氫能再循環汽車清潔混合動力系統的制作方法
【專利摘要】一種汽車混合動力系統，包括發電部分和動力部分，發電部分包括壓縮氫氣發電部分、氫燃料電池發電部分、超級電容電池發電部分和開關磁阻發電機；動力部分包括開關磁阻電動機。壓縮氫氣發電部分，包括高壓儲氫氣罐、手動截止閥、電磁減壓閥、電磁截止閥?I、氣動馬達、傳動輪和開關磁阻發電機等部分；高壓儲氫氣罐上設置有氣罐外充氣口、安全閥和氣壓表，高壓儲氫氣罐通過管道?I連接氣動馬達；管道?I上依次安裝有手動截止閥、電磁減壓閥和電磁截止閥?I；氣動馬達通過傳動輪連接開關磁阻發電機轉軸；開關磁阻發電機與開關磁阻電動機相連；開關磁阻電動機連接汽車傳動軸。氫氣的壓縮氣體能量和其所含氫能能兩次利用，極大地增加了能量利用效率，有效地提高了汽車的行駛距離，同時實現了零污染排放。
【專利說明】
氫能再循環汽車清潔混合動力系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種汽車混合動力系統，屬于汽車動力和機械工程領域，具體涉及一 種利用壓縮氣體能量及氫燃料電池供能的清潔汽車混合動力系統。
【背景技術】
[0002] 汽車作為人類的重要交通工具，為人類的進步做出了巨大的貢獻。然而傳統內燃 機汽車需要消耗大量的石油、天然氣等不可再生能源，內燃機燃燒燃料后產生的大量有害 氣體隨汽車尾氣排放到大氣中，嚴重危害人們的身體健康，并且燃燒后排放的大量二氧化 碳氣體已成為地球溫室效應的主要原因之一。傳統內燃機汽車的大量使用，所帶來的能源 壓力和生態問題日益凸顯。人們開始尋求新型動力汽車，目前，新型動力汽車大多分為混合 動力汽車(HEV)、純電動汽車(EV)、空氣動力發動機汽車、太陽能動力汽車等幾類。
[0003] 混合動力汽車(HEV)具有電池電動車和內燃機汽車的優點，但仍存在排放和能源 問題，并需要兩種不同類型動力裝置，其驅動和控制系統更復雜、成本更高。
[0004] 純電動汽車(EV)行駛中無污染排放、噪聲低、能量轉換效率高，但電池驅動的電動 汽車受制于車載電池。在比功率、循環壽命、充放電性能、造價和安全性等方面難以實用。汽 車一次充電的續駛里程無法達到當前內燃機汽車水平。另外，電池組價格昂貴，循環壽命有 限，充電時間太長。
[0005] 空氣動力發動機汽車利用壓縮空氣直接驅動汽車發動機，存在耗氣量大、一次充 氣有效行使距離短、車速低等問題。
[0006] 太陽能電動車仍需減小電池體積和提高光電轉換效率。
[0007] 燃料電池的出現及現在工業制氫成本的不斷降低為解決這一新型動力問題提供 了可能性。燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極化學反應直接轉化為電能的裝置。 反應物質(氫氣和氧氣)在電化學反應過程中不斷地被消耗來產生電能，其基本結構主要由 陽極、陰極、電解質和外圍電路組成。燃料電池具有能量轉化率高、燃料多樣化、環境污染 小、噪音低、維修性好等特點，其反應過程不涉及到燃燒，工作安全可靠。
【發明內容】
[0008] 本發明所要解決的技術問題在于，針對現有傳統內燃機汽車存在的浪費資源、污 染環境等問題，混合動力汽車仍然依賴石油等燃料，及純電動汽車、空氣動力發動機汽車行 駛距離短、車速慢等問題，提供一種新型的清潔汽車動力系統。
[0009] 為了解決上述問題，本發明的技術方案是這樣的：
[0010]該汽車動力系統包括發電部分和動力部分，所述發電部分包括壓縮氫氣發電部 分、氫燃料電池發電部分、超級電容電池發電部分和開關磁阻發電機;所述動力部分包括開 關磁阻電動機。
[0011]所述壓縮氫氣發電部分包括高壓儲氫氣罐、手動截止閥、電磁減壓閥、電磁截止 閥-1、氣動馬達、傳動輪和開關磁阻發電機。所述高壓儲氫氣罐上設置有氣罐外充氣口、安 全閥和氣壓表，高壓儲氫氣罐通過管道-I連接氣動馬達，所述管道-I上依次安裝有手動截 止閥、電磁減壓閥和電磁截止閥-1，所述氣動馬達通過傳動輪連接開關磁阻發電機轉軸，所 述開關磁阻發電機與開關磁阻電動機相連，所述開關磁阻電動機連接汽車傳動軸。
[0012] 所述氫燃料電池發電部分包括氫燃料電池、氫氣壓力調節儀表、熱交換器、氫氣循 環栗、電磁截止閥-II、加濕器。所述氫燃料電池與氣動馬達通過管道-II相連，所述管道-II 上依次安裝有氫氣壓力調節儀表和熱交換器，所述氫燃料電池與氫氣壓力調節儀表通過管 道-III相連，所述管道-III上安裝有氫氣循環栗，所述氫燃料電池、管道-II和管道-III之 間可形成一個氫氣循環，所述氫燃料電池連接管道-IV為空氣進氣管道，所述管道-IV上依 次安裝有電磁截止閥-II、加濕器。
[0013] 所述超級電容電池與開關磁阻電動機之間設置有電磁開關;所述超級電容電池可 為開關磁阻電動機供電。
[0014] 所述管道-1、管道-II、管道-III及這些管道上所安裝的各類閥、熱交換器、循環栗 和氣動馬達等與氫氣直接接觸的內部都經過達克羅涂覆層處理，防止氫脆。
[0015]有益效果，以氫氣的壓縮氣體能量和其所含氫能作為發動機能源，實現了無任何 污染排放;氫氣的壓縮氣體能量和其所含氫能的兩次利用，能量利用效率極大地增加，有效 地提高了汽車的行駛距離。
[0016] 汽車有效行駛里程的計算重點在于動力系統能供給多少能量，本動力系統動力源 由壓縮氫氣發電和燃料電池發電兩部分組成。
[0017] 壓縮氫氣發電部分:在車載一定容量的壓縮氫氣的條件下，不考慮機械損耗，壓縮 氫氣所釋放的能量，等于壓縮氫氣由高壓氣罐內初始壓強完全膨脹到氣動馬達排入氫燃料 電池內的氫氣壓強時所做的機械功。由熱力學理論可知，壓縮氫氣在膨脹過程中因為工況 的不同將經歷不同的熱力過程，不同的熱力過程對外所作的機械功有較大差別，將使汽車 的理論續航能力有很大的差異。壓縮氫氣在膨脹過程中，對外所作的機械功由下式所決定：
[0018] W = ' pdv (1)
[0019] 式中：W--壓縮氫氣對外所作總機械功;p--瞬時壓力變化;V--瞬時氣體體 積。系統膨脹時不吸熱，經歷絕熱膨脹過程，對外做功最少，其中氣體狀態參數間有如下關 系：
（2)
[0020] 氣動馬達的排氣壓強為P2,由式(1)和式(2)可得：
(3)
[0022]式中:k一一絕熱系數，一般為1.41一一絕熱過程壓縮氫氣膨脹輸出總機械功。 [0023]系統膨脹時完全充分吸熱，經歷等溫過程，對外做功最多，其中氣體狀態參數可表 述如下：
⑷
[0024]將式(4)代入式（1)積分可得： (5)
[0026] 式中:，一一等溫過程壓縮氫氣膨脹輸出總機械功。
[0027] 在實際的汽車行駛過程中，壓縮氫氣的膨脹過程熱交換情況介于絕熱膨脹與等溫 膨脹之間，對外所能做的機械功也介于兩者之間，故壓縮氫氣在膨脹過程中輸出的總機械 功我應滿足:w'<w<w〃 (6)
[0028] 壓縮氫氣膨脹輸出機械功后，經氣動馬達傳遞至開關磁阻發電機，因氣動馬達通 過機械結構與開關磁阻發電機連接，二者之間傳動效率最大，無其它損失。
[0029]開關磁阻發電機將機械功轉換為電能wP輸出:wp=wru (7)
[0030] 燃料電池發電部分:燃料電池是通過氫氣和氧氣在催化劑作用下發生的電化學反 應，直接將化學能轉化成電能。在整個汽車行駛過程中燃料電池可供給的電能取決于高壓 氣罐內氫氣的總量。高壓氣罐內壓縮氫氣的壓強為pi，儲存壓縮氫氣體積為Vi，正常工作時 所處溫度為T，由道爾頓分壓定律可得：
[0031] PV = nRT (8)
[0032] 式中：n--氣體物質的量;R--理想氣體比例常數，一般為8.31441 ±0.00026J/ (molK)。由物質的量計算方程和質量密度關系可得：
[0035] 將式(9)和式（10)代入式(8)可得：
[0037] 式中:p--氣體密度;M--氣體物質的摩爾質量。
[0038] 燃料電池工作時，氫氣參與的反應總方程式為
?電子出發（陽 極）后到達終點（陰極)所需的能量即是在這一過程中燃料電池的輸出對外負載所作的功 Gf，AGf所代表的意義是指反應物(H2和02)內部含有的自由能總和與生成物(H 20)內部含有 的自由能總和的差值，其計算公式為：
[0039] AGf = Gf(H2〇)-Gf(H2)-Gf(〇2) (12)
[0040] 假如不計其它損失，外電路中流經的電子總電量為：
[0041 ] 2e ? Na=2F (13)
[0042] 式中：發--法拉第常數，為96485.3383 ±0.0083(C/mol);Na--阿伏伽德羅常 數，為6.02214。
[0043]理論上驅動電子完成轉移的功即是反應過程中所產生的吉布斯自由能之差AGf， 故有：AGf = 2EN.F (14)
[0044] 式中:En-一熱力學電動勢，即燃料電池理想情況下所能輸出最大電壓。
[0045] 考慮到AGf的值會受到內部條件和外部條件等多方面的影響，故燃料電池所輸出 功含有一定轉化效率叱，可得燃料電池向外供能G f為：
[0046] Gf = A Gf ? n ? H2 (15)
[0047] 本動力系統中壓縮氫氣和燃料電池發出的電能共同輸入至主電路提供給開關磁 阻電動機，故供給開關磁阻電動機的總電能為：
[0048] wti=wP+Gf (16)
[0049] 考慮到汽車的傳動效率，用于驅動汽車行駛的最終能量為：
[0050] wt2=wtin3 (17)
[0051] 汽車在水平道路上以速度v勻速行駛時。其中行駛中汽車所受滾動阻力：
[0052] Fr = f ? Mog (18)
[0053] 汽車所受迎風阻力：Fw=0.〇386C ? dpAv2 (19)
[0054] 汽車所受總阻力:Ft = Fr+Fw (20)
[0055] 由能量守恒定律可得到汽車的有效行駛里程：5 = f ^21)
[0056] 具體情況，經由以下實例討論。考慮到汽車實際情況及相關市場調查，本汽車擬采 用車載儲氫氣罐內初始壓強為30MPa，體積為0.15m 3(即150L)，所處溫度為300K，壓縮氫氣 經氣動馬達排出時氣體壓強為〇.15MPa。由式(3)及相關參數可計算出起始、終了狀態間的 絕熱膨脹所輸出的總機械功V ;由式(5)可計算出起始、終了狀態間的等溫膨脹所輸出的總 機械功w〃 ；由式(7)可計算出開關磁阻發電機轉換得到的電能wP為：
[0057]絕熱膨脹條件下：wP = 0.68993 X 107( J)
[0058]等溫膨脹條件下：wP= 1 ? 90739 X 107( J)
[0059] 汽車行駛過程中，由式(15)及相關參數可計算燃料電池輸出電能Gf為：
[0060] Gf = 21.35816 X107 (J)
[0061] 本系統擬采用汽車的規格是:汽車總質量(含駕駛員與乘客)為1500kg，汽車迎風 面積為1.96!112，由式（18、19、20)及相關參數可計算出當汽車在水平道路上以601( 111/11速度勻 速行駛時，所受總阻力Ft為：
[0062] Ft = 302.5886 (N)
[0063]則由式(4-21)可計算出汽車維持正常時速60Km/h時有效里程是為：
[0064] 絕熱膨脹條件下：S' ~650Km
[0065] 等溫膨脹條件下：S' ~690Km
[0066] 在實際的工作過程中，壓縮氫氣的膨脹過程熱交換情況介于絕熱膨脹與等溫膨脹 之間，對外所能做的機械功也介于兩者之間，因此汽車理論上有效里程將在670Km左右。如 果將車載儲氫氣罐內氫氣的初始壓強提高至40MPa，則同理可計算得到汽車理論上有效里 程將提高至800Km。由此可見，本汽車混合動力系統在理論上完全能滿足續航里程的需要， 具有充分的可行性。
【附圖說明】
[0067] 下面結合附圖和【具體實施方式】詳細說明本發明；
[0068]圖1為本發明所述汽車混合動力系統的結構示意圖；
[0069]圖2為本發明所述汽車混合動力系統的線路連接示意圖；
[0070]其中，1為高壓儲氫氣罐，2為安全閥，3為氣壓表，4為手動截止閥，5為電磁截止閥-I，6為電磁減壓閥，7為氣動馬達，8為氫氣壓力調節儀表，9為氣動馬達傳動輪，10為開關磁 阻發電機傳動輪，11為開關磁阻發電機，12為開關磁阻發電機控制器，13為電源總開關，14 為車載鋰電池，15為變壓器，16為鋰電池充電器，17為雙向DC/DC變換器，18為電磁開關，19 為超級電容電池，20為開關磁阻電動機輸出軸，21為開關磁阻電動機，22為開關磁阻電動機 控制器，23為氫燃料電池，24為電磁截止閥-II，25為高壓儲氫氣罐外充氣口，26為氫燃料電 池空氣進氣口，27為加濕器，28為熱交換器，29為氫氣循環栗。
【具體實施方式】
[0071]為了使本發明實現的技術手段、創新特征、達成目的與功效易于明白理解，下面結 合具體圖示，進一步闡明本發明。
[0072]如圖1、圖2所不，這套新型汽車動力系統包括發電部分和動力部分，發電部分包括 壓縮氫氣發電部分、氫燃料電池發電部分、超級電容電池發電部分和開關磁阻發電機11;動 力部分包括開關磁阻電動機21;壓縮氫氣發電部分包括高壓儲氫氣罐1、手動截止閥4、電磁 減壓閥6、電磁截止閥-I 5、氣動馬達7和氣動馬達傳動輪9;氫燃料電池發電部分包括氫燃 料電池23、氫氣壓力調節儀表8、熱交換器28、氫氣循環栗29、加濕器27和電磁截止閥-II 24;超級電容電池發電部分包括超級電容電池19和雙向DC/DC變換器17。
[0073]高壓儲氫氣罐1為氣壓30_50MPa的多重碳纖維強化塑料（CFRP)編織式高壓儲氫 罐，高壓儲氫氣罐1上設置有氣罐外充氣口 25和出氣口，高壓儲氫氣罐1出氣口通過管道-I 連接氣動馬達7的進氣口，管道-I上設置有手動截止閥4,由駕駛員手動打開，手動截止閥4 后適當位置安裝電磁減壓閥6,電磁減壓閥6后適當位置安裝電磁截止閥-I 5;氣動馬達7的 排氣口通過管道-II與氫燃料電池23的陽極導氣通道相連，管道-II上依次安裝有氫氣壓力 調節儀表8和熱交換器28,氫燃料電池23再通過管道-III與氫氣壓力調節儀表8相連，管道-III上安裝有氫氣循環栗29,使氫氣通過"氫氣壓力調節儀表8-熱交換器28-氫燃料電池 23-氫氣循環栗29-氫氣壓力調節儀表8"達到一個循環，管道-IV連接氫燃料電池23的陰 極導氣通道與空氣進氣口，管道-IV上設置有電磁截止閥-1124和加濕器27;氣動馬達7的轉 軸通過氣動馬達傳動輪9連接開關磁阻發電機傳動輪10;開關磁阻發電機11輸出電路與氫 燃料電池23輸出電路均與主電路相連，主電路連接至開關磁阻電動機21;開關磁阻電動機 21連接汽車傳動軸。
[0074]開車時，駕駛員打開手動截止閥4,插入啟動鑰匙打開電源總開關13,電磁開關18 自動閉合，超級電容電池19為開關磁阻電動機21提供啟動電壓，開關磁阻電動機21啟動后， 電磁開關18自動斷開。打開電源總開關13的同時，電磁減壓閥6、電磁截止閥-I 5和電磁截 止閥-II 24自動打開，氫氣通過管道-I進入氣動馬達7，氣動馬達7開始工作，繼而帶動開關 磁阻發電機11工作發電；氣動馬達7工作后的氫氣通過管道-II進入氫燃料電池23,新鮮空 氣通過管道-IV經加濕器27進入氫燃料電池23,氫燃料電池23中多余氫氣通過管道-III再 次進入管道-II中，使氫氣循環使用，直至全部反應。氫燃料電池23反應產生的電能通過線 路與開關磁阻發電機11的工作發電并入同一主電路，為汽車提供電能。停車時，駕駛員關閉 手動截止閥4,氣源截斷，拔下鑰匙后電磁減壓閥6、電磁截止閥-I 5和電磁截止閥-II 24自 動關閉。
[0075]汽車正常行駛中，開關磁阻發電機11和氫燃料電池23為汽車提供電能，隨著車速 提高，開關磁阻發電機11的轉速也同步提高，氣動馬達7進氫氣氣量增加，經氣動馬達7工作 使用后的低壓氫氣進入管道-II后，被氫燃料電池23反應消耗一部分，還未及時反應消耗的 氫氣在氫氣循環栗29的作用下在管道-II、管道-III中不斷循環，當氫氣壓力調節儀表8顯 示管道-II、管道-III中氫氣壓力超過〇.5bar(即循環管道氫氣一定冗余時），電磁截止閥-I 5自動關閉，氣源切斷。同時超級電容電池19通過雙向DC/DC變換器17作為輔助動力為主電 路供電，和氫燃料電池23共同為開關磁阻電動機21提供電能，汽車正常行駛、加速和上坡 等。隨著氫燃料電池23消耗氫氣至氫氣壓力調節儀表8顯示正常值時，電磁截止閥-I 5自動 打開，氣源恢復，氣動馬達7、開關磁阻發電機11正常工作。當主電路電能富余及汽車制動 時，電路通過DC/DC變換器17迅速給超級電容電池19充電(超級電容可以在數秒內充電到容 量的80% )，從而使超級電容電池19的電壓始終保持在一個理想的工作狀態。
[0076]電磁減壓閥6的作用是將30_50MPa的壓縮氫氣減壓至氣動馬達7的二工作所需壓 力。電磁截止閥-I 5的作用是當氫氣壓力調節儀表8顯示氫氣壓力超過0? 5bar(即循環管道 氫氣冗余時）自動關閉氣源，當氫氣壓力調節儀表8顯示正常值時自動打開氣源。高壓儲氫 氣罐1上設置有安全閥2和氣壓表3,安全閥2的作用是當為儲氫氣罐充氣時防止過充，自動 減壓保證安全;氣壓表3的作用是反應儲氫氣罐的壓力大小，并通過傳感器在駕駛室儀表盤 上顯示氣壓大小，監測儲氫氣罐剩余氣壓及其安全。管道-II上安裝的熱交換器28維持進入 氫燃料電池23的氫氣溫度，保證氫燃料電池23工作在最佳狀態。管道-IV上安裝的加濕器27 兼具去離子過濾功能。
[0077] 氣動馬達7為活塞式馬達，耗氣量小，轉矩和轉速與開關磁阻發電機11相匹配。開 關磁阻發電機11效率高、啟動轉矩大，可實現無級變速、正反轉等特性，其勵磁方式為自勵 式，勵磁電源由車載鋰電池14提供。車載鋰電池14還為開關磁阻發電機控制器12、開關磁阻 電動機控制器22及所有電磁閥、電磁開關和汽車儀表進行供電，通過鋰電池充電器16可為 車載鋰電池14進行充電，整個系統全為直流電源。主電路的電壓由變壓器15升壓到220V。
[0078] 開關磁阻電動機輸出軸20與汽車傳動軸相連接，汽車的加速和倒車由汽車駕駛室 的油門踏板和汽車倒檔檔位控制，油門踏板改變的是開關磁阻電動機控制器22控制開關磁 阻電動機21的電流大小進而實現無級變速的目的;汽車倒檔檔位改變的是開關磁阻電動機 控制器22控制開關磁阻電動機21的相繞組通電順序進而實現反轉，達到倒車的目的。
[0079]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征。本發明不受上述實施例的限 制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的 前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都在要求保護的本發明范圍內。
【主權項】
1. 氫能再循環汽車清潔混合動力系統，其特征指的是包括發電部分和動力部分，壓縮 氫氣發電后用于氫燃料電池發電，所述發電部分包括壓縮氫氣發電部分、氫燃料電池發電 部分、超級電容電池發電部分和開關磁阻發電機;所述動力部分包括開關磁阻電動機。2. 根據權利要求1所述的壓縮氫氣發電部分，其特征是包括高壓儲氫氣罐、手動截止 閥、電磁減壓閥、電磁截止閥-I、氣動馬達、傳動輪和開關磁阻發電機等部分;高壓儲氫氣罐 上設置有氣罐外充氣口、安全閥和氣壓表，高壓儲氫氣罐通過管道-I連接氣動馬達;管道-I 上依次安裝有手動截止閥、電磁減壓閥和電磁截止閥-I;氣動馬達通過傳動輪連接開關磁 阻發電機轉軸;開關磁阻發電機與開關磁阻電動機相連;開關磁阻電動機連接汽車傳動軸。3. 根據權利要求1所述的氫燃料電池發電部分，其特征是包括氫燃料電池、氫氣壓力調 節儀表、熱交換器、氫氣循環栗、電磁截止閥-II、加濕器等;氫燃料電池與氣動馬達通過管 道-II相連，管道-II上依次安裝有氫氣壓力調節儀表和熱交換器，氫燃料電池與氫氣壓力 調節儀表通過管道-III相連，管道-III上安裝有氫氣循環栗;氫燃料電池、管道-II和管道-III之間可形成一個氫氣循環，氫燃料電池連接管道-IV為空氣進氣管道，管道-IV上依次安 裝有電磁截止閥-II、加濕器。4. 根據權利要求3所述的氫氣循環，其特征是氫氣的壓縮氣體能量和其所含氫能能兩 次利用，極大地增加了能量利用效率，有效地提高了汽車的行駛距離，同時實現了零污染排 放。
【文檔編號】B60K6/32GK106004504SQ201610541672
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】史長根, 劉青山, 楊旋
【申請人】中國人民解放軍理工大學