CN109703382A - 氢电动力改装纯电动车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对纯电动汽车进行优化改造的“器官移植术”技术方案。根据具体车型动力配置、电气操控信号和设备接口参数，设计以质子交换膜氢电堆为发电装置，配以高压储氢罐系统提供超大容量储能，构成结构精巧、动力强劲、储能海量的氢能动力装置；以此装置取代原纯电动汽车内置笨重的动力蓄电池组，既可大幅减轻车身自重、释放更多有效空间，更无须再顾虑蓄电池衰减造成续航能力越来越差、更换新电池费时费钱等诸多烦恼，从根本上提升原纯电动汽车脱胎换骨成为真正绿色环保节能高效的新能源汽车。本发明优越之处在于：相对较低成本较高效率的纯电动汽车升级改造方案，有助于氢电能普及，减少化石燃料污染环境，有利于国家能源安全战略实施。

Description

氢电动力改装纯电动车

【技术领域】

本发明涉及一种机动车，具体涉及一种电动车，一种基于蓄电池提供电力的纯电动汽车经过改装改造改设计而成的电动车，以氢气为能源/燃料、以质子交换膜燃料电池PEMFC氢电堆为发电/供电装置，涉及动力蓄电池，涉及改善蓄电池组性能的超级电容器，涉及电控驱动装置、功率型半导体组件和应用电路，还涉及电压、电流、温度、气压等多种传感器、嵌入式自控装置以及嵌入式监控软件等诸多技术领域。本发明采用便携可更换式高压储氢罐提供氢气，故还涉及高压容器及其配套零部件所涉及的一些技术领域。

【背景技术】

随着全球新能源汽车产业快速发展，以动力蓄电池存储电能提供全部能量的纯电动汽车，迅速开拓了规模可观的市场，应用范围在不断扩大。与传统燃油汽车相比，纯电动汽车安静干净动力强劲又不直接排污废气，似有诸多完美优点。然而，纯电动汽车远非完美，除了其总体构成所固有物理障碍之先天不足所导致的缺陷越来越不能忽视，在应用层面所逐渐显现出全局规划上缺乏深谋远虑的许多问题，已经到了非解决不可的严重程度。这里暂且不涉及锂基动力蓄电池产业和天量锂基蓄电池产品给生态环境造成的严重污染将贻害数百上千年，仅在使用中不足表现有：【1】蓄电池重量占比太高，大幅挤占纯电动车的有效载荷，例如：纯电动乘用车如果配备50kwh储电容量，仅动力蓄电池重达约500kg，超过七名乘客体重！至于需要大马力的重载工程车，配置蓄电池储电500kwh，电池重5吨！车身重效率低费用高；【2】巨大容量的动力蓄电池，快充能力差，衰减快寿命短巡航里程少，运行低效维护昂贵；【3】充电设施投入资金大、占用土地多，充电桩数量不足布局不均，单个充电桩输出功率低；【4】不断增长的充电需求对电网压力巨大，突破容量极限难免拉闸限电；而快速充电需求更是雪上加霜，不仅严酷劣化动力电池性能和寿命，更会对市政电网平稳运行造成巨大冲击；【5】在相对偏远的施工工地，缺乏电网覆盖，充电桩成为盲点，若修建充电桩，也仅为权宜之计，用不长久还会妨碍工地施工，这些因素使得纯电动重载工程车辆运营受到极大制约；【6】不断增长的纯电动汽车投放累积形成巨大保有量、以及不断增容的单车储电量，必将给市政电网规划和建设既带来资金和用地压力，又使投资长远效益劣化，进退维谷抉择两难。

可能出现的被动局面必须预防，已经出现的现实问题必须改正！

水是生命之源。氢氧化合生成纯水，氢作为氧化反应的燃料，其能量密度为世间最高，以重量计，其能量密度是常规锂基动力蓄电池的300倍！如果彻底改换思路：采用氢气作为清洁能源，利用质子交换膜氢电堆作为发电装置，配以电控部件和必要的储能部件构成氢电能动力装置；以这种体积小、总重量轻、具有海量储能的氢电能动力装置，完全替代纯电动车笨重的内置式动力蓄电池组。这种类似外科手术式的嫁接改造，瞬间彻底提升原纯电动汽车的性能乃至基因，使其成为全新意义上真正绿色环保的车辆。由于几乎不改变原有纯电动车内部现成的电力驱动装置和总成结构，只需让氢电堆电力装置按照原动力电池组的电气接口参数和控制信号系统数据格式实时对接，加以适当的结构改造配合，便可大功告成。

【发明内容】

本发明公开了一种对纯电动汽车进行优化改造的“器官移植术”技术方案。

根据具体车型动力配置、电气操控信号和设备接口参数与信号格式协议/标准，设计以质子交换膜氢电堆为发电装置，配以高压储氢罐系统提供超大容量储能，构成结构精巧、动力强劲、储能充足的氢能动力装置；以此氢能动力装置取代原纯电动汽车内置笨重的动力电池组。这一外科手术式器官移植嫁接改造，既可大幅减轻车身自重、释放更多车载有效空间，更无须再顾虑动力电池性能衰减造成续航能力越来越差、更换新电池费时费钱等诸多烦恼，从根本上使得原纯电动汽车脱胎换骨，羽化成为真正绿色环保节能高效的新能源汽车。

基于质子交换膜氢燃料电池氢电堆的氢能动力装置，是本发明对纯电动汽车进行器官移植外科手术的关键器官、关键部件，其核心目标就是“无缝对接高效置换脱胎换骨”。

改造所需氢能动力装置的核心部件之一是质子交换膜氢电堆，其工作原理为：氢、氧经质子交换膜在氢电堆中冷燃烧氧化反应，向外电路输出电能，生成纯水/水汽排放。电源设备中的“外电路”即为氢电堆的负载，包括驱动电机和动力蓄电池组，氢气冷燃烧所发电能经电平匹配存储其中；为降低内阻改善输出特性，采用超级电容与动力蓄电池并联匹配。

在提供氢气燃料设施、车载氢气存储方案方面，存在几种完全不同的技术路线。本发明公开的是：采用便携式可更换高压储氢罐为氢电动车辆提供氢气。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：电动车辆的电力完全由基于质子交换膜氢电堆供电装置提供，配置较少容量的动力蓄电池+超级电容器作为改善供电的辅助设备。

目前可以选用的高品质氢电堆，其功率密度达到3.8kw/L和3.2kw/kg，改造上述两例：乘用车配置30kw氢电堆，仅占10升体积/10公斤重，而重载工程车配置600kw的氢电堆，也仅占用不足160升体积/200公斤重。氢气能量密度32.7kwh/kg，以转换效率80％计，乘用车仅需2kg氢气就足够50kwh，不到20kg氢气满足重载工程车500kwh，配氢气100kg以上很容易实现，则容量将超过5倍以上，更何况氢电堆输出功率无衰减之说，放心使用。

然而，改装纯电动车还有大问题。虽然氢气比能量密度高达32.7kwh/kg，约为燃油3倍，但标准大气压下其体积约为等重燃油体积的1万倍！显然要将氢气作为燃料使用到车辆船舶上，就必须大幅压缩其体积。德国和日本高压储氢罐现行标准70Mpa，约700大气压，达此标准，高压氢气与等效燃油体积之比从万降至14倍，再因综合高效使用重量致10倍减少，相对比值1.4，这在工程上可以实现、商业化产品也可接受。但问题来了：储运和使用如此超高压氢气，如何确保在各种复杂环境下，经年累月长期储运和使用，高压储氢罐及运输车辆、输气管路等设备，仍然能够历久如新，保持不泄露不爆裂安全可靠呢？目前可采取的措施是：【1】在设计和制造环节确保产品质量具有超高可靠性指标，远超常规，要求0缺陷0失误；【2】在商业化运行环节，以法规、制度和社会组织等措施，确保定期逐车逐设备审核与保养制度有效实施。然而物理原理无可违背，自然规律不因人因国而异。可靠性原理浴盆曲线揭示：任何新产品性能稳定后，随着时间推移，其故障率逐渐升高终至失效是不可逆转的规律。显然即使有上述两项措施强力保障，可在一定程度化解风险，这正是本发明不采用车载固定式高压储氢罐而坚持便携式可更换高压储氢罐的原因之一。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：车内不装配内建永久式的高压储氢罐，而采用可更换、便携式高压储氢罐，氢电堆所需氢气的持续供应采取换罐方式确保。

由于我国目前高压容器产业和应用领域水平差异较大，高压储氢罐产业尚未形成，要经过渡阶段才能逐渐达到比较完美的程度。根据从简到繁、从易到难的发展思路，应该先从较低标准开始：20MPa、30MPa，…，再向50MPa、70MPa，最后挑战乃至定标于100MPa。

按好记、好用总体思路，特设计三种更换式高压储氢罐作参考标准，均为超圆柱形，净容积等效圆柱尺寸为：I型直径38cm，高49cm；II型直径45cm，高70cm；III型直径60cm，高98.5cm。I型特点是其氢气储量kg数，是当下压力MPa数值20分之一；II型kg数加倍； III型kg数是I型的5倍。下表分列这三型高压储氢罐在不同高压下的储氢数据：

三型高压储氢罐单罐储能数值表

项目\气压	20MPa	30MPa	50MPa	70MPa	100MPa
						I型罐储氢重量(kg)	0.999178	1.498767	2.497945	3.497123	4.99589
I型罐储电量(kwh)	32.6731	49.0097	81.6828	114.3559	163.3656
						II型罐储氢重量(kg)	2.001717	3.002575	5.004292	7.006009	10.00858
II型罐储电量(kwh)	65.4561	98.1842	163.6403	229.0965	327.2806
						III型罐储氢重量(kg)	5.0074696	7.5112044	12.518674	17.526144	25.03735
III型罐储电量(kwh)	163.7443	245.6164	409.3606	573.1049	818.7213

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：更换式高压储氢罐外形采用超圆柱形，净容积等效圆柱尺寸为：I型直径38±0.1cm，高49±0.1cm；II型直径45±0.1cm，高70±0.1cm； III型直径60±0.1cm，高98.5±0.1cm。

结合国内现有产业基础和可用资源，充分利用CNG压缩天然气出租车行业形成的基础，对CNG储气罐及其配套设施进行合理而精细严格的改造，使其适用于氢气储存和使用，尽管气压低一些，仅为20MPa，但从列表数据可知，最常用的II型高压储氢罐也能存储2kg氢气，按照80％转换效率计算，也比纯电动乘用车全新电池50kwh高4.7％，更何况标准配置是双罐并用，续航里程可以翻番，到将来70MPa甚至100MPa，续航里程提升三倍半到五倍，而且储能总量没有衰减！可见，对纯电动汽车进行改造，从20MPa起步是完全可行的。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：所用更换式高压储氢罐外形采用超圆柱形，也可兼容CNG储气罐，耐压标准不低于20MPa。

由于我国现行高压容器执行标准是30MPa，尽快升级到30MPa是合理且可行的。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：所用更换式高压储氢罐外形采用超圆柱形，也可兼容CNG储气罐，耐压标准不低于30MPa。

氢电动力改装纯电动车的供气管路端部设有进气接口，其旋卡式密封接口安装有锁紧搭扣，解开搭扣可旋拧取出供气结束的便携式可更换高压储氢罐，也称“旧罐”，按照逆操作可将充满氢气的便携可更换高压储氢罐也称“新罐”再安全接入车辆供气管路密封系统。

为适配氢电堆的氢气压力，进行改装纯电动车时，在位置介于氢电堆和便携式高压储氢罐之间，内建密封缓冲储氢罐，它属于0.1-0.3Mpa的低压密封容器，具有耐冲击性。缓冲储氢罐是氢气流上下游之间的缓冲密封容器，它一端连接氢电堆为其直接输送压力适中的氢气，另一端连接高压储氢罐，经输气管路接收和存储高压储氢罐减压后送来的氢气。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：在位置介于氢电堆和便携式高压储氢罐之间，内建密封缓冲储氢罐，属于0.1-0.3Mpa的低压密封容器，具有耐冲击性，是氢气流上下游之间的缓冲密封容器，它一端连接氢电堆为其直接输送压力适中的氢气，另一端连接高压储氢罐，经输气管路接收和存储高压储氢罐减压后送来的氢气。

为增加车辆续航里程，就需要提供更多的储能，如同飞机副油箱多加油的作用。本发明提供的解决方案是：多罐并联、智能管控、按需开关、装卸自如。具体实施方法为：

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：车内配置防爆防冲击储罐仓，仓内安排N个可更换高压储氢罐位置，N≥2，每个位置对应一个独立进气端口，N个更换式高压储氢罐在各自位置可同时接入进气端口，组合供气提供更长续航里程。

将多个可更换式高压储氢罐连在一起组成连供子系统，为整车提供更长的续航能力，依靠的不是简单的连通，而是一个完整的连通管路系统，不仅在每个端口设有【1】气体压力、温度传感器；【2】编码定位控制流速和通断开关的节气阀门；【3】LED状态显示器，提供该罐状态显示信息：通/断、剩余氢气储量/当前气压值等；而且，所有高压储氢罐的工作状态，要接受和执行来自车辆中央电控系统的指令，包括安全搭扣锁紧指令。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：内建多罐供气管路系统连通至防爆储罐仓内各可更换高压储氢罐接口位置，管路内设控制装置根据系统要求实时切换各罐所接进气口的通断：需要时立即接通实施供气，不需要时密封断开令其旁待。

由于采用高效氢电堆和海量储能高压储氢罐，每辆车其实就成了一座“移动电站”：加装有DC/AC变换器等设备，即可向外输出与市电网相同电压和频率标准的强大电力。

一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：通过标准接口可向外提供AC220V/380V电能。

本发明的关键点在于：

1采用“器官移植术”技术方案，以质子交换膜氢电堆为发电装置，配以高压储氢罐系统提供超大容量储能，低成本改造纯电动汽车，令其脱胎换骨，羽化成为真正绿色环保节能高效的新能源汽车。

1安全、方便，超大容量的可更换高压储氢罐组合提供超长续航能力。

【附图说明】

图1是经改装所成氢能电动车组成示意图，核心是氢电堆，其中发生高压储氢罐的氢与空气中的氧“冷燃烧”生水发电，电经保护器和阻抗匹配输往智能功率变频器驱动电机使车辆运行，也可DC/AC逆变以AC220/380V输出；氢能来自右侧多罐系统和缓冲储氢罐。

【具体实施方式】

实施例一、

本实施例框图如图1，为普通电动乘用车，使用II型高压储氢罐，压力20MPa，N＝2的双罐配置，储氢4.0kg，实储电能130.9kwh，按80％转换效率计，有效储电能104.73kwh，改换掉原动力电池组，其自重至少减轻450kg，即使在负荷不变情况下，其续航里程是原全新动力蓄电池所提供续航能力的2.6倍多，还可充当AC220/380V/20KW移动电站。

实施例二、

本实施例框图仍如图1，为电动重载工程车，使用III型高压储氢罐，压力为70MPa，N＝4，储氢70.1kg，实储电能2292.42kwh，按80％转换效率计，有效储电能1833.94kwh，去掉动力蓄电池组，使其自重减轻超过4700kg，即使在负荷不变的情况下，其续航里程是原来使用全新动力蓄电池所提供续航能力的4.58倍以上，还可充当AC220/380V/500KW 移动电站，相当于500KVA小社区变电站。

Claims (9)

1.一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：电动车辆的电力完全由基于质子交换膜氢电堆供电装置提供，配置较少容量的动力蓄电池+超级电容器作为改善供电的辅助设备。

2.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：车内不装配内建永久式的高压储氢罐，而采用可更换、便携式高压储氢罐，氢电堆所需氢气的持续供应采取换罐方式确保。

3.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：更换式高压储氢罐外形采用超圆柱形，净容积等效圆柱尺寸为：I型直径38±0.1cm，高49±0.1cm；II型直径45±0.1cm，高70±0.1cm；III型直径60±0.1cm，高98.5±0.1cm。

4.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：所用更换式高压储氢罐外形采用超圆柱形，也可兼容CNG储气罐，耐压标准不低于20MPa。

5.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：所用更换式高压储氢罐外形采用超圆柱形，也可兼容CNG储气罐，耐压标准不低于30MPa。

6.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：在位置介于氢电堆和便携式高压储氢罐之间，内建密封缓冲储氢罐，属于0.1-0.3Mpa的低压密封容器，具有耐冲击性，是氢气流上下游之间的缓冲密封容器，它一端连接氢电堆为其直接输送压力适中的氢气，另一端连接高压储氢罐，经输气管路接收和存储高压储氢罐减压后送来的氢气。

7.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：车内配置防爆防冲击储罐仓，仓内安排N个可更换高压储氢罐位置，N≥2，每个位置对应一个独立进气端口，N个更换式高压储氢罐在各自位置可同时接入进气端口，组合供气提供更长续航里程。

8.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：内建多罐供气管路系统连通至防爆储罐仓内各可更换高压储氢罐接口位置，管路内设控制装置根据系统要求实时切换各罐所接进气口的通断：需要时立即接通实施供气，不需要时密封断开令其旁待。

9.根据权利要求1所述的一种氢电动力改装纯电动车，其特征是：通过标准接口可向外提供AC220V/380V电能。