CN114261471A - 一种氢燃料与锂电池混合助力电动自行车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，包括车体、用于将氢能转换为电能并将一部分电能传回的燃料电池系统、用于储存氢气，并将氢气调压至燃料电池系统所需压力供给燃料电池系统的储氢系统、用于驱动车体移动的第一电机和用于控制储氢系统输出氢气大小，燃料电池系统输出电能大小并将电能输送至第一电机的控制系统，所述燃料电池系统、控制系统、第一电机依次连接，所述储氢系统与燃料电池系统及控制系统连接。在骑行时，通过储氢系统将氢气输送至燃料电池系统处，由燃料电池系统将氢能转换为电能，以满足第一电机启动车体所需，同时将一部分电能传回燃料电池系统中，以满足其运行所需。较于锂电池，本发明可以即时使用，无需等待，使用简便。
Description
技术领域
本发明涉及助力电动自行车应用领域，特别涉及一种氢燃料与锂电池混合助力电动自行车。
背景技术
目前的助力电动自行车主要使用锂电池驱动，具有充电时间长，里程短的缺点。有鉴于此，本发明采用氢能作为助力电动自行车的驱动能源。能够实现长时间的助力能力。在使用锂电池和燃料电池做为混合动力源时，系统复杂且成本高。但没有锂电池时，燃料电池无法启动的问题。
有鉴于此，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种氢燃料与锂电池混合助力电动自行车。以解决单一锂电池充电时间长，锂电池和燃料电池做为混合动力源系统复杂成本高，无锂电池时，燃料电池无法启动的问题。
为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：
一种氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，包括：车体、用于将氢能转换为电能并将一部分电能传回的燃料电池系统、用于储存氢气，并将氢气调压至燃料电池系统所需压力供给燃料电池系统的储氢系统、用于驱动车体移动的第一电机和用于控制储氢系统输出氢气大小，燃料电池系统输出电能大小并将电能输送至第一电机的控制系统，所述储氢系统、燃料电池系统、控制系统、第一电机依次连接，且均设置于车体上，所述燃料电池系统、储氢系统、燃料电池系统与控制系统连接。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述控制系统包括：依次连接的稳压模块、电流电压测量模块、功率控制模块、变压模块、主控制板和显示仪表，所述稳压模块与燃料电池系统的输出端连接，所述变压模块与燃料电池系统的用电端连接。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述功率控制模块与变压模块之间设置有第二电机。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述储氢系统包括与车体可拆卸连接用于存储氢气的储氢罐、用于检测储氢罐中氢气压力的压力传感器、截止阀、紧急释放阀、减压阀和快插接头，所述截止阀设置于储氢罐的出气端，所述快插接头连接于截止阀的出气端，所述压力传感器、紧急释放阀和减压阀均设置于快插接头上。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述储氢系统包括与车体固定连接用于存储氢气的储氢罐、用于检测储氢罐中氢气压力的压力传感器、截止阀、紧急释放阀、减压阀和快插接头，所述截止阀与快插接头并联设置于储氢罐的出气端，所述快插接头连接于截止阀的出气端，所述压力传感器、紧急释放阀和减压阀均设置于快插接头上，所述快插接头上还具有充气口。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述燃料电池系统包括依次连接的文丘里管、电磁阀、燃料电池、尾气排放阀，所述文丘里管与储氢系统的出气端连接。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，还包括氢气回收器，所述氢气回收器的进气口与尾气排放阀的出气口连接。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述控制系统还包括：油门把手、转速测量器、自行车开关、防盗器、氢气、浓度检测器和刹车信号器，所述油门把手、转速测量器、自行车开关、防盗器、氢气、浓度检测器和刹车信号器均与主控制板电连接。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，还包括其他用电装置，所述其他用电装置包括喇叭、转向灯。
所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车中，所述车体包括车架、轮胎、座椅、龙头、前后减震器和脚踏板，所述燃料电池系统、储氢系统、第一电机、控制系统和氢气回收器均设置于车架上，所述车架上位于燃料电池系统处设置有通风孔，所述通风孔处设置有过滤膜。
相较于现有技术，本发明提供的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，通过将轮毂电机转变为发电机提供了燃料电池系统启动电能。并将燃料电池系统所发电能引导一部分用于燃料电池系统的运行，并驱动电机前进为车辆前行提供助力。
附图说明
图1为本发明提供的较佳实施例的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车整车的示意图。
图2为本发明提供的较佳实施例的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车系统连接示意图。
图3为本发明提供的较佳实施例的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车的控制系统示意图。
图4为本发明提供的较佳实施例的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车的储氢系统示意图。
图5为本发明提供的较佳实施例的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车的燃料电池系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
请参阅图1和图2，本发明提供的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车包括：车体1、用于将氢能转换为电能并将一部分电能传回的燃料电池系统7、用于储存氢气，并将氢气调压至燃料电池系统7所需压力供给燃料电池系统7的储氢系统4、用于驱动车体移动的第一电机6和用于控制储氢系统4输出氢气大小，燃料电池系统7输出电能大小并将电能输送至第一电机6的控制系统3，所述储氢系统4、燃料电池系统7、控制系统3、第一电机6依次连接，且均设置于车体1上，所述燃料电池系统7、第一电机6、所述储氢系统4与燃料电池系统7与控制系统3连接。具体地，储氢系统4的放氢端与燃料电池系统7的进气端相连，燃料电池系统7的放电端经控制系统3与第一电机6连接。在骑行过程中，通过所述储氢系统4将氢气输送至燃料电池系统7处，由燃料电池系统7将氢能转换为电能，以满足第一电机6启动车体1所需，同时还将一部分电能传回燃料电池系统7中，以满足其运行所需，较于锂电池，本发明可以即时使用，无需等待，使用简便。
而且，在骑行过程中，当储氢系统4中的压力过大时，还经控制系统7将储氢系统4中的紧急释放，以保证骑行安全。
较佳地，所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车还包括氢气回收器2，以解决燃料电池系统7排出的尾气中氢气再利用问题，提高了氢气的综合利用率，并减少了温室气体排放。
请一并参阅图3，所述控制系统包括：显示仪表3-1、主控制板3-2、变压模块3-3、开关3-4、功率控制模块3-5、油门把手3-6、转速测量器3-7、自行车开关3-8、防盗器3-9、氢气浓度检测器3-10、刹车信号器3-11、稳压模块3-12和电流电压测量模块3-13。所述主控制板3-2信号输出端与显示仪表3-1、变压模块3-3、开关3-4和功率控制模块3-5相连。主控制板3-2信号输入端与油门把手3-6、转速测量器3-7、自行车开关3-8、氢气浓度检测器3-10和刹车信号器3-11相连。主控制板3-2信号输入端还留有供储氢系统4信号端，主控制板3-2的信号输入输出端还连接防盗器3-9，并连有燃料电池系统7控制信号端，用于主控制板3-2对该系统的参数测量，参数设定及设备控制。稳压模块3-12的入口为燃料电池系统7供电端，出口为电流电压测量模块3-13，电流电压测量模块3-13出口为功率控制模块3-5入口，功率控制模块3-5出口为电能输出端。通过所述稳压模块3-12、电流电压测量模块3-13、功率控制模块3-5将燃料电池系统7输出的电能进行检测、调整后经主控制板3-2输至第一电机6，用于助力自行车骑行。
进一步地，所述功率控制模块3-5与变压模块之间设置有第二电机9，变压模块3-3入口为第二电机9，出口为燃料电池系统7的燃料电池7-3用电端。所述开关3-4设置于在功率控制模块3-5出口和变压模块3-3入口间，氢气浓度检测器3-10探头位于储氢系统4的储氢罐4-1出气口附近，用于检测储气罐4-1出气口处的氢气浓度。
具体地，所述第二电机9为发电机，在启动助力自行车时，通过第一电机6发电，同时所述开关3-4打开，由主控制板3-2将一部分电能输出至第二电机9，用于燃料电池系统7中燃料电池7-3的启动，通过变压模块3-3将燃料电池系统7输出的电能调整至第一电机6所需电压，并将一部分电能传回给燃料电池系统7供其运行使用，运行中，当燃料电池系统7启动后，开启功率控制模块3-5，将第二电机9恢复为驱动模式，为自行车提供助力。
请一并参阅图4，在一实施例中，所述储氢设备包括：储氢罐4-1、截止阀4-2、快插接头4-3、压力传感器4-4、紧急释放阀4-5和减压阀4-6。其中，储氢罐4-1出口连接截止阀4-2的进口，截止阀4-2的出口连接着快插接头4-3入口。压力传感器4-4的测量端，紧急释放阀4-5的入口以及减压阀4-6入口并联在快插接4-3头出口。紧急释放阀4-5出口为排空端，连通大气，在紧急情况下能够将氢气释放至外界。减压阀4-6出口为储氢系统4的放氢端。压力传感器4-4信号端为信号输出端，与主控制板3-2连接。所述的储氢系统4用于储存氢气，可使用合金储氢罐或高压储氢罐储存氢气，能够储存氢气并通过减压阀4-6将储氢罐4-1中的氢气降压至燃料电池7-3所需压力。该储氢罐4-1与车体为可拆卸连接，能够在充气点直接更换储氢罐4-1。
在另一实施例中，储氢罐4-1与车体为不可拆卸连接。此种设计快插接头4-3出口与截止阀4-2入口并联连接储氢罐4-1出口，快插接头4-3入口即为充气端，其余部件的设置与上一实施例的结构相同。
以上两种实施例均可实现储氢、供氢功能，可根据具体需求选用，此处不作限制。
请一并参阅图5，所述的燃料电池系统7包括，文丘里管7-1，电磁阀7-2，燃料电池7-3，尾气排放阀7-4。其中，文丘里管7-1主路入口连接储氢系统4放氢端，文丘里管7-1侧入口连接氢气回收器2放氢端，文丘里管7-1主路出口连接电磁阀7-2入口，电磁阀7-2出口连接在燃料电池7-3进气口，燃料电池7-3出气口连接在尾气排放阀7-4入口上，尾气排放阀7-4出口为氢气回收器2入口。电磁阀7-2控制端和燃料电池7-3控制端连接在燃料电池7-3系统控制信号端上。燃料电池7-3放电端连接在功率控制模块3-5入口端。燃料电池7-3用电端连接在变压模块3-3出口端。
所述氢气回收器2与尾气排放阀连接，用于分离尾气中的氢气和水，水通过排放口排出车体，氢气通过氢气回收器2的放氢端回到燃料电池系统7中再利用。
请继续参阅图1和图2，所述其他用电设备10包括喇叭和转向灯等装置，以满足骑行需求。
所述的车体1包括车架1-1、车轮1-2、座椅1-3、龙头1-4、前后减震器(图中未示出)和脚踏板(图中未示出)等部件。燃料电池7-3附近开有通风孔(图中未示出)，通风口内侧附有过滤膜(图中未示出)能够去除空气中杂质和灰尘。
为使本发明的结构更加清楚，下面结合图1至图5说明采用上述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其操作方法包括：
当储氢系统4连接到车体1上后，需打开该截止阀4-2。当需要把储氢罐4-1从车体1上取下时需要关闭截止阀4-2。若储氢罐4-1为固定式，则在充氢时需要关闭截止阀4-2。充氢结束后再开启。车辆启动时，开启助力电动自行车开关3-8，踩脚踏板，第二电机9初始为发电模式，第二电机9旋转后所发电能经变压模块3-3转变为燃料电池7-3启动时所需电压。之后，燃料电池7-3启动，主控制板3-2开启功率控制模块3-5，为第一电机6供电，使得第一电机6处于驱动状态为骑行助力。同时打开开关3-4使得燃料电池7-3运行，所需电能由燃料电池7-3所发电能提供。根据油门把手3-6的信号决定功率输出模块3-5的输出功率进而改变助力的大小。在燃料电池7-3运行时还通过电流电压测量模块3-13记录燃料电池7-3输出的电压V1，输出电流I1和输出时间t1。
在系统运行时还需检测储氢罐4-1的压力和储氢罐4-1附近的氢气浓度。通过储氢罐4-1的压力可以计算出氢气剩余量。若在运行过程中探测到储氢罐4-1出气口附近氢气浓度超过3％后，需报警，停车将电动自行车关机检修。当氢气浓度低于1％后才能解除报警。该主控制板3-2也可以通过转速测量器3-7和功率控制模块3-5实现自行车的定速巡航，解放油门把手3-6。当转速低于设定值，那么通过功率控制模块3-5增大电机输出功率，提高转速。当转速大于设定值，则减少第一电机6输出功率，使得转速能够恒定于设定值。在整车运行期间需要不断监测剩余氢量以及燃料电池7-3输出功率。
当剩余氢量小于15％(假定值可变)，那么显示仪表3-1发出氢量小报警灯并依次关闭功率控制模块3-5。此时，不能提供助力。
燃料电池输出功率估算方法：
W1＝V1*I1
氢气储量估算方法：
整个系统还能够根据燃料电池的能量输出情况计算出氢气的剩余量Qs：
Qs＝Qc-W1*t1/C
其中，Qc：表示氢气初始体积
C：每升氢气产生的能量
充气时的剩余氢量：
Qs＝Qc+Q充
初始氢气量通过初始氢气压力及氢气压力和储量关系求得。
综上所述，本发明提供的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车通过将燃料电池系统将储氢系统中的氢气转换为电能，为助力电动自行车行驶提供所需电能，可即时使用，较于现有的锂电池需要等待充电，本实施例使用更简便、环保。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，包括：车体、用于将氢能转换为电能并将一部分电能传回的燃料电池系统、用于储存氢气，并将氢气调压至燃料电池系统所需压力供给燃料电池系统的储氢系统、用于驱动车体移动的第一电机和用于控制储氢系统输出氢气大小，燃料电池系统输出电能大小并将电能输送至第一电机的控制系统，所述储氢系统、燃料电池系统、控制系统、第一电机依次连接，且均设置于车体上，所述燃料电池系统、储氢系统、燃料电池系统与控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述控制系统包括：依次连接的稳压模块、电流电压测量模块、功率控制模块、变压模块、主控制板和显示仪表，所述稳压模块与燃料电池系统的输出端连接，所述变压模块与燃料电池系统的用电端连接。
3.根据权利要求2所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述功率控制模块与变压模块之间设置有第二电机。
4.根据权利要求1所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述储氢系统包括与车体可拆卸连接用于存储氢气的储氢罐、用于检测储氢罐中氢气压力的压力传感器、截止阀、紧急释放阀、减压阀和快插接头，所述截止阀设置于储氢罐的出气端，所述快插接头连接于截止阀的出气端，所述压力传感器、紧急释放阀和减压阀均设置于快插接头上。
5.根据权利要求1所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述储氢系统包括与车体固定连接用于存储氢气的储氢罐、用于检测储氢罐中氢气压力的压力传感器、截止阀、紧急释放阀、减压阀和快插接头，所述截止阀与快插接头并联设置于储氢罐的出气端，所述快插接头连接于截止阀的出气端，所述压力传感器、紧急释放阀和减压阀均设置于快插接头上，所述快插接头上还具有充气口。
6.根据权利要求1所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述燃料电池系统包括依次连接的文丘里管、电磁阀、燃料电池、尾气排放阀，所述文丘里管与储氢系统的出气端连接。
7.根据权利要求6所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，还包括氢气回收器，所述氢气回收器的进气口与尾气排放阀的出气口连接。
8.根据权利要求2所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述控制系统还包括：油门把手、转速测量器、自行车开关、防盗器、氢气、浓度检测器和刹车信号器，所述油门把手、转速测量器、自行车开关、防盗器、氢气、浓度检测器和刹车信号器均与主控制板电连接。
9.根据权利要求1所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，还包括其他用电装置，所述其他用电装置包括喇叭、转向灯。
10.根据权利要求1所述的氢燃料与锂电池混合助力电动自行车，其特征在于，所述车体包括车架、轮胎、座椅、龙头、前后减震器和脚踏板，所述燃料电池系统、储氢系统、第一电机、控制系统和氢气回收器均设置于车架上，所述车架上位于燃料电池系统处设置有通风孔，所述通风孔处设置有过滤膜。
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