CN115431743A - 一种氢插电式混合动力汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢插电式混合动力汽车，包括车辆和补能器；车辆包括动力系统、储能系统、车辆控制系统，动力系统包括内燃机和电机，储能系统包括高压储氢罐、高压储氧罐和动力电池；补能器包括充电系统、电解水系统、压缩加气系统和补能控制系统。与现有技术相比，本发明根据储能系统的剩余能量确定内燃机和电机的输出能量分配，并对内燃机的工况进行优化，有效降低了氢内燃机早燃、爆震的概率；补能器包括充电系统和电解水系统，除了进行动力电池充电外，利用电解水产生氢气并加氢的方式，在不增加电池的情况下有效提升了车辆的续航里程。

Description

一种氢插电式混合动力汽车
技术领域
本发明涉及混合动力汽车技术领域，尤其是涉及一种氢插电式混合动力汽车。
背景技术
氢具有清洁、可再生制造、高热值等特性，被视为人类的终极能源，也已被我国作为能源的一种。目前氢能可有多种用途：燃料电池发电、直接燃烧产热、以及作为传统内燃机的燃料等。
在汽车应用中，氢主要被视作燃料电池汽车的燃料，同时，氢内燃机也是其技术路线一种。在当前背景下，燃料电池高成本较高，且转化效率与内燃机相比没有明显优势，因此，氢内燃机的相关技术受到广泛关注，但是，氢内燃机本身存在早燃、爆震、润滑等问题。
目前，插电式混合动力汽车以内燃机和动力电池作为动力系统，凭借着兼顾燃油车便利的续航补充能力、纯电动汽车低廉的使用成本，已在生活中得到普及。但插电式混合动力汽车的长续航里程补充仍需要用户前往加油站进行加油，使用成本仍然较高，且无法满足用户在家即可“充满电”或者手“充满续航里程”的要求。
氢插电式混合动力汽车即使用氢气作为内燃机燃料的插电式混合动力汽车，针对氢插电式混合动力汽车，有必要对氢内燃机的早燃、爆震等问题以及氢气和电力的补能问题进行研究和优化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氢插电式混合动力汽车。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种氢插电式混合动力汽车，包括车辆和补能器；所述车辆包括动力系统、储能系统、车辆控制系统，所述动力系统包括内燃机和电机，所述储能系统包括高压储氢罐、高压储氧罐和动力电池；所述补能器包括充电系统、电解水系统、压缩加气系统和补能控制系统；
所述氢插电式混合动力汽车的动力系统的工作过程如下：
获取车辆的驱动能量需求，获取储能系统的剩余能量，确定内燃机和电机的能量输出分配；确定内燃机的能量输出量后，通过标定结果或控制算法确定由不同的动力混合方式限制下的内燃机最优工况，确定氢气、氧气和工质的混合比；
所述氢插电式混合动力汽车的储能系统的补能过程如下：
车辆控制系统与补能控制系统之间建立通信，确定车辆和补能器的状态；由补能器向储能系统充能，充能方式包括动力电池补能和加氢补能，所述动力电池补能具体为：通过充电系统向动力电池充电，直至动力电池电量达到电量预设值，所述加氢补能为：启动电解水系统，将产生的氢气通过压缩加气系统加注到高压储氢罐，产生的氧气按预设比例通过压缩加气系统加注到高压储氧罐，直至高压储氢罐和高压储氧罐的储氢量和储氧量达到氢气量预设值和氧气量预设值。
优选地，所述工质为惰性气体，不参与内燃机燃烧，所述车辆还包括工质及工质回收系统，所述工质及工质回收系统包括工质存储罐和工质回收装置，所述工质储存罐连接内燃机的进气管，所述工质回收装置连接内燃机的排气管，工质存储罐和工质回收装置相连接。
优选地，储能系统的补能过程中，加注氧气的预设比例为：电解水系统产生的氧气全部加注到高压储氧罐。
优选地，所述工质为空气。
优选地，所述压缩加气系统包括压缩加气系统响应管路，电解水系统产生的氢气和氧气通向内燃机，电机工作并通过传动轴带动内燃机旋转，改变内燃机的气门开闭关系以及内燃机的进气管和排气管通向，将电解水系统产生的氢气和氧气通过内燃机压缩后加注到高压储氢罐和高压储氧罐。
优选地，所述内燃机为可适用氢气及天然气的内燃机，所述储能系统还包括高压储天然气罐，所述压缩加气系统包括压缩加气系统响应管路，天然气管道中的天然气通向内燃机，电机工作并通过传动轴带动内燃机旋转，改变内燃机的气门开闭关系以及内燃机的进气管和排气管通向，将天然气管道中的天然气通过内燃机压缩后加注到高压储天然气罐。
优选地，所述压缩加气系统包括压缩机和压缩加气系统响应管路。
优选地，所述内燃机为可适用氢气及燃油的内燃机，所述储能系统还包括燃油存储罐。
优选地，所述电解水系统与充电系统相连，由充电系统供电。
优选地，储能系统的补能过程中，动力电池补能的优先级高于加氢补能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)首先根据储能系统的剩余能量确定内燃机和电机的输出能量分配，再对内燃机的工况进行优化，有效降低了氢内燃机早燃、爆震的概率。
(2)补能器包括充电系统和电解水系统，除了进行动力电池充电外，利用电解水产生氢气并加氢的方式，在不增加电池的情况下有效提升了车辆的续航里程。
(3)补能器补能方式多样，可以布置在用户住所，用户在家即可完成氢插电式混合动力汽车的补能，也可以随车携带，随时进行补能，提高了补能的灵活性，减少了时间和空间限制。
(4)利用氢内燃机相较于燃料电池的氢气浓度需求不高、从而对压气机要求低的特点，将内燃机作为压气机，减少了“补能器”的成本。
(5)利用惰性气体作为工质，增设工质及工质回收系统，从内燃机排气回收工质，相较于空气，氦气、氩气等不参与内燃机燃烧，由于发动机中反应只产生水，没有空气中的氮气与氧气反应生成氮氧化物，因此有害气体排放几乎为0，降低了内燃机后处理成本。
附图说明
图1为实施例1中车辆的结构示意图；
图2为实施例1中补能器的结构示意图；
图3为实施例2中车辆的结构示意图；
图4为实施例4中氢气和空气的加注示意图；
图5为实施例5中氢气和空气的加注示意图；
图6为实施例6中车辆的结构示意图；
图7为实施例7中车辆的结构示意图；
图8为实施例5中利用内燃机和多级储氢储氧罐实现加氢加氧的示意图；
图9为实施例5中以氢气和两个气缸为例的加氢过程示意图；
附图标记：1、动力系统，2、储能系统，3、车辆控制系统，4、充电系统，5、电解水系统，6、压缩加气系统，7、补能控制系统，8、工质及工质回收系统，9、电源；
1-1、氢内燃机，1-2、电机，1-3、可适用氢气及天然气的内燃机，1-4、可适用氢气及燃油的内燃机；
2-1、高压储氢罐，2-2、高压储氧罐，2-3、动力电池，2-4、高压储天然气罐，2-5、燃油存储罐；
6-1、压缩机；
8-1、工质存储罐，8-2、工质回收装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1：
一种氢插电式混合动力汽车，包括车辆和补能器。
如图1所示，车辆包括车辆本体，车辆本体上搭载动力系统1、储能系统2、车辆控制系统3以及其他系统等，动力系统1包括内燃机和电机1-2，本实施例中内燃机为氢内燃机1-1，储能系统2包括高压储氢罐2-1、高压储氧罐2-2和动力电池2-3；如图2所示，补能器包括充电系统4、电解水系统5、压缩加气系统6、补能控制系统7以及其他系统等。
(1)氢插电式混合动力汽车的动力系统1的工作过程如下：
车辆控制系统3获取车辆的驱动能量需求，获取储能系统2的剩余能量，包括高压储氢罐2-1的氢气剩余量、高压储氧罐2-2的氧气剩余量、动力电池2-3的剩余电量，来进行内燃机与电机1-2输出能量分配；
确定内燃机和电机1-2的能量输出分配，在得到内燃机的能量输出量后，通过标定结果或控制算法确定由不同的动力混合方式限制下的内燃机最优工况，确定氢气、氧气和工质的混合比。
上述的根据驱动能量需求和储能系统2剩余能量进行内燃机与电机1-2输出能量分配，以及通过标定结果和控制算法确定内燃机工况，具体使用的算法和控制方法不多赘述，使用现有技术实现即可，相关行业工作人员可以理解。
本申请首先根据储能系统2的剩余能量确定内燃机和电机1-2的输出能量分配，再对内燃机的工况进行优化，有效降低了氢内燃机早燃、爆震的概率。
(2)氢插电式混合动力汽车的储能系统2的补能过程如下：
车辆控制系统3与补能控制系统7之间建立通信，全程交互，确定车辆和补能器的状态，确保通信顺畅，若通信终端则中断补能；
由补能器向储能系统2充能，充能方式包括动力电池补能和加氢补能，考虑到动力电池2-3的充放电效率较高，能量利用率高，而补能器的功率有限，因此，在储能系统2的补能过程中，动力电池补能的优先级高于加氢补能。可以理解的是，如果不考虑能量转换率，只考虑补能时间，则可以同时进行动力电池补能和加氢补能，尽快完成充电和加氢加氧。此外，还可以根据动力电池补能和加氢补能的价格定义动力电池补能和加氢补能的优先级。
动力电池补能具体为：通过充电系统4向动力电池2-3充电，直至动力电池2-3电量达到电量预设值；
加氢补能为：启动电解水系统5，将产生的氢气通过压缩加气系统6加注到高压储氢罐2-1，产生的氧气按预设比例通过压缩加气系统6加注到高压储氧罐2-2，直至高压储氢罐2-1和高压储氧罐2-2的储氢量和储氧量达到氢气量预设值和氧气量预设值；
补能器还包括补水系统，补水系统与电解水系统5相连，在氢气和氧气加注过程中，如果电解水所需的水小于阈值，则向电解水系统5加水。
补能器可以放置在用户家中，用户在家即可为混合动力汽车充电或加氢，也可以选用小型的电解水系统5、充电系统4等，补能器安装在车辆本体上，可以随时进行充电和加氢。
可以理解的是，补能过程中，补能器可以连接充电桩等电源9，电源9通过充电系统4向动力电池2-3充电，电源9连接电解水系统5，进行电解水制氢。补能器中也可以设置电池作为电源9，在没有充电桩等外部电源时，补能器中内置的电池作为电源9对动力电池2-3充电，并为电解水系统5提供电能。
实施例2：
本实施例中，如图3所示，车辆还包括工质及工质回收系统8，工质及工质回收系统8包括工质存储罐8-1和工质回收装置8-2，工质储存罐8-1连接内燃机的进气管，工质回收装置8-2连接内燃机的排气管，工质存储罐8-1和工质回收装置8-2相连接，工质为惰性气体，不参与内燃机燃烧，内燃机的排气需要通入工质回收装置8-2，回收工质。
由于工质不参与内燃机燃烧，因此，动力系统1的工作过程中需要确定氢气、氧气和工质(氦气、氩气等)的混合比，以优化内燃机工况；储能系统2的补能过程中，加注氧气的预设比例为：电解水系统5产生的氧气需要全部加注到高压储氧罐2-2。
本实施例的优势在于，由于发动机中反应只产生水，没有空气中的氮气与氧气反应生成氮氧化物，因此有害气体排放几乎为0，降低了内燃机后处理成本，而且相较于空气作为工质，内燃机的热效率更高。但由于内燃机中仍然存在润滑油，因此仍有少部分碳氢以及颗粒物排放。
实施例3：
本实施例中，工质为空气，参与内燃机燃烧，不需要回收工质，因此，动力系统1的工作过程中需要确定氢气、氧气和工质(空气)的混合比，以优化内燃机工况，电解水生成的氧气不全部加注到高压储氧罐2-2中。
本实施例中，工质为空气，不需要设置工质及工质回收系统8，可降低车辆成本，但内燃机的热效率可能会有一定程度的下降。
实施例4：
本实施例中，压缩加气系统6包括压缩机6-1和压缩加气系统6响应管路，氢气和氧气加注过程如图4所示，压缩机6-1可分为氢气压缩机和氧气压缩机，压缩加气系统6响应管路将电解水系统5、氢气压缩机、氧气压缩机、高压储氢罐2-1、高压储氧罐2-2连接在一起。
实施例5：
本实施例中，压缩加气系统6包括压缩加气系统6响应管路，不存在压缩机6-1，相关部件之间仍通过压缩加气系统6响应管路相连，氢气和氧气加注过程如图5所示，所涉及到的相关部件及压缩过程如下：
电解水系统5产生的氢气和氧气通向内燃机，由外部电源9或补能器的内置电源9驱动电机1-2工作并通过传动轴带动内燃机旋转，改变内燃机的气门开闭关系以及内燃机的进气管和排气管通向，将电解水系统5产生的氢气和氧气通过内燃机压缩后加注到高压储氢罐2-1和高压储氧罐2-2。
可以理解的是，内燃机的工作中涉及到气体压缩，可以通过分支管路以及电磁阀等结构，将内燃机的进气管切换到电解水系统5，出气管切换到高压储氢罐2-1和高压储氧罐2-2，利用气门开闭实现气体压缩。本申请利用氢内燃机相较于燃料电池的氢气浓度需求不高、从而对压气机要求低的特点，将内燃机作为压气机，减少了“补能器”的成本。
具体应用时，氢气、氧气的气缸分配可以根据内燃机气缸数与各气缸点火正时等进行分配，图5中所示的氢气、氧气气缸的分配只是一种形式。
如图8所示，设置了1级储氢罐和储氧罐，2级储氢罐和储氧罐，3级储氢罐和储氧罐，利用多个气缸和储氢储氧罐，通过两次气缸压缩，从而将氢气和氧气压缩至所需压力并存储。具体细节如图9所示，以加氢为例，1级储氢罐压力为0.3MPa，1级储氢罐内的氢气输入第一个缸的进气门，经过压缩后从第一个缸的排气门送入2级储氢罐，2级储氢罐压力为3.9MPa，2级储氢罐的氢气输入第二个缸的进气门，经过压缩后从第二个缸的排气门送入3级储氢罐，3级储氢罐压力为50MPa。而且，为了保证压力，在2级储氢罐与第二个缸之间、第二个缸与3级储氢罐之间设有限压阀，限压阀在达到预设压力后开启。同样，如发动机为可变气门正时发动机，修改进排气门正时为：进5±5，排175±5，相关从业人员可以理解。
本实施例中，内燃机的进气管、排气管、气门开合方式需要能够根据内燃机的发动机角色与压气机角色需求进行调整，调整方式此处不多做赘述，相关行业工作人员能够理解本发明中此方案的含义。
实施例6：
本实施例中，如图6所示，内燃机为可适用氢气及天然气的内燃机1-3，储能系统2还包括高压储天然气罐2-4，需要对应对内燃机进行相应的管路改造。
压缩加气系统6可以同实施例4，增加用于天然气压缩的压塑机，也可以同实施例5，压缩加气系统6包括压缩加气系统6响应管路，天然气管道中的天然气通向内燃机，由外部电源9或补能器的内置电源9驱动电机1-2工作并通过传动轴带动内燃机旋转，改变内燃机的气门开闭关系以及内燃机的进气管和排气管通向，将天然气管道中的天然气通过内燃机压缩后加注到高压储天然气罐2-4。
本实施例的优势在于增加了补能手段，在内燃机可适用于天然气的条件下，可极大提高车辆在一些情况下的补能效率。
补能过程中，动力电池补能、天然气补能以及加氢补能的优先级，可以根据能量利用率确定，也可以视电价与天然气价格而定，优选性价比更高的能量补充方式。
实施例7：
本实施例中，如图7所示，内燃机为可适用氢气及燃油的内燃机1-4，储能系统2还包括燃油存储罐2-5，需要对应对内燃机进行相应的管路改造。
本实施例的优势在于增加了补能手段，在内燃机可适用于柴油、汽油等燃油的条件下，可极大提高车辆在一些情况下的补能效率。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。由上述实施例1～7拆解、组合得到的方案，都应属于本发明保护范畴，明显由实施例1衍生出的方案，也应属于本发明保护范畴。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，包括车辆和补能器；所述车辆包括动力系统、储能系统、车辆控制系统，所述动力系统包括内燃机和电机，所述储能系统包括高压储氢罐、高压储氧罐和动力电池；所述补能器包括充电系统、电解水系统、压缩加气系统和补能控制系统；
所述氢插电式混合动力汽车的动力系统的工作过程如下：
获取车辆的驱动能量需求，获取储能系统的剩余能量，确定内燃机和电机的能量输出分配；确定内燃机的能量输出量后，通过标定结果或控制算法确定由不同的动力混合方式限制下的内燃机最优工况，确定氢气、氧气和工质的混合比；
所述氢插电式混合动力汽车的储能系统的补能过程如下：
车辆控制系统与补能控制系统之间建立通信，确定车辆和补能器的状态；由补能器向储能系统充能，充能方式包括动力电池补能和加氢补能，所述动力电池补能具体为：通过充电系统向动力电池充电，直至动力电池电量达到电量预设值，所述加氢补能为：启动电解水系统，将产生的氢气通过压缩加气系统加注到高压储氢罐，产生的氧气按预设比例通过压缩加气系统加注到高压储氧罐，直至高压储氢罐和高压储氧罐的储氢量和储氧量达到氢气量预设值和氧气量预设值。
2.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述工质为惰性气体，不参与内燃机燃烧，所述车辆还包括工质及工质回收系统，所述工质及工质回收系统包括工质存储罐和工质回收装置，所述工质储存罐连接内燃机的进气管，所述工质回收装置连接内燃机的排气管，工质存储罐和工质回收装置相连接。
3.根据权利要求2所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，储能系统的补能过程中，加注氧气的预设比例为：电解水系统产生的氧气全部加注到高压储氧罐。
4.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述工质为空气。
5.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述压缩加气系统包括压缩加气系统响应管路，电解水系统产生的氢气和氧气通向内燃机，电机工作并通过传动轴带动内燃机旋转，改变内燃机的气门开闭关系以及内燃机的进气管和排气管通向，将电解水系统产生的氢气和氧气通过内燃机压缩后加注到高压储氢罐和高压储氧罐。
6.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述内燃机为可适用氢气及天然气的内燃机，所述储能系统还包括高压储天然气罐，所述压缩加气系统包括压缩加气系统响应管路，天然气管道中的天然气通向内燃机，电机工作并通过传动轴带动内燃机旋转，改变内燃机的气门开闭关系以及内燃机的进气管和排气管通向，将天然气管道中的天然气通过内燃机压缩后加注到高压储天然气罐。
7.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述压缩加气系统包括压缩机和压缩加气系统响应管路。
8.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述内燃机为可适用氢气及燃油的内燃机，所述储能系统还包括燃油存储罐。
9.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，所述电解水系统与充电系统相连，由充电系统供电。
10.根据权利要求1所述的一种氢插电式混合动力汽车，其特征在于，储能系统的补能过程中，动力电池补能的优先级高于加氢补能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117294026A (zh) * 2023-09-25 2023-12-26 同济大学 基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统及方法

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