根据所述氢气预定量控制氢气发生器向发动机输送氢气气体，并且根据氢气实际产量与氢气预定产量之间的关系，由车辆发动机电脑ECU实时调整发动机的燃角和喷油量。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制方法，还包括：

缓冲储气步骤，用于在车辆进入燃料突减时，将已经产生的氢气气体导入缓存罐暂存；并且在车辆需要燃料突然增加时，将缓存罐中暂存的氢气气体输出至发动机。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制方法，还包括：

电力回收步骤，用于当监测到汽车发电机产生多余电能时，将多余电能存储至动力电池中。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制方法，还包括：

充电步骤，用于利用市电充电装置、太阳能充电装置、风力发电装置、车辆尾气热能温差发电机中的一个或多个向动力电池充电。

优化的，上述的一种充电式混氢动力汽车控制方法，所述闭环控制步骤进一步包括以下子步骤：

发动机状态监测子步骤，用于获取发动机运行状态，并根据预定的混氢比例计算所需氢气的预设量；

燃角监测及修正子步骤，用于根据发动机的状态以及氢气实际产量和氢气预定产量的关系计算出数据并传送给车辆发动机电脑ECU，由车辆发动机电脑ECU调整燃角；

油量监测及调整子步骤，用于根据发动机的实时状态计算出由于混氢和燃角修正后得到的动力增量的数据给车辆发动机电脑ECU，由车辆发动机电脑ECU调整喷油量。

从以上描述可知，本发明的充电式混氢动力汽车控制系统及方法采用专业车辆级MCU对HG耗能及氢气流速产量控制、喷油量调整、燃角修正三要素数据综合实时处理后，发送给ECU处理，并以动力电池作为氢气发生器的直接电源，通过HOD方式产生氢气形式的气体，以催化助燃的方式，在发动机气缸内与石化燃料形成PHHEV所需的混合动力。其中，根据氢气实际产量同步实时调整喷油量和修正燃角是本发明的核心。

因此，本发明具有如下优点：1.采用本发明充电式混氢动力汽车控制器HEC，实现了在不改变现有汽车结构和燃料补充方式的情况下，可实现在相同动力条件下，减少污染排放，并降低油耗30％以上，以混氢能源动力方式对PHHEV进行控制；

2.本发明的PHHEV控制器HEC，不但可以应用在生产新车的前装市场，也可以应用在改(后)装市场，解决了大型长途运输车辆，轮船，工程机械，农用机械等无法在郊外，大山行驶中补充能源和增程的难题。

附图说明

附图1是本发明的一种原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，1氢气发生器，2双向数据通道DB2，3线路3，4数据通道DB4，5混合动力控制器，6线路6，7数据通道DB7，8线路8，9动力电池，10市电充电装置，11太阳能充电装置，12风力发电装置，13缓存罐，14阀门，15发动机，16线路16，17数据通道DB17，18发电机，19车辆发动机电脑ECU，20双向数据通道DB20，21双向数据通道DB21，22双向数据通道DB22，23双向数据通道DB23，24手持校正仪，25车辆尾气热能温差发电机，100发动机状态监测模块，101燃角监测及修正模块，102油量监测及调整模块，103动力电池状态监测控制模块，104氢气发生器状态监测及控制模块，105氢气缓冲供气控制模块，106汽车发电机状态监测控制模块，107故障报警模块，108数据校正模块。

实施例：

如图1所示，一种充电式混氢动力汽车控制系统，包括：混合动力控制器5，该混合动力控制器5分别与氢气发生器1、汽车发电机18、车辆发动机电脑ECU19、动力电池9相连接。

其中，混合动力控制器5包括：发动机状态监测模块100、燃角监测及修正模块101、油量监测及调整模块102、动力电池状态监测控制模块103、氢气发生器状态监测及控制模块104、氢气缓冲供气控制模块105、汽车发电机状态监测控制模块106、故障报警模块107、数据校正模块108。

下面分多个章节介绍本实施例的具体工作过程。

1、氢气流量闭环控制过程

工作时，发动机状态监测模块100、燃角监测及修正模块101、油量监测及调整模块102从实时通讯的双向数据通道DB 20至双向数据通道DB 22取得车辆发动机电脑ECU 19系统中的有关实时数据。发动机状态监测模块100根据发动机实时状态在保持发动机相同动力的条件下可达到的最佳节能减排的性能和效果的原则下，计算出实时所需添加的氢气预定量，发送给氢气发生器状态监测及控制模块104，氢气发生器状态监测及控制模块104经过数据通道DB 4监测到氢气发生器1实时状态数据，根据动力电池状态监测控制模块103提供的动力电池电量的实时状态和发动机状态监测模块100计算出的氢气预定量，从动力电池获得的相应电能量，在氢气发生器状态监测及控制模块104的控制下调整氢气发生器耗电量，以最经济的能量产氢并将氢气的实时流量数据发送到燃角监测及修正模块101和油量监测及调整模块102。氢气发生器1产生的氢气经阀门14由车辆发动机15吸入发动机与燃油混合，以催化助燃的作用提高燃油效率，达到节能减排的目的。

本实施例中，从车辆发动机电脑ECU 19中获得的实时数据包括但不限于：发动机负荷，转速，进气量，燃角，供油，温度，制动等数据中的一种或多种。

由于向发动机添加了氢气，发动机的燃烧状态，动力性，燃角发生了改变，因此需要引入闭环控制，即如果氢气实际产量高于或低于预定值，则由燃角监测及修正模块101和油量监测及调整模块102按照氢气实时量调整燃角和喷油量。具体步骤为：

(1)由氢气发生器状态监测及控制模块104获取产生的氢气实际产量；

(2)由燃角监测及修正模块101根据发动机的状态以及氢气实际产量和氢气预定产量的关系计算出数据并传送给车辆发动机电脑ECU19，由车辆发动机电脑ECU调整燃角；

(3)由油量监测及调整模块102根据发动机的实时状态计算出由于混氢和燃角修正后得到的动力增量的数据传送给车辆发动机电脑ECU19，由车辆发动机电脑ECU19调整喷油量，以保持发动机原设定的动力值。

在以上调整结束后，发动机状态监测模块100再根据实时获取的发动机状态参数来计算新的氢气预定量，如此往复。

本实施例中的燃角，对于汽油车是指点火提前角，对于柴油车指喷油提前角。

本实施例的燃角和喷油量的调整可以选择但不限于以下方式：

状态(1)：氢气实际产量<氢气预定产量；

此时，燃角增加A1个角度，喷油量减小B1ml；

状态(2)：氢气实际产量＝氢气预定产量；

此时，燃角增加A2个角度，喷油量减小B2ml；

状态(3)：氢气实际产量>氢气预定产量；

此时，燃角增加A3个角度，喷油量减小B3ml，

以上是以没有混氢状态时的燃角为基准正负0度角计，其中：A3>A2>A1且角度为正值；

B1、B2、B3为喷油量，单位为毫升：ml，并且满足关系：B3>B2>B1；

以上调整均是在氢气预定产量和氢气实际产量不超过氢气最大限量的情况下进行。其中，氢气最大限量是按不同发动机参数和发动机在不同工作负荷状态下NoX的排放量不超过最高允许排放标准下的氢气最大限量。

2、氢气气体缓存过程

本实施例中，氢气发生器1与发动机15之间设置有阀门14，该阀门14由氢气缓冲供气控制模块105控制，并且该阀门14与一个用于缓存气体的缓存罐13相连。

在当车辆进入(制动或下坡等)燃料突然停止的状态时，氢气缓冲供气控制模块105控制阀门14立即关断氢气发生器1输往发动机15的通道，将已经产生的氢气气体由阀门14导入缓存罐13暂存；

当车辆从不加燃料状态(下坡，刹车等)转到需要燃料突然增加时(加速或上坡等)氢气缓冲供气控制模块105控制阀门14把缓存罐13中暂存的氢气气体由阀门14输出至发动机15，补偿由于氢气发生器1产氢和输送的滞后性造成的氢气瞬间供气不足。

3、电源控制过程

本实施例采用动力电池9提供氢气所需要的能源。动力电池9可以是由锂，镍氢，石墨烯和/或超级电容单独或组合而成的动力电池，其充电来源来自独立市电充电装置10、太阳能充电11、风力发电装置12、车辆尾气热能温差发电机25中的一种或多种。

汽车在运行过程中产生的多余电能也可被回收至动力电池9中。具体过程为：

汽车发电机状态监测控制模块106通过数据通道DB 17实时监测发电机状态，如果车辆处于高怠速预热，下坡或制动状态，则由动力电池状态监测控制模块103、将产生的多余电能，按照动力电池的参数经过线路16和线路8存储到动力电池中。如果是制动状态，汽车发电机状态监测控制模块106则马上启动辅助制动功能。

动力电池状态监测控制模块103按照所使用的动力电池参数，通过数据通道DB 7随时监测动力电池的实时状态，动力电池的能源经线路6和线路3，在氢气发生器状态监测及控制模块104的控制下最经济的为氢气发生器1供电；

4、报警及自检过程

本实施例的混合动力控制器5还包括故障报警模块及程序107。其与发动机状态监测模块100、燃角监测及修正模块101、油量监测及调整模块102、动力电池状态监测控制模块103、氢气发生器状态监测及控制模块104、氢气缓冲供气控制模块105、汽车发电机状态监测控制模块106通过诊断程序连接且处于最高优先级，负责开机自检和运行过程中的安全监测，如果发生故障或意外，自动切断电源，恢复到汽车无混氢动力运行的原始状态并发出故障报警。

可以通过外置的手持校正仪24，通过与混合动力控制器5连接的双向数据通道DB23校正修改实际数据与ECU原始数据的误差及设置和修改动力电池参数。

本实施例的产品，对于改装车的氢气发生器，优选能够在零下40度到90度范围内自动稳定控制和调节氢气产量，流速的可控式氢气发生器(CHG)，可以有效控制氢气流量并获得较高的氢/电效率。对于生产的新车，优选采用已公开的技术做成的利用车辆发动机热量把掺有化学配方的水，低沸点蒸发成水蒸气，由可控式氢气发生器(CHG)以蒸汽制氢，除可有效控制氢气流量并可以获得更高的氢/电效率。

本发明中的氢气预设量，燃角修正，喷油调整及其他有关参数，本行业内专业技术人员可根据不同的发动机的动力要求及所使用的ECU型号，采用已公知的方法和公式自行进行软硬件设计和研发。

本文中所述氢气是指含氢气体，其包括但不限于HHO、H2气体中的一种或多种。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了1氢气发生器，2双向数据通道DB2，3线路3，4数据通道DB4，5混合电力控制器，6线路6，7数据通道DB7，8线路8，9动力电池，10市电充电装置，11太阳能充电装置，12风力发电装置，13缓存罐，14阀门，15发动机，16线路16，17数据通道DB17，18发电机，19车辆发动机电脑ECU，20双向数据通道DB20，21双向数据通道DB21，22双向数据通道DB22，23双向数据通道DB23，24手持校正仪，25车辆尾气热能温差发电机，100发动机状态监测模块，101燃角监测及修正模块，102油量监测及调整模块，103动力电池状态监测控制模块，104氢气发生器状态监测及控制模块，105氢气缓冲供气控制模块，106汽车发电机状态监测控制模块，107故障报警模块，108数据校正模块，氢气，HOD,HG,CHG,HEC等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种充电式混氢动力汽车控制系统，其特征在于，包括：

混合动力控制器(5)，用于根据车辆行驶状态计算出实时需要向发动机添加的氢气预定量，根据所述氢气预定量控制氢气发生器(1)向发动机输送氢气气体，并且根据氢气实际产量与氢气预定产量之间的关系，实时向车辆发动机电脑ECU(19)发送调整燃角和喷油量的参考数据；其中，所述混合动力控制器(5)包括：

氢气缓冲供气控制模块(105)，用于在车辆进入燃料突减时，将已经产生的氢气气体导入缓存罐(13)暂存；并且在车辆需要燃料突然增加时，将缓存罐(13)中暂存的氢气气体输出至发动机(15)。

2.根据权利要求1所述的一种充电式混氢动力汽车控制系统，其特征在于，所述混合动力控制器进一步包括：

发动机状态监测模块(100)，用于获取发动机运行状态，并根据预定的混氢比例计算所需氢气的预设量；

燃角监测及修正模块(101)，用于根据发动机的状态以及氢气实际产量和氢气预定产量的关系计算出数据并传送给车辆发动机电脑ECU(19)，由车辆发动机电脑ECU(19)调整燃角；

油量监测及调整模块(102)，用于根据发动机的实时状态计算出由于混氢和燃角修正后得到的动力增量数据并传送给车辆发动机电脑ECU(19)，由车辆发动机电脑ECU(19)调整喷油量。

3.一种充电式混氢动力汽车控制方法，其特征在于，包括：

闭环控制步骤，用于根据车辆行驶状态计算出实时需要向发动机添加的氢气预定量，根据所述氢气预定量控制氢气发生器向发动机输送氢气气体，并且根据氢气实际产量与氢气预定产量之间的关系，由车辆发动机电脑ECU实时调整发动机的燃角和喷油量；缓冲储气步骤，用于在车辆进入燃料突减时，将已经产生的氢气气体导入缓存罐暂存；并且在车辆需要燃料突然增加时，将缓存罐中暂存的氢气气体输出至发动机。

4.根据权利要求3所述的一种充电式混氢动力汽车控制方法，其特征在于，所述闭环控制步骤进一步包括以下子步骤：

发动机状态监测子步骤，用于获取发动机运行状态，并根据预定的混氢比例计算所需氢气的预设量；

燃角监测及修正子步骤，用于根据发动机的状态以及氢气实际产量和氢气预定产量的关系计算出数据并传送给车辆发动机电脑ECU，由车辆发动机电脑ECU调整燃角；

油量监测及调整子步骤，用于根据发动机的实时状态计算出由于混氢和燃角修正后得到的动力增量的数据给车辆发动机电脑ECU，由车辆发动机电脑ECU调整喷油量。