CN110182104B - 一种燃料电池汽车辅助供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种燃料电池汽车辅助供能系统，包括汽车本身原有的一些部件，还包括增设气动发电机、增设整流器，增设气动发电机与减压阀依次设置于高压氢气瓶组和燃料电池之间的气流通路上，增设整流器连接于增设气动发电机与锂电池之间，增设气动发电机接收高压氢气瓶组内高压氢气泄压能量的驱动进而发电产生电能同时经过增设气动发电机的氢气经减压阀后进入燃料电池，增设整流器接收增设气动发电机的电能进行整流后对锂电池充电实现辅助供能，锂电池通过DC/DC变换器为车载辅助电池补充电能，该系统有效地解决了现有技术中燃料电池汽车能量浪费大、整车能量利用率低以及部分工况下锂电池自身能量不足、缺少能量补充等问题，提高了整体能量利用率。

Description

一种燃料电池汽车辅助供能系统

技术领域

本发明涉及能量回收利用技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车辅助供能系统。

背景技术

随着全球温室效应的日益严重，随着化石燃料消耗量日益增加，随着环境问题日益被重视，国家开始大力发展清洁能源和新能源汽车。新能源汽车采用电能代替石油等化石燃料作为动力，摆脱对石油的依赖的同时减轻环境污染，是绿色交通的高效解决方案。与传统油耗式汽车相比，用氢燃料电池作为动力的汽车，因燃料电池的能量转换效率高、绿色环保、无振动、噪声低、寿命长、制氢原料多、能源补充快等优点而具有更高的市场竞争力，且已逐渐占领一部分的汽车市场。因此，在不久的将来，氢燃料电池汽车会更受消费者的青睐，将是取代汽车内燃机的理想解决方案，被认为是“汽车工业的未来”。

但是目前现有氢燃料电池汽车通常采用高压碳纤维氢气瓶组作为供氢系统，现有车载氢燃料电池系统结构可参考图1所示，其加氢和供氢的过程如下：先将经过加压的氢气充装到氢气瓶中，当氢气需要使用时，要先经过一定的减压措施来将高压氢气减压至适宜的压力范围内，最后才能发生电化学反应。而氢气在加压过程中会消耗大量的电能，在减压过程中，高压氢气的大量压力又会无利用的释放，同时据相关资料介绍，将氢气压缩为高压氢气所需的能量或将压缩氢气泄压所释放的能量可占压缩氢气燃烧能量的8％左右，即会造成不必要的能源浪费。由此可见，在泄压过程中释放的能量很高，如果不加以利用，则燃料电池的整体能量利用率会降低，同时经济性也将变差。基于上述考虑，亟需一种在氢燃料电池汽车中应用能够回收在氢气泄压过程中释放的能量并利用的装置。

现在氢燃料电池汽车的能量来源通常主要有锂电池和车载辅助电池，锂电池为高压工作状态(通常为400-800V)，其作用主要是储存由燃料电池产生的电能并利用该电能驱动汽车以及利用该电能为车载空调系统进行供能，车载辅助电池为低压工作状态(通常为24V/12V)，其作用主要是给车上的其他负载供能。因为燃料电池所能提供的电能是由燃料进入燃料电池电堆的速度决定的，故而燃料电池供能不稳定且不能一直以最大功率输出，因此，采用既能充电又能放电的锂电池储存燃料电池产生的电能进而通过锂电池为汽车提供驱动能量；设置车载辅助电池，一方面能够给汽车上的其他负载供电，另一方面还能在汽车所需驱动力较少时利用车载辅助电池储存锂电池内的多余的电量。但是当汽车进行爬坡或者处于低温等恶劣环境运作导致汽车所需驱动力非常大时，锂电池所储存的燃料电池产生的能量经常会不够用，所以需要一种能够辅助锂电池补充电能的方案。

除了汽车驱动力，车载空调系统运作也是汽车的一大耗能事件，目前车载空调系统一般是由直流电机和制冷剂来实现制冷的，其工作原理描述如下：锂电池为直流电机供能驱动其工作进而带动压缩机进行工作，当空调的压缩机开始工作时，经过蒸发器的低温低压气态制冷剂会被吸入压缩机内，对制冷剂进行升温和升压，再将高温高压的气态制冷剂送入冷凝器，然后在冷凝器内的制冷剂将热量传递给车外的空气，同时自己发生液化而变成液体。然后液态制冷剂经过节流装置的降温降压之后进入蒸发器，同时蒸发器中低温低压的液态制冷剂吸收经过蒸发器的车内空气的热量而气化，变成气体，气化后的制冷剂则又进入压缩机而进行下一个循环。这样通过制冷剂在系统内的循环，不断吸收车内空气的热量并排到车外空气中，使车内空气的温度逐渐下降。所以汽车在使用空调系统的时候，压缩机需不停的工作而使制冷剂在系统内循环，在此过程中，尤其空调系统所需功率较大的时候，压缩机需要从锂电池中消耗大量能量，当车载空调系统长时间运作时，仍会导致锂电池所储存的燃料电池产生的能量不够用，甚至影响锂电池对汽车的驱动力，影响燃料电池汽车的行驶，导致氢燃料电池汽车的续驶里程急剧下降，所以急需提出一种能在燃料汽车行驶过程中额外产生电能的方案。

发明内容

本发明针对现有技术中燃料电池汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及部分工况下锂电池自身能量不足、缺少能量补充等问题，提供了一种燃料电池汽车辅助供能系统，该系统充分地利用了电动汽车原有部件并在简单巧妙加设几个部件后创新地将高压氢气泄压能量回收利用与锂电池充电结合在了一起，提高燃料电池整体能量利用率的同时还有效辅助补充了锂电池的能量，提高了燃料电池汽车整体的经济性，简单易行、高效便捷。

本发明的技术方案如下：

一种燃料电池汽车辅助供能系统，包括汽车电池系统本身的高压氢气瓶组、减压阀、燃料电池以及依次连接的锂电池、DC/DC变换器、车载辅助电池，还包括增设气动发电机、增设整流器，所述增设气动发电机与减压阀依次设置于高压氢气瓶组和燃料电池之间的气流通路上，所述增设整流器连接于所述增设气动发电机与锂电池之间，所述增设气动发电机接收高压氢气瓶组内高压氢气泄压能量的驱动进而发电产生电能同时经过增设气动发电机的氢气经减压阀后进入燃料电池，所述增设整流器接收所述增设气动发电机的电能进行整流后对所述锂电池充电实现辅助供能，所述锂电池通过DC/DC变换器为所述车载辅助电池补充电能。

所述的燃料电池汽车辅助供能系统，还包括汽车空调系统本身的直流空调电机、车载压缩机、制冷剂管路以及连接在所述制冷剂管路上的冷凝器、膨胀阀、蒸发器和空调风道，以及包括三通分流阀、三通合流阀和相互连接的增设涡轮与增设压缩机，所述三通分流阀设置于所述高压氢气瓶组与所述增设气动发电机之间且保持一路分流至所述增设气动发电机同时另一路分流至所述增设涡轮，所述三通合流阀设置于所述减压阀与所述燃料电池之间且保持一路合流来自所述减压阀同时另一路合流来自所述增设涡轮，所述增设压缩机与所述车载压缩机并列设置于所述制冷剂管路上且所述增设压缩机、所述车载压缩机分别独立地与所述冷凝器、所述膨胀阀、所述蒸发器结合制冷剂管路形成气流液流转换通路，所述空调风道靠近蒸发器且内部形成空气交换通路；所述增设涡轮接收流经所述三通分流阀一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动以转动进而驱动所述增设压缩机工作对制冷剂进行压缩以实现车载空调系统辅助供能，所述增设气动发电机接收所述三通分流阀另一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动进行发电产生电能再经所述增设整流器整流后为所述锂电池充电实现辅助供能。

所述增设压缩机和所述车载压缩机相互配合工作，进而制冷剂管路中的制冷剂经所述增设压缩机和所述车载压缩机压缩后经过冷凝器再通过气流液流转换通路进入蒸发器，且在靠近蒸发器的空调风道的空气交换通路中吸收空气热量使得空调风道的空气冷却。

所述增设压缩机采用功率在1KW至5KW之间的小功率压缩机，所述车载压缩机采用功率在5KW至15KW之间的大功率压缩机。

所述锂电池采用高压工作状态，工作电压为400-800V，所述车载辅助电池采用低压工作状态，工作电压为24V或12V。

所述车载辅助电池采用铅酸蓄电池。

所述的燃料电池汽车辅助供能系统，还包括设置于所述增设气动发电机与所述增设涡轮之间的单向阀，所述单向阀开启时，流经所述增设气动发电机的较高压氢气单向流入所述增设涡轮进而带动所述增设压缩机工作。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及了一种燃料电池汽车辅助供能系统，在充分利用燃料电池汽车上汽车电池系统本身的高压氢气瓶组、减压阀、燃料电池以及依次连接的锂电池、DC/DC变换器、车载辅助电池等原有部件的基础上，设置了增设气动发电机、增设整流器，然后利用增设气动发电机接收高压氢气瓶组内高压氢气泄压能量的驱动进而发电产生电能，利用增设整流器接收增设气动发电机产生的电能进行整流后对锂电池充电实现对汽车驱动结构的辅助供能，锂电池还通过DC/DC变换器为车载辅助电池补充电能以为车上部分负载如空调等进行供电，结构简单巧妙，有效地将高压氢气泄压能量回收利用与锂电池充电结合在了一起，有效地解决了现有技术中燃料电池汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及部分工况下锂电池自身能量不足、缺少能量补充等问题，提高燃料电池整体能量利用率的同时还有效辅助补充了锂电池的能量，提高了汽车整体工作效率，提升了其经济性。

本发明涉及的燃料电池汽车辅助供能系统，还包括汽车空调系统组件，在原有汽车空调系统本身组件的基础上，进一步设置三通分流阀、三通合流阀和相互连接的增设涡轮与增设压缩机，利用三通分流阀和三通合流阀分别控制氢气的分流及合流，利用分流后的高压氢气分别驱动增设涡轮转动进而驱动增设压缩机工作以及驱动增设气动发电机进行发电产生电能，以分别实现对车载空调系统辅助供能以及通过整流器整流后为锂电池辅助充电，该系统结构设计简单易行，有效地将高压氢气泄压能量回收并将其应用到锂电池充电及车载空调系统供电过程中，不仅解决了现有技术中能量浪费大、整车能量利用率低以及部分工况下锂电池自身能量不足等问题，还解决了车载空调系统长时间运行耗能过大导致锂电池能量不足、影响汽车续驶里程的问题，有效保证汽车续驶里程，且大大提高了整车的能量利用效率和经济适用性。

附图说明

图1：为本发明一种燃料电池汽车辅助供能系统的第一种优选结构示意图。

图2：为本发明一种燃料电池汽车辅助供能系统的第二种优选结构示意图。

图3：为本发明一种燃料电池汽车辅助供能系统的第三种优选结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。

本发明涉及了一种燃料电池汽车辅助供能系统，应用于燃料电池汽车(包括燃料电池非电动汽车及燃料电池电动汽车)，如图1本发明的第一种优选结构示意图所示，包括汽车电池系统本身的高压氢气瓶组、减压阀、燃料电池以及依次电气连接的锂电池、DC/DC变换器、车载辅助电池，还包括增设气动发电机、增设整流器，增设气动发电机与减压阀依次设置于高压氢气瓶组和燃料电池之间的气流通路上(气流通路如图中表示气体/液体流动方向的虚线箭头所示)，增设整流器连接于增设气动发电机与锂电池之间，具体采用如图1所示的电气连接，增设气动发电机接收高压氢气瓶组内高压氢气泄压能量的驱动进而发电产生电能同时经过增设气动发电机的氢气经减压阀后进入燃料电池，增设整流器接收所述增设气动发电机的电能进行整流后对锂电池充电实现辅助供能，锂电池通过DC/DC变换器为所述车载辅助电池补充电能。该系统在充分利用燃料电池汽车上汽车电池系统本身的原有部件的基础上设置了增设气动发电机、增设整流器，然后利用增设气动发电机接收高压氢气泄压能量的驱动进而发电产生电能，再利用增设整流器对其进行整流后对锂电池充电实现对汽车驱动结构的辅助供能，同时锂电池还能通过DC/DC变换器为车载辅助电池补充电能以为车上部分负载如空调等进行供电，结构简单巧妙，有效地将高压氢气泄压能量回收利用与锂电池充电结合在了一起，有效地解决了现有技术中燃料电池汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及部分工况下锂电池自身能量不足、缺少能量补充等问题，减少了有效能源的浪费，提高燃料电池整体能量利用率的同时还有效辅助补充了锂电池的能量，提高了汽车整体工作效率，提升了其经济性。

如图2本发明的第一种优选结构示意图所示，本发明所提出的燃料电池汽车辅助供能系统，还包括汽车空调系统原有组件如汽车空调系统本身的直流空调电机、车载压缩机、制冷剂管路以及连接在所述制冷剂管路上的冷凝器、膨胀阀、蒸发器和空调风道，在此基础上，以及包括三通分流阀、三通合流阀和相互连接的增设涡轮与增设压缩机(可以理解为在包括汽车空调系统原有组件的基础上增设三通分流阀、三通合流阀和相互连接的增设涡轮与增设压缩机四个部件)，三通分流阀设置于高压氢气瓶组与增设气动发电机之间且保持一路分流至增设气动发电机同时另一路分流至增设涡轮(氢气分流情况如图2三通分流阀发出的两个虚线箭头所示)，三通合流阀设置于减压阀与燃料电池之间且保持一路合流来自减压阀同时另一路合流来自增设涡轮(氢气合流情况如图2进入三通合流阀的两个虚线箭头所示)，增设压缩机与车载压缩机并列设置于制冷剂管路上且增设压缩机、车载压缩机分别独立地与冷凝器、膨胀阀、蒸发器结合制冷剂管路形成气流液流转换通路，空调风道靠近蒸发器且内部形成空气交换通路；增设涡轮接收流经三通分流阀一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动以转动进而驱动增设压缩机工作对制冷剂进行压缩以实现车载空调系统辅助供能，增设气动发电机接收三通分流阀另一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动进行发电产生电能再经增设整流器整流后为锂电池充电实现辅助供能。该系统在原有汽车空调系统本身组件的基础上，进一步利用增设的三通分流阀和三通合流阀分别控制氢气的分流及合流，利用分流后的高压氢气分别驱动增设涡轮转动进而驱动增设压缩机工作以及驱动增设气动发电机进行发电产生电能，以分别实现对车载空调系统辅助供能以及通过整流器整流后为锂电池辅助充电，结构设计简单易行，有效地将高压氢气泄压能量回收并将其应用到锂电池充电及车载空调系统供电过程中，不仅解决了现有技术中能量浪费大、整车能量利用率低以及部分工况下锂电池自身能量不足等问题，还解决了车载空调系统长时间运行耗能过大导致锂电池能量不足、影响汽车续驶里程的问题，有效保证汽车续驶里程，且大大提高了整车的能量利用效率和经济适用性。

进一步地，在燃料电池汽车辅助供能系统中，如图2所示并列设置的增设压缩机和车载压缩机相互配合工作，进而制冷剂管路中的制冷剂经增设压缩机和车载压缩机压缩后经过冷凝器再通过气流液流转换通路进入蒸发器，且在靠近蒸发器的空调风道的空气交换通路中吸收空气热量使得空调风道的空气冷却，也就是增设压缩机和车载压缩机一起完成汽车空调系统中的制冷剂压缩工作，二者相互配合主要体现在，当根据环境条件判定汽车空调系统无须工作时，车载压缩机和增设压缩机均不工作；当根据环境条件判定汽车空调系统需要功率较低时，只需一个压缩机进行压缩工作即可满足工作需求，此时仅采用利用氢气泄压能量回收利用的能量来驱动的增设压缩机工作即可，车载压缩机无需工作，不耗费车内能量；当根据环境条件判定汽车空调系统需要功率较高时，一个压缩机不再能满足工作需求，需要两个压缩机均进行压缩工作且相互配合，即此时既需要采用利用氢气泄压能量回收利用的能量来驱动的增设压缩机工作，又需要采用经直流空调电机控制驱动的车载压缩机工作(其中直流空调电机由锂电池通过DC/DC变换器间接供电)，以此能够实现在燃料电池汽车的能量合理利用/存储以及更大程度上满足制冷需求，具体地，在燃料电池汽车无制冷需求时，本系统给锂电池进行充电以及对车载辅助电池储能；在燃料电池汽车制冷需求较低时，仅开启增设压缩机工作即可，不用开启车载压缩机，也就是满足制冷需求的同时降低了车载动力系统的负载压力；在燃料电池汽车制冷需求较高时，开启车载压缩机和增设压缩机，车内能量和高压氢气回收的能量一并利用，满足空调系统所需的所有动力，整个系统能量回收利用、满足车辆工作需求等全方位考量设计，经济节能、高效环保。

进一步地，所述增设压缩机优选采用功率在1KW至5KW之间的小功率压缩机，由于各种车型不相同，其各型车氢气泄压能量通常不会太多且利用氢气气体进入涡轮产生机械能进而产生驱动力往往较小，故相匹配而言其驱动的增设压缩机优选采用小功率压缩机，而所述车载压缩机优选采用功率在5KW至15KW之间的大功率压缩机，车载压缩机是专供车用空调系统出厂预设的，其通常由汽车驱动系统进行驱动(比如由车内的直流空调电机来驱动)，一般其功率较大，且本实施例中将车载压缩机优选设置为大功率压缩机正好与小功率的增设压缩机相互配合，有效地起到互补作用。

进一步地，所述锂电池优选采用高压工作状态且工作电压为400-800V，锂电池主要为汽车提供驱动能量，所述车载辅助电池优选采用低压工作状态且工作电压为24V或12V，车载辅助电池主要是起辅助供电作用，一方面能够给汽车上的其他负载供电，另一方面还能在汽车所需驱动力较少时利用车载辅助电池储存锂电池内的多余的电量。

进一步地，所述车载辅助电池优选采用铅酸蓄电池。

进一步地，燃料电池汽车辅助供能系统，在图2所示的实施例的基础上，还包括设置于增设气动发电机与增设涡轮之间的单向阀，单向阀开启时，流经增设气动发电机的较高压氢气单向流入增设涡轮进而带动增设压缩机工作。

本发明提出的如图3所示的燃料电池汽车辅助供能系统的工作原理具体说明如下：

该系统包括汽车电池系统本身的高压氢气瓶组、减压阀、燃料电池以及依次连接的锂电池、DC/DC变换器、车载辅助电池，还包括汽车空调系统本身的直流空调电机、车载压缩机、制冷剂管路以及连接在所述制冷剂管路上的冷凝器、膨胀阀、蒸发器和空调风道，还包括增设气动发电机、增设整流器以及包括三通分流阀、三通合流阀和相互连接的增设涡轮与增设压缩机共19部分，所述三通分流阀设置于所述高压氢气瓶组与所述增设气动发电机之间且保持一路分流至所述增设气动发电机同时另一路分流至所述增设涡轮，所述三通合流阀设置于所述减压阀与所述燃料电池之间且保持一路合流来自所述减压阀同时另一路合流来自所述增设涡轮，所述增设压缩机与所述车载压缩机并列设置于所述制冷剂管路上且所述增设压缩机、所述车载压缩机分别独立地与所述冷凝器、所述膨胀阀、所述蒸发器再结合制冷剂管路形成气流液流转换通路，所述空调风道靠近蒸发器且内部形成空气交换通路；所述增设涡轮接收流经所述三通分流阀一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动以转动进而驱动所述增设压缩机工作对制冷剂进行压缩以实现车载空调系统辅助供能，所述增设气动发电机接收所述三通分流阀另一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动进行发电产生电能再经所述增设整流器整流后为所述锂电池充电实现辅助供能。

燃料电池汽车处于初始状态(可以理解为静止状态)时，三通分流阀和锂电池处于关闭状态，增设压缩机、车载压缩机均不工作。

燃料电池汽车处于启动或行驶中时，燃料电池开始工作(燃料电池电堆为锂电池提供主要的大量能量)时，打开三通分流阀，高压氢气经过三通分流阀的分流作用，使得一股高压氢气流分成两股高压氢气流，其中一股高压氢气进入增设涡轮利用其泄压能量驱动增设涡轮转动进而驱动所述增设压缩机工作对制冷剂进行压缩以实现车载空调系统辅助供能，另外一股则进入增设气动发电机利用其泄压能量驱动增设气动发电机进行发电产生电能再经所述增设整流器整流后为所述锂电池充电实现辅助供能(增设气动发电机利用氢气泄压能量发电为锂电池提供少量能量)。单向阀开启时，流经增设气动发电机的较高压氢气单向流入增设涡轮进而带动增设压缩机工作流经增设气动发电机的较低压氢气直接进入减压阀后再经三通合流阀的一个合流口进入最后进入燃料电池；高压氢气泄压驱动增设涡轮后从增设涡轮出来的较低压的氢气经三通合流阀的另一个合流阀进入且最后进入燃料电池。

系统中的增设压缩机和车载压缩机相互配合工作，当根据环境条件判定汽车空调系统无须工作时，车载压缩机和增设压缩机均不工作，控制流经三通分流阀的高压氢气全部流经第一路进入增设气动发电机，且关闭单向阀，使高压氢气泄压变成低压氢气的能量全部用于驱动增设气动发电机进行发电产生电能，然后所产生的电能经过增设整流器整流后直接给锂电池辅助充电，而此时锂电池多余的电能也能够通过DC/DC变换器输出给车载辅助电池以为汽车上其他小功率负载供电；

当根据环境条件判定汽车空调系统需要功率较低时，只需一个压缩机进行压缩工作即可满足工作需求，此时仅采用利用氢气泄压能量回收利用的能量来驱动的增设压缩机工作即可，系统以满足空调所需功率为目标自动根据功率需求计算高压氢气流量比(具体地，可以采用带有计算和分配功能的三通分流阀以及三通合流阀来进行计算，也可以设置辅助供能控制器进行计算并控制分配三通分流阀以及三通合流阀的流量比)，依据计算结果控制三通分流阀两个出口的流量比，同时关闭单向阀，使得一部分高压氢气流向增设涡轮驱动增设涡轮转动进而驱动增设压缩机对制冷剂进行压缩以完成制冷，同时驱动增设涡轮后泄压了的较低压的氢气经三通合流阀的一个入口进入燃料电池，而另一部分高压氢气则流向增设气动发电机进而驱动增设气动发电机进行发电并将所发电能储存在锂电池中以供驱动汽车或者给车上其它用电设备，同时驱动增设气动发电机后泄压了的较低压的氢气则经减压阀再经三通合流阀的另一入口进入燃料电池；或者控制流经三通分流阀的高压氢气全部进入增设气动发电机，但打开单向阀，关闭减压阀，使得驱动增设气动发电机后流出来的较高压氢气全部通过单向阀流进增设涡轮并驱动增设涡轮进而驱动增设压缩机，同时增设气动发电机进行发电并将所发电能储存在锂电池中，在上述两个过程中，气态制冷剂经过不工作的车载压缩机后由增设压缩机压缩进而在制冷剂管路开始液化进入冷凝器，再通过气流液流转换通路进入蒸发器(途径膨胀阀)，且在靠近蒸发器的空调风道的空气交换通路中吸收空气热量使得空调风道的空气冷却，此时制冷剂压力降低，并重新进入制冷剂管路循环，此过程中车载压缩机无需工作，不耗费车内能量，在满足制冷需求的同时有效降低了车载动力系统的负载压力；

当根据环境条件判定汽车空调系统需要功率较高时，一个压缩机不再能满足工作需求，需要两个压缩机均进行压缩工作且相互配合，即此时既需要驱动利用氢气泄压能量回收利用的能量的增设压缩机工作，又需要驱动经直流空调电机控制的车载压缩机工作，系统以能量利用效率最高为目标(能量利用效率最高是指氢气泄压过程中释放的能量所能产生的电能的转化效率最高，产生的电能包括锂电池充入的电能+车载辅助电池充入的电能+空调系统得到的电能，自变量为三通分流阀两个出口或三通合流阀两个入口的流量)自动根据能量利用效率公式计算高压氢气流量比(具体地，可以采用带有计算和分配功能的三通分流阀以及三通合流阀来进行计算，也可以设置辅助供能控制器进行计算并控制分配三通分流阀以及三通合流阀的流量比)，依据计算结果控制三通分流阀两个出口的流量比，使得一部分高压氢气流入增设涡轮驱动增设涡轮转动进而驱动增设压缩机对制冷剂进行压缩，同时驱动增设涡轮后泄压了的较低压的氢气经三通合流阀进入燃料电池，而另一部分高压氢气则流入增设气动发电机进而驱动增设气动发电机进行发电，并将所发电能储存在锂电池中以供驱动汽车或者给车上其它用电设备，并打开单向阀，关闭减压阀，使得使得驱动增设气动发电机后流出来的较高压氢气也通过单向阀流进增设涡轮并驱动增设涡轮进而驱动增设压缩机，以此与上述一部分流入增设涡轮的高压氢气一同驱动增设涡轮进而驱动增设压缩机，提高了增设压缩机的驱动力，一定程度上提升了增设压缩机的压缩效果，且增设压缩机工作的同时，由直流空调电机控制车载压缩机也进入压缩工作，且直流空调电机控制驱动车载压缩机的能量来自于锂电池，也就是锂电池为直流空调电机供电进而驱动车载压缩机与增设压缩机一同工作(在实际应用中也可以根据具体车体设计将增设气动发电机所产生的电能通过DC/DC变换器直接供给直流空调电机以驱动车载压缩机)，制冷剂管路中的制冷剂经增设压缩机和车载压缩机压缩后经过冷凝器再通过气流液流转换通路进入蒸发器(途径膨胀阀)，且在靠近蒸发器的空调风道的空气交换通路中吸收空气热量使得空调风道的空气冷却，此时制冷剂压力降低，并重新进入制冷剂管路循环，此过程中车内锂电池能量和高压氢气泄压回收的能量一并利用，满足了空调系统所需的所有动力且高效、经济、环保。

算例：

为了使燃料电池处于效率最高、放电性能也较好的状态，燃料电池(燃料电池电堆)进口处空气流压力需保持在0.5MPa，氢气流压力则需保持在0.25MPa至0.3MPa范围内，故本例中，燃料电池(燃料电池电堆)进口处的氢气流压力设为0.25Mpa。

以一组3瓶35MPa-140L的高压氢气瓶组供氢系统为例，车载储氢罐内压力一般为35MPa，假设进入增设涡轮的氢气压力需下降到1MPa左右；进入增设气动发电机的氢气压力则不需降压，经过增设气动发电机之后的氢气压力则下降到1Mpa左右。

(1)当利用高压氢气的能量来直接驱动增设涡轮时：

对于一般流动气体，其雷诺数计算公式为：

在本例中，流动气体的压力较低，故雷诺数Re≤1000，因此可视为不可压缩流体。

增设涡轮进出口氢气应满足不可压缩流的伯努利方程：

(2)式中，

是压力势能，

是动能，g_z是重力势能。

在本发明中，假设气流在同一水平面上运动，重力对体系不做功，故该部分能量守恒，而压力势能和动能的改变量则是体系中主要改变的能量。在增设涡轮中，氢气泄压的能量驱动增设涡轮转动，压力势能大量减少。在25℃条件下，取氢气的密度为0.0899kg/m3，则可计算得到，单位物质的量的氢气泄压释放的总能量为：

设增设涡轮的效率为0.8，则增设涡轮对外做功总量为

M＝E×0.8＝3.337kJ (4)

设增设涡轮与增设压缩机直接传输效率为0.95，则进入到增设压缩机中的功为

M'＝M×0.95＝3.17kJ (5)

则在该系统中，当单位物质的量氢气泄压释放的能量供给增设压缩机时，所能得到的总能量为3.17kJ。

(2)当利用高压氢气泄压的能量来直接驱动增设气动发电机时：

根据理想气体等温膨胀做功公式

W＝nRTlnV₂/V₁ (6)

式中，n表示气体物质的量，R表示摩尔气体常数，其值8.314J/(mol·K)，T表示绝对温度，lnV₂/V₁表示气体等温膨胀前后体积的对数值，V₁和V₂分别表示气体等温膨胀前、后的体积。

在25℃和35MPa条件下，则可计算得到，单位物质的量的氢气泄压释放的总能量为：

W＝8.314×298.15×ln35/1＝8.813kJ (7)

由于氢气泄压释放的能量在转变为机械能后再转变为电能的过程中会有能量损失，假设整个过程的转换效率为50％，则在该系统中，当单位物质的量的氢气泄压释放的能量经增设气动发电机转换为电能时，所能得到的有用的总能量为W'＝4.407kJ。

综上所述，设从三通分流阀进入增设涡轮的氢气的物质的量为xmol，从三通分流阀进入增设气动发电机的氢气的物质的量为ymol，从单向阀进入增设涡轮的氢气的物质的量为zmol(z≤y)，则一组3瓶35MPa-140L的高压氢气瓶组供氢系统中氢气全部释放完之后，所能回收的能量为：

CE＝(x+z)M'+yW' (8)

其中，x+y为3瓶35MPa-140L氢气瓶中氢气的物质的量，M'＝3.17kJ，W'＝4.407kJ。

因此，当高压氢气经三通分流阀全部进入增设涡轮时，即当x＝5930.19，y＝z＝0时，CE＝18.799MJ；当高压氢气流经三通分流阀全部进入增设气动发电机且单向阀关闭时，即y＝5930.19，x＝z＝0时，CE＝26.134MJ；当高压氢气流经三通分流阀全部进入增设气动发电机且单向阀一直打开时，即y＝z＝5930.19，x＝0时，CE＝44.933MJ。

综上所述，本系统可使得一组3瓶35MPa-140L的高压氢气瓶组的供氢系统回收18.799MJ至44.933MJ范围内的能量以供锂电池充电或供车载辅助电池充电或驱动汽车空调系统的增设压缩机工作，由此提高了整车系统的能量利用率，进而提高经济性和车辆的续驶里程。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种燃料电池汽车辅助供能系统，包括汽车电池系统本身的高压氢气瓶组、减压阀、燃料电池以及依次连接的锂电池、DC/DC变换器、车载辅助电池，其特征在于，还包括增设气动发电机、增设整流器，所述增设气动发电机与减压阀依次设置于高压氢气瓶组和燃料电池之间的气流通路上，所述增设整流器连接于所述增设气动发电机与锂电池之间，所述增设气动发电机接收高压氢气瓶组内高压氢气泄压能量的驱动进而发电产生电能同时经过增设气动发电机的氢气经减压阀后进入燃料电池，所述增设整流器接收所述增设气动发电机的电能进行整流后对所述锂电池充电实现辅助供能，所述锂电池通过DC/DC变换器为所述车载辅助电池补充电能；

还包括汽车空调系统本身的直流空调电机、车载压缩机、制冷剂管路以及连接在所述制冷剂管路上的冷凝器、膨胀阀、蒸发器和空调风道，以及包括三通分流阀、三通合流阀和相互连接的增设涡轮与增设压缩机，所述三通分流阀设置于所述高压氢气瓶组与所述增设气动发电机之间且保持一路分流至所述增设气动发电机同时另一路分流至所述增设涡轮，所述三通合流阀设置于所述减压阀与所述燃料电池之间且保持一路合流来自所述减压阀同时另一路合流来自所述增设涡轮，所述增设压缩机与所述车载压缩机并列设置于所述制冷剂管路上且所述增设压缩机、所述车载压缩机分别独立地与所述冷凝器、所述膨胀阀、所述蒸发器结合制冷剂管路形成气流液流转换通路，所述空调风道靠近蒸发器且内部形成空气交换通路；所述增设涡轮接收流经所述三通分流阀一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动以转动进而驱动所述增设压缩机工作对制冷剂进行压缩以实现车载空调系统辅助供能，所述增设气动发电机接收所述三通分流阀另一个分流口的高压氢气泄压能量的驱动进行发电产生电能再经所述增设整流器整流后为所述锂电池充电实现辅助供能。

2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车辅助供能系统，其特征在于，所述增设压缩机和所述车载压缩机相互配合工作，进而制冷剂管路中的制冷剂经所述增设压缩机和所述车载压缩机压缩后经过冷凝器再通过气流液流转换通路进入蒸发器，且在靠近蒸发器的空调风道的空气交换通路中吸收空气热量使得空调风道的空气冷却。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池汽车辅助供能系统，其特征在于，所述增设压缩机采用功率在1KW至5KW之间的小功率压缩机，所述车载压缩机采用功率在5KW至15KW之间的大功率压缩机。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池汽车辅助供能系统，其特征在于，所述锂电池采用高压工作状态，工作电压为400-800V，所述车载辅助电池采用低压工作状态，工作电压为24V或12V。

5.根据权利要求4所述的燃料电池汽车辅助供能系统，其特征在于，所述车载辅助电池采用铅酸蓄电池。

6.根据权利要求1或2所述的燃料电池汽车辅助供能系统，其特征在于，还包括设置于所述增设气动发电机与所述增设涡轮之间的单向阀，所述单向阀开启时，流经所述增设气动发电机的较高压氢气单向流入所述增设涡轮进而带动所述增设压缩机工作。

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