CN107190277B - 一种插电式车载制氢机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种插电式车载制氢机，具体内容涉及氢气随车制取技术。该系统在保留原车载制氢机全部零件的基础上增加了制氢系统电控单元和一套能够利用电动车充电桩为车载制氢机供电的系统。制氢系统电控单元可以判断车载制氢机是否能起动制氢，并在系统利用车辆发电机电能制氢时加大汽车负荷输入信号以补偿制氢机所消耗的功率。通过相应接口及通讯模块，制氢机电源可以与电动车充电桩相连接并获得动力电，使系统能够利用充电桩电源高效制氢，从而为提高系统制氢效率提供有益技术方案。

Description

一种插电式车载制氢机
技术领域
本发明提供一种插电式车载制氢机的装置及方法，具体内容涉及氢气随车制取技术。
背景技术
由于氢气具有点火能量低、火焰传播速度快、分子结构不含碳原子及稀燃极限宽等特点，因而向燃烧室中掺入少量氢气被证明能够有效改善内燃机的燃烧与排放特性。同时，利用纯氢气完成内燃机冷起动及热机起动也能有效减小液体燃料内燃机起动过程中由于油膜效应而导致的HC、CO排放增加的问题。然而，由于氢基础设施目前还较少，这导致驾驶员在实际驾驶掺氢内燃机汽车时面临加氢困难的问题。
为解决这一问题，相关技术指出可以在车辆上通过安装车载制氢机的方法，利用汽车行驶过程中发电机所产生的电能驱动车载制氢机电解水制氢，从而通过该方法实现氢气的随车制取。
该方法虽然能够实现氢气的随车制取，从而减少了掺氢内燃机汽车在使用过程中面临的加氢困难的问题，但是通过汽车上的发电机为车载制氢机供电，利用车载制氢机电解水或碱液来制氢的方法还存在以下问题需要解决：首先，车载制氢机自身的功率一般均较高，这使得从发电机向制氢机供电的电力系统电流较大，增加了传输电路中的能量损失，并增加了系统运行风险；同时，发电机需要发动机额外燃烧更多的燃料来发电，进而为车载制氢机提供电能，这又在一定程度上不利于整车运行效率的提高及有害排放污染物的控制；此外，由于发动机的做工能力有限，大负荷条件下，由于车载制氢机所消耗的能量来自于发动机驱动发电机输出的电能，因而该方法会对车辆在加速及高速运行条件下的动力性带来不利影响。
发明内容
针对氢混合燃料汽车存在的氢气加注困难及利用车载制氢机随车制取氢气时可能会导致整车动力性降低的问题，本发明提供一种插电式车载制氢机及方法。本发明中的车载制氢机可以通过从电动汽车充电桩和汽车发动机上获取电能，进而通过电解水或碱液完成氢气的制取。在制氢时，优先通过外接充电桩电源获取电能，以减少对整车发电机电能的消耗，保证车辆动力系统的动力性和油耗不受影响，并提高制氢系统效率；在使用汽车发电机电解水或碱液制氢时，通过对制氢策略的优化，尽量减小制氢系统运行对整车动力系统的影响，并保证氢气系统的稳定运行。
1、一种插电式车载制氢机,该装置包括液位传感器4、电解液箱5、车载制氢机壳体6、电解槽供电线11、电解槽12、储氢罐压力传感器13及储氢罐14；
其特征在于：该装置还包括一个制氢系统电控单元2、一个制氢机充电桩电缆接口7、一个通讯模块8、一个变压器9、一个高压入口继电器10、一个电压调节器19及一个低压入口继电器18；
所述制氢系统电控单元2与发动机电控单元3相连接，获得电瓶电压信号w、转速信号x及进气压力信号z，并可向发动机电控单元3发出负荷控制信号f；
所述制氢系统电控单元2与安装在汽车本体上的踏板位置传感器1相连接，获得踏板位置信号a；
所述制氢系统电控单元2与液位传感器4相连接，获得电解液液位信号g；
所述制氢系统电控单元2与储氢罐压力传感器13相连接，获得氢气罐压力信号b；
所述制氢系统电控单元2与低压入口继电器18相连接，发出低压入口继电器控制信号c；
所述制氢系统电控单元2与变压器9相连接，获得变压后电压信号d；
所述制氢系统电控单元2与高压入口继电器10相连接，发出高压入口继电器控制信号e；
所述低压入口继电器18通过电线连接在安装在汽车上原有的发电机15和电解槽供电线11之间；
所述通讯模块8通过电线与汽车上原有的蓄电池16相连接；
所述制氢机充电桩电缆接口7能够与充电桩17相连接；
所述电压调节器19通过电线与低压入口继电器18相连接，并与电解槽供电线11相连接，电解槽供电线11与电解槽12相连接，电压调节器19将发电机15所产生的电压调整为电解槽12所需要的工作电压；
所述变压器9与电解槽供电线11相连接，电解槽供电线11与电解槽12相连接，变压器9将来自充电桩17的电压调整为电解槽12所需要的工作电压。
2、所述的一种插电式车载制氢机的控制方法，其特征在于：
(1)制氢系统电控单元2首先通过氢气罐压力信号b检测储氢罐14中的氢气压力,当氢气压力大于等于最低压力Pmin时，该最低压力由用户自行制定并输入至制氢系统电控单元2，该最低压力设为满足车辆以纯氢气方式起动最少1次或以上所需要的氢气压力，制氢系统电控单元2判定不需要起动制氢机电解水制氢，此时制氢系统电控单元2通过发出低压入口继电器控制信号c和高压入口继电器控制信号e分别切断低压入口继电器18和高压入口继电器10，同时，由于此时制氢系统未起动，因此制氢系统电控单元2将踏板位置信号a不经任何处理直接通过负荷控制信号f传输给发动机电控单元3，使发动机运行在原机控制模式；
(2)当制氢系统电控单元2通过氢气罐压力信号b检测储氢罐14中的氢气压力,当氢气压力小于最低压力Pmin时，制氢系统电控单元2继续监测电解液液位信号g，仅当电解液液位大于等于所设定的最低液位时，制氢系统电控单元2判定此时能够起动制氢机为系统制氢，在制氢系统起动条件下的制氢方法能够分为外接电桩电源制氢和利用车用发电机电能制氢两种方式，制氢系统电控单元2在判定制氢机能够起动的条件下会首先变压后电压信号d判定变压器9是否已经从外接充电桩17上获得制氢所需的动力电，当变压器9已经从充电桩17上获得动力电时，制氢系统电控单元2通过发出低压入口继电器控制信号c断开低压入口继电器18，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器10接通，使来自充电桩的动力电源能够经变压器9变压后再经由高压入口继电器10及电解槽供电线11为电解槽12供电，在外接电桩电源制氢方式下，由于通讯模块8负责向制氢机充电桩电缆接口7中的通讯线部分提供通讯信号，以完成和充电桩17的通讯握手，；
制氢系统电控单元2在判定制氢机能够起动的条件下会首先变压后电压信号d判定变压器9是否已经从外接充电桩17上获得制氢所需的动力电，当变压器9未能从充电桩17上获得动力电时，制氢系统电控单元2继续通过从发动机电控单元3获得的电瓶电压信号w判断发电机是否有能力为制氢系统供电，获得转速信号x判断发动机转速，获得进气压力信号z判断发动机进气道压力，仅当电瓶电压信号w显示蓄电池电压大于13.0V，且发动机转速介于1500r/min至4500r/min且进气道压力不低于40kPa且不大于最大进气压力的90％时，制氢系统电控单元2通过发出低压入口继电器控制信号c接通低压入口继电器18，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器10断开，此时电能能够从发电机经导线、低压入口继电器18及电解槽供电线11为电解槽12供电，使电解槽12能够利用发电机电能电解制氢，同时，由于电解槽制氢会消耗一部分发动机功率，为避免驾驶员在相同油门踏板位置下当制氢系统起动时感受到发动机输出功的变化，制氢系统电控单元2将从踏板位置传感器1获得的踏板位置信号a增大2％至10％后通过发出负荷控制信号f至发动机电控单元3使发动机实际做功能力提高，以补偿制氢系统消耗的发动机做功；
(3)在制氢系统运行过程中，制氢系统电控单元2继续检测氢气罐压力信号b和电解液液位信号g，当储氢罐14达到额定压力时，或者电解液箱5中电解液不足时，制氢系统电控单元2立刻通过发出低压入口继电器控制信号c断开低压入口继电器18，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器10断开，使电解槽12停止电解制氢。
本发明的有益效果是：针对氢混合动力汽车存在的加氢困难，以及制氢过程会消耗发动机做功，导致发动机油耗增加，动力性下降的问题，本发明所提供的一种插电式车载制氢机能够从电动车用的充电桩获得电能为制氢机供电，在车辆行驶过程中制氢时，系统会自动增加发动机的输出负荷以补偿制氢机起动所消耗的发动机做功，使驾驶员不会感受到制氢机起动后汽车动力系统做功能力的变化。使用本发明所提供的系统能够为丰富氢混合动力汽车中氢气的制取方法，提高制氢效率及改善整车动力系统感受提供有益方法
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图
图中：1踏板位置传感器；2制氢系统电控单元；3发动机电控单元；4液位传感器；5电解液箱；6车载制氢机壳体；7制氢机充电桩电缆接口；8通讯模块；9变压器；10高压入口继电器；11电解槽供电线；12电解槽；13储氢罐压力传感器；14储氢罐；15汽车发电机；16蓄电池；17充电桩；18低压入口继电器；19电压调节器
a.踏板位置信号；b.氢气罐压力信号；c.低压入口继电器控制信号；d.变压后电压信号；e.高压入口继电器控制信号；f.负荷控制信号；g.电解液液位信号；w.电瓶电压信号；x.转速信号；z.进气压力信号
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本实施例中的一种插电式车载制氢机，在保留液位传感器4、电解液箱5、车载制氢机壳体6、电解槽供电线11、电解槽12、储氢罐压力传感器13及储氢罐14的基础上，增加了一个制氢系统电控单元2、一个制氢机充电桩电缆接口7、一个通讯模块8、一个变压器9、一个高压入口继电器10、一个电压调节器19及一个低压入口继电器18；
所述制氢系统电控单元2与发动机电控单元3相连接，获得电瓶电压信号w、转速信号x及进气压力信号z，并可向发动机电控单元3发出负荷控制信号f；
所述制氢系统电控单元2与安装在汽车本体上的踏板位置传感器1相连接，获得踏板位置信号a；
所述制氢系统电控单元2与液位传感器4相连接，获得电解液液位信号g；
所述制氢系统电控单元2与储氢罐压力传感器13相连接，获得氢气罐压力信号b；
所述制氢系统电控单元2与低压入口继电器18相连接，发出低压入口继电器控制信号c；
所述制氢系统电控单元2与变压器9相连接，获得变压后电压信号d；
所述制氢系统电控单元2与高压入口继电器10相连接，发出高压入口继电器控制信号e；
所述低压入口继电器18通过电线连接在安装在汽车上原有的发电机15和电解槽供电线11之间；
所述通讯模块8通过电线与汽车上原有的蓄电池16相连接；
所述电压调节器19通过电线与低压入口继电器18相连接，并与电解槽供电线11相连接，电解槽供电线11与电解槽12相连接，电压调节器19将发电机15所产生的电压调整为电解槽12所需要的工作电压；
所述变压器9与电解槽供电线11相连接，电解槽供电线11与电解槽12相连接，变压器9将来自充电桩14的电压调整为电解槽12所需要的工作电压；
所述制氢机充电桩电缆接口7能够与充电桩17相连接。
本发明中一种插电式车载制氢机的控制方法如下：
(1)制氢系统电控单元2首先通过氢气罐压力信号b检测储氢罐14中的氢气压力(PH2),当氢气压力大于等于最低压力(Pmin)时，该最低压力由用户自行制定并输入至制氢系统电控单元2，该最低压力设为满足车辆以纯氢气方式起动最少1次或以上所需要的氢气压力，制氢系统电控单元2判定不需要起动制氢机电解水制氢，此时制氢系统电控单元2通过发出低压入口继电器控制信号c和高压入口继电器控制信号e分别切断低压入口继电器18和高压入口继电器10，同时，由于此时制氢系统未起动，因此制氢系统电控单元2将踏板位置信号a不经任何处理直接通过负荷控制信号f传输给发动机电控单元3，使发动机运行在原机控制模式；
(2)当制氢系统电控单元2通过氢气罐压力信号b检测储氢罐14中的氢气压力(PH2),当氢气压力小于最低压力(Pmin)时，制氢系统电控单元2继续监测电解液液位信号g，仅当电解液液位大于等于所设定的最低液位时，制氢系统电控单元2判定此时可以起动制氢机为系统制氢，在制氢系统起动条件下的制氢方法可以分为外接电桩电源制氢和利用车用发电机电能制氢两种方式，制氢系统电控单元2在判定制氢机可以起动的条件下会首先变压后电压信号d判定变压器9是否已经从外接充电桩17上获得制氢所需的动力电，当变压器9已经从充电桩17上获得动力电时，制氢系统电控单元2通过发出低压入口继电器控制信号c断开低压入口继电器18，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器10接通，使来自充电桩的动力电源能够经变压器9变压后再经由高压入口继电器10及电解槽供电线11为电解槽12供电，在外接电桩电源制氢方式下，由于通讯模块8负责向制氢机充电桩电缆接口7中的通讯线部分提供通讯信号，以完成和充电桩17的通讯握手，由于通讯模块8通过导线直接与蓄电池相连接，因而任意时刻只要从充电桩17向制氢机充电桩电缆接口7连接充电线缆，通讯模块8都可完成与充电桩17的握手，保证制氢机能够获得来自于充电桩17的动力电源；
制氢系统电控单元2在判定制氢机可以起动的条件下会首先变压后电压信号d判定变压器9是否已经从外接充电桩17上获得制氢所需的动力电，当变压器9未能从充电桩17上获得动力电时，制氢系统电控单元2继续通过从发动机电控单元3获得的电瓶电压信号w判断发电机是否有能力为制氢系统供电，获得转速信号x判断发动机转速，获得进气压力信号z判断发动机进气道压力，仅当电瓶电压信号w显示蓄电池电压大于13.0V，且发动机转速介于1500r/min至4500r/min且进气道压力不低于40kPa且不大于最大进气压力的90％时，制氢系统电控单元2通过发出低压入口继电器控制信号c接通低压入口继电器18，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器10断开，此时电能能够从发电机经导线、低压入口继电器18及电解槽供电线11为电解槽12供电，使电解槽12能够利用发电机电能电解制氢，同时，由于电解槽制氢会消耗一部分发动机功率，为避免驾驶员在相同油门踏板位置下当制氢系统起动时感受到发动机输出功的变化，制氢系统电控单元2将从踏板位置传感器1获得的踏板位置信号a增大2％至10％后通过发出负荷控制信号f至发动机电控单元3使发动机实际做功能力提高，以补偿制氢系统消耗的发动机做功。
(3)在制氢系统运行过程中，制氢系统电控单元2继续检测氢气罐压力信号b和电解液液位信号g，当储氢罐14达到最大压力，或者电解液箱5中电解液不足时，制氢系统电控单元2立刻通过发出低压入口继电器控制信号c断开低压入口继电器18，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器10断开，使电解槽12停止电解制氢。

Claims (2)

1.一种插电式车载制氢机,该制氢机包括液位传感器、电解液箱、车载制氢机壳体、电解槽供电线、电解槽、储氢罐压力传感器及储氢罐；
其特征在于：该制氢机还包括一个制氢系统电控单元、一个制氢机充电桩电缆接口、一个通讯模块、一个变压器、一个高压入口继电器、一个电压调节器及一个低压入口继电器；
所述制氢系统电控单元与发动机电控单元相连接，获得电瓶电压信号w、转速信号x及进气压力信号z，并可向发动机电控单元发出负荷控制信号f；
所述制氢系统电控单元与安装在汽车本体上的踏板位置传感器相连接，获得踏板位置信号a；
所述制氢系统电控单元与液位传感器相连接，获得电解液液位信号g；
所述制氢系统电控单元与储氢罐压力传感器相连接，获得氢气罐压力信号b；
所述制氢系统电控单元与低压入口继电器相连接，发出低压入口继电器控制信号c；
所述制氢系统电控单元与变压器相连接，获得变压后电压信号d；
所述制氢系统电控单元与高压入口继电器相连接，发出高压入口继电器控制信号e；
所述低压入口继电器通过电线连接在安装在汽车上原有的发电机和电解槽供电线之间；
所述通讯模块通过电线与汽车上原有的蓄电池相连接；在外接电桩电源制氢方式下，由于通讯模块负责向制氢机充电桩电缆接口中的通讯线部分提供通讯信号，以完成和充电桩的通讯握手；由于通讯模块通过导线直接与蓄电池相连接，因而任意时刻只要从充电桩向制氢机充电桩电缆接口连接充电线缆，通讯模块都可完成与充电桩的握手，保证制氢机能够获得来自于充电桩的动力电源；
所述制氢机充电桩电缆接口能够与充电桩相连接；
所述电压调节器通过电线与低压入口继电器相连接，并与电解槽供电线相连接，电解槽供电线与电解槽相连接，电压调节器将发电机所产生的电压调整为电解槽所需要的工作电压；
所述变压器与电解槽供电线相连接，电解槽供电线与电解槽相连接，变压器将来自充电桩的电压调整为电解槽所需要的工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种插电式车载制氢机的控制方法，其特征在于：
(1)制氢系统电控单元首先通过氢气罐压力信号b检测储氢罐中的氢气压力,当氢气压力大于等于最低压力Pmin时，该最低压力由用户自行制定并输入至制氢系统电控单元，该最低压力设为满足车辆以纯氢气方式起动最少次或以上所需要的氢气压力，制氢系统电控单元判定不需要起动制氢机电解水制氢，此时制氢系统电控单元通过发出低压入口继电器控制信号c和高压入口继电器控制信号e分别切断低压入口继电器和高压入口继电器，同时，由于此时制氢系统未起动，因此制氢系统电控单元将踏板位置信号a不经任何处理直接通过负荷控制信号f传输给发动机电控单元，使发动机运行在原机控制模式；
(2)当制氢系统电控单元通过氢气罐压力信号b检测储氢罐中的氢气压力,当氢气压力小于最低压力Pmin时，制氢系统电控单元继续监测电解液液位信号g，仅当电解液液位大于等于所设定的最低液位时，制氢系统电控单元判定此时能够起动制氢机为系统制氢，在制氢系统起动条件下的制氢方法能够分为外接电桩电源制氢和利用车用发电机电能制氢两种方式，制氢系统电控单元在判定制氢机能够起动的条件下会首先变压后电压信号d判定变压器是否已经从外接充电桩上获得制氢所需的动力电，当变压器已经从充电桩上获得动力电时，制氢系统电控单元通过发出低压入口继电器控制信号c断开低压入口继电器，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器接通，使来自充电桩的动力电源能够经变压器变压后再经由高压入口继电器及电解槽供电线为电解槽供电，在外接电桩电源制氢方式下，由于通讯模块负责向制氢机充电桩电缆接口中的通讯线部分提供通讯信号，以完成和充电桩的通讯握手；
制氢系统电控单元在判定制氢机能够起动的条件下会首先变压后电压信号d判定变压器是否已经从外接充电桩上获得制氢所需的动力电，当变压器未能从充电桩上获得动力电时，制氢系统电控单元继续通过从发动机电控单元获得的电瓶电压信号w判断发电机是否有能力为制氢系统供电，获得转速信号x判断发动机转速，获得进气压力信号z判断发动机进气道压力，仅当电瓶电压信号w显示蓄电池电压大于13.V，且发动机转速介于1500r/min至4500r/min且进气道压力不低于40kPa且不大于最大进气压力的90％时，制氢系统电控单元通过发出低压入口继电器控制信号c接通低压入口继电器，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器断开，此时电能能够从发电机经导线、低压入口继电器及电解槽供电线为电解槽供电，使电解槽能够利用发电机电能电解制氢，同时，制氢系统电控单元将从踏板位置传感器获得的踏板位置信号a增大2％至10％后通过发出负荷控制信号f至发动机电控单元使发动机实际做功能力提高，以补偿制氢系统消耗的发动机做功；
(3)在制氢系统运行过程中，制氢系统电控单元继续检测氢气罐压力信号b和电解液液位信号g，当储氢罐达到额定压力时，或者电解液箱中电解液不足时，制氢系统电控单元立刻通过发出低压入口继电器控制信号c断开低压入口继电器，并通过发出高压入口继电器控制信号e使高压入口继电器断开，使电解槽停止电解制氢。
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