CN108859726A - 一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于节能与新能源汽车领域，具体的说是一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统。该系统包括内燃机、升速箱、第一、二电机、变速器、电动复合增压器、燃料电池系统、高压电压转换器、高压储能电池和电机控制器等。其中第一电机通过升速箱与内燃机机械连接，第二电机与变速器输入轴机械连接并经由差速器传递驱动力到车轮。燃料电池系统和内燃机排出的废气与增压器电机共同驱动电动复合增压器；燃料电池系统的废氢经过减湿器减湿之后存储在废氢存储罐中，当内燃机工作时，通过文丘里管装置产生的负压将废氢引入到内燃机内燃烧。本发明实现燃料电池系统作为能量源的零排放驱动，又可实现燃料电池系统和内燃机作为复合能量源的近零排放驱动。
Description
技术领域
本发明属于节能与新能源汽车领域，具体的说是一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统。
背景技术
随着国家节能、减排政策的逐步加严，发展节能与新能源汽车已经成为必然的发展趋势。匹配传统内燃机的中重型商用车和长途客车的能耗高、排放高，现有排放控制技术增加整车成本很高，且很难有进一步的技术突破实现近零排放。而采用纯电驱动的商用车、成本高、重量大、有效载荷被降低。
目前乘用车、轻型商用车和城市客车都已经有了明确的节能技术方案，比如乘用车以发展纯电动和插电式混合动力为主；轻型商用车和城市客车以发展纯电动为主。但是中重型商用车和长途客车由于整车满载质量大、续驶里程长以及整车行驶基本为高速工况的特点，该类车型发展纯电动路线，将导致整车的整备质量翻倍，而且整车增加成本巨大也不为市场所接受；如果该类车型发展混合动力或者插电式混合动力技术路线，如发明专利一种混合动力汽车的混联式混合动力系统【200910044337.1】中提到的混合动力系统在高速行驶工况下整车节能效果小于7％，整车增加成本的回收周期也不能满足客户需求。而开发纯燃料电池动力系统也面临成本增加巨大等难题。
发明内容
本发明提供了一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，该驱动系统根据整车运行工况，自动控制燃料电池系统、高压储能电池与内燃机的协同工作，使内燃机尽可能工作在高效区，而且尽可能使内燃机稳态工作，以降低整车的能耗、排放和噪声。另外燃料电池系统功率只是作为内燃机功率的补充，可最大程度降低燃料电池成本，从而降低整车增加成本，解决了现有乘用车、轻型商用车和城市客车的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，该系统包括内燃机进气歧管1、内燃机2、内燃机排气歧管3、空气滤清器4、废气减湿器5、消声器6、电机控制器7、高压电压转换器8、空气中冷器9、电控三通比例阀10、增湿器11、燃料电池系统12、氢气循环泵13、减压阀14、高压储氢罐15、排氢阀16、高压储能电池17、排气管18、差速器19、车轮20、变速器21、第二电机22、第一电机23、文丘里管装置25、电动复合增压器、废氢存储罐29、两通电磁阀30和废氢减湿器31；所述的电动复合增压器包括增压泵26、增压器电机27和废气涡轮28；其中，所述的内燃机2与第一电机23机械连接；所述的第二电机22与变速器21输入端机械连接并经由差速器19传递驱动力到车轮20；所述的燃料电池系统12的电能输出端通过高压电线与高压电压转换器8的输入端连接；所述的高压电压转换器8的输出端与高压储能电池17的输出端通过高压电线并联后与电机控制器7的输入端连接；所述的电机控制器7的输出端通过高压电线与第一电机23和第二电机22连接；所述的空气滤清器4通过空气管路与增压泵26的输入端连接；所述的增压泵26的输出端通过空气管路与空气中冷器9的输入端连接；所述的空气中冷器9的输出端通过空气管路与电控三通比例阀10的输入端连接；所述的电控三通比例阀10的一个输出端通过增湿器11与燃料电池系统12连接；所述的电控三通比例阀10的另一个输出端通过空气管路与内燃机进气歧管1连接；所述的高压储氢罐15的输出端通过高压氢气管路与减压阀14的输入端连接；所述的减压阀14的输出端与氢气循环泵13并联后与燃料电池系统12连接；所述的燃料电池系统12的废气排放端通过管路与废气减湿器5的输入端连接；所述的废气减湿器5的输出端通过管路与废气涡轮28的输入端连接；所述的内燃机排气歧管3通过管路与废气涡轮28的输入端连接；所述的增压器电机27通过单向离合器与废气涡轮28同轴连接；所述的废气涡轮28的输出端与消声器6的输入端机械连接；所述的消声器6的输出端与排气管18机械连接；所述的燃料电池系统12的废氢输出端通过管路分别与氢气循环泵13的输入端和排氢阀16的输入端连接；所述的排氢阀16的输出端通过管路与废氢减湿器31的输入端连接；所述的废氢减湿器31的输出端通过管路与废氢存储罐29的输入端连接；所述的废氢存储罐29的输出端上设置有两通电磁阀30；所述的废氢存储罐29的输出端通过管路与文丘里管装置25的负压端口连接；所述的文丘里管装置25通过管路与电控三通比例阀10的输出端与内燃机进气歧管1连接的管路并联。
该系统还包括升速箱24；所述的升速箱24的一端与发动机的输出端机械连接，另一端与第一电机23机械连接。
所述的升速箱24为平行轴减速齿轮机构或行星齿轮升速机构。
所述的变速器21为机械式自动变速器或双离合自动变速器或单挡位减速器。
所述的增压泵26是单级增压或两级增压。
所述的废气涡轮28是单涡轮或者复合涡轮。
所述的燃料电池系统12的输出功率与内燃机2的高效率区输出功率之和大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率与电动附件消耗功率之和。
所述的第二电机22的峰值输出功率大于等于车辆满载加速功率，第二电机22的额定输出功率大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率。
所述的第一电机23的额定输出功率大于等于内燃机2的高效率区输出功率。
所述的高压储能电池17的峰值输出功率大于第二电机22的峰值输出功率与燃料电池系统12的输出功率的差值，也大于第二电机22的峰值输出功率第一电机23的峰值输出功率和燃料电池系统12的输出功率之和的差值。
本发明的有益效果为：
1、本发明中的燃料电池系统排出的废气和内燃机排出的废气与增压器电机共同驱动电动复合增压器，降低了增压器电机电能消耗；
2、本发明中的燃料电池系统的废氢通过文丘里管装置产生的负压并经两通电磁阀控制将废氢引入到内燃机内燃烧，降低了内燃机的油耗，同时避免了废氢排放引起的空气污染；
3、本发明中的燃料电池系统与内燃机复合的电驱动系统可实现由燃料电池系统单独作为能量源，由第二电机驱动车辆行驶，实现整车零排放；又可将内燃机和燃料电池系统作为复合能量源，由内燃机驱动第一电机产生的电能和燃料电池系统产生的电能共同驱动第二电机，由第二电机驱动车辆行驶，实现整车近零排放；
4、中重型商用车和长途客车采用该动力系统，与纯电动方案相比，高压储能电池容量仅为采用纯电动方案的五十分之一，整车增加质量相应降低，而且不需要外接充电，降低整车能量补充时间；与混合动力系统方案相比，由于内燃机始终工作在高效率区，且处于稳定工作状态，整车油耗降低35％以上，整车排放达到近零水平；在全生命周期内的整车采购成本与整车使用成本之和与传统内燃机车相当。
附图说明
图1为实施例一的整体结构示意图；
图2为实施例一中内燃机工作特性示意图；
图3为实施例二的整体结构示意图；
图4为实施例三的整体结构示意图；
图5为实施例四的整体结构示意图。
图中：1、内燃机进气歧管；2、内燃机；3、内燃机排气歧管；4、空气滤清器；5、废气减湿器；6、消声器；7、电机控制器；8、高压电压转换器；9、空气中冷器；10、电控三通比例阀；11、增湿器；12、燃料电池系统；13、氢气循环泵；14、减压阀；15、高压储氢罐；16、排氢阀；17、高压储能电池；18、排气管；19、差速器；20、车轮；21、变速器；22、第二电机；23、第一电机；24、升速箱；25、文丘里管装置；26、增压泵；27、增压器电机；28、废气涡轮；29、废氢存储罐；30、两通电磁阀；31、废氢减湿器。
具体实施方式
一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，该系统包括内燃机进气歧管1、内燃机2、内燃机排气歧管3、空气滤清器4、废气减湿器5、消声器6、电机控制器7、高压电压转换器8、空气中冷器9、电控三通比例阀10、增湿器11、燃料电池系统12、氢气循环泵13、减压阀14、高压储氢罐15、排氢阀16、高压储能电池17、排气管18、差速器19、车轮20、变速器21、第二电机22、第一电机23、文丘里管装置25、电动复合增压器、废氢存储罐29、两通电磁阀30和废氢减湿器31；所述的电动复合增压器包括增压泵26、增压器电机27和废气涡轮28。
其中，所述的内燃机2与第一电机23机械连接；所述的第二电机22与变速器21输入端机械连接并经由差速器19传递驱动力到车轮20；所述的燃料电池系统12的电能输出端通过高压电线与高压电压转换器8的输入端连接；所述的高压电压转换器8的输出端与高压储能电池17的输出端通过高压电线并联后与电机控制器7的输入端连接；所述的电机控制器7的输出端通过高压电线与第一电机23和第二电机22连接；所述的空气滤清器4通过空气管路与增压泵26的输入端连接；所述的增压泵26的输出端通过空气管路与空气中冷器9的输入端连接；所述的空气中冷器9的输出端通过空气管路与电控三通比例阀10的输入端连接；所述的电控三通比例阀10的一个输出端通过增湿器11与燃料电池系统12连接；所述的电控三通比例阀10的另一个输出端通过空气管路与内燃机进气歧管1连接；所述的高压储氢罐15的输出端通过高压氢气管路与减压阀14的输入端连接；所述的减压阀14的输出端与氢气循环泵13并联后与燃料电池系统12连接；所述的燃料电池系统12的废气排放端通过管路与废气减湿器5的输入端连接；所述的废气减湿器5的输出端通过管路与废气涡轮28的输入端连接；所述的内燃机排气歧管3通过管路与废气涡轮28的输入端连接；所述的增压器电机27通过单向离合器与废气涡轮28同轴连接；所述的废气涡轮28的输出端与消声器6的输入端机械连接；所述的消声器6的输出端与排气管18机械连接；所述的燃料电池系统12的废氢输出端通过管路分别与氢气循环泵13的输入端和排氢阀16的输入端连接；所述的排氢阀16的输出端通过管路与与废氢减湿器31的输入端连接；所述的废氢减湿器31的输出端通过管路与废氢存储罐29的输入端连接；所述的废氢存储罐29的输出端上设置有两通电磁阀30；所述的废氢存储罐29的输出端通过管路与文丘里管装置25的负压端口连接；所述的文丘里管装置25通过管路与电控三通比例阀10的输出端与内燃机进气歧管1连接的管路并联。
所述的内燃机2与第一电机23之间可以安装升速箱24；所述的升速器24的一端与发动机的输出端机械连接，另一端与第一电机23机械连接。升速箱24可以是平行轴减速齿轮机构也可以是行星齿轮升速机构；升速箱24也可以取消。
所述的变速器21可以是机械式自动变速器AMT(Automatic MachincalTransmission)，或者是双离合自动变速器DCT(Double Dlutch Transmission)，也可以是单挡位减速器。
所述的电动复合增压器由增压泵26、增压器电机27、废气涡轮28三部分组成。增压泵26可以是单级增压、也可以是两级增压。废气涡轮28可以是单涡轮、也可以是复合涡轮。单涡轮是指内燃机2排出的废气与燃料电池系统12排出的废气共同驱动一个废气涡轮，该废气涡轮与增压器电机27分别通过单向离合器同轴连接；复合涡轮是指内燃机2排出的废气驱动一个废气涡轮，燃料电池系统12排出的废气驱动另一个废气涡轮，这两个废气涡轮与增压器电机27分别通过单向离合器同轴连接。
所述的燃料电池系统12的输出功率与内燃机2的高效率区输出功率之和大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率与电动附件消耗功率之和。
所述的第二电机22的峰值输出功率大于等于车辆满载加速功率，第二电机22的额定输出功率大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率。
所述的第一电机23的额定输出功率大于等于内燃机2的高效率区输出功率。
所述的高压储能电池17的峰值输出功率大于第二电机22的峰值输出功率与燃料电池系统12的输出功率的差值，也大于第二电机22的峰值输出功率第一电机23的峰值输出功率和燃料电池系统12的输出功率之和的差值。
实施例一
参阅图1、图2，一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，该系统包括内燃机进气歧管1、内燃机2、内燃机排气歧管3、空气滤清器4、废气减湿器5、消声器6、电机控制器7、高压电压转换器8、空气中冷器9、电控三通比例阀10、增湿器11、燃料电池系统12、氢气循环泵13、减压阀14、高压储氢罐15、排氢阀16、高压储能电池17、排气管18、差速器19、车轮20、变速器21、第二电机22、第一电机23、升速箱24、文丘里管装置25、电动复合增压器、废氢存储罐29、两通电磁阀30和废氢减湿器31。
在该实施例中的升速箱24特指平行轴式升速机构。
所述的电动复合增压器包括增压泵26、增压器电机27和废气涡轮28，电动复合增压器主要由增压器电机27驱动。在该实施例中的废气涡轮28特指单涡轮，即内燃机2排出的废气与燃料电池系统12排出的废气共同驱动一个废气涡轮，该废气涡轮28与增压器电机27分别通过单向离合器同轴连接。
空气经过空气滤清器4过滤之后，由电动复合增压器增压并经空气中冷器9冷却，控制器通过控制电控三通比例阀10动态分配压缩空气，一部分进入燃料电池系统12，另一部分进入内燃机进气歧管1。
存储在高压储氢罐15中的高压氢气经过减压阀14减压之后进入燃料电池系统12，并与压缩空气中的氧气产生化学反应输出电能。
燃料电池系统12化学反应产生的废气通过废气减湿器5减湿之后与内燃机2燃烧产生的废气共同参与驱动电动复合增压器的废气涡轮28，之后通过消声器6和排气管18排出。
燃料电池系统12化学反应产生的废氢通过废氢减湿器31减湿之后存储在废氢存储罐29中，当内燃机工作2时，通过文丘里管装置25产生的负压将存储在废氢存储罐29中的废氢通过两通电磁阀30控制引入到内燃机2内燃烧。
燃料电池系统12输出电能通过高压电压转换器8转换电压之后与高压储能电池17输出电能并联输出到电机控制器7，由电机控制器7驱动第二电机22工作，将电能转化为机械能驱动车辆行驶。
第一电机23通过升速箱24与内燃机2机械连接，第二电机22与变速器21输入轴机械连接并经由差速器19传递驱动力到车轮20。
燃料电池系统12可单独作为能量源提供电能，由第二电机22驱动车辆行驶；也可将内燃机2和燃料电池系统12作为复合能量源，由内燃机2驱动第一电机23产生的电能和燃料电池系统12产生的电能共同驱动第二电机22，并由第二电机22驱动车辆行驶。
燃料电池系统12单独作为能量源驱动车辆行驶时，高压储能电池17输出功率用于动态补偿燃料电池系统12输出功率以满足第二电机22的峰值功率需求；内燃机2和燃料电池系统12作为复合能量源驱动车辆行驶时，高压储能电池17输出功率用于动态补偿燃料电池系统12和第一电机输出功率，以满足第二电机22的峰值功率需求；车辆滑行或制动行驶过程中，高压储能电池17用于存储第二电机22回收整车的动能。
所述车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统工作模式及各工作模式下动力总成的工作状态如下所述。
在不同车辆载荷和道路运行工况下，根据加速踏板开度和车速计算变速器21的档位及输入轴端需求功率(输入轴转速和输入轴端需求驱动扭矩的乘积)，再将计算得到的变速器21输入轴端需求功率与如图2所示的内燃机2的工作特性对比。
当变速器21的输入轴端需求功率处于内燃机2的高排放区A或高油耗区B时，由燃料电池系统12单独作为能量源提供电能，由第二电机22驱动车辆行驶。此种工作模式下内燃机2处于停止工作状态、第一电机23处于停止工作状态。
当变速器21的输入轴端需求功率处于内燃机2的高噪声、高排放、高油耗区C或者高效率区D时，由内燃机2和燃料电池系统12共同作为能量源，由内燃机2驱动第一电机23产生的电能和燃料电池系统12产生的电能共同驱动第二电机22，并由第二电机22驱动车辆行驶。此种工作模式下，由于内燃机2与车轮没有机械连接，可控制内燃机2工作在高效率区D稳定工作，并驱动第一电机23发电,不足的车辆驱动功率由燃料电池系统12和高压储能电池17提供。
由于内燃机2始终工作在高效率区D，且处于稳定工作状态，因此可实现整车油耗、排放和噪声的降低。
实施例二
参阅图3，与实施例一中不同的是，在此实施例中取消了升速箱24，由发动机2的输出端与第一电机23直接机械连接，会导致第一电机23的转速降低、扭矩增大；该实施例中车用燃料电池12与内燃机2复合的电驱动系统功能与工作模式与实施例一一致。
实施例三
参阅图4，与实施例一中不同的是，在此实施例中的升速箱24特指行星齿轮式升速机构，减小所述车用燃料电池12与内燃机2复合的电驱动系统的体积，方便整车布置；该实施例中的车用燃料电池12与内燃机2复合的电驱动系统功能与工作模式与实施例一一致。
实施例四
参阅图5，与实施例一中不同的是，在此实施例中的废气涡轮28特指复合涡轮，即内燃机2排出的废气驱动一个废气涡轮，燃料电池系统12排出的废气驱动另一个废气涡轮，这两个废气涡轮与增压器电机27分别通过单向离合器同轴连接，两个废气涡轮共同参与驱动电动复合增压器的增压泵26。该实施例中车用燃料电池12与内燃机2复合的电驱动系统功能与工作模式与实施例一一致。
Claims (10)
1.一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，该系统包括内燃机进气歧管(1)、内燃机(2)、内燃机排气歧管(3)、空气滤清器(4)、废气减湿器(5)、消声器(6)、电机控制器(7)、高压电压转换器(8)、空气中冷器(9)、电控三通比例阀(10)、增湿器(11)、燃料电池系统(12)、氢气循环泵(13)、减压阀(14)、高压储氢罐(15)、排氢阀(16)、高压储能电池(17)、排气管(18)、差速器(19)、车轮(20)、变速器(21)、第二电机(22)、第一电机(23)、文丘里管装置(25)、电动复合增压器、废氢存储罐(29)、两通电磁阀(30)和废氢减湿器(31)；所述的电动复合增压器包括增压泵(26)、增压器电机(27)和废气涡轮(28)；其中，所述的内燃机(2)与第一电机(23)机械连接；所述的第二电机(22)与变速器(21)输入端机械连接并经由差速器(19)传递驱动力到车轮(20)；所述的燃料电池系统(12)的电能输出端通过高压电线与高压电压转换器(8)的输入端连接；所述的高压电压转换器(8)的输出端与高压储能电池(17)的输出端通过高压电线并联后与电机控制器(7)的输入端连接；所述的电机控制器(7)的输出端通过高压电线与第一电机(23)和第二电机(22)连接；所述的空气滤清器(4)通过空气管路与增压泵(26)的输入端连接；所述的增压泵(26)的输出端通过空气管路与空气中冷器(9)的输入端连接；所述的空气中冷器(9)的输出端通过空气管路与电控三通比例阀(10)的输入端连接；所述的电控三通比例阀(10)的一个输出端通过增湿器(11)与燃料电池系统(12)连接；所述的电控三通比例阀(10)的另一个输出端通过空气管路与内燃机进气歧管(1)连接；所述的高压储氢罐(15)的输出端通过高压氢气管路与减压阀(14)的输入端连接；所述的减压阀(14)的输出端与氢气循环泵(13)并联后与燃料电池系统(12)连接；所述的燃料电池系统(12)的废气排放端通过管路与废气减湿器(5)的输入端连接；所述的废气减湿器(5)的输出端通过管路与废气涡轮(28)的输入端连接；所述的内燃机排气歧管(3)通过管路与废气涡轮(28)的输入端连接；所述的增压器电机(27)通过单向离合器与废气涡轮(28)同轴连接；所述的废气涡轮(28)的输出端与消声器(6)的输入端机械连接；所述的消声器(6)的输出端与排气管(18)机械连接；所述的燃料电池系统(12)的废氢输出端通过管路分别与氢气循环泵(13)的输入端和排氢阀(16)的输入端连接；所述的排氢阀(16)的输出端通过管路与废氢减湿器(31)的输入端连接；所述的废氢减湿器(31)的输出端通过管路与废氢存储罐(29)的输入端连接；所述的废氢存储罐(29)的输出端上设置有两通电磁阀(30)；所述的废氢存储罐(29)的输出端通过管路与文丘里管装置(25)的负压端口连接；所述的文丘里管装置(25)通过管路与电控三通比例阀(10)的输出端与内燃机进气歧管(1)连接的管路并联。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，该系统还包括升速箱(24)；所述的升速箱(24)的一端与发动机的输出端机械连接，另一端与第一电机(23)机械连接。
3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的升速箱(24)为平行轴减速齿轮机构或行星齿轮升速机构。
4.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的变速器(21)为机械式自动变速器或双离合自动变速器或单挡位减速器。
5.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的增压泵(26)是单级增压或两级增压。
6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的废气涡轮(28)是单涡轮或者复合涡轮。
7.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的燃料电池系统(12)的输出功率与内燃机(2)的高效率区输出功率之和大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率与电动附件消耗功率之和。
8.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的第二电机(22)的峰值输出功率大于等于车辆满载加速功率，第二电机(22)的额定输出功率大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率。
9.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的第一电机(23)的额定输出功率大于等于内燃机(2)的高效率区输出功率。
10.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的电驱动系统，其特征在于，所述的高压储能电池(17)的峰值输出功率大于第二电机(22)的峰值输出功率与燃料电池系统(12)的输出功率的差值，也大于第二电机(22)的峰值输出功率第一电机(23)的峰值输出功率和燃料电池系统(12)的输出功率之和的差值。
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