CN106004504B - 氢能再循环汽车清洁混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

一种汽车混合动力系统，包括发电部分和动力部分，发电部分包括压缩氢气发电部分、氢燃料电池发电部分、超级电容电池发电部分和开关磁阻发电机；动力部分包括开关磁阻电动机。压缩氢气发电部分，包括高压储氢气罐、手动截止阀、电磁减压阀、电磁截止阀‑I、气动马达、传动轮和开关磁阻发电机等部分；高压储氢气罐上设置有气罐外充气口、安全阀和气压表，高压储氢气罐通过管道‑I连接气动马达；管道‑I上依次安装有手动截止阀、电磁减压阀和电磁截止阀‑I；气动马达通过传动轮连接开关磁阻发电机转轴；开关磁阻发电机与开关磁阻电动机相连；开关磁阻电动机连接汽车传动轴。氢气的压缩气体能量和其所含氢能能两次利用，极大地增加了能量利用效率，有效地提高了汽车的行驶距离，同时实现了零污染排放。

Description

氢能再循环汽车清洁混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种汽车混合动力系统，属于汽车动力和机械工程领域，具体涉及一种利用压缩气体能量及氢燃料电池供能的清洁汽车混合动力系统。
背景技术
汽车作为人类的重要交通工具，为人类的进步做出了巨大的贡献。然而传统内燃机汽车需要消耗大量的石油、天然气等不可再生能源，内燃机燃烧燃料后产生的大量有害气体随汽车尾气排放到大气中，严重危害人们的身体健康，并且燃烧后排放的大量二氧化碳气体已成为地球温室效应的主要原因之一。传统内燃机汽车的大量使用，所带来的能源压力和生态问题日益凸显。人们开始寻求新型动力汽车，目前，新型动力汽车大多分为混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(EV)、空气动力发动机汽车、太阳能动力汽车等几类。
混合动力汽车(HEV)具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放和能源问题，并需要两种不同类型动力装置，其驱动和控制系统更复杂、成本更高。
纯电动汽车(EV)行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高，但电池驱动的电动汽车受制于车载电池。在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性等方面难以实用。汽车一次充电的续驶里程无法达到当前内燃机汽车水平。另外，电池组价格昂贵，循环寿命有限，充电时间太长。
空气动力发动机汽车利用压缩空气直接驱动汽车发动机，存在耗气量大、一次充气有效行使距离短、车速低等问题。
太阳能电动车仍需减小电池体积和提高光电转换效率。
燃料电池的出现及现在工业制氢成本的不断降低为解决这一新型动力问题提供了可能性。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极化学反应直接转化为电能的装置。反应物质(氢气和氧气)在电化学反应过程中不断地被消耗来产生电能，其基本结构主要由阳极、阴极、电解质和外围电路组成。燃料电池具有能量转化率高、燃料多样化、环境污染小、噪音低、维修性好等特点，其反应过程不涉及到燃烧，工作安全可靠。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有传统内燃机汽车存在的浪费资源、污染环境等问题，混合动力汽车仍然依赖石油等燃料，及纯电动汽车、空气动力发动机汽车行驶距离短、车速慢等问题，提供一种新型的清洁汽车动力系统。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样的：
该汽车动力系统包括发电部分和动力部分，所述发电部分包括压缩氢气发电部分、氢燃料电池发电部分、超级电容电池发电部分和开关磁阻发电机；所述动力部分包括开关磁阻电动机。
所述压缩氢气发电部分包括高压储氢气罐、手动截止阀、电磁减压阀、电磁截止阀-I、气动马达、传动轮和开关磁阻发电机。所述高压储氢气罐上设置有气罐外充气口、安全阀和气压表，高压储氢气罐通过管道-I连接气动马达，所述管道-I上依次安装有手动截止阀、电磁减压阀和电磁截止阀-I，所述气动马达通过传动轮连接开关磁阻发电机转轴，所述开关磁阻发电机与开关磁阻电动机相连，所述开关磁阻电动机连接汽车传动轴。
所述氢燃料电池发电部分包括氢燃料电池、氢气压力调节仪表、热交换器、氢气循环泵、电磁截止阀-II、加湿器。所述氢燃料电池与气动马达通过管道-II相连，所述管道-II上依次安装有氢气压力调节仪表和热交换器，所述氢燃料电池与氢气压力调节仪表通过管道-III相连，所述管道-III上安装有氢气循环泵，所述氢燃料电池、管道-II和管道-III之间可形成一个氢气循环，所述氢燃料电池连接管道-IV为空气进气管道，所述管道-IV上依次安装有电磁截止阀-II、加湿器。
所述超级电容电池与开关磁阻电动机之间设置有电磁开关；所述超级电容电池可为开关磁阻电动机供电。
所述管道-I、管道-II、管道-III及这些管道上所安装的各类阀、热交换器、循环泵和气动马达等与氢气直接接触的内部都经过达克罗涂覆层处理，防止氢脆。
有益效果，以氢气的压缩气体能量和其所含氢能作为发动机能源，实现了无任何污染排放；氢气的压缩气体能量和其所含氢能的两次利用，能量利用效率极大地增加，有效地提高了汽车的行驶距离。
汽车有效行驶里程的计算重点在于动力系统能供给多少能量，本动力系统动力源由压缩氢气发电和燃料电池发电两部分组成。
压缩氢气发电部分：在车载一定容量的压缩氢气的条件下，不考虑机械损耗，压缩氢气所释放的能量，等于压缩氢气由高压气罐内初始压强完全膨胀到气动马达排入氢燃料电池内的氢气压强时所做的机械功。由热力学理论可知，压缩氢气在膨胀过程中因为工况的不同将经历不同的热力过程，不同的热力过程对外所作的机械功有较大差别，将使汽车的理论续航能力有很大的差异。压缩氢气在膨胀过程中，对外所作的机械功由下式所决定：
式中：W一一压缩氢气对外所作总机械功；p一一瞬时压力变化；V一一瞬时气体体积。系统膨胀时不吸热，经历绝热膨胀过程，对外做功最少，其中气体状态参数间有如下关系：
气动马达的排气压强为P2，由式(1)和式(2)可得：
式中：k一一绝热系数，一般为1.41；w′一一绝热过程压缩氢气膨胀输出总机械功。
系统膨胀时完全充分吸热，经历等温过程，对外做功最多，其中气体状态参数可表述如下：
将式(4)代入式(1)积分可得：
式中：w″一一等温过程压缩氢气膨胀输出总机械功。
在实际的汽车行驶过程中，压缩氢气的膨胀过程热交换情况介于绝热膨胀与等温膨胀之间，对外所能做的机械功也介于两者之间，故压缩氢气在膨胀过程中输出的总机械功我应满足：w′≤w≤w″ (6)
压缩氢气膨胀输出机械功后，经气动马达传递至开关磁阻发电机，因气动马达通过机械结构与开关磁阻发电机连接，二者之间传动效率最大，无其它损失。
开关磁阻发电机将机械功转换为电能wp输出：wp＝wη1 (7)
燃料电池发电部分：燃料电池是通过氢气和氧气在催化剂作用下发生的电化学反应，直接将化学能转化成电能。在整个汽车行驶过程中燃料电池可供给的电能取决于高压气罐内氢气的总量。高压气罐内压缩氢气的压强为p1，储存压缩氢气体积为V1，正常工作时所处温度为T，由道尔顿分压定律可得：
PV＝nRT (8)
式中：n一一气体物质的量；R一一理想气体比例常数，一般为8.31441±0.00026J/(molK)。由物质的量计算方程和质量密度关系可得：
m＝ρV (10)
将式(9)和式(10)代入式(8)可得：
式中：ρ一一气体密度；M一一气体物质的摩尔质量。
燃料电池工作时，氢气参与的反应总方程式为：电子出发(阳极)后到达终点(阴极)所需的能量即是在这一过程中燃料电池的输出对外负载所作的功Gf，ΔGf所代表的意义是指反应物(H2和O2)内部含有的自由能总和与生成物(H2O)内部含有的自由能总和的差值，其计算公式为：
ΔGf＝Gf(H2O)-Gf(H2)-Gf(O2) (12)
假如不计其它损失，外电路中流经的电子总电量为：
2e·NA＝2F (13)
式中：F一一法拉第常数，为96485.3383±0.0083(C/mol)；NA一一阿伏伽德罗常数，为6.02214。
理论上驱动电子完成转移的功即是反应过程中所产生的吉布斯自由能之差ΔGf，故有：ΔGf＝2EN·F (14)
式中：EN一一热力学电动势，即燃料电池理想情况下所能输出最大电压。
考虑到ΔGf的值会受到内部条件和外部条件等多方面的影响，故燃料电池所输出功含有一定转化效率η2，可得燃料电池向外供能Gf为：
Gf＝ΔGf·n·η2 (15)
本动力系统中压缩氢气和燃料电池发出的电能共同输入至主电路提供给开关磁阻电动机，故供给开关磁阻电动机的总电能为：
wt1＝wp+Gf (16)
考虑到汽车的传动效率，用于驱动汽车行驶的最终能量为：
wt2＝wt1η3 (17)
汽车在水平道路上以速度v匀速行驶时。其中行驶中汽车所受滚动阻力：
Fr＝f·M0g (18)
汽车所受迎风阻力：Fw＝0.0386C·dρAv2 (19)
汽车所受总阻力：Ft＝Fr+Fw (20)
由能量守恒定律可得到汽车的有效行驶里程：
具体情况，经由以下实例讨论。考虑到汽车实际情况及相关市场调查，本汽车拟采用车载储氢气罐内初始压强为30MPa，体积为0.15m3(即150L)，所处温度为300K，压缩氢气经气动马达排出时气体压强为0.15MPa。由式(3)及相关参数可计算出起始、终了状态间的绝热膨胀所输出的总机械功w′；由式(5)可计算出起始、终了状态间的等温膨胀所输出的总机械功w″；由式(7)可计算出开关磁阻发电机转换得到的电能wp为：
绝热膨胀条件下：wp＝0.68993×107(J)
等温膨胀条件下：wp＝1.90739×107(J)
汽车行驶过程中，由式(15)及相关参数可计算燃料电池输出电能Gf为：
Gf＝21.35816×107 (J)
本系统拟采用汽车的规格是：汽车总质量(含驾驶员与乘客)为1500kg，汽车迎风面积为1.96m2，由式(18、19、20)及相关参数可计算出当汽车在水平道路上以60Km/h速度匀速行驶时，所受总阻力Ft为：
Ft＝302.5886 (N)
则由式(4-21)可计算出汽车维持正常时速60Km/h时有效里程是为：
绝热膨胀条件下：S′≈650Km
等温膨胀条件下：S′≈690Km
在实际的工作过程中，压缩氢气的膨胀过程热交换情况介于绝热膨胀与等温膨胀之间，对外所能做的机械功也介于两者之间，因此汽车理论上有效里程将在670Km左右。如果将车载储氢气罐内氢气的初始压强提高至40MPa，则同理可计算得到汽车理论上有效里程将提高至800Km。由此可见，本汽车混合动力系统在理论上完全能满足续航里程的需要，具有充分的可行性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明；
图1为本发明所述汽车混合动力系统的结构示意图；
图2为本发明所述汽车混合动力系统的线路连接示意图；
其中，1为高压储氢气罐，2为安全阀，3为气压表，4为手动截止阀，5为电磁截止阀-I，6为电磁减压阀，7为气动马达，8为氢气压力调节仪表，9为气动马达传动轮，10为开关磁阻发电机传动轮，11为开关磁阻发电机，12为开关磁阻发电机控制器，13为电源总开关，14为车载锂电池，15为变压器，16为锂电池充电器，17为双向DC/DC变换器，18为电磁开关，19为超级电容电池，20为开关磁阻电动机输出轴，21为开关磁阻电动机，22为开关磁阻电动机控制器，23为氢燃料电池，24为电磁截止阀-II，25为高压储氢气罐外充气口，26为氢燃料电池空气进气口，27为加湿器，28为热交换器，29为氢气循环泵。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白理解，下面结合具体图示，进一步阐明本发明。
如图1、图2所示，这套新型汽车动力系统包括发电部分和动力部分，发电部分包括压缩氢气发电部分、氢燃料电池发电部分、超级电容电池发电部分和开关磁阻发电机11；动力部分包括开关磁阻电动机21；压缩氢气发电部分包括高压储氢气罐1、手动截止阀4、电磁减压阀6、电磁截止阀-I 5、气动马达7和气动马达传动轮9；氢燃料电池发电部分包括氢燃料电池23、氢气压力调节仪表8、热交换器28、氢气循环泵29、加湿器27和电磁截止阀-II24；超级电容电池发电部分包括超级电容电池19和双向DC/DC变换器17。
高压储氢气罐1为气压30-50MPa的多重碳纤维强化塑料(CFRP)编织式高压储氢罐，高压储氢气罐1上设置有气罐外充气口25和出气口，高压储氢气罐1出气口通过管道-I连接气动马达7的进气口，管道-I上设置有手动截止阀4，由驾驶员手动打开，手动截止阀4后适当位置安装电磁减压阀6，电磁减压阀6后适当位置安装电磁截止阀-I 5；气动马达7的排气口通过管道-II与氢燃料电池23的阳极导气通道相连，管道-II上依次安装有氢气压力调节仪表8和热交换器28，氢燃料电池23再通过管道-III与氢气压力调节仪表8相连，管道-III上安装有氢气循环泵29，使氢气通过“氢气压力调节仪表8→热交换器28→氢燃料电池23→氢气循环泵29→氢气压力调节仪表8”达到一个循环，管道-IV连接氢燃料电池23的阴极导气通道与空气进气口，管道-IV上设置有电磁截止阀-II 24和加湿器27；气动马达7的转轴通过气动马达传动轮9连接开关磁阻发电机传动轮10；开关磁阻发电机11输出电路与氢燃料电池23输出电路均与主电路相连，主电路连接至开关磁阻电动机21；开关磁阻电动机21连接汽车传动轴。
开车时，驾驶员打开手动截止阀4，插入启动钥匙打开电源总开关13，电磁开关18自动闭合，超级电容电池19为开关磁阻电动机21提供启动电压，开关磁阻电动机21启动后，电磁开关18自动断开。打开电源总开关13的同时，电磁减压阀6、电磁截止阀-I 5和电磁截止阀-II 24自动打开，氢气通过管道-I进入气动马达7，气动马达7开始工作，继而带动开关磁阻发电机11工作发电；气动马达7工作后的氢气通过管道-II进入氢燃料电池23，新鲜空气通过管道-IV经加湿器27进入氢燃料电池23，氢燃料电池23中多余氢气通过管道-III再次进入管道-II中，使氢气循环使用，直至全部反应。氢燃料电池23反应产生的电能通过线路与开关磁阻发电机11的工作发电并入同一主电路，为汽车提供电能。停车时，驾驶员关闭手动截止阀4，气源截断，拔下钥匙后电磁减压阀6、电磁截止阀-I 5和电磁截止阀-II 24自动关闭。
汽车正常行驶中，开关磁阻发电机11和氢燃料电池23为汽车提供电能，随着车速提高，开关磁阻发电机11的转速也同步提高，气动马达7进氢气气量增加，经气动马达7工作使用后的低压氢气进入管道-II后，被氢燃料电池23反应消耗一部分，还未及时反应消耗的氢气在氢气循环泵29的作用下在管道-II、管道-III中不断循环，当氢气压力调节仪表8显示管道-II、管道-III中氢气压力超过0.5bar(即循环管道氢气一定冗余时)，电磁截止阀-I5自动关闭，气源切断。同时超级电容电池19通过双向DC/DC变换器17作为辅助动力为主电路供电，和氢燃料电池23共同为开关磁阻电动机21提供电能，汽车正常行驶、加速和上坡等。随着氢燃料电池23消耗氢气至氢气压力调节仪表8显示正常值时，电磁截止阀-I 5自动打开，气源恢复，气动马达7、开关磁阻发电机11正常工作。当主电路电能富余及汽车制动时，电路通过DC/DC变换器17迅速给超级电容电池19充电(超级电容可以在数秒内充电到容量的80％)，从而使超级电容电池19的电压始终保持在一个理想的工作状态。
电磁减压阀6的作用是将30-50MPa的压缩氢气减压至气动马达7的工作所需压力。电磁截止阀-I 5的作用是当氢气压力调节仪表8显示氢气压力超过0.5bar(即循环管道氢气冗余时)自动关闭气源，当氢气压力调节仪表8显示正常值时自动打开气源。高压储氢气罐1上设置有安全阀2和气压表3，安全阀2的作用是当为储氢气罐充气时防止过充，自动减压保证安全；气压表3的作用是反应储氢气罐的压力大小，并通过传感器在驾驶室仪表盘上显示气压大小，监测储氢气罐剩余气压及其安全。管道-II上安装的热交换器28维持进入氢燃料电池23的氢气温度，保证氢燃料电池23工作在最佳状态。管道-IV上安装的加湿器27兼具去离子过滤功能。
气动马达7为活塞式马达，耗气量小，转矩和转速与开关磁阻发电机11相匹配。开关磁阻发电机11效率高、启动转矩大，可实现无级变速、正反转等特性，其励磁方式为自励式，励磁电源由车载锂电池14提供。车载锂电池14还为开关磁阻发电机控制器12、开关磁阻电动机控制器22及所有电磁阀、电磁开关和汽车仪表进行供电，通过锂电池充电器16可为车载锂电池14进行充电，整个系统全为直流电源。主电路的电压由变压器15升压到220V。
开关磁阻电动机输出轴20与汽车传动轴相连接，汽车的加速和倒车由汽车驾驶室的油门踏板和汽车倒档档位控制，油门踏板改变的是开关磁阻电动机控制器22控制开关磁阻电动机21的电流大小进而实现无级变速的目的；汽车倒档档位改变的是开关磁阻电动机控制器22控制开关磁阻电动机21的相绕组通电顺序进而实现反转，达到倒车的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都在要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.氢能再循环汽车清洁混合动力系统，其特征指的是包括发电部分和动力部分，压缩氢气发电后用于氢燃料电池发电，所述发电部分包括压缩氢气发电部分、氢燃料电池发电部分、超级电容电池发电部分和开关磁阻发电机；所述动力部分包括开关磁阻电动机；启动时，超级电容电池为开关磁阻电动机提供启动电压，氢气通过管道-I进入气动马达，气动马达开始工作，继而带动开关磁阻发电机工作发电；气动马达工作后的氢气通过管道-II进入氢燃料电池，新鲜空气通过管道-IV经加湿器进入氢燃料电池，氢燃料电池中多余氢气通过管道-III再次进入管道-II中，使氢气循环使用，直至全部反应；正常行驶中，开关磁阻发电机和氢燃料电池为汽车提供电能，随着车速提高，开关磁阻发电机的转速也同步提高，气动马达进氢气气量增加，经气动马达工作使用后的低压氢气进入管道-II后，被氢燃料电池反应消耗一部分，还未及时反应消耗的氢气在氢气循环泵的作用下在管道-II、管道-III中不断循环，当氢气压力调节仪表显示管道-II、管道-III中氢气压力超过0.5bar，电磁截止阀-I自动关闭，气源切断。
2.根据权利要求1所述的氢能再循环汽车清洁混合动力系统，其特征是压缩氢气发电部分，包括高压储氢气罐、手动截止阀、电磁减压阀、电磁截止阀-I、气动马达、传动轮和开关磁阻发电机部分；高压储氢气罐上设置有气罐外充气口、安全阀和气压表，高压储氢气罐通过管道-I连接气动马达；管道-I上依次安装有手动截止阀、电磁减压阀和电磁截止阀-I；气动马达通过传动轮连接开关磁阻发电机转轴；开关磁阻发电机与开关磁阻电动机相连；开关磁阻电动机连接汽车传动轴。
3.根据权利要求1所述的氢能再循环汽车清洁混合动力系统，其特征是氢燃料电池发电部分包括氢燃料电池、氢气压力调节仪表、热交换器、氢气循环泵、电磁截止阀-II、加湿器；氢燃料电池与气动马达通过管道-II相连，管道-II上依次安装有氢气压力调节仪表和热交换器，氢燃料电池与氢气压力调节仪表通过管道-III相连，管道-III上安装有氢气循环泵；氢燃料电池、管道-II和管道-III之间形成一个氢气循环，氢燃料电池连接管道-IV为空气进气管道，管道-IV上依次安装有电磁截止阀-II、加湿器。
4.根据权利要求3所述的氢能再循环汽车清洁混合动力系统，其特征是氢气循环包括氢气的压缩气体能量和其所含氢能能两次利用，极大地增加了能量利用效率，有效地提高了汽车的行驶距离，同时实现了零污染排放。
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