【发明授权】一种混合动力系统及其耦合运行方法_清华大学_201910048131.X 

申请/专利权人:清华大学

申请日:2019-01-18

发明/设计人:王志;赵自庆;李富柏

公开(公告)日:2020-06-23

代理机构:北京路浩知识产权代理有限公司

公开(公告)号:CN109823157B

代理人:王莹;李相雨

主分类号:B60K6/32(20070101)

地址:100084 北京市海淀区清华园北京100084-82信箱

分类号:B60K6/32(20070101);B60K6/42(20070101);B60K6/54(20070101);B60K6/365(20071001)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.06.23#授权;2019.06.25#实质审查的生效;2019.05.31#公开

摘要:本发明实施例提供一种混合动力系统及其耦合运行方法,该系统包括:燃料电池系统、内燃机系统及混动变速箱,其中:燃料电池系统包括燃料电池堆、蓄电池、逆变器、电机、转换器及氢罐;内燃机系统包括内燃机、蓄电池、氢罐、油箱及离合器;混动变速箱的第一输入端与电机相连、第二输入端经离合器与内燃机的扭矩输出端相连。本发明实施例提供的混合动力系统及其耦合运行方法,正常工作时,燃料电池系统作为第一动力源,内燃机根据工况需求进行动力辅助,通过控制内燃机在不同工况下的运行模式,可以实现内燃机高效、清洁的燃烧;可以满足更严格的排放和油耗法规,同时低成本、运行可靠的内燃机系统的引入降低燃料电池系统造价,具有良好的应用前景。

主权项:1.一种混合动力系统,其特征在于,包括燃料电池系统、内燃机系统及混动变速箱,其中:所述燃料电池系统包括燃料电池堆、蓄电池、逆变器、电机、转换器及氢罐;所述燃料电池堆的阳极与空气连通、阴极与所述氢罐的第一气路连通、电力输出端与所述逆变器的第一输入端相连,所述蓄电池经所述转换器与所述逆变器的第二输入端相连,所述逆变器的输出端与所述电机的输入端相连;所述内燃机系统包括内燃机、所述蓄电池、所述氢罐、油箱及离合器;所述内燃机的进气管与空气连通,所述内燃机的第一路燃料进口经稳压腔及减压阀与所述氢罐的第二气路相连、第二路燃料进口与所述油箱相连,所述蓄电池与所述内燃机相连;所述内燃机的氢燃料采用进气道喷射方式;所述混动变速箱的第一输入端与所述电机的输出端相连、第二输入端经所述离合器与所述内燃机的扭矩输出端相连、输出端同车辆驱动装置相连以输出动力驱动车辆;所述离合器为自动控制离合器;所述内燃机的排气管分支经低温启动加热阀与所述燃料电池堆的加热管路相连,在燃料电池堆尚未达到适宜的工作温度,而仅由内燃机工作时,内燃机在启动或暖机过程中的部分排气经所述低温启动加热阀后进入所述燃料电池堆的加热管,对所述燃料电池堆进行加热,直至所述燃料电池堆达到适宜的工作温度。

全文数据:一种混合动力系统及其耦合运行方法技术领域本发明实施例涉及车辆动力技术领域,具体涉及一种混合动力系统及其耦合运行方法。背景技术传统内燃机经过了一百多年的发展,内燃机的制造成本、技术、性能有了极大的提高;随着汽车领域排放和油耗法规越来越严,单纯依靠内燃机的汽车动力总成已不能够满足油耗及排放的要求,展现了传统动力总成的不足;整车厂和科研机构不得不寻求更先进的能源和动力技术来降低油耗和排放以满足法规的要求。燃料电池由于其零排放、转换效率高的特点,被人们应用于汽车上,成为了新型动力总成,未来具有广阔的市场前景。据国际能源机构IEA预测至2050年,燃料电池车的产量将达到2750万台。但是,燃料电池仍存在其自身的短板:在冬季低温如-20度的环境下,燃料电池堆经过长时间的停放和环境温度相当,从环境温度升温至电池适宜的工作温度需要漫长的时间,并且在低温环境下,电池堆的散热更快,这延长了建立温度的时间;采用传统的利用蓄电池或电容的电加热方法,对蓄电池、电容的容量提出了更高的要求,进一步增加了整车成本;此外,燃料电池的功率和体积成正相关性,更大的功率要求更多的空间和质量,由于整车空间和质量的限制,燃料电池的功率也存在限值,因而整车的动力性受限。发明内容为解决现有技术中单纯依靠内燃机系统以及单纯依靠燃料电池系统进行动力输出中的问题,本发明实施例提供一种混合动力系统及其耦合运行方法。第一方面,本发明实施例提供一种混合动力系统,包括燃料电池系统、内燃机系统及混动变速箱,其中:所述燃料电池系统包括燃料电池堆、蓄电池、逆变器、电机、转换器及氢罐;所述燃料电池堆的阳极与空气连通、阴极与所述氢罐的第一气路连通、电力输出端与所述逆变器的第一输入端相连,所述蓄电池经所述转换器与所述逆变器的第二输入端相连,所述逆变器的输出端与所述电机的输入端相连;所述内燃机系统包括内燃机、所述蓄电池、所述氢罐、油箱及离合器;所述内燃机的进气管与空气连通,所述内燃机的第一路燃料进口经稳压腔及减压阀与所述氢罐的第二气路相连、第二路燃料进口与所述油箱相连,所述蓄电池与所述内燃机相连;所述混动变速箱的第一输入端与所述电机的输出端相连、第二输入端经所述离合器与所述内燃机的扭矩输出端相连、输出端同车辆驱动装置相连以输出动力驱动车辆。进一步地,所述内燃机的排气管分支经低温启动加热阀与所述燃料电池堆的加热管路相连,所述燃料电池堆的排气管分支经废气再循环阀与所述内燃机的进气管相连。进一步地,所述电机具有电动机和发电机两种工作模式,所述逆变器为双向逆变器,所述离合器为自动控制离合器。进一步地,所述内燃机为点火式内燃机,所述油箱的燃料为汽油;所述内燃机的氢燃料采用进气道喷射方式、汽油燃料采用缸内直喷方式。第二方面,本发明实施例提供一种基于上述混合动力系统的耦合运行方法,包括:仅燃料电池系统工作工况,当环境温度大于预设环境温度或燃料电池堆的温度大于或等于预设工作温度,并且整车功率需求小于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率的预设第一比例,燃料电池系统工作,内燃机系统关闭;当蓄电池的电量大于或等于可存储电量的预设第二比例且车辆的功率需求大于所述燃料电池堆所能实时提供最大功率的预设第三比例时,所述燃料电池堆和所述蓄电池经逆变器耦合同时向电机供电,所述电机的扭矩输出轴与混动变速箱相连,输出驱动车辆动力。进一步地,所述方法还包括:仅内燃机系统工作工况,当在环境温度小于或等于所述预设环境温度并且燃料电池堆的温度低于所述预设工作温度的情况下启动车辆时,所述内燃机系统工作,所述燃料电池系统保持关闭状态;内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,氢燃料在负荷低于第一预设负荷阈值时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸、在负荷高于或等于所述第一预设负荷阈值时采用两次喷射策略分别在所述压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,空气和燃料的供给比例小于或等于理论空燃比;所述内燃机在启动及暖机过程中的部分排气经低温启动加热阀后进入所述燃料电池堆的加热管,对所述燃料电池堆进行加热,直至所述燃料电池堆达到所述预设工作温度;在所述燃料电池堆达到所述预设工作温度前,由所述内燃机通过动力输出轴向所述混动变速箱传递扭矩驱动车辆;所述内燃机的冷却液水温大于预设水温以后,空气和燃料的供给比例变更为大于理论空燃比,所述氢燃料变更为在压缩冲程的上止点前单次喷入。进一步地,所述方法还包括:内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当环境温度大于所述预设环境温度或所述燃料电池堆的温度大于或等于所述预设工作温度,并且整车功率需求大于或等于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率的所述预设第一比例,内燃机系统和燃料电池系统同时工作,参与动力输出;当所述蓄电池的电量大于或等于可存储电量的所述预设第二比例并且所述混动变速箱的输出功率小于车辆需求功率情况下,所述蓄电池通过所述逆变器耦合同时参与扭矩输出;内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,氢燃料在负荷低于所述第一预设负荷阈值时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸、在负荷高于或等于所述第一预设负荷阈值时采用两次喷射策略分别在所述压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,空气和燃料的供给比例小于或等于理论空燃比;所述内燃机的冷却液水温大于所述预设水温以后,在负荷大于第二预设负荷阈值的情况下,混合器分层以理论空燃比燃烧,并且通过废气再循环阀引入所述燃料电池堆的排气至所述内燃机的进气管路中。进一步地,所述方法还包括:制动能量回收工况,当车辆处于行车制动工况时,车辆拖动所述混动变速箱带动所述电机转动,此时所述电机工作于发电机模式,所述逆变器利用所述电机输出的电能经转换器的转换后对所述蓄电池进行充电。进一步地,所述方法还包括:在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当所述蓄电池的电量小于可存储电量的所述预设第二比例时,所述逆变器利用所述燃料电池堆的电量经转换器的转换后对所述蓄电池进行充电。进一步地,所述方法还包括:在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述制动能量回收工况,保持所述内燃机同所述混动变速箱之间的离合器断开,以减少所述内燃机造成的倒拖损失。本发明实施例提供的混合动力系统及其耦合运行方法,通过设置燃料电池系统和内燃机混合动力系统,正常工作时,燃料电池系统作为第一动力源,内燃机根据工况需求进行动力辅助,通过控制内燃机在不同工况下的运行模式,可以实现内燃机高效、清洁的燃烧;可以满足更严格的排放和油耗法规,同时低成本、运行可靠的内燃机系统的引入降低燃料电池系统的造价,具有良好的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例提供的混合动力系统的结构示意图;图2是本发明实施例提供的混合动力系统的耦合运行方法中内燃机的运行模式示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。图1是本发明实施例提供的混合动力系统的结构示意图。如图1所示,所述系统包括燃料电池系统、内燃机系统及混动变速箱3,其中:所述燃料电池系统包括燃料电池堆1、蓄电池4、逆变器5、电机6、转换器7及氢罐9;所述燃料电池堆1的阳极与空气连通、阴极与所述氢罐9的第一气路连通、电力输出端与所述逆变器5的第一输入端相连,所述蓄电池4经所述转换器7与所述逆变器5的第二输入端相连,所述逆变器5的输出端与所述电机6的输入端相连;所述内燃机系统包括内燃机2、所述蓄电池4、所述氢罐9、油箱8及离合器14;所述内燃机2的进气管与空气连通,所述内燃机2的第一路燃料进口经稳压腔11及减压阀10与所述氢罐9的第二气路相连、第二路燃料进口与所述油箱8相连,所述蓄电池4与所述内燃机2相连;所述混动变速箱3的第一输入端与所述电机6的输出端相连、第二输入端经所述离合器14与所述内燃机2的扭矩输出端相连、输出端同车辆驱动装置相连以输出动力驱动车辆。本发明实施例提供的混合动力系统,包含两套动力系统,第一套是燃料电池系统,第二套是内燃机系统,并通过混动变速箱对两套动力系统的输出扭矩进行耦合从而驱动车辆。其中:燃料电池系统包括:燃料电池堆1,所述燃料电池堆1的阳极与空气连通,阴极的还原物与氢罐9连通;逆变器5,逆变器5的第一输入端同所述燃料电池堆1的电力输出端相连,逆变器5的第二输入端经转换器7和蓄电池4相连,逆变器5的输出端同电机6的输入端相连;蓄电池4,蓄电池4经转换器7和逆变器5的第二输入端相连,所述蓄电池4的输出端与内燃机2的启动马达相连;电机6,所述电机6的输入端同所述逆变器5的输出端相连,电机6的输出端同混动变速箱3第一输入端相连;氢罐9,所述氢罐9的第一气路与燃料电池堆1相连,所述氢罐9的第二气路经减压阀10、稳压腔11后同内燃机2相连。内燃机系统包括:内燃机2,所述内燃机2的进气管同空气连通,所述内燃机2的第一路燃料进口经稳压腔11及减压阀10与所述氢罐9的第二气路相连,第二路燃料进口同油箱8相连;离合器14,所述离合器14将所述内燃机2的输出端同混动变速箱3的第二输入端相连;混动变速箱3可以采用行星齿轮机构,所述行星齿轮机构的第一输入端同所述电机6相连,所述行星齿轮机构的第二输入端经所述离合器14同所述内燃机2的输出端相连,所述混动变速箱3的输出端同车辆驱动装置相连以输出动力驱动车辆。本发明实施例通过设置燃料电池系统和内燃机混合动力系统,正常工作时,燃料电池系统作为第一动力源,内燃机根据工况需求进行动力辅助,通过控制内燃机在不同工况下的运行模式,可以实现内燃机高效、清洁的燃烧;可以满足更严格的排放和油耗法规,同时低成本、运行可靠的内燃机系统的引入降低燃料电池系统的造价,具有良好的应用前景。进一步地,基于上述实施例,所述内燃机2的排气管分支经低温启动加热阀12与所述燃料电池堆1的加热管路相连;所述燃料电池堆1的排气管分支经废气再循环阀13与所述内燃机2的进气管相连。所述内燃机2的排气管分支经低温启动加热阀12与所述燃料电池堆1的加热管路相连,使得在燃料电池堆尚未达到适宜的工作温度,而仅由内燃机工作时,内燃机在启动或暖机过程中的部分排气可以经所述低温启动加热阀12后进入所述燃料电池堆1的加热管,对所述燃料电池堆1进行加热,直至所述燃料电池堆1达到适宜的工作温度。所述燃料电池堆1的排气管分支经废气再循环阀13与所述内燃机2的进气管相连,即所述内燃机2的进气管同空气连通同时经废气再循环阀13同所述燃料电池堆1的排气管分支相连;可以使得在高负荷运行时,通过所述废气再循环阀13适当引入所述燃料电池堆1的排气至所述内燃机2的进气管路中,提高所述内燃机2缸内混合气的比热容,降低所述内燃机2的缸内燃烧温度,改善高负荷时缸内的粗暴燃烧及爆震倾向,降低氮氧化物等有害气体的排放,满足动力性需求的同时实现高效、清洁的燃烧。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过使得内燃机的排气管分支经低温启动加热阀与燃料电池堆的加热管路相连,燃料电池堆的排气管分支经废气再循环阀与内燃机的进气管相连,有利于燃料电池堆的升温及实现高效、清洁的燃烧。进一步地,基于上述实施例,所述电机6具有电动机和发电机两种工作模式,所述逆变器5为双向逆变器,所述离合器14为自动控制离合器。所述电机6具有电动机和发电机两种工作模式,在燃料电池堆1作为动力源或部分动力源时,电机6的工作模式为电动机;在车辆制动状态,电机6的工作模式是发电机。所述逆变器5为双向逆变器,所述逆变器5的第二输入端兼具输出功能,可实现利用蓄电池4的能量进行动力驱动以及为蓄电池4充电。所述离合器14为自动控制离合器,可实现自动控制,提高了自动化程度。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过采用具有电动机和发电机两种工作模式的电机、双向逆变器及自动控制离合器,有效地提高了系统功能,提高了元件利用效率。进一步地,基于上述实施例,所述内燃机2为点火式内燃机,所述油箱8的燃料为汽油;所述内燃机2的氢燃料采用进气道喷射方式、汽油燃料采用缸内直喷方式。所述内燃机2为点火式内燃机,采用火花塞点火。所述油箱8的燃料为汽油,当然,还可以采用生物油等燃料,本发明实施例并不对此进行限制。所述内燃机2的氢燃料采用进气道喷射方式,由于内燃气缸内环境有限以及氢燃料经减压、稳压后压力较低的原因,较适于采用进气道喷射方式;所述内燃机2的汽油燃料采用缸内直喷方式,有利于形成混合气分层,更易于点燃。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过采用点火式内燃机、氢燃料采用进气道喷射方式以及汽油燃料采用缸内直喷方式,有利于内燃机燃料的燃烧。本发明实施例提供的混合动力系统,氢罐9分别向燃料电池堆1供给高压氢燃料,向内燃机2供给经过减压阀10和稳压腔11处理的低压氢燃料;在燃料电池系统中,燃料电池选用质子交换膜燃料电池,氢气和空气中的氧气在燃料电池堆的内部发生氧化还原反应产生电能,产生的直流电经逆变器5的转变成交流电驱动电机7输出动力;在内燃机系统中,内燃机2采用氢气和汽油双燃料和火花塞点燃方式,氢气可以采用4bar的低压进气道喷射,汽油可采用250bar的高压喷射方式实现缸内直喷;混动变速箱3可以采用行星齿轮机构实现两种动力系统的扭矩耦合;蓄电池4的电压在经双向DC-DC转换器7后实现升压,经逆变器5的转变后向电机6提供动力,当发生制动能量回收时,电机6处于发电机工作模式,产生的电能经逆变器5转换以及双向DC-DC转换器7的降压实现对蓄电池4的充电,蓄电池4可以选用普通的铅酸电池或锂电池既参与燃料电池系统的能量交互又可向系统控制器、内燃机2启动马达提供电能。内燃机2产生的排气经过低温加热阀12进入燃料电池堆1内部布置的加热管路,对燃料电池堆1进行预热,实现低温环境中燃料电池的快速启动;燃料电池堆1的排气可经过废气再循环阀13引入内燃机2进气管中,利用排气的惰性,改善内燃机2高负荷工作时的缸内燃烧。需要说明的是,油箱8中的燃料不仅局限于汽油燃料,也可以是生物燃料等,但是由于不同生物燃料有不同的特性,比如说腐蚀性,对管路材质的要求不同。本发明实施例提供的混合动力系统,综合了传统动力系统和新型动力系统的优势;通过与燃料电池的动力混合,实现内燃机运行在高效和经济的转速及负荷区间,内燃机更加专职、轻量化和小型化,同时可降低内燃机的排放和油耗,满足法规的要求;通过与内燃机动力的混合,利用内燃机的动力性减少燃料电池功率容量,发挥传统内燃机可靠、低成本的优势,降低燃料电池制造成本,提高驾驶的动力性,同时利用内燃机的排气温度改善燃料电池的低温启动性能,一方面提高了能量利用率,另一方面减少了对蓄电池和电容的容量需求,降低了燃料电池系统的成本。根据不同环境和条件下,车辆及混和动力系统自身的需求,燃料电池统和内燃机系统按照相应的耦合运行方法才能实现降排、节能的目标。本发明实施例提供一种混合动力系统的耦合运行方法,本发明实施例提供的混合动力系统的耦合运行方法基于上述混合动力系统,包括:仅燃料电池系统工作工况,当环境温度大于预设环境温度或燃料电池堆的温度大于或等于预设工作温度,并且整车功率需求小于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率的预设第一比例,燃料电池系统工作,内燃机系统关闭;当蓄电池的电量大于或等于可存储电量的预设第二比例且车辆的功率需求大于所述燃料电池堆所能实时提供最大功率的预设第三比例时,所述燃料电池堆和所述蓄电池经逆变器耦合同时向电机供电,所述电机的扭矩输出轴与混动变速箱相连,输出驱动车辆动力。仅燃料电池系统工作:当环境温度大于20度或所述燃料电池系统处于适宜的工作温度情况下启动或行车并且整车功率需求小于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率80%,燃料电池系统参与输出,内燃机系统关闭;当所述蓄电池电量大于可存储电量的60%且车辆的功率需求大于所述燃料电池堆所能实时提供最大功率70%时,所述燃料电池堆和所述蓄电池经所述逆变器耦合同时向所述电机供电,所述电机的扭矩输出轴与所述混动变速箱相连,输出驱动车辆动力。本发明实施例设置燃料电池系统和内燃机混合动力系统,正常工作时,燃料电池系统作为第一动力源,内燃机根据工况需求进行动力辅助,通过控制内燃机在不同工况下的运行模式,可以实现内燃机高效、清洁的燃烧;可以满足更严格的排放和油耗法规,同时低成本、运行可靠的内燃机系统的引入降低燃料电池系统的造价,具有良好的应用前景。进一步地,基于上述实施例,所述混合动力系统的耦合运行方法还包括:仅内燃机系统工作工况,当在环境温度小于或等于所述预设环境温度并且燃料电池堆的温度低于所述预设工作温度的情况下启动车辆时,所述内燃机系统工作,所述燃料电池系统保持关闭状态;内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,氢燃料在负荷低于第一预设负荷阈值时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸、在负荷高于或等于所述第一预设负荷阈值时采用两次喷射策略分别在所述压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,空气和燃料的供给比例小于或等于理论空燃比;所述内燃机在启动及暖机过程中的部分排气经低温启动加热阀后进入所述燃料电池堆的加热管,对所述燃料电池堆进行加热,直至所述燃料电池堆达到所述预设工作温度;在所述燃料电池堆达到所述预设工作温度前,由所述内燃机通过动力输出轴向所述混动变速箱传递扭矩驱动车辆;所述内燃机的冷却液水温大于预设水温以后,空气和燃料的供给比例变更为大于理论空燃比,所述氢燃料变更为在压缩冲程的上止点前单次喷入。仅内燃机系统工作:当环境温度小于等于20度的情况下启动时,内燃机系统工作,燃料电池系统保持关闭状态,所述内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,所述汽油燃料通过缸内直喷实现缸内混合气的稀薄分层分布,所述氢气燃料在小负荷时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸,中高负荷采用两次喷射策略分别在压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,燃料和空气的供给比例为略微偏浓的空燃比,利用氢气的可燃性和火焰快速传播特性,拓展所述内燃机启动时的可靠性,同时氢气在活塞膨胀做功行程后喷可提高排气温度,加速催化器起燃,同时使不完全燃烧产物进一步氧化,降低冷启动及暖机过程中的有害气体的排放,实现高效、清洁的燃烧;所述内燃机在启动过程中的部分排气经所述低温启动加热阀后进入所述燃料电池堆的加热管,对所述燃料电池堆进行加热,直至所述燃料电池堆达到适宜的工作温度;在所述燃料电池堆达到适宜工作温度前,由所述内燃机通过动力输出轴向所述混动变速箱传递扭矩驱动车辆;所述内燃机的冷却液水温大于60度以后,所述内燃机采用双燃料稀薄空燃比点燃燃烧方式,所述氢燃料在压缩上止点前单次喷入,所述内燃机系统在氢燃料电池系统投入工作前保持双燃料稀薄空燃比点燃燃烧方式。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过在环境温度较低并且燃料电池堆尚未达到适宜的工作温度时,由内燃机系统先行作为动力源,并利用内燃机的排气对燃料电池堆进行加热,使氢燃料电池堆快速起燃,有效解决了氢燃料电池堆启动慢的问题。进一步地,基于上述实施例,所述混合动力系统的耦合运行方法还包括:内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当环境温度大于所述预设环境温度或所述燃料电池堆的温度大于或等于所述预设工作温度,并且整车功率需求大于或等于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率的所述预设第一比例,内燃机系统和燃料电池系统同时工作,参与动力输出;当所述蓄电池的电量大于或等于可存储电量的所述预设第二比例并且所述混动变速箱的输出功率小于车辆需求功率情况下,所述蓄电池通过所述逆变器耦合同时参与扭矩输出;内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,氢燃料在负荷低于所述第一预设负荷阈值时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸、在负荷高于或等于所述第一预设负荷阈值时采用两次喷射策略分别在所述压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,空气的和燃料供给比例小于或等于理论空燃比;所述内燃机的冷却液水温大于所述预设水温以后,在负荷大于第二预设负荷阈值的情况下,混合器分层以理论空燃比燃烧,并且通过废气再循环阀引入所述燃料电池堆的排气至所述内燃机的进气管路中。内燃机系统和燃料电池电池系统同时工作:当环境温度大于20度或燃料电池系统处于适宜的工作温度情况下启动或行车并且整车功率需求大于等于所述燃料电池堆所能实时最大功率80%,内燃机系统和燃料电池系统同时工作,参与动力输出;所述蓄电池在电池电量大于60%可存储电量并且所述混动变速箱输出功率小于车辆需求功率情况下,通过所述逆变器耦合同时参与扭矩输输出,以补偿车辆大功率的需求;所述内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,所述汽油燃料通过缸内直喷实现缸内混合气的稀薄分层分布,所述氢气燃料在小负荷时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸,中高负荷采用两次喷射策略分别在压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,燃料和空气的供给比例为略微偏浓的空燃比;所述内燃机的冷却液水温升高至60度以后,在中小负荷的运行的情况下,通过适当的控制所述氢燃料和汽油燃料的比例,使所述内燃机实现稀薄分层的高效、清洁燃烧,在高负荷运行时,减少氢燃料的引入,控制燃空当量比在理论空燃比附近,并且通过所述废气再循环阀适当引入所述燃料电池堆的排气至所述内燃机的进气管路中,提高所述内燃机缸内混合气的比热容,降低所述内燃机的缸内燃烧温度,改善高负荷时缸内的粗暴燃烧及爆震倾向,降低氮氧化物等有害气体的排放,满足动力性需求的同时实现高效、清洁的燃烧。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过在燃料电池堆不足以单独支撑动力需求时,由内燃机系统作为辅助动力源,并在混动变速箱的输出功率小于车辆需求功率的情况下,进一步由蓄电池进行动力辅助,有效保障了车辆动力的输出;并通过引入燃料电池堆的排气至内燃机的进气管路,显著改善了排放。进一步地,基于上述实施例,所述混合动力系统的耦合运行方法还包括:制动能量回收工况,当车辆处于行车制动工况时,车辆拖动所述混动变速箱带动所述电机转动,此时所述电机工作于发电机模式,所述逆变器利用所述电机输出的电能经转换器的转换后对所述蓄电池进行充电。制动能量回收工况:车辆制动时,车辆拖动所述混动变速箱带动所述电机转动,此时所述电机工作于发电机模式,所述电机输出的电能经所述逆变器和所述转换器的转换后对所述蓄电池进行充电,通过所述电机的工作模式转变实现了对车辆制动能量的回收,从而实现节能;所述燃料电池堆保持在低功耗运行工况,甚至停止运行工况。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过电机的工作模式转变利用车辆制动时产生的能量对蓄电池充电,实现了对车辆制动能量的回收,从而实现节能。进一步地,基于上述实施例,所述混合动力系统的耦合运行方法还包括:在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当所述蓄电池的电量小于可存储电量的所述预设第二比例时,所述逆变器利用所述燃料电池堆的电量经转换器的转换后对所述蓄电池进行充电。在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当所述蓄电池的电量小于可存储电量的60%时,所述逆变器利用所述燃料电池堆的电量对所述蓄电池进行充电。在上述实施例的基础上,本发明实施例通过在燃料电池系统参与动力输出时,在蓄电池电量不足的情况下,利用燃料电池堆的电量对蓄电池进行充电,有效利用了燃料电池堆的能量,保障了蓄电池的可靠工作。进一步地,基于上述实施例,所述混合动力系统的耦合运行方法还包括:在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述制动能量回收工况,保持所述内燃机同所述混动变速箱之间的离合器断开,以减少所述内燃机造成的倒拖损失。在上述实施例的基础上,在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述制动能量回收工况,保持所述内燃机同所述混动变速箱之间的离合器断开,以减少所述内燃机造成的倒拖损失,从而进一步实现节能。图2是本发明实施例提供的混合动力系统的耦合运行方法中内燃机的运行模式示意图。如图2所示,在冷却液温度小于或等于60度,负荷为小负荷时如负荷小于或等于50%,氢燃料在压缩冲程的上止点前单次喷入;负荷为中高负荷时如负荷大于50%,氢燃料采用两次喷射策略分别在压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸;空气和燃料的供给比例小于或等于理论空燃比,小负荷时空气和燃料的供给比例可以为0.95~1,由于氢燃料在活塞膨胀做功行程中后喷有助于促进燃烧,因此中高负荷时空燃比可以取为理论空燃比1。在冷却液温度大于60度,为减少车辆正常行驶中的排放,中小负荷运行时采用双燃料稀薄空燃比燃烧方式空燃比1;高负荷运行时,由于通过废气再循环阀引入燃料电池堆的排气至内燃机的进气管路可以有效改善排放,因此,空燃比可以取为理论空燃比1,内燃机中燃料可以由汽油燃料和燃料电池堆的排气所构成。需要说明的是,本发明实施例中所提到的各个具体数值仅为具体举例,还可以根据实际情况设为其他数值,并不作为对本发明实施例的限制。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROMRAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

权利要求:1.一种混合动力系统,其特征在于,包括燃料电池系统、内燃机系统及混动变速箱,其中:所述燃料电池系统包括燃料电池堆、蓄电池、逆变器、电机、转换器及氢罐;所述燃料电池堆的阳极与空气连通、阴极与所述氢罐的第一气路连通、电力输出端与所述逆变器的第一输入端相连,所述蓄电池经所述转换器与所述逆变器的第二输入端相连,所述逆变器的输出端与所述电机的输入端相连;所述内燃机系统包括内燃机、所述蓄电池、所述氢罐、油箱及离合器;所述内燃机的进气管与空气连通,所述内燃机的第一路燃料进口经稳压腔及减压阀与所述氢罐的第二气路相连、第二路燃料进口与所述油箱相连,所述蓄电池与所述内燃机相连;所述混动变速箱的第一输入端与所述电机的输出端相连、第二输入端经所述离合器与所述内燃机的扭矩输出端相连、输出端同车辆驱动装置相连以输出动力驱动车辆。2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述内燃机的排气管分支经低温启动加热阀与所述燃料电池堆的加热管路相连,所述燃料电池堆的排气管分支经废气再循环阀与所述内燃机的进气管相连。3.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,所述电机具有电动机和发电机两种工作模式,所述逆变器为双向逆变器,所述离合器为自动控制离合器。4.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述内燃机为点火式内燃机,所述油箱的燃料为汽油;所述内燃机的氢燃料采用进气道喷射方式、汽油燃料采用缸内直喷方式。5.一种混合动力系统的耦合运行方法,其特征在于,包括:仅燃料电池系统工作工况,当环境温度大于预设环境温度或燃料电池堆的温度大于或等于预设工作温度,并且整车功率需求小于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率的预设第一比例,燃料电池系统工作,内燃机系统关闭;当蓄电池的电量大于或等于可存储电量的预设第二比例且车辆的功率需求大于所述燃料电池堆所能实时提供最大功率的预设第三比例时,所述燃料电池堆和所述蓄电池经逆变器耦合同时向电机供电,所述电机的扭矩输出轴与混动变速箱相连,输出驱动车辆动力。6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:仅内燃机系统工作工况,当在环境温度小于或等于所述预设环境温度并且燃料电池堆的温度低于所述预设工作温度的情况下启动车辆时,所述内燃机系统工作,所述燃料电池系统保持关闭状态;内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,氢燃料在负荷低于第一预设负荷阈值时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸、在负荷高于或等于所述第一预设负荷阈值时采用两次喷射策略分别在所述压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,空气和燃料的供给比例小于或等于理论空燃比;所述内燃机在启动及暖机过程中的部分排气经低温启动加热阀后进入所述燃料电池堆的加热管,对所述燃料电池堆进行加热,直至所述燃料电池堆达到所述预设工作温度;在所述燃料电池堆达到所述预设工作温度前,由所述内燃机通过动力输出轴向所述混动变速箱传递扭矩驱动车辆;所述内燃机的冷却液水温大于预设水温以后,空气和燃料的供给比例变更为大于理论空燃比,所述氢燃料变更为在压缩冲程的上止点前单次喷入。7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当环境温度大于所述预设环境温度或所述燃料电池堆的温度大于或等于所述预设工作温度,并且整车功率需求大于或等于所述燃料电池堆实时所能提供最大功率的所述预设第一比例,内燃机系统和燃料电池系统同时工作,参与动力输出;当所述蓄电池的电量大于或等于可存储电量的所述预设第二比例并且所述混动变速箱的输出功率小于车辆需求功率情况下,所述蓄电池通过所述逆变器耦合同时参与扭矩输出;内燃机在启动及暖机过程中,采用氢气、汽油双燃料点燃方式运行,氢燃料在负荷低于所述第一预设负荷阈值时在压缩冲程的上止点前单次喷入气缸、在负荷高于或等于所述第一预设负荷阈值时采用两次喷射策略分别在所述压缩冲程的上止点前和活塞膨胀做功行程中喷入气缸,空气和燃料的供给比例小于或等于理论空燃比;所述内燃机的冷却液水温大于所述预设水温以后,在负荷大于第二预设负荷阈值的情况下,混合器分层以理论空燃比燃烧,并且通过废气再循环阀引入所述燃料电池堆的排气至所述内燃机的进气管路中。8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:制动能量回收工况,当车辆处于行车制动工况时,车辆拖动所述混动变速箱带动所述电机转动,此时所述电机工作于发电机模式,所述逆变器利用所述电机输出的电能经转换器的转换后对所述蓄电池进行充电。9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述内燃机系统和燃料电池系统同时工作工况,当所述蓄电池的电量小于可存储电量的所述预设第二比例时,所述逆变器利用所述燃料电池堆的电量经转换器的转换后对所述蓄电池进行充电。10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在所述仅燃料电池系统工作工况以及所述制动能量回收工况,保持所述内燃机同所述混动变速箱之间的离合器断开,以减少所述内燃机造成的倒拖损失。

百度查询: 清华大学 一种混合动力系统及其耦合运行方法

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