装备氢动力内燃机的方法和系统的制作方法

专利名称：装备氢动力内燃机的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种排放物非常低的包括一个整体推进系统的混合式电动车辆，尤其涉及一种用于混合式车辆的氢动力内燃机。该氢动力内燃机不用节流阀操作并使用一种气缸不起动策略来在怠速和轻负荷工况下减小功率。
背景技术：
当世界人口膨胀而其经济增长时，大气中的二氧化碳浓度正使地球越来越暖而使气候发生变化。但是，全球的能量系统正稳定地减少其燃烧产生有害气体的富碳燃料。专家说，大气的二氧化碳值在下世纪末之前可能是前工业时代的两倍，但专家也说，二氧化碳值将会高得多，除非低碳燃料的趋势持续一百年以上。其次，化石燃料产生污染，并且是国家间战略军事斗争的原因。
接近一个半世纪以来，含碳量高的燃料已逐渐地被含碳量越来越小的燃料所替代。首先，含碳量高的木材在19世纪后期被含碳低的煤所替代。然后含碳量更低的石油在19世纪60年代超过了占首位的煤。现在分析家说，含碳更少的天然气可能进入其全盛时期，而提供完全无碳的燃料的氢的时代可能最终已进入黎明时期。结果，专家估计，今天世界经济每产生单位能量所消耗的碳少于1860年的三分之二。
在美国，据估计，从1950年以来，低碳燃料的趋势与更高能效的结合对每单位经济产出已减少了约一半的碳排出量。因此，能源系统的减碳是从能源系统最近20年分析中出现的单独最重要的事实。已经有人预言，这种进展将在21世纪末产生一种无碳的能量系统。本发明将使该时期缩短若干年。在近期，氢将用于轿车、卡车和工厂的燃料电池，就像它已为轨道宇宙飞船提供动力一样。但最终，氢也将提供一种满足所有燃料需求的通用的无碳燃料。
如近来报纸文章所述，大企业(尤其在美国)已长期怀疑全球正在变暖的论断，并已喧嚣地否定气候变化的科学论断。电力公司甚至已试图在普通民众中增加关于有关气候变化的国际条约会抑制经济增长和减少就业的害怕情绪。因此，十分鼓舞人心的是，一些世界上最大的公司如英荷壳牌石油公司和英国石油公司这两个欧洲大石油企业现在清楚地说出从前认为是异端邪说的观点全球变暖是真的，应当立即行动。许多美国企业发誓要找到办法来减少其电厂对大气的污染。世界上最大的化工企业杜邦公司甚至宣称，它自愿在10年内将其温室气体的排放减少到1990年的35％的水平。排放温室气体和其它污染物质的重要行业汽车工业(尽管其车辆排放已明确减少)现在已经认识到变化是必要的，如其电动汽车和混合式汽车所证明的。
氢是“终极燃料”。事实上，大多数人认为氢是下一个千禧年的“那种”燃料，而且氢是用之不竭的。氢是宇宙中最丰富的元素(超过95％)，并且是“创世大爆炸”所创造的第一个元素。氢能够为我们的星球提供用之不竭的清洁能源，氢可以用各种将水分解为氢和氧的工艺来生产。氢可以以固态形式储存和运输。本专利申请书可以创造一种用于此种以氢为基础的经济的全套生产/储存/运输/传送系统。例如，可以很容易地将诸如在美国专利No.4,678,679(其公开内容参考合并于此)中提出的经济的轻量的三结非晶硅太阳电池(本发明人之一Stanfod R.Ovshinsky是该发明的先驱者)设置在一片水体的附近，在那里其固有的开放电路的高电压可以用于将水分解为其组成气体，并收集如此生产的氢。同样，通过将这些高效太阳电池组件安置在附近的农场上、水中或地上，可以产生电而将氢运输和泵抽到包括此处公开的本发明的金属氢化物合金的金属氢化物储存床中。这些合金的超高容量允许将这些氢以固体形式储存，以便以对最终用途安全而经济的形式用船只、油罐、火车或卡车运输。能源是当今任何社会的生命和文明的基本必需品，而以此处描述的方式使用作为基本能源的氢将结束为了控制化石燃料而产生的战争。代替“从油井到车轮”这一用语，现在将会说“从能源到车轮”。
过去已经相当注意用氢作为燃料或燃料的补充。虽然世界的石油储备是可以枯竭的，但氢的供应实际上是无限的。氢可以从煤、天然气和其它烃产生，或者通过水的电解来制成，但最好通过太阳的能量来制成，太阳主要由氢组成，而其本身可看作一个巨大的氢“炉”。况且氢的生产可以不用化合燃料，例如利用核能或太阳能或其它形式的经济能源(如风能、波浪能、地热能等)来电解水而制成氢。其次，氢是一种固有的低成本燃料，虽然目前比石油贵。氢具有每单位重量的任何化学燃料中最高的能量密度，并且基本上不污染，因为“燃烧”氢的主要副产品是水。因此，氢可以是解决许多世界能源有关问题如气候变化、污染、对石油的战略依赖等的方法以及提供一种帮助发展中国家的手段。
虽然氢具有作为燃料的广泛潜在用途，但其应用特别是在汽车用途如作为车辆动力中的主要缺点是缺少可以接受的轻量的储氢介质。传统上，氢在高压下储存在耐压容器中或作为已冷却到极低温度的低温液体而储存。将氢作为压缩气体或液体而储存涉及使用又大又重的容器，使得利用氢来作为车辆的动力不可行。
作为替代的是，已知某些金属和合金允许可逆地储存和释放氢。在这方面，由于其储氢效率高，它们已被看作是优越的储氢材料。比起作为压缩气体或压力罐中液体的储存，作为固体氢化物的储氢能提供更大的体积储存密度。同时，比起由作为气体或液体而储存在容器中的氢所产生的安全问题来，固体氢化物中的储氢的安全问题很少。题为《能够产生以氢为基础的经济系统的高储氢容量的合金》的美国专利No.6,193,919中充分描述了这些合金，该专利参考合并于此。
有了储氢的这些发展，氢现在可有效地用作给车辆提供动力的燃料。通过在特定的温度/压力或电化学条件下形成金属氢化物和以高密度吸收氢，固态金属或合金系统能够储存大量的氢，而且通过变化这些条件，可以容易地释放氢。
随着现在氢成为给车辆提供动力的可行能源，已在设计用氢甚于用化合燃料的发动机方面进行了可观的研究。在这些设计中，在内燃机中燃烧氢混合物，非常像在当前的内燃机中燃烧汽油和其它烃。但是，采用氢，不需要催化转化剂来处理烃，在废气中也不存在需要符合排放标准的一氧化碳。使用汽油或其它烃燃料的内燃机通常依靠催化剂和废气成分传感器来符合排放标准。在那些发动机中，减少或消除通到一个或多个气缸的燃料流而没有按比例地减少或消除空气流是不可能的(也即为了废气成分传感器和催化剂有效地起作用，在所有气缸中必须保持均匀的空气燃料比)。废气中存在空气使那些装置效率降低。氢内燃机不需要排出烃或一氧化碳催化剂，因此当输入到一个或多个气缸的燃料减少或消除时，它们能够继续洁净地操作。在本发明中，在怠速之类需要低功率期间或当发动机处于轻负荷时，利用特定气缸的中断燃料供应来减小发动机功率。
作为单独用内燃机作动力的车辆的替代，因为具有满足在下一个十年中将汽车燃料经济提高到三倍的目标的技术能力，所以混合式电动车辆(HEV)已获得欢迎。混合式车辆采用内燃机和蓄电池驱动的电动机的组合，已提出各种构型。
混合式系统分为两种广泛的类别，即串联式和并联式系统。在典型的串联式系统中，一台电动机用于驱动车辆，而发动机用于给蓄电池再充电。在并联式系统中，内燃机和电动机两者均用于驱动车辆而能平行地为此目的而操作。
在这两个广泛类别内还有变化。例如，存在利用串联式和并联式系统的组合。在所谓“双重方式”系统中，推进方式可以由操作者或由计算机系统选作或者是“全电动”或者是“全发动机”推进方式。在该“范围扩展”系统中，初始的电力系统用于推进，而发动机用于峰值负荷和/或用于蓄电池的再充电。在“动力辅助”系统中，峰值负荷由蓄电池驱动的电动机来处理。
进一步的区分是在“充电耗竭”和“充电持续”的系统之间。在充电耗竭的系统中，蓄电池充电在系统使用期间逐渐耗竭而蓄电池因而必须周期地从外电源如利用连接到公用电源的机构再充电。在充电持续的系统中，在车辆使用期间蓄电池通过再生的制动或同时利用从发动机驱动的发电机所供应的电力来再充电，使得蓄电池在操作期间保持充电。
有许多不同类型的系统落入“充电耗竭”和“充电持续”的范畴，因此在已为了一般说明不同类型而简化的上述例子中有许多变化。但是，应当注意，如果在操作中要达到商用的驱动航程(再充电之间达数英里)，那么，总的说来，“充电耗竭”型系统通常需要比“充电持续”型系统充电容量更高(因而比能量更大)的蓄电池。各种类型的混合式电动车辆的系统包括“串联式”、“并联式”和“双重方式”类型以及体现在此种系统中的本发明的进一步和更专门的讨论将在下面提供。
在本申请书中，使用术语“氢动力内燃机”、“内燃机”、“发动机”和“HP-ICE”(即“氢动力内燃机”的缩写)来指称使用氢燃料的发动机。
混合式驱动系统的使用为燃料经济和超低排放两者提供关键的优点。当在或接近设计点速度和负荷状态下操作时，内燃机达到最高效率和最少排放。小型电动机能够提供非常大的峰值转矩和功率。因此，联用在最高效率操作的小内燃机和在最高效率操作的电动机能提供尽可能减少排放物、形成卓越的燃料经济和尽可能提高加速度的优异组合。
混合式电动车辆的关键能力的技术是一种能够提供与高能量密度结合而同时在极高效率下接受大的再生制动电流的极高的脉冲功率的储能系统。此外，峰值功率应用的工作周期在低深度放电下需要异常的周期寿命，尤其在充电耗竭型系统中。
重要的是要理解与纯粹电动车辆的储能系统相比时该储能系统的不同要求。对于一辆实用的电动车辆，行驶范围是使能量密度成为关键评价参数的关键因素。功率和周期寿命当然重要，但它们对于电动车辆成为能量密度之后的第二位。对于纯粹电动车辆的用途，一种轻量、紧凑、高容量的蓄电池是目标。
此种蓄电池的一个例子是Ovonic镍金属氢化物(NiMH)蓄电池。该Ovonic镍金属氢化物(NiMH)蓄电池已达到用于电动车辆的高级发展阶段。Ovonic电动车辆能将电动车辆推进到超过370英里(由于比能量为约90Wh/kg)，该蓄电池周期寿命长(在80％DOD超过1000个周期)、容差大而能快速再充电(15分钟内达到60％)。此外，当评价用作电动车辆储存能源时，Ovonic蓄电池已证明有更高的功率密度。
本发明描述一种具有氢内燃机用的创新设计的混合式车辆。与早先的氢内燃机不同，在轻负荷和怠速状态期间，本发明不采用节流阀而使用一种气缸不起动的策略。本发明公开的与高功率的镍金属氢化物蓄电池结合的氢动力内燃机提供一种对车辆供应动力的洁净替代方案，将世界一步带近“以氢为基础的经济系统”。
发明概要本发明公开一种混合式车辆，该车辆包括一台氢动力内燃机、一个补充氢动力内燃机的电动机、一个氢源、一个氢燃料控制系统，以及一个可以再充电的蓄电池，后者可以任选地是一种高功率的可以再充电的蓄电池。该氢内燃机设计成没有节流阀地操作。一股连续的空气流输往该发动机并分成多股较小的空气流，每股小空气流导向发动机内的一个气缸。在到达气缸之前，将一个计算的氢量喷入每股较小的空气流中。该发动机在贫燃料条件下操作，以便尽可能减小NOx的发生。
喷入每股空气流的氢量是由一个对加速器踏板的位置和发动机速度作出响应的控制系统计算的。该控制系统包括一个加速器踏板位置换能器来根据从车辆操作者的输入而感知功率需求。
该氢内燃机以正常操作方式和气缸不起动方式操作。在怠速或轻负荷工况下，氢内燃机以气缸不起动方式操作。当处在气缸不起动方式时，一个或多个氢燃料喷射器停止将燃料喷入空气流。虽然氢可能不再喷入空气流中，但连续的空气流仍然没变化而继续流动通过发动机。
一个电动机用于补充氢动力内燃机。该电动机由一高能量密度的可再充电蓄电池供给动力。该蓄电池可在氢动力内燃机操作期间再充电。该蓄电池系统改成通过用氢代替烃基燃料来给内燃机供应燃料而补偿动力的损失。
附图简述

图1表示本发明的氢动力内燃机和控制系统。
图2表示相对于实际空气-燃料比除以化学计量的空气-燃料比的商(λ)的本发明的氢发动机的功率输出。
图3表示本发明的控制系统的流程图。
图4表示使加速器踏板位置与本发明的氢内燃机的速度发生关系的控制图。
图5表示先有技术的NiMH蓄电池的比功率和比能量的关系。
图6表示按照本发明的一种并联式混合式电动车辆系统的示意图。
发明详述本发明公开一种带有氢内燃机(ICE)的混合式车辆，利用多种策略来最优化各种条件下的性能和燃料效率。该多种策略用于最优化燃料消耗而同时尽量减小或消除来自发动机的NOx排放。本发明设计成在取决于动力要求的变化速度下进行操作。本发明也包括一个用于与电动机结合的电池系统来补充推进该车辆的氢动力内燃机。
图1示范地例示本发明的氢发动机系统的概念。该系统包括氢动力内燃机1、氢源2和控制系统3。控制系统3响应由RPM传感应4测定的发动机1的速度和由加速器踏板位置换能器6测定的加速器踏板5的位置。
在氢动力内燃机1操作期间，一次空气流20供应到内燃机发动机1。一次空气流20不用节流阀而保持连续的流动速度。一次空气流20分成多股二次空气流21，每股引向一个发动机气缸。氢燃料喷射器22连接在每股二次气流21上并分配一个计算的氢量进入每股第二空气流21。在操作期间，这些氢燃料喷射器响应一个以发动机速度和加速器踏板位置为基础的控制信号。根据该控制信号，由氢燃料喷射器分配到二次空气流中的氢量可以增大、减小或保持不变。
氢动力内燃机进行贫燃料操作，以尽可能减小NOx的发生。发动机在λ大于1的状态下进行贫燃料操作(λ为真实的空气-燃料比/化学计量的空气-燃料比)。相反，在λ小于1的状态下发动机进行富燃料运行。对于氢的燃烧，化学计量的空气-燃料比为约34kg空气/kgH2。在该比例下，氢的完全燃烧既不缺少空气也不过剩空气。图2表示相对于λ的本发明的氢发动机的动力输出。
本发明中描述的氢发动机将采用1～10的λ值进行操作。优选的操作采用3～8的λ值。最优选的操作采用5～7的λ值。在起动时，该氢发动机可以在为1的λ值下操作，以获得最大功率。在起动后，该氢发动机可以在大于2.5的λ值下操作，以尽可能减少NOx的排放。
该氢动力内燃机包括多个气缸，每个气缸有一进气阀和一排气阀。进气阀和排气阀的操作与气缸内氢的燃烧有关。气缸内的活塞用于在燃烧前压缩空气/氢混合物并用于在空气/氢混合物燃烧后对曲柄轴作功。
进气阀和排气阀由曲柄轴驱动。空气/氢混合物通过进气阀输入气缸。进气阀关闭，活塞压缩空气/氢混合物，而该混合物用火花点燃。对空气/氢混合物的压缩比最好是13∶1，但也可用12∶1至15∶1范围内的其它比例。空气/氢混合物的燃烧迫使活塞沿向下方向运动而对曲柄轴作功。然后当活塞由于曲柄轴转动而向上运动时曲柄轴打开排气阀并迫使废气排出气缸。
在怠速状态和轻载状态下，也可采用气缸不起动而不是传统的发动机节流来减小发动机的功率。节流会增加燃料消耗，而气缸不起动将不需要节流。气缸不起动可以用不同的途径来达到。最佳的途径是简单地切断对一个或多个气缸的燃料供应而同时保持对每个气缸的恒定空气流。利用该途径，根据从加速器踏板位置和发动机速度计算得的功率需求，燃料喷射器将向空气流分配一定量的氢。因为空气流保持不变，所以对一个或多个气缸切断燃料供应的净效果是将氢内燃机的贫燃料操作限度基本上延伸到超过对所有气缸相等地供应燃料的点，由此可以不用节流就减小发动机的动力。
气缸不起动的另一途径是对一个或多个气缸切断与燃料供应一起的空气供应。这可以通过中断受影响的气缸中进气阀和排气阀的驱动来完成而要求实现一种复杂的机制。由于这种途径的复杂性，这不是本发明的优选操作方法。一种气缸不起动的中间途径可以是可变的阀计时。在这种途径下，阀的计时保持减小，但不停止通过未供应燃料的气缸的空气流。
将使用测量发动机速度和加速器踏板位置的控制系统来控制喷入气缸的氢量。图3(流程图)中示出表示在气缸不起动和正常操作期间控制环路的流程图。一旦氢内燃机开始操作，该控制系统就启动。该控制系统首先测量加速器踏板的位置(P)。加速器踏板位置代表车辆操作者要求的功率。根据加速器踏板位置，该控制系统保持氢内燃机的正常操作或在氢内燃机中使用气缸不起动措施。在正常操作期间，测量踏板位置，而根据踏板位置的变化，增减燃料流量。如果踏板处于关闭位置(怠速)，该控制系统开始执行气缸不起动措施。如果任何时间氢动力内燃机的速度(RPM)超过一规定量(G)，那么就减小燃料流量来防止发动机由于过速而损伤。
该发动机燃料供应控制系统可以包括一种在怠速和在最大加速器位置下相对于发动机转速控制燃料输送的电动调速器策略控制器(以防止超速和熄灭)。在所有其它状态下，输送和发动机转矩将由踏板换能器决定的驱动者加速器踏板位置来确定。有关加速器踏板位置对发动机速度的控制图示于图4。
提供给氢动力内燃机的氢将来自一个金属氢化物储氢装置。来自发动机的废气可以用于帮助从金属氢化物形式释放氢。在这种情况下，废气可以通过与储氢合金热接触的管子，或者该车辆可以以另一种方式由废气加热。这种车辆的内部也可以用导热材料分隔成舱室，以更好地调节整个车辆的热传递，并防止储氢合金的致密化和随后的膨胀(在充氢时)，这种情况可能导致对车辆壁的应力。此种储氢车辆在2002年5月9日申请的题为《一种蜂窝状储氢构造》的美国专利申请书顺序号10/143,243中得到描述，其公开内容参考合并于此。氢也可以以气态或液态储存于车辆中，但是，由于在这些车辆中储存氢所需的极端条件，这些车辆产生更大的安全风险和设计限制。
金属氢化物储氢装置内所用的合金可以是该技术中已知的用于这些目的的合金。特定的合金包括AB2和AB5合金，和稀土镍合金、钛锰合金、钛锆合金、钛铁合金、镁合金等。这些合金的例子可在下列美国专利中找到No.6,193,929；No.6,103,024；No.5,976,276；No.5,916,381；No.5,840,440；No.4,832,913；No.4,431,561；以及美国专利申请书顺序号09/573,240；09/609,487；09/902,320；09/901,816；09/444,812；09/873,863，所有这些均参考合并于此。
一种类型的镁合金是一种高容量、低成本、轻量的热储氢合金，具有镁基储氢合金粉形式的快速动力学性能。该合金含有约90(重量)％的镁或更多，并具有a)至少6(重量)％的储氢容量；b)使该合金粉在300℃时在5分钟内吸收其总容量的8 0％的吸收动力学性能；c)30～70微米的粒径范围；d)合适的显微结构。更优选地说，该合金粉具有至少6.5(重量)％的储氢容量，而最优选的为至少6.9(重量)％。而且，该合金粉在300℃时更优选地在2分钟内而最优选地在1.5分钟内吸收其总容量的80％。加入镁中以产生该合金的改性元素主要包括Ni和Mm(含铈稀土金属)，并也能包括附加元素如Al、Y、Si。因此，该合金通常包含0.5～2.5(重量)％Ni和约1.0～4.0(重量)％Mm(主要含Ce和La和Pr)。该合金也可含3～7(重量)％Al、0.1～1.5(重量)％Y和0.3～1.5(重量)％Si中的一种或多种。
有用的储氢合金的另一例子是一种当暴露于周围大气时不会自燃的低温储氢合金。该合金特别是即使在充氢/放氢周期后也不会自燃。该合金是一种利用原子工程设计制造的TiMn2型合金。该非自燃的低温储氢合金的优选实施例包括钛、锆、钒、铬和镁。该合金还可包括铁和铝。合金的原子工程包括调整合金的成分以包括超过常规TiMn2合金中铬水平的增大的铬合金。也就是，当该合金中铬含量增大时，自燃的倾向减小。特别优选的合金成分包括0.5～10(原子)％Zr，29～35(原子)％Ti，10～15(原子)％V，13～20(原子)％Cr，32～38(原子)％Mn，1.5～3.0(原子)％Fe和0.05～0.5(原子)％Al。该合金还可包含选自Ba、Co、Cu、Cs、K、Li、Mm、Mo、Na、Nb、Ni、Rb、Ta、Tl、W中的至少一种元素的总和。有用合金的特定例子包括组成Zr1Ti33V12.54Cr15M36Fe2.25Al0.21和Zr1.5Ti32.5V12.54Cr15Mn36Fe2.25Al0.21。
本发明的氢动力内燃机也可与一蓄电池联合用于混合式电动车辆(HEV)。该蓄电池最好为高功率密度的镍金属氢化物蓄电池，但是也可使用具有相似功率密度的其它蓄电池。在这样一种系统中，一台电动机将平行于该氢动力内燃机而操作。该电动机和氢动力内燃机两者将以最大效率操作，以便给该混合式电动车辆提供动力和提供镍金属氢化物蓄电池的充放电。
该氢动力内燃机和金属氢化物储氢装置联合工作，带一蓄电池封装件和一电动机，以推进该混合式车辆。本发明的镍-金属氢化物蓄电池适合于提供特别有利于混合式电动车辆(HEV)用途的增大的比功率和再充电速率。本发明提供这些特性而同时保持高能密度。这在本发明中尤其是通过利用具有增大的内电感的正负电极而完成的。此种电极是通过将粉状金属氢化物活性材料压入高导电多孔金属衬底而制成的。这些多孔金属衬底是用铜、铜合金或镀铜或铜合金的镍制成的。此外，该衬底可以镀一种导电而防金属衬底在蓄电池环境中腐蚀的材料，如镍。
重要的是要理解与纯粹电动车辆(EV)的要求相比，对该储能系统的不同要求。对于实用的电动车辆，航程是使能量密度成为关键评价参数的关键因素。功率和周期寿命当然重要，但它们对于电动车辆的能量密度是第二位的。一种轻量、紧凑、高容量的蓄电池是纯粹电动车辆用途的目标。
相反，在混合式电动车辆用途中，重量和容量功率密度是压倒一切的考虑。比起电动车辆用途中要求80％DOD(放电深度)的周期寿命，30～60％DOD的优越的周期寿命也是更关键的。同样，快速放电对于允许有效再生的制动也是关键的，而在没有外部充电的情况下，充电/放电效率和保持蓄电池充电状态是关联的。此外，对于快速再放电和多个周期，热管理和优越的气体再组合是重要的二次考虑。
参照图5，设计用于混合式电动车辆用途的先有技术的NiMH蓄电池已显示一个约75Wh/kg的可以达到的最大能量密度而同时提供约250W/kg的峰值功率密度容量。这种能量密度和峰值功率密度的组合示于图5中的点A处。允许某些较小的工程改进，利用该能量密度下先有技术NiMH蓄电池可达到的峰值功率密度可以提高到约300W/kg而能量密度为约70Wh/kg，这示于图5中点B处。为了提高用于混合式电动车辆系统中此种先有技术蓄电池的峰值功率密度，必须牺牲能量密度，作为为了获得较高的峰值功率密度的折中选择。这转过来又减小了蓄电池的能量密度，使得例如对于较好的混合式电动车辆性能，当峰值功率密度从250W/kg增加到约650W/kg时，能量密度从约70Wh/kg减小到约45Wh/kg，如图5中点C处所示。再一次，允许某些工程改进，可以达到的45Wh/kg的峰值功率密度可以增大到约700Wh/kg，如图5中点D所示。这些点A、B、C、D限定一个代表利用用于混合式电动车辆中的先有技术NiMH蓄电池能达到的区域P的上限的带E(该区域P限定高功率密度和高能量密度两者的组合)。比起已能获得的适用于混合式电动车辆用途的蓄电池模型来，本发明在产生更高能量密度和更高功率密度两者的独特组合的区域N中提供了改进的性能。采用图5的阴影带E的上限，对于用于混合式电动车辆用途的先有技术NiMH蓄电池模型的选定的能量密度E能达到的峰值功率密度ρ的上限因此能用下列方程式表示ρ＝1375-15E 方程(1)式中ρ是对一给定的能量密度E(用Wh/kg测量)能达到的最大可用峰值功率密度(用W/kg测量)。在相对于超过现存先有技术的这些限度的区域中的能量密度的峰值功率密度水平处，也就是在高于由上述方程(1)确定的限度的水平处，本发明能够操作所有类型的混合式电动车辆系统。例如，一种体现本发明并具有约70Wh/kg的能量密度的蓄电池模型通常呈现至少600W/kg的峰值功率密度(示于图5中点F处)，并能具有高达1000W/kg的峰值功率密度(示于图5中点G处)。这些点建立一条特别适合于混合式电动车辆的峰值功率对能量密度关系的带，它们基本上超过先有技术NiMH蓄电池的容量。作为一个特定的例子，一种体现本发明并具有约70Wh/kg的能量密度的Ovonic 60Ah混合式电动车辆蓄电池提供约600W/kg的峰值功率。在另一例子中，一种体现本发明并具有约55Wh/kg的能量密度的Ovonic 30 Ah混合式电动车辆蓄电池提供约55W/kg的峰值功率。在第三个例子中，一种体现本发明并具有约50Wh/kg的能量密度的Ovonic 20Ah混合式电动车辆蓄电池提供约600W/kg的峰值功率。
这些蓄电池可以从独立的电源如通过连接在公共用电系统上的出口进行初始充电。这些蓄电池还可通过减速期间的再生制动再充电到一定程度。
图6中示出一种并联式的混合式电动车辆系统。在该并联式系统中，蓄电池7被连接而向驱动电动机8提供电能，电动机8能通过离合器9连接到车辆驱动系统10上。当离合器9单独啮合时，车辆由电动机8驱动；当离合器11单独啮合时，车辆由发动机1驱动；而当离合器9和11同时啮合时，车辆由电动机8和发动机1同时驱动。
在图6中示出的并联式系统中，内燃机1的尺寸可以做成比否则要求的小得多，以提供可以接受的车辆加速度特性，因为电动机8可以与发动机1单独啮合而提供所要的加速度。这意味着，如果内燃机用作初始驱动方式，它可以在稳态的负荷和速度状态下以高得多的效率操作。
在并联式系统中利用电动机8和内燃机1的各种组合。例如，在一种预期用于城市环境的系统中，当车辆在城市内操作中，车辆推动由电动机8单独提供。在城市外面，可将内燃机1用于推动目的。采用如图6中所示的并联式连接，也可利用各种其它组合。
如图6中所示的平行式系统也以充电支持或充电耗竭方式操作。如图6中所示，在再生的制动期间，可向蓄电池提供产生功率的反馈。也可以提供其它连接(未示出)而允许氢动力内燃机1向蓄电池7提供再充电的动力，以实施充电支持的操作方式。
在“串联-并联式”或“复合式”的混合式电动车辆系统(有时称为“双重方式”系统)中，动力分裂器用于从内燃机取走一些动力而驱动一台发电机，该发电机向蓄电池提供再充电的电力。对于在操作期间蓄电池被再充电的充电支持系统的情况，可以接近较低的能量密度而重点放在较高的峰值功率上以改善性能，而较低的能量密度被接受为例如功率密度中的折中方案。
图5中分为各个区段，表示在其中操作各种形式的混合式电动车辆的区域。例如，在区域CD中，通常操作充电耗竭型的系统。这是因为在操作期间蓄电池没有再充电，因此重点将放在用于最大范围的高能密度上。该区域也称为“航程更扩展的”区域。对于在操作期间蓄电池被再充电的充电支持系统的情况，可以接受较低的能量密度而重点放在较高的峰值功率上以改善性能，而较低的能量密度被接受为例如功率密度中的折中方案。该区域在图5中标为CS。该区域也称为“动力辅助”区。在图5中示出的区域CD和CS之间的区域DS中将操作复合的或双重方式的系统。峰值功率的参数是按照由美国先进蓄电池联合会(USABC)建立的标准来测定的。按照这些标准，峰值功率是用放电到50％的放电深度的蓄电池模型来测量的。在这种条件下，将蓄电池的电压减小到其保持10秒钟的开放电路电压的三分之二的电流和相应的功率输出是蓄电池的峰值功率额定值。这种测定是在范围约30℃～35℃的正常温度条件下进行的。
对设计用于混合式电动车辆用途的蓄电池模型测量了能量密度或比能量E。这种测定也是在范围约30℃～35℃的正常温度条件下进行的。
蓄电池模型是一种连接在一起并封入一箱体且具有连接到外电路或负载的外电路连接线的整体装置。如上所述，本发明能够对所有混合式电动车辆系统类型在带E上方的较高性能区域进行操作，即充电耗竭、充电支持和双重操作。用于混合式电动车辆的先有技术NiMH蓄电池系统不能提供在该提高性能区中的性能。本发明的在所述镍金属氢化物蓄电池的最高效率处管理内燃机和电动机的操作的动力控制机构可以是任何已知的控制装置。最好是，该动力控制机构是一种包括带有合适的传感器和自动调节、自动调整的子程序的AI算法的固态集成微电子装置。这些允许始终调整控制参数来根据众多的外部因素如驱动类型、平均驱动速度、周围温度等以及系统因素如发动机温度、充电/放电时间和速率、蓄电池温度、燃料消耗等而获得最高效率。这些电极也能包括衬底上的电流收集线。此种电流收集线具有比衬底其余部分高的导电率。这种构型保证从离电极上电流收集片最远的点到电流收集片的高导电路径。该电流收集线的一个实施例包括多孔金属衬底的致密化部分。另一实施例包括电附接或埋置在该多孔金属衬底中的电线、条带或烧结粉末。这些烧结或埋置的组件可以用镍、铜、铜合金、镀铜或铜合金的镍或镀镍的铜材料制成。本发明的首要考虑包括改善一种Ovonic镍-金属氢化物(NiMH)可再充电蓄电池的功率输出。(虽然特别参考OvonicNiMH蓄电池，但此处描述的原理适用于所有类型的金属氢化物蓄电池系统而不管其名称。)通常，功率输出可以通过减小蓄电池的内阻而提高。减小内阻能降低由于蓄电池内的热耗散而浪费的功率，由此提高可用来驱动外部负荷的功率。镍-金属氢化物蓄电池的内阻可以通过提高蓄电池部件以及部件之间的连接件的导电率而减小。更具体地说，该内阻可以通过提高蓄电池的正负两电极的导电率而减小。本发明的蓄电池的体积峰值功率密度一般≥1500W/L，优选地≥1800W/L，而最优选地≥2700W/L。本发明的蓄电池的比峰值功率密度一般＞600W/kg，优选地≥700W/kg，最优选地≥1000W/kg。在本发明的蓄电池中，通常需要牺牲能量密度而有利于功率密度。记住这一点，本发明的蓄电池的体积峰值能量密度一般为130～250Wh/L，优选地≥150Wh/L，最优选地≥160Wh/L。
与作为内燃机动力的烃燃料相比，使用氢的缺点之一是当使用氢时功率减小。为了补偿由于使用氢代替烃基燃料而产生的氢动力内燃机的功率损失，可相应地改变蓄电池。该蓄电池可通过提高其电压或功率而改变。该改变的蓄电池可以具有比常规的12伏蓄电池高至少10％的电压。优选地是，该改变的蓄电池将提供高于12伏的电压。更优选地是，该改变的蓄电池将提供大于或等于24伏的电压。最优选地是，该蓄电池将提供大于或等于36伏的电压。
上面是为说明和公开本发明的优选实施例而提供的。该技术的专业人员显然可以变化和修改上述实施例，特别涉及改变气缸不起动策略氢发动机的操作条件和控制系统。可以进行这些变化和其它变化而并不偏离下述权利要求书的发明范围或精神。
权利要求
1.一种混合式电动车辆，包括一个有多个气缸的氢动力内燃机，每个气缸有连续的空气流供应；多个适合于向每股所述连续的空气流提供一定量氢的氢喷射器，所述氢在所述多个气缸中受到压缩并燃烧；一种适合于补充所述氢内燃机的电动机；一个给所述电动机供应电力的可再充电的电池组；以及一个向所述氢动力内燃机供应氢的氢源。
2.按照权利要求1的混合式电动车辆，其特征在于，在怠速或轻负荷工况下，所述氢喷射器中的一个或多个停止将氢喷射到一股或多股所述连续空气流中。
3.按照权利要求1的混合式电动车辆，其特征在于，还包括一个氢燃料控制系统。
4.按照权利要求3的混合式电动车辆，其特征在于，所述氢燃料控制系统根据一个加速器踏板的位置和所述氢内燃机的转速向所述氢喷射器提供一个燃料控制信号，来调节分散到所述连续的空气流中的氢量。
5.一种给一混合式电动车辆提供动力的方法，包括向一个有多个气缸的氢动力内燃机供应一连续的一次空气流；将所述一次空气流分成多股二次空气流，每股二次空气流被送到所述多个气缸中的一个气缸内；在所述二次空气流被送到所述气缸之前，将一定量的氢分散到所述二次空气流中的每股内；燃烧所述多个气缸中的所述氢，从而驱动所述混合式电动车辆；在怠速或轻负荷工况期间停止将氢分散到一股或多股所述二次空气流中，而同时保持通向所述气缸的连续空气流；以及用一个以蓄电池驱动的电动机补充所述氢动力内燃机。
全文摘要
一种有一氢动力内燃机(1)的混合式车辆，在怠速或轻负荷工况下，该内燃机采用气缸不起动的策略。向该氢内燃机供应连续的空气流。一个响应发动机速度和加速器踏板位置的控制系统计算喷入该连续空气流的明确氢量。形成的气流在发动机(1)中燃烧而向车辆提供动力。在怠速或轻负荷工况期间，可以停止通向一个或多个气缸的氢供应，而保持通向气缸的空气流。可再充电的蓄电池(7)和从其接受电力的电动机(8)用于补充该氢动力内燃机(1)。
文档编号B60K6/28GK1675083SQ03818742
公开日2005年9月28日 申请日期2003年6月5日 优先权日2002年6月12日
发明者S·R·奥夫辛斯基, R·C·斯特姆佩尔, R·O·盖斯, B·A·维布斯特, I·基诺斯塔 申请人:特克萨科双向氢系统有限责任公司