CN208774517U - 一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于节能与新能源汽车领域，具体的说是一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统。主要包括内燃机、第一、二离合器、动力驱动电机、变速器、燃料电池系统、高压电压转换器、高压储能电池和电机控制器等。内燃机与第一离合器主动盘连接；动力驱动电机一端与第一离合器从动盘连接，另一端与第二离合器主动盘连接；变速器与第二离合器从动盘机械连接；变速器与差速器机械连接并传递驱动力到车轮。所述燃料电池系统通过高压电压转换器之后与高压储能电池并联连接到电机控制器，由电机控制器驱动动力驱动电机工作。本实用新型可实现燃料电池系统作为能量源的零排放驱动，又可实现燃料电池系统和内燃机作为复合能量源的近零排放驱动。

Description

一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统
技术领域
本实用新型属于节能与新能源汽车领域，具体的说是一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统。
背景技术
随着国家节能、减排政策的逐步加严，发展节能与新能源汽车已经成为必然的发展趋势。匹配传统内燃机的中重型商用车和长途客车的能耗高、排放高，现有排放控制技术增加整车成本很高，且很难有进一步的技术突破。而采用纯电驱动的商用车、成本高、重量大、有效载荷被降低。
目前乘用车、轻型商用车和城市客车都已经有了明确的节能技术方案，比如乘用车以发展纯电动和插电式混合动力为主；轻型商用车和城市客车以发展纯电动为主。但是中重型商用车和长途客车由于整车满载质量大、续驶里程长以及整车行驶基本为高速工况的特点，该类车型发展纯电动路线，将导致整车的整备质量翻倍，而且整车增加成本巨大也不为市场所接受；如果该类车型发展混合动力或者插电式混合动力技术路线，如发明专利一种混合动力汽车的混联式混合动力系统【200910044337.1】中提到的混合动力系统在高速行驶工况下整车节能效果小于7％，整车增加成本的回收周期也不能满足客户需求。而开发纯燃料电池动力系统也面临成本增加巨大等难题。
发明内容
本实用新型提供了一种根据整车运行工况，自动控制燃料电池系统、高压储能电池与内燃机的协同工作，使内燃机尽可能工作在高效区，而且尽可能使内燃机稳态工作，以降低整车的能耗、排放和噪声。另外燃料电池功率作为内燃机功率的补充，可最大程度降低燃料电池成本，从而降低整车增加成本的车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，解决了现有乘用车、轻型商用车和城市客车的上述不足。
本实用新型技术方案结合附图说明如下：
一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，该系统包括内燃机进气歧管1、内燃机2、内燃机排气歧管3、空气滤清器4、废气减湿器5、消声器6、电机控制器7、高压电压转换器8、空气中冷器9、电控三通比例阀10、增湿器11、燃料电池系统12、氢气循环泵13、减压阀14、高压储氢罐15、排氢阀16、高压储能电池17、排气管18、差速器19、车轮20、变速器21、动力驱动电机23、第一离合器24和电动复合增压器；其中所述的电动复合增压器包括增压泵25、增压器电机26和废气涡轮27；所述的内燃机2与第一离合器24的主动盘机械连接；所述的动力驱动电机23的一端与第一离合器24的从动盘机械连接，另一端与变速器21的输入端机械连接；所述的变速器21的输出端与差速器19机械连接并传递驱动力到车轮20；所述的燃料电池系统12的电能输出端通过高压电线与高压电压转换器8的输入端连接；所述的高压电压转换器8的输出端与高压储能电池17的输出端通过高压电线并联后与电机控制器7的输入端连接；所述的电机控制器7的输出端通过高压电线与动力驱动电机23连接；所述的空气滤清器4通过空气管路与增压泵25的输入端连接；所述的空气滤清器4的输出端通过空气管路与空气中冷器9的输入端连接；所述的空气中冷器9的输出端通过空气管路与电控三通比例阀10的输入端连接；所述的电控三通比例阀10的一个输出端通过增湿器11与燃料电池系统12连接；所述的电控三通比例阀10的另一个输出端通过空气管路与内燃机进气歧管1连接；所述的燃料电池系统12的废氢输出端通过管路分别与氢气循环泵13的输入端和排氢阀16的输入端连接；所述的高压储氢罐15输出端通过高压氢气管路与减压阀14的输入端连接；所述的减压阀14的输出端与氢气循环泵13的输出端与燃料电池系统12并联；所述的燃料电池系统12的废气排放端与废气减湿器5的输入端连接；所述的废气减湿器5的输出端通过管路与废气涡轮27的输入端连接；所述的内燃机排气歧管3通过管路与废气涡轮27的输入端连接；所述的废气涡轮27的输出端与消声器6的输入端机械连接；所述的消声器6的输出端与排气管18机械连接；所述的增压器电机26通过单向离合器与废气涡轮27同轴连接。
该系统还包括第二离合器22，第二离合器22的主动盘与动力驱动电机23连接，第二离合器22的从动盘与变速器21的输入端机械连接。
所述的第一离合器24是干式离合器或湿式离合器；所述的第二离合器22为单离合器或双离合器。
所述的变速器21为机械式自动变速器或双离合自动变速器或自动变速器。
所述的增压泵25是单级增压泵或两级增压泵。
所述的废气涡轮27是单涡轮、也可以是复合涡轮。
所述的燃料电池系统12的输出功率与内燃机2的高效率区输出功率之和大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率与电动附件消耗功率之和。
所述的动力驱动电机23的峰值输出功率大于等于车辆满载加速功率与所述的内燃机2的高效率区输出功率的差值。
所述的动力驱动电机23的额定输出功率大于等于燃料电池系统12的输出功率。
所述的高压储能电池17的输出功率大于动力驱动电机23峰值输出功率与燃料电池系统12的输出功率的差值。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型所述的车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统可实现由所述的燃料电池系统单独作为能量源提供电能，通过所述的动力驱动电机驱动车辆行驶，实现整车零排放行驶；
2、本实用新型所述的内燃机和所述的燃料电池系统作为复合能量源，由所述的内燃机和所述的燃料电池系统产生的能量共同驱动车辆行驶，实现整车近零排放行驶。
3、中重型商用车和长途客车采用该动力系统，与纯电动方案相比，高压蓄能电池容量仅为采用纯电动方案的五十分之一，整车增加质量相应降低，而且不需要外接充电，降低整车能量补充时间；与混合动力系统方案相比，由于内燃机始终工作在高效率区，且处于稳定工作状态，整车油耗降低35％以上，整车排放达到近零水平；在全生命周期内的整车采购成本与整车使用成本之和与传统内燃机车相当。
附图说明
图1为实施例一的整体结构示意图；
图2为实施例一中内燃机工作特性示意图；
图3为实施例二的整体结构示意图；
图4为实施例三的整体结构示意图；
图5为实施例四的整体结构示意图；
图6为实施例五的整体结构示意图。
图中：1、内燃机进气歧管；2、内燃机；3、内燃机排气歧管；4、空气滤清器；5、废气减湿器；6、消声器；7、电机控制器；8、高压电压转换器；9、空气中冷器；10、电控三通比例阀；11、增湿器；12、燃料电池系统；13、氢气循环泵；14、减压阀；15、高压储氢罐；16、排氢阀；17、高压储能电池；18、排气管；19、差速器；20、车轮；21、变速器；22、第二离合器；23、动力驱动电机；24、第一离合器；25、增压泵；26、增压器电机；27、废气涡轮。
具体实施方式
一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，该系统包括内燃机进气歧管1、内燃机2、内燃机排气歧管3、空气滤清器4、废气减湿器5、消声器6、电机控制器7、高压电压转换器8、空气中冷器9、电控三通比例阀10、增湿器11、燃料电池系统12、氢气循环泵13、减压阀14、高压储氢罐15、排氢阀16、高压储能电池17、排气管18、差速器19、车轮20、变速器21、动力驱动电机23、第一离合器24和电动复合增压器；其中所述的电动复合增压器包括增压泵25、增压器电机26和废气涡轮27。
所述的内燃机2与第一离合器24的主动盘机械连接；所述的动力驱动电机23的一端与第一离合器24的从动盘机械连接，另一端与变速器21的输入端机械连接；所述的变速器21的输出端与差速器19机械连接并传递驱动力到车轮20；所述的燃料电池系统12的电能输出端通过高压电线与高压电压转换器8的输入端连接；所述的高压电压转换器8的输出端与高压储能电池17的输出端通过高压电线并联后与电机控制器7的输入端连接；所述的电机控制器7的输出端通过高压电线与动力驱动电机23连接；所述的空气滤清器4通过空气管路与增压泵25的输入端连接；所述的空气滤清器4的输出端通过空气管路与空气中冷器9的输入端连接；所述的空气中冷器9的输出端通过空气管路与电控三通比例阀10的输入端连接；所述的电控三通比例阀10的一个输出端通过增湿器11与燃料电池系统12连接；所述的电控三通比例阀10的另一个输出端通过空气管路与内燃机进气歧管1连接；所述的燃料电池系统12的废氢输出端通过管路分别与氢气循环泵13的输入端和排氢阀16的输入端连接；所述的高压储氢罐15输出端通过高压氢气管路与减压阀14的输入端连接；所述的减压阀14的输出端与氢气循环泵13的输出端与燃料电池系统12并联；所述的燃料电池系统12的废气排放端与废气减湿器5的输入端连接；所述的废气减湿器5的输出端通过管路与废气涡轮27的输入端连接；所述的内燃机排气歧管3通过管路与废气涡轮27的输入端连接；所述的废气涡轮27的输出端与消声器6的输入端机械连接；所述的消声器6的输出端与排气管18机械连接；所述的增压器电机26通过单向离合器与废气涡轮27同轴连接。
该系统还包括第二离合器22，第二离合器22的主动盘与动力驱动电机23连接，第二离合器22的从动盘与变速器21的输入端机械连接。
所述的第一离合器24是干式离合器或湿式离合器；所述的第二离合器22为单离合器或双离合器，第二离合器22为干式离合器或湿式离合器，所述的第二离合器22也可以取消。
所述的变速器21可以是机械式自动变速器AMT(Automatic MachincalTransmission)，或者是双离合自动变速器DCT(Double Dlutch Transmission)，也可以是自动变速器AT(Automatic Transmission)。
所述电动复合增压器由增压泵25、增压器电机26、废气涡轮27三部分组成。增压泵25可以是单级增压、也可以是两级增压。废气涡轮27可以是单涡轮、也可以是复合涡轮。单涡轮是指内燃机2排出的废气与燃料电池系统12排出的废气共同驱动一个废气涡轮，该废气涡轮与增压器电机分别通过单向离合器同轴连接；复合涡轮是指内燃机2排出的废气驱动一个废气涡轮，燃料电池系统12排出的废气驱动另一个废气涡轮，这两个废气涡轮与增压器电机26分别通过单向离合器同轴连接。
所述的燃料电池系统12的输出功率与内燃机2的高效率区输出功率之和大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率与电动附件消耗功率之和。
所述的动力驱动电机23的峰值输出功率大于等于车辆满载加速功率与所述的内燃机2的高效率区输出功率的差值。
所述的动力驱动电机23的额定输出功率大于等于燃料电池系统12的输出功率。
所述的高压储能电池17的输出功率大于动力驱动电机23峰值输出功率与燃料电池系统12的输出功率的差值。
实施例一
参阅图1、图2，一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，该系统包括内燃机进气歧管1、内燃机2、内燃机排气歧管3、空气滤清器4、废气减湿器5、消声器6、电机控制器7、高压电压转换器8、空气中冷器9、电控三通比例阀10、增湿器11、燃料电池系统12、氢气循环泵13、减压阀14、高压储氢罐15、排氢阀16、高压储能电池17、排气管18、差速器19、车轮20、变速器21、第二离合器22、动力驱动电机23、第一离合器24和电动复合增压器；其中所述的电动复合增压器包括增压泵25、增压器电机26和废气涡轮27。
在该实施例中的变速器21特指机械式自动变速器AMT(Automatic MachincalTransmission)。
空气经过空气滤清器4过滤之后，由电动复合增压器增压并经空气中冷器9冷却，控制器通过控制电控三通比例阀10动态分配压缩空气，一部分进入燃料电池系统12，另一部分进入内燃机进气歧管1。
存储在高压储氢罐15中的高压氢气经过减压阀14减压之后进入燃料电池系统12，并与压缩空气中的氧气产生化学反应输出电能。
燃料电池系统12化学反应产生的废气通过废气减湿器5减湿之后与内燃机2燃烧产生的废气共同参与驱动电动复合增压器的废气涡轮27，之后通过消声器6和排气管18排出。
燃料电池系统12输出电能通过高压电压转换器8转换电压之后与高压储能电池17输出电能并联输出到电机控制器7，由电机控制器7驱动动力驱动电机23工作，将电能转化为机械能驱动车辆行驶。
内燃机2与第一离合器24主动盘机械连接；动力驱动电机23一端与第一离合器24从动盘机械连接，另一端与第二离合器22主动盘机械连接；变速器21输入端与第二离合器22从动盘机械连接；变速器21输出端与差速器19机械连接并传递驱动力到车轮20。
第一离合器24分离时，主要由燃料电池系统12提供电能，由动力驱动电机23驱动车辆行驶；第一离合器24结合时，主要由内燃机2驱动车辆行驶；车辆行驶过程中，未示于附图中的控制器根据油门开度和车速自动控制第二离合器22和变速器21实现档位选择。
车辆驱动行驶过程中，高压储能电池输出功率17用于动态补偿燃料电池系统12输出功率以满足动力驱动电机23峰值功率需求；车辆滑行或制动行驶过程中，高压储能电池17用于存储动力驱动电机23回收的整车动能。
所述车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统工作模式及各工作模式下动力总成的工作状态如下所述。
在不同车辆载荷和道路运行工况下，根据加速踏板开度和车速计算变速器21的档位及输入轴端需求功率(输入轴转速和输入轴端需求驱动扭矩的乘积)，再将计算得到的变速器输入轴端需求功率与如图2所示的内燃机2的工作特性对比。
当变速器21的输入轴端需求功率处于内燃机2的高排放区A或高油耗区B时，由燃料电池系统12单独作为能量源提供电能，由动力驱动电机23驱动车辆行驶，此种工作模式下内燃机2处于停机状态、第一离合器24处于分离状态。
当变速器21的输入轴端需求功率处于内燃机2的高噪声、高排放、高油耗区C时，由内燃机2和燃料电池系统12共同作为能量源，通过变速器21耦合内燃机2和动力驱动电机23的驱动力，联合驱动车辆行驶，此种工作模式下通过控制器选择变速器21的合适档位，使内燃机2工作在高效率区D,不足的车辆驱动功率由燃料电池系统12和高压储能电池17通过驱动动力驱动电机23提供。
当变速器21的输入轴端需求功率处于内燃机2的高效率区D时，由内燃机2和燃料电池系统12共同作为能量源，通过变速器21耦合内燃机2和动力驱动电机23的驱动力，联合驱动车辆行驶，此种工作模式下通过控制器选择变速器21的合适档位，使内燃机2处于稳定扭矩控制模式,不足的车辆驱动扭矩由燃料电池系统12和高压储能电池17通过驱动动力驱动电机23提供。
由于内燃机2始终工作在高效率区D，因此可实现整车油耗、排放和噪声的降低。
实施例二
参阅图3，在实施例一中，可以取消第二离合器22，由动力驱动电机23与变速器21直接进行机械连接，如图3所示。与实施例一的不同之处在于，燃料电池系统12单独作为能量源提供电能驱动车辆行驶时，通过对动力驱动电机23的调速控制实现变速器21的档位切换；由内燃机2和燃料电池系统12共同作为能量源驱动车辆行驶时，通过对第一离合器24的分离与结合控制以及动力驱动电机的调速控制实现变速器21的档位切换；该实施例中所述的车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统功能与工作模式与第一实施例一致。
实施例三
参阅图4，与实施例一中不同的是，在此实施例中的变速器特指双离合自动变速器DCT(Double Dlutch Transmission)21，第二离合器特指双离合器22。双离合器22的主动盘与动力驱动电机23机械连接，双离合器22的两个从动盘分别与双离合自动变速器21的两个输入轴机械连接；该实施例中车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统功能与工作模式与第一实施例一致。
实施例四
参阅图5，与实施例一中不同的是，在此实施例中的变速器特指自动变速器AT(Automatic Transmission)21，但取消了传统自动变速器中的液力变矩器；第二离合器特指传统自动变速器内部已有，但经过优化设计的离合器22。动力驱动电机23与自动变速器21机械连接，自动变速器21内部的离合器22经过优化设计提高滑摩能力。该实施例中所述的车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统功能与工作模式与实施例一一致。
实施例五
参阅图6，与实施例一中不同的是，在此实施例中的废气涡轮27特指复合涡轮，即内燃机2排出的废气驱动一个废气涡轮，燃料电池系统12排出的废气驱动另一个废气涡轮，这两个废气涡轮与增压器电机26分别通过单向离合器同轴连接，两个废气涡轮共同参与驱动电动复合增压器的增压泵25。该实施例中所述的车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统功能与工作模式与实施例一一致。

Claims (10)

1.一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，该系统包括内燃机进气歧管(1)、内燃机(2)、内燃机排气歧管(3)、空气滤清器(4)废气减湿器(5)、消声器(6)、电机控制器(7)、高压电压转换器(8)、空气中冷器(9)、电控三通比例阀(10)、增湿器(11)、燃料电池系统(12)、氢气循环泵(13)、减压阀(14)、高压储氢罐(15)、排氢阀(16)、高压储能电池(17)、排气管(18)、差速器(19)、车轮(20)、变速器(21)、动力驱动电机(23)、第一离合器(24)和电动复合增压器；其中所述的电动复合增压器包括增压泵(25)、增压器电机(26)和废气涡轮(27)；所述的内燃机(2)与第一离合器(24)的主动盘机械连接；所述的动力驱动电机(23)的一端与第一离合器(24)的从动盘机械连接，另一端与变速器(21)的输入端机械连接；所述的变速器(21)的输出端与差速器(19)机械连接并传递驱动力到车轮(20)；所述的燃料电池系统(12)的电能输出端通过高压电线与高压电压转换器(8)的输入端连接；所述的高压电压转换器(8)的输出端与高压储能电池(17)的输出端通过高压电线并联后与电机控制器(7)的输入端连接；所述的电机控制器(7)的输出端通过高压电线与动力驱动电机(23)连接；所述的空气滤清器(4)通过空气管路与增压泵(25)的输入端连接；所述的空气滤清器(4)的输出端通过空气管路与空气中冷器(9)的输入端连接；所述的空气中冷器(9)的输出端通过空气管路与电控三通比例阀(10)的输入端连接；所述的电控三通比例阀(10)的一个输出端通过增湿器(11)与燃料电池系统(12)连接；所述的电控三通比例阀(10)的另一个输出端通过空气管路与内燃机进气歧管(1)连接；所述的燃料电池系统(12)的废氢输出端通过管路分别与氢气循环泵(13)的输入端和排氢阀(16)的输入端连接；所述的高压储氢罐(15)输出端通过高压氢气管路与减压阀(14)的输入端连接；所述的减压阀(14)的输出端与氢气循环泵(13)的输出端与燃料电池系统(12)并联；所述的燃料电池系统(12)的废气排放端与废气减湿器(5)的输入端连接；所述的废气减湿器(5)的输出端通过管路与废气涡轮(27)的输入端连接；所述的内燃机排气歧管(3)通过管路与废气涡轮(27)的输入端连接；所述的废气涡轮(27)的输出端与消声器(6)的输入端机械连接；所述的消声器(6)的输出端与排气管(18)机械连接；所述的增压器电机(26)通过单向离合器与废气涡轮(27)同轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，该系统还包括第二离合器(22)，第二离合器(22)的主动盘与动力驱动电机(23)连接，第二离合器(22)的从动盘与变速器(21)的输入端机械连接。
3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的第一离合器(24)是干式离合器或湿式离合器；所述的第二离合器(22)为单离合器或双离合器。
4.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的变速器(21)为机械式自动变速器或双离合自动变速器或自动变速器。
5.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的增压泵(25)是单级增压泵或两级增压泵。
6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，废气涡轮(27)是单涡轮或复合涡轮。
7.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的燃料电池系统(12)的输出功率与内燃机(2)的高效率区输出功率之和大于等于车辆满载最高稳定车速行驶功率与电动附件消耗功率之和。
8.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的动力驱动电机(23)的峰值输出功率大于等于车辆满载加速功率与所述的内燃机(2)的高效率区输出功率的差值。
9.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的动力驱动电机(23)的额定输出功率大于等于燃料电池系统(12)的输出功率。
10.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池与内燃机复合的机电混合驱动系统，其特征在于，所述的高压储能电池(17)的输出功率大于动力驱动电机(23)峰值输出功率与燃料电池系统(12)的输出功率的差值。
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