[发明专利]基于燃料电池的内燃机余热利用混合动力系统

说明书

技术领域

本发明提供一种车辆混合动力系统，具体涉及机动车动力及传动系统的能量利用、转换和存储，属于车辆混合动力技术领域。

背景技术

随着经济的不断进步，汽车保有量迅速猛增，机动车带来的石油消耗逐年增加，同时机动车排放的尾气造成了严重的大气污染。化石燃料的紧缺以及环境污染的恶化，促使人们开发更为清洁高效的可持续发展能源利用及转化技术。为了减少机动车的能耗和排放，传统的方法包括，提高内燃机的效率，提高传动系的效率，降低车辆总重，采用低风阻的车身等，然而受内燃机燃烧做功循环特性、材料、结构等限制，传统方法在车辆节能减排上的提升空间非常有限。蓄电池驱动的电动车辆具有较高的能量利用效率和零排放特性，是目前车辆研发的重点，但是在蓄电池的成本、重量、能量密度、功率密度、续驶里程、寿命、充电时间等技术指标尚未取得明显进步的情况下，蓄电池驱动的电动车辆很难全面实现产业化，且只能在特定区域运行。氢燃料电池车辆具同样有较高的能量利用效率和零排放特性，且具有良好的发展前景，但是在氢能的低成本制取、安全运输和高能量密度存贮等技术尚未取得根本性突破的情况下，氢燃料电池车辆无法在近期实现商业化。混合动力车辆传动系统能将多个动力源进行有机结合，并使其工作在各自的高效区域，同时实现废弃能量的回收再利用，可以大幅度提升车辆的动力性能和经济性能，是当前切实可行的车辆动力系统节能减排技术。

研究表明，以内燃机为动力的车辆，只有15-25%的燃油能量用在驱动车辆上，其余燃油能量则被内燃机尾气、冷却水等所消耗，而用于车辆行驶的燃油能量又被行驶过程中的滚动阻力、风阻、加速、制动过程等所消耗。以蓄电池-电动机/发电机为辅助动力的油电混合动力系统，其辅助动力系统能调节内燃机的工作区间，降低内燃机工作在低速低负荷工况下运行的机会，甚至取消怠速工况，而在高速低负荷时将部分燃油能量转化蓄电池能量，从而在一定程度上提高内燃机的平均工作效率；同时辅助动力系统还能有效回收再利用车辆制动减速过程中的制动能量，提高燃油的利用率。然而，油电混合动力技术依旧有接近30%的燃油能量被内燃机的排气所带走而未得到有效利用。若利用排气余热，采用燃料催化重整技术，将燃料转化成富氢气体，进而利用燃料电池将富氢气体转化成驱动车辆行驶的电能，实现内燃机排气余热的回收再利用，可进一步提升燃油能量的利用率。燃料电池能够将富氢气体转化为电能，其能量转化效率高，且没有污染物排放。利用内燃机排气余热重整制取富氢气体，产生的富氢气体供给燃料电池作为燃料转化为电能，获得的电能储存在蓄电池中，与电动辅助驱动系统相统一，构成一个多动力源混合动力系统，能最大程度提高燃料能量的利用率，提升内燃机全周期的平均工作效率。

发明内容

本发明的目的是优化机动车动力传动系统，回收再利用车辆行驶的制动能量和内燃机的排气余热能量，提升燃料能量的利用率，提高内燃机的平均工作效率。

本发明的核心思想是在内燃机的排气管处安装燃料重整器，利用排气余热实现燃料的重整，生成的富氢重整气为燃料电池提供燃料，燃料电池所产生的电能储存在蓄电池中，从而实现内燃机排气余热的回收；同时在内燃机的输出轴端安装电动机/发电机，该电动机/发电机用于回收车辆行驶过程中的制动能量，并在特定工况提供辅助动力。具体技术方案如下：