CN112092601A - 内燃机与燃料电池混合动力装置及控制方法 - Google Patents

内燃机与燃料电池混合动力装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机与燃料电池混合动力装置及控制方法，包括内燃机动力总成、燃料电池动力总成和动力耦合装置，所述内燃机动力总成和燃料电池动力总成产生的动力分别经动力耦合装置输出动力，所述燃料电池动力总成包括燃料电池本体和空气压缩机，所述空气压缩机与燃料电池本体的阴极进气口连通；所述内燃机动力总成的内燃机排气口设有涡轮，所述燃料电池本体的阴极进气口与空气压缩机管道并联设置有增压组件，所述涡轮驱动增压组件给燃料电池本体的阴极注入空气。本发明利用内燃机尾气惯性势能给燃料电池本体供气，减少空气压缩机的能耗，实现内燃机尾气动能的回收再利用，提高了整个混合动力装置的能源利用率。

Description

内燃机与燃料电池混合动力装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种混合动力装置及控制方法，特别涉及一种内燃机与燃料电池混合动力装置及控制方法，属于混合动力技术领域。
背景技术
对于传统动力机械，其动力一般是由内燃机通过燃烧柴油、汽油等化石燃料来提供，虽然其动力性、稳定性以及安全性等方面技术经过多年的发展已经日渐成熟，但是内燃机本身存在着效率有限、污染物排放高等问题，已经不符合经济环境发展的大方向。
混合动力系统常被用以解决纯内燃机动力系统的各种问题，其一般指的发动机与动力电池混动，即“油电”混动，随着新能源技术的快速发展，燃料电池系统也逐渐应用到动力系统中，燃料电池与动力电池混动，即电电混动也慢慢进入到人们的视野。但是无论是“内燃机与电池”混动还是“电电”混动，都存在着诸多弊端，例如“内燃机与电池”混动因为仍然保留了发动机，不能真正意义上做到零排放，仍然有着系统能量利用效率不高等问题；“电电”混动虽然不使用发动机，减小了工作噪音问题，但是由于电电混动方式不能适应工作负载大，负载变化频繁的复杂工况，这种燃料电池与动力电池混合动力系统一般只能应用于小负荷、短距离等场景。因此，为了适应频繁变载且功率需求大的工作场景，急需研发一种新的混合动力系统。
传统燃料电池发动机在工作时需要一定流量的空气作为氧化剂，常规燃料电池发动机均采用空压机进行空气增压，空压机工作时需要消耗大量能量，研究表明，空压机消耗的电能约占燃料电池输出电能的10%~20%。而内燃机在工作时排放的尾气具有较高的惯性势能，现实中往往没有对尾气中的气体惯性势能进行利用将其就排入了大气环境，造成燃料电池的能源利用率低和内燃机排放的尾气惯性势能的浪费。
本发明立足于解决传统混合动力系统中的功率、排放、能耗等方面问题，开发了一种高效内燃机—燃料电池混合动力装置及控制策略，主要通过结构改进的方法，进行内燃机与燃料电池尾气余热的高效利用，实现了系统效率提升及能耗优化。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的燃料电池的能源利用率低、内燃机排放的尾气排放惯性势能浪费的问题，提供一种内燃机与燃料电池混合动力装置及控制方法。
技术方案：一种内燃机与燃料电池混合动力装置，包括内燃机动力总成、燃料电池动力总成和动力耦合装置，所述内燃机动力总成和燃料电池动力总成产生的动力分别经动力耦合装置输出动力，所述燃料电池动力总成包括驱动电机、电机控制器、电池、燃料电池本体、燃料罐和空气压缩机，所述燃料罐与燃料电池本体的阳极进气口连通，所述空气压缩机与燃料电池本体的阴极进气口连通；所述内燃机动力总成的内燃机排气口设有涡轮，所述燃料电池本体的阴极进气口与空气压缩机管道并联设置有增压组件，所述涡轮驱动增压组件给燃料电池本体的阴极注入空气。本发明通过内燃机尾气驱动涡轮，再由涡轮驱动增压组件给燃料电池本体的阴极注入空气，利用内燃机尾气惯性势能给燃料电池本体供气，减少空气压缩机的能耗，实现内燃机尾气动能的回收再利用，提高了整个混合动力装置的能源利用率。
优选项，为了进一步实现对内燃机尾气动能的回收，所述增压组件包括增压叶轮、增压主管、排气支管、增压支管和电动阀门；所述增压叶轮由涡轮驱动其旋转，空气经增压叶轮增压后形成压缩空气进入增压主管，所述增压主管的末端分别与排气支管和增压支管连通，所述排气支管通向大气，所述增压支管通向燃料电池本体的阴极进气口，所述电动阀门安装于排气支管的入口处。通过对电动阀门开度的调节能够实现对进入燃料电池本体内的压缩空气的流量和压力进行控制。
优选项，为了保证燃料电池的正常工作，所述增压支管内设有第一单向阀，所述空气压缩机与燃料电池本体的阴极进气口之间的管道中设有第二单向阀，所述第一单向阀和第二单向阀分别向燃料电池本体的阴极进气口一侧导通。为了保证进入燃料电池本体的阴极压缩空气的压力和流量，采用空气压缩机与增压组件并联的方式实现。
优选项，为了实现对电动阀门的精确控制，所述燃料电池动力总成包括燃料电池控制器和第一空气流量测量仪，所述第一空气流量测量仪位于燃料电池本体的阴极进气口内，所述增压主管内设有第二空气流量测量仪，所述第一空气流量测量仪和第二空气流量测量仪分别与燃料电池控制器连接，所述燃料电池控制器控制电动阀门的开度。
优选项，为了实现内燃机动力总成和燃料电池动力总成产生的动力的耦合，所述动力耦合装置包括太阳轮、行星架、齿圈、太阳轮锁止器和齿圈锁止器，所述内燃机动力总成的输出轴与太阳轮连接，所述驱动电机的输出轴与齿圈连接，最终动力输出端与行星架连接，所述太阳轮锁止器可以锁定太阳轮，齿圈锁止器可以锁定齿圈。
一种内燃机与燃料电池混合动力装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、启动内燃机动力总成，由内燃机动力总成通过动力耦合装置提供动力输出；
步骤二、检测电池的电量，当电量小于等于设定值时，燃料电池本体给电池充电，当电量大于设定值时，电机控制器根据动力输出端动力需求启动驱动电机，驱动电机与内燃机动力总成协同通过动力耦合装置提供动力输出；
步骤三、第二空气流量测量仪检测增压叶轮产生的压缩空气的流量W2；
步骤四、判断进入燃料电池本体阴极的压缩空气量是否满足燃料电池动力总成进气量的需求，进气量W2小于等于燃料电池目标进气流量需求值WFC时，启动空气压缩机并进入步骤五，进气量W2大于需求值WFC时，关闭空气压缩机，并进入步骤六；
步骤五、电动阀门关闭排气支管，第一空气流量测量仪检测进入燃料电池本体阴极的压缩空气的流量W1，W1大于WFC时空气压缩机降低自身转速直至关闭空气压缩机，并使进入燃料电池本体阴极的进气量达到需求值WFC；W1小于等于WFC时空气压缩机提高自身转速，使进入燃料电池本体阴极的进气量达到需求值WFC；
步骤六、第一空气流量测量仪检测进入燃料电池本体阴极的压缩空气的流量W1，当W1小于需求值WFC时，返回步骤四；当W1大于需求值WFC时，通过调节电动阀门的开度控制流量达到进入燃料电池本体阴极的进气量的需求值WFC；
步骤七、停止动力输出，内燃机动力总成和驱动电机停机。
所述动力耦合装置提供动力输出的方法包括内燃机动力总成单独提供动力、驱动电机单独提供动力以及内燃机动力总成和驱动电机同时提供动力三种模式，
内燃机动力总成单独提供动力时，齿圈锁止器锁定齿圈，内燃机动力总成的输出轴依次经太阳轮和行星架驱动动力输出端；电动阀门关闭增压支管所在的通道，压缩空气由排气支管排出；
驱动电机单独提供动力时，所述太阳轮锁止器锁定太阳轮，驱动电机的输出轴依次经齿圈和行星架驱动动力输出端；
内燃机动力总成和驱动电机同时提供动力时，齿圈和太阳轮同时解锁，内燃机动力总成的动力和驱动电机的动力分别经太阳轮和齿圈汇流至行星架驱动动力输出端。
所述步骤六中电动阀门的开度的调节方法采用PID控制方法：
第二空气流量测量仪测量增压叶轮排放的压缩空气流量W2，第一空气流量测量仪测量进入燃料电池本体阴极的的空气流量W1，燃料电池控制器根据需求功率计算需要进入燃料电池本体阴极进气口的空气流量WFC，
初步计算电动阀门的实时开度D1为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，K(λ)为阀门开度的非线性系数，燃 料电池控制器根据实际W1的值与目标WFC的差值作为PID控制的输入，PID控制的输出为电动 阀门的为满足进气实时需求WFC的微调量D2，所述电动阀门最终实时开度为D3=D1+D2。
有益效果：本发明通过内燃机尾气驱动涡轮，再由涡轮驱动增压组件给燃料电池本体的阴极注入空气，利用内燃机尾气惯性势能给燃料电池本体供气，减少空气压缩机的能耗，实现内燃机尾气动能的回收再利用，提高了整个混合动力装置的能源利用率；采用简单实用的PID控制方法，可提升整个系统的进气动态响应，有效避免涡轮进气量扰动问题，提高控制系统稳定性与精确性；采用涡轮压缩空气的方案时，可完全取代空压机的功能，大大减小了系统的额外能耗。
附图说明
图1为本发明结构原理图；
图2为本发明动力耦合原理图；
图3为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种内燃机与燃料电池混合动力装置，包括内燃机动力总成1、燃料电池动力总成2和动力耦合装置3，所述内燃机动力总成1和燃料电池动力总成2产生的动力分别经动力耦合装置3输出动力，所述燃料电池动力总成2包括驱动电机21、电机控制器22、电池23、燃料电池本体24、燃料罐25和空气压缩机26，所述燃料罐25与燃料电池本体24的阳极进气口连通，所述空气压缩机26与燃料电池本体24的阴极进气口连通；所述内燃机动力总成1的内燃机排气口设有涡轮4，所述燃料电池本体24的阴极进气口与空气压缩机26管道并联设置有增压组件5，所述涡轮4驱动增压组件5给燃料电池本体24的阴极注入空气。本发明通过内燃机尾气驱动涡轮4，再由涡轮4驱动增压组件5给燃料电池本体24的阴极注入空气，利用内燃机尾气惯性势能给燃料电池本体24供气，减少空气压缩机26的能耗，实现内燃机尾气动能的回收再利用，提高了整个混合动力装置的能源利用率。
所述增压组件5包括增压叶轮51、增压主管52、排气支管53、增压支管54和电动阀门55；所述增压叶轮51由涡轮4驱动其旋转，空气经增压叶轮51增压后形成压缩空气进入增压主管52，所述增压主管52的末端分别与排气支管53和增压支管54连通，所述排气支管53通向大气，所述增压支管54通向燃料电池本体24的阴极进气口，所述电动阀门55安装于排气支管53的入口处。
所述增压支管54内设有第一单向阀56，所述空气压缩机26与燃料电池本体24的阴极进气口之间的管道中设有第二单向阀27，所述第一单向阀56和第二单向阀27分别向燃料电池本体24的阴极进气口一侧导通。
所述燃料电池动力总成2包括燃料电池控制器28和第一空气流量测量仪29，所述第一空气流量测量仪29位于燃料电池本体24的阴极进气口内，所述增压主管52内设有第二空气流量测量仪57，所述第一空气流量测量仪29和第二空气流量测量仪57分别与燃料电池控制器28连接，所述燃料电池控制器28控制电动阀门55的开度。
如图2所示，所述动力耦合装置3包括太阳轮31、行星架32、齿圈33、太阳轮锁止器34和齿圈锁止器35，所述内燃机动力总成1的输出轴与太阳轮31连接，所述驱动电机21的输出轴与齿圈33连接，最终动力输出端与行星架32连接，所述太阳轮锁止器34可以锁定太阳轮31，齿圈锁止器35可以锁定齿圈33。
如图3所示，一种内燃机与燃料电池混合动力装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、启动内燃机动力总成1，由内燃机动力总成1通过动力耦合装置3提供动力输出；
步骤二、检测电池23的电量，当电量小于等于设定值时，燃料电池本体24给电池23充电，当电量大于设定值时，电机控制器22根据动力输出端动力需求启动驱动电机21，驱动电机21与内燃机动力总成1协同通过动力耦合装置3提供动力输出；
步骤三、第二空气流量测量仪57检测增压叶轮51产生的压缩空气的流量W2；
步骤四、判断进入燃料电池本体24阴极的压缩空气量是否满足燃料电池动力总成2进气量的需求，进气量W2小于等于燃料电池目标进气流量需求值WFC时，启动空气压缩机26并进入步骤五，进气量W2大于需求值WFC时，关闭空气压缩机26，并进入步骤六；
步骤五、电动阀门55关闭排气支管53，第一空气流量测量仪29检测进入燃料电池本体24阴极的压缩空气的流量W1，W1大于WFC时空气压缩机26降低自身转速直至关闭空气压缩机26，并使进入燃料电池本体24阴极的进气量达到需求值WFC；W1小于等于WFC时空气压缩机26提高自身转速，使进入燃料电池本体24阴极的进气量达到需求值WFC；
步骤六、第一空气流量测量仪29检测进入燃料电池本体24阴极的压缩空气的流量W1，当W1小于需求值WFC时，返回步骤四；当W1大于需求值WFC时，通过调节电动阀门55的开度控制流量达到进入燃料电池本体24阴极的进气量的需求值WFC；
步骤七、停止动力输出，内燃机动力总成1和驱动电机21停机。
如图2和3所示，所述动力耦合装置3提供动力输出的方法包括内燃机动力总成1单独提供动力、驱动电机21单独提供动力以及内燃机动力总成1和驱动电机21同时提供动力三种模式，
内燃机动力总成1单独提供动力时，齿圈锁止器35锁定齿圈33，内燃机动力总成1的输出轴依次经太阳轮31和行星架32驱动动力输出端；电动阀门55关闭增压支管54所在的通道，压缩空气由排气支管53排出；
驱动电机21单独提供动力时，所述太阳轮锁止器34锁定太阳轮31，驱动电机21的输出轴依次经齿圈33和行星架32驱动动力输出端；
内燃机动力总成1和驱动电机21同时提供动力时，齿圈33和太阳轮31同时解锁，内燃机动力总成1的动力和驱动电机21的动力分别经太阳轮31和齿圈33汇流至行星架32驱动动力输出端。
所述步骤六中电动阀门55的开度的调节方法采用PID控制方法：
第二空气流量测量仪57测量增压叶轮51排放的压缩空气流量W2，第一空气流量测量仪29测量进入燃料电池本体24阴极的的空气流量W1，燃料电池控制器28根据需求功率计算需要进入燃料电池本体24阴极进气口的空气流量WFC，
初步计算电动阀门55的实时开度D1为
Figure 370826DEST_PATH_IMAGE001
，K(λ)为阀门开度的非线性系数， 燃料电池控制器28根据实际W1的值与目标WFC的差值作为PID控制的输入，PID控制的输出为 电动阀门55的为满足进气实时需求WFC的微调量D2，所述电动阀门55最终实时开度为D3=D1+ D2。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种内燃机与燃料电池混合动力装置，包括内燃机动力总成（1）、燃料电池动力总成（2）和动力耦合装置（3），所述内燃机动力总成（1）和燃料电池动力总成（2）产生的动力分别经动力耦合装置（3）输出动力，所述燃料电池动力总成（2）包括驱动电机（21）、电机控制器（22）、电池（23）、燃料电池本体（24）、燃料罐（25）和空气压缩机（26），所述燃料罐（25）与燃料电池本体（24）的阳极进气口连通，所述空气压缩机（26）与燃料电池本体（24）的阴极进气口连通；其特征在于：所述内燃机动力总成（1）的内燃机排气口设有涡轮（4），所述燃料电池本体（24）的阴极进气口与空气压缩机（26）管道并联设置有增压组件（5），所述涡轮（4）驱动增压组件（5）给燃料电池本体（24）的阴极注入空气。
2.根据权利要求1所述的内燃机与燃料电池混合动力装置，其特征在于：所述增压组件（5）包括增压叶轮（51）、增压主管（52）、排气支管（53）、增压支管（54）和电动阀门（55）；所述增压叶轮（51）由涡轮（4）驱动其旋转，空气经增压叶轮（51）增压后形成压缩空气进入增压主管（52），所述增压主管（52）的末端分别与排气支管（53）和增压支管（54）连通，所述排气支管（53）通向大气，所述增压支管（54）通向燃料电池本体（24）的阴极进气口，所述电动阀门（55）安装于排气支管（53）的入口处。
3.根据权利要求2所述的内燃机与燃料电池混合动力装置，其特征在于：所述增压支管（54）内设有第一单向阀（56），所述空气压缩机（26）与燃料电池本体（24）的阴极进气口之间的管道中设有第二单向阀（27），所述第一单向阀（56）和第二单向阀（27）分别向燃料电池本体（24）的阴极进气口一侧导通。
4.根据权利要求3所述的内燃机与燃料电池混合动力装置，其特征在于：所述燃料电池动力总成（2）包括燃料电池控制器（28）和第一空气流量测量仪（29），所述第一空气流量测量仪（29）位于燃料电池本体（24）的阴极进气口内，所述增压主管（52）内设有第二空气流量测量仪（57），所述第一空气流量测量仪（29）和第二空气流量测量仪（57）分别与燃料电池控制器（28）连接，所述燃料电池控制器（28）控制电动阀门（55）的开度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的内燃机与燃料电池混合动力装置，其特征在于：所述动力耦合装置（3）包括太阳轮（31）、行星架（32）、齿圈（33）、太阳轮锁止器（34）和齿圈锁止器（35），所述内燃机动力总成（1）的输出轴与太阳轮（31）连接，所述驱动电机（21）的输出轴与齿圈（33）连接，最终动力输出端与行星架（32）连接，所述太阳轮锁止器（34）可以锁定太阳轮（31），齿圈锁止器（35）可以锁定齿圈（33）。
6.根据权利要求5所述的内燃机与燃料电池混合动力装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、启动内燃机动力总成（1），由内燃机动力总成（1）通过动力耦合装置（3）提供动力输出；
步骤二、检测电池（23）的电量，当电量小于等于设定值时，燃料电池本体（24）给电池（23）充电，当电量大于设定值时，电机控制器（22）根据动力输出端动力需求启动驱动电机（21），驱动电机（21）与内燃机动力总成（1）协同通过动力耦合装置（3）提供动力输出；
步骤三、第二空气流量测量仪（57）检测增压叶轮（51）产生的压缩空气的流量W2；
步骤四、判断进入燃料电池本体（24）阴极的压缩空气量是否满足燃料电池动力总成（2）进气量的需求，进气量W2小于等于燃料电池目标进气流量需求值WFC时，启动空气压缩机（26）并进入步骤五，进气量W2大于需求值WFC时，关闭空气压缩机（26），并进入步骤六；
步骤五、电动阀门（55）关闭排气支管（53），第一空气流量测量仪（29）检测进入燃料电池本体（24）阴极的压缩空气的流量W1，W1大于WFC时空气压缩机（26）降低自身转速直至关闭空气压缩机（26），并使进入燃料电池本体（24）阴极的进气量达到需求值WFC；W1小于等于WFC时空气压缩机（26）提高自身转速，使进入燃料电池本体（24）阴极的进气量达到需求值WFC；
步骤六、第一空气流量测量仪（29）检测进入燃料电池本体（24）阴极的压缩空气的流量W1，当W1小于需求值WFC时，返回步骤四；当W1大于需求值WFC时，通过调节电动阀门（55）的开度控制流量达到进入燃料电池本体（24）阴极的进气量的需求值WFC；
步骤七、停止动力输出，内燃机动力总成（1）和驱动电机（21）停机。
7.根据权利要求6所述的内燃机与燃料电池混合动力装置的控制方法，其特征在于：所述动力耦合装置（3）提供动力输出的方法包括内燃机动力总成（1）单独提供动力、驱动电机（21）单独提供动力以及内燃机动力总成（1）和驱动电机（21）同时提供动力三种模式，
内燃机动力总成（1）单独提供动力时，齿圈锁止器（35）锁定齿圈（33），内燃机动力总成（1）的输出轴依次经太阳轮（31）和行星架（32）驱动动力输出端；电动阀门（55）关闭增压支管（54）所在的通道，压缩空气由排气支管（53）排出；
驱动电机（21）单独提供动力时，所述太阳轮锁止器（34）锁定太阳轮（31），驱动电机（21）的输出轴依次经齿圈（33）和行星架（32）驱动动力输出端；
内燃机动力总成（1）和驱动电机（21）同时提供动力时，齿圈（33）和太阳轮（31）同时解锁，内燃机动力总成（1）的动力和驱动电机（21）的动力分别经太阳轮（31）和齿圈（33）汇流至行星架（32）驱动动力输出端。
8.根据权利要求6所述的内燃机与燃料电池混合动力装置的控制方法，其特征在于，所述步骤六中电动阀门（55）的开度的调节方法采用PID控制方法：
第二空气流量测量仪（57）测量增压叶轮（51）排放的压缩空气流量W2，第一空气流量测量仪（29）测量进入燃料电池本体（24）阴极的的空气流量W1，燃料电池控制器（28）根据需求功率计算需要进入燃料电池本体（24）阴极进气口的空气流量WFC，
初步计算电动阀门（55）的实时开度D1为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，K(λ)为阀门开度的非线性系 数，燃料电池控制器（28）根据实际W1的值与目标WFC的差值作为PID控制的输入，PID控制的 输出为电动阀门（55）的为满足进气实时需求WFC的微调量D2，所述电动阀门（55）最终实时开 度为D3=D1+D2。
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