本发明涉及一种混合动力系统，尤其涉及一种发动机余热裂解甲醇制氢耦合燃料电池的混合动力系统，具体为一种“余热回收—甲醇裂解—燃料电池”的混合动力系统。
背景技术：
节能减排是当今国际研究的热点问题，随着我国机动车保有量的不断增加，机动车所带来的污染问题越来越严重，发动机作为化石燃料的主要消耗装置以及大气污染的重要来源之一，其能量利用率却不足40％。如何减少发动机的排放和提高能量利用率已成为发动机领域的重要热点问题。为了达到提高发动机的能量利用率和降低排放的目的，充分回收利用发动机高温尾气余热已成为节能减排的一条重要途径。在目前的余热回收技术中，主要有涡轮增压、排气直接驱动动力涡轮、温差发电、驱动制冷循环和改良燃料等多种形式，但这些技术手段都比较单一，余热能量利用率不高。
由于甲醇较低的碳氢比，在高温下易裂解，生成大量的氢气和少量的一氧化碳。氢气本身是一种很清洁的能源，汽油、柴油等燃料与氢气混合后能加快燃烧速率，改善发动机的热效率。氢气经提纯后，可作为燃料电池的原料，产生大量的电能，从而为车辆提供动力。但截至目前，这一类汽车的甲醇裂解需要专门的供热系统，为其提供裂解所需要的能量，其耗能较高、供热系统体积较大、使用较为困难，而且单一的电源系统也无法满足车辆变工况的动力需求。与此同时，由于传统的燃料电池车辆存在续航里程过小、加氢困难和寿命较短等一系列问题，传统的燃料电池车辆目前无法实现大规模推广和普及。在现有的燃料电池车辆动力系统中，主要有发动机与蓄电池共同驱动、燃料电池驱动、燃料电池和蓄电池驱动三种驱动方式，驱动方式形式较为简单，无法满足车辆复杂的使用工况。
因此，如果能将发动机余热回收与甲醇裂解制氢有机结合，并利用氢气作为燃料电池的原料，将氢气中的化学能高效地转换成电能，为蓄电池和超级电容充电，实现发动机与蓄电池、超级电容的耦合，共同为车辆提供动力，从而达到发动机余热高效回收的目的，真正实现节能减排。
技术实现要素：
本发明针对发动机较低的能量利用率和车载燃料电池中的氢气补给困难这一现状，提出了一种“余热回收—甲醇裂解—燃料电池”的混合动力系统。本发明通过高效回收发动机的高温排气余热能，利用发动机的高温排气余热对甲醇进行裂解，将裂解气导入选择性氧化装置，得到高纯度的氢气，氢气经加湿加温后导入燃料电池，从而将化学能转换成电能。发动机、蓄电池和超级电容共同耦合，为车辆提供驱动力。同时，通过回收利用燃料电池未反应的氢气改善发动机的燃烧，提高了发动机的热效率。本发明提出的混合动力系统有效提高了发动机的能量利用率，实现了余热回收、车载制氢以及燃料电池的有机耦合，很好地解决了发动机热效率不高、能量利用率低和传统燃料电池汽车加氢困难的难题。
本发明的技术方案是提供了一种基于发动机余热回收的裂解甲醇制氢混合动力系统的控制方法，其特征在于包括以下工作模式：
第一模式：当车辆通电后，FECU根据安装在甲醇裂解器内的温度传感器信号和储氢罐内的压力传感器信号进行如下判断并作出相应控制：
a.如果此时甲醇裂解器内温度高于300℃且储氢罐内的压力小于其设定最大压力的90％时，FECU控制电动液体泵启动，FECU根据甲醇裂解器内的温度值控制液体泵的工作压力值，甲醇裂解器开始工作，液态甲醇进入裂解器中裂解并产生氢气储存到储氢罐中，此时FECU控制电动阀开启，氢气经加湿器进入燃料电池发生反应，向蓄电池和超级电容供电，当蓄电池电量达到其容量的80％时，燃料电池不再向蓄电池充电，当超级电容电量达到其容量的80％时，燃料电池不再向超级电容充电，如果蓄电池和超级电容电量皆已达到其容量的80％，则FECU控制电动阀关闭；
b.如果甲醇裂解器内温度高于300℃和储氢罐内的压力小于其设定最大压力的90％这两个条件不同时满足，则FECU控制电动液态泵关闭，甲醇裂解器不再工作。
本发明的有益效果在于：
(1)该混合动力系统使发动机工作在最佳经济区，充分回收发动机余热，提高了能量的利用率、减少了燃油的消耗和降低了发动机的排放，真正达到了节能减排的目的。
(2)该混合动力系统将燃料电池排出的未反应的氢气通入进气管，氢气与空气混合后进入发动机的燃烧缸，直接参与燃烧，起到改性燃烧的作用。
(3)由于超级电容快充快放、寿命长和良好的工作特性，在混合动力系统中，超级电容与燃料电池、蓄电池并联，使得蓄电池和燃料电池处于最优工作状态，起到保护蓄电池和燃料电池的作用。
(4)在超级电容的保护作用下和FECU精确的控制作用，燃料电池处于最优的工作状态。
(5)基于本发明设计的一套控制方案，FECU通过采集甲醇催化裂解器中的温度信号和储氢罐中的压力信号，可使得FECU精确控制从甲醇燃料箱流出的液态甲醇量、甲醇裂解产生的氢气进入燃料电池的量和燃料电池未反应的氢气进入进气道的量，从而使得该混合动力系统实时与车辆变工况相适应；如果蓄电池和超级电容的电量均在0.8以上，并且FECU检测到的储氢罐中的压力信号较高时，此时可以关闭发动机，减少化石燃料的消耗，真正达到零排放。
(6)该混合动力系统利用发动机的余热催化裂解甲醇，生成氢气和一氧化碳，把利用选择性氧化装置净化一氧化碳后得到高纯度氢气作为燃料电池的原料，使燃料电池产生电力，对蓄电池和超级电容进行充电。通过把燃料电池中未反应的氢气适量引入发动机气缸燃烧，提高缸内燃烧速率，改善发动机的热效率。本发明采用的混合动力系统使发动机、燃料电池、蓄电池和超级电容共同耦合，达到了发动机余热高效回收利用、改良燃料、节能减排的多重目的。
附图说明
图1是基于发动机余热回收的裂解甲醇制氢混合动力系统的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和系统做进一步的详细说明。需要说明的是本实施方式是叙述性的，而非限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
根据本发明的优选实例为某车型的混合动力系统，如图1所示。该混合动力系统是由甲醇裂解制氢装置、燃料电池系统和动力输出装置组成，其中：
液态甲醇燃料从甲醇燃料箱1中经电动液体泵2加压后泵入甲醇裂解器3，吸收发动机18高温排气余热并发生裂解反应，得到含有一氧化碳和氢气的高温高压混合气，高温高压混合气则进入冷凝器5进行冷凝，未反应的高温高压甲醇蒸汽冷凝成液态甲醇，液态甲醇经气液分离器6分离，回流至甲醇燃料箱1，气体则经过选择性氧化装置7处理后，得到高纯度的氢气，氢气经单向阀8后进入含有压力传感器10的储氢罐9储存。
如果发动机18、蓄电池21和超级电容器22共同的驱动力不能满足车辆实际运行所需的驱动力时或者FECU 25检测到储氢罐9中的压力大于极限压力时，FECU 25控制电动阀11开启，储氢罐9中的氢气流出至加湿器12后，氢气的温度和湿度都将被调节到最佳状态，氢气进入燃料电池13中发生化学反应，将化学能转换成电能。燃料电池13排出的未反应的氢气经单向阀14后进入含有压力传感器16的储氢罐15储存。
FECU 25通过与发动机ECU 26实时通信，获得发动机18实际运行状态的信息，并根据得到的实时信息控制电动阀17开启的开度，精准控制氢气进入进气管，氢气与空气混合后进入发动机18的燃烧缸，直接参与燃烧。
燃料电池13中所产生的电能充入蓄电池21和超级电容22中。在混合动力系统中，发动机18经耦合器19输出后，发动机18输出功率分为两部分：一部分功为汽车行驶提供直接驱动力；另一部分功用于驱动发电机20，为蓄电池21和超级电容22充电。蓄电池21和超级电容22的电能经功率转换器23后，带动电动机24工作，为汽车提供驱动力。
汽车行驶所需的驱动力有三种来源：一是发动机18直接驱动；二是发动机18、蓄电池21和超级电容22共同驱动；三是蓄电池21和超级电容22共同驱动。
需要详细说明的是，在车辆运行过程中，FECU 25将根据控制方案的核心思想，使混合动力系统中的蓄电池21和超级电容22的电量保持在0.8-0.2之间，为车辆启动提供充足的电量。FECU 25通过采集甲醇催化裂解器3中温度传感器4和储氢罐9中压力传感器10的数字信号，可使得FECU 25精确控制液态甲醇和氢气的流量；
FECU 25通过采集储氢罐15中压力传感器16的数字信号和FECU 25检测发动机18的工作状态，FECU 25精确控制进入进气道的氢气流量；从而使得该混合动力系统实时与车辆变工况相适应。
控制方法的核心思想主要有五点：一是充分利用发动机废气余热能量；二是维持整个混合动力系统工作的平稳；三是在发动机工作时，保证发动机工作在最佳经济区；四是在燃料电池工作时，保证燃料电池工作在最佳经济区；五是蓄电池和超级电容的电量保持在正常工作范围(0.8-0.2)。
在车辆运行过程中，发动机ECU和FECU将根据控制方案的核心思想进行耦合控制，使混合动力系统中的蓄电池和超级电容电量保持在0.8-0.2之间，为车辆运行提供充足的电量。
根据车辆的实际运行情况，将车辆的工作运行；分为9种模式状态：(1)启动状态；(2)怠速停止状态；(3)起步状态；(4)小负荷状态(5)；中负荷状态；(6)大负荷状态；(7)急加速状态；(8)急减速状态；(9)熄火驻车状态。根据车辆这9种不同的工作状态，对混合动力系统的控制方法进行详细阐述如下：
(1)第一模式：由于车辆启动状态分冷启动和热启动状态，为充分利用发动机余热能量，当车辆通电后，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行如下判断并作出相应控制：a.如果此时甲醇裂解器3内温度高于300℃且储氢罐9内的压力小于其设定最大压力的90％时，FECU25控制电动液体泵2启动，FECU25根据甲醇裂解器3内的温度值控制液体泵2的工作压力值，需要特别说明的是，甲醇裂解器3内的温度值和液体泵2的工作压力值的数值对应关系已事先标定并写入到了FECU25中；此时甲醇裂解器3开始工作，液态甲醇进入裂解器3中裂解并产生氢气储存到储氢罐9中，此时FECU25控制电动阀11开启，氢气经加湿器12进入燃料电池13发生反应，向蓄电池21和超级电容22供电，当蓄电池21电量达到其容量的80％时，燃料电池13不再向蓄电池21充电，当超级电容22电量达到其容量的80％时，燃料电池13不再向超级电容22充电，如果蓄电池21和超级电容22电量皆已达到其容量的80％，则FECU25控制电动阀11关闭。b.如果甲醇裂解器3内温度高于300℃和储氢罐9内的压力小于其设定最大压力的90％这两个条件不同时满足，则FECU25控制电动液态泵2关闭，甲醇裂解器3不再工作。
(2)第二模式：当发动机ECU检测到车辆处于怠速停止状态时，此时蓄电池21和超级电容22停止向电动机24供电，电动机24停止工作，发动机18停止工作，此时由蓄电池21和超级电容22共同向车辆其他电子部件供电以维持车辆怠速状态，直到蓄电池21和超级电容22剩余电量不同时大于其容量的20％时，发动机18才启动维持车辆的怠速状态。同第一模式一样，为充分利用发动机余热能量，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行判断，此时的控制方法第一模式中所述，不再赘述。
(3)第三模式：当发动机ECU检测到车辆进入起步状态时，FECU25根据蓄电池21和超级电容22的电量信号进行判断并做相应控制：a.当蓄电池21和超级电容22的所余电量与其容量之比均大于0.2时，此时由蓄电池21和超级电容22驱动电动机24工作，驱动车辆起步。b.当蓄电池21和超级电容22的所余电量与其容量之比不同时都大于0.2时，此时发动机18启动并驱动车辆运行，FECU25通过储氢罐15内的压力传感器16信号做出判断并相应控制：如果储氢罐15内压力不小于其设计最大值的20％，则FECU控制电动阀17开启，并根据发动机ECU传来的油门位置传感器信号控制电动阀17的开度来对进入气缸内的氢气量精准控制，适量氢气的喷入可加快发动机缸内燃烧，从而提高燃烧效率，并改善发动机起步响应性能；如果储氢罐15内压力小于其设计最大值的20％，则FECU25控制电动阀17关闭，氢气不进入发动机缸内燃烧。与此同时，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行判断并作出相应控制如第一模式所述。
(4)第四模式：当发动机ECU26检测到车辆处于小负荷状态时，即此时车辆输出功率小于其最大输出功率的25％时，如果蓄电池21和超级电容22的电量皆大于其容量的20％，则此时由蓄电池21和超级电容22向电动机24供电驱动车辆运行；如果蓄电池21和超级电容22的电量不同时大于其容量的20％时，此时发动机18开始工作驱动车辆运行，并输出其50％功率经耦合器19给发电机20，通过发电机20向蓄电池21和超级电容22进行充电，直到蓄电池21和超级电容22的电量都已达到其容量的80％。此时，FECU25通过储氢罐15内的压力传感器16信号做出判断并相应控制：如果储氢罐15内压力不小于其设计最大值的20％，则FECU控制电动阀17开启，并根据发动机ECU传来的扭矩信号控制电动阀17的开度来对进入气缸内的氢气量精准控制，氢气进入气缸内燃烧，改善发动机燃烧效率，从而提高发动机的经济性；如果储氢罐15内压力小于其设计最大值的20％，则FECU25控制电动阀17关闭，氢气不进入发动机缸内燃烧。与此同时，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行判断并作出相应控制如第一模式所述。
(5)第五模式：当发动机ECU26检测到车辆处于中负荷状态时，即车辆输出功率在其最大输出功率的25％至75％之间，由于此时的负荷状态已使发动机18排气温度较高，甲醇裂解已完全达到其所需合适温度，甲醇裂解效率将大大提高，制取的氢气量大大提升，混合动力的控制策略又发生转变：同样的，如果蓄电池21和超级电容22的电量皆大于其容量的20％，则此时由蓄电池21和超级电容22向电动机24供电驱动车辆运行；当蓄电池21和超级电容22的电量不同时大于其容量的20％时，此时发动机18开始工作驱动车辆运行，并输出其25％的功率经耦合器19给发电机20，通过发电机20向蓄电池21和超级电容22进行充电，因为此时的负荷下，甲醇裂解效率已很高，由甲醇裂解产生的氢气量足以保证燃料电池13向蓄电池和超级电容22大量充电。同样的，FECU25通过储氢罐15内的压力传感器16信号做出判断并相应控制如第五模式所述，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行判断并作出相应控制如第一模式所述。
(6)第六模式：当发动机ECU26检测到车辆处于大负荷状态时，即车辆输出功率在其最大输出功率的75％至100％之间时，根据混合动力系统中发动机动力系统和电动系统皆要在最经济区域运行的设计原则，此时蓄电池21和超级电容22对电动机24供电所产生的驱动功率已不能满足车辆的输出功率，此时的控制方法为发动机18、蓄电电池21和超级电容22同时驱动车辆运行，且蓄电池21和超级电容22对电动机24供电所产生的驱动功率和发动机18直接驱动车辆的功率各占车辆所需输出功率的50％，由于此状态下，排气温度已经很高，排气温度已远远超过甲醇裂解所需的300℃温度，FECU25根据发动机ECU26传来的功率信号，对电动阀11的开度进行精准调节，控制适量的氢气进入燃料电池13中发生反应以供给蓄电池21和超级电容22的电量，发动机18功率值与电动阀11的开度值之间的数量关系已事先标定和写入FECU25中；同样的，FECU25通过储氢罐15内的压力传感器16信号做出判断并相应控制如第五模式所述，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行判断并作出相应控制如第一模式所述。
(7)第七模式：当发动机ECU26检测到车辆处于急加速状态时，即车辆正加速度超过一固定值时，控制方法如下：
a.当车辆处于第三模式、第四模式、第五模式时，如果蓄电池21和超级电容22的电量皆大于其容量的20％，因为电动驱动的延迟不大，此时直接由蓄电池21和超级电容22向电动机24加大供电，以保证车辆的急加速性能，如果蓄电池21和超级电容22的电量不同时大于其容量的20％，发动机18处于工作状态，由于发动机排气温度的延迟性，如果FECU25再根据甲醇裂解器3内温度传感器4的信号来判断并控制电动阀17喷入氢气量的话，发动机的动力输出将产生迟滞，所以此时FECU25将直接根据发动机ECU26检测到的车辆正加速度增大量来相应迅速增大电动阀17的开度，其加速度正增大量和电动阀17开度增大值的数值关系已事先标定和写入FECU中，以保证足量的氢气进入气缸内参与燃烧，改善发动机急加速时的瞬态响应性能。b.当车辆同时处于第六模式时，此时发动机18、蓄电池21和超级电容22都在工作状态，根据从发动机ECU得到的功率信号判断，若此时蓄电池21和超级电容22瞬时能增大的输出功率不小于急加速时所需的瞬时增大功率则发动机18不再增加瞬时功率，若小于急加速时所需瞬时增大功率，则发动机18将增大瞬时输出功率，FECU25将直接根据发动机ECU26检测到的车辆正加速度增大量来相应迅速增大电动阀17的开度,以保证急加速的瞬态响应性能。
(8)第八模式：当发动机ECU26检测到车辆处于急减速状态时，即车辆负加速度绝对值超过一固定值时，控制方法如下：a.当车辆同时处于第三模式、第四模式、第五模式时，如果蓄电池21和超级电容22的电量皆大于其容量的20％，因为电动驱动的延迟不大，此时直接由蓄电池21和超级电容22向电动机24减小供电，以保证车辆的经济性，如果蓄电池21和超级电容22的电量不同时大于其容量的20％，发动机18处于工作状态，由于发动机排气温度的延迟性，如果FECU25再根据甲醇裂解器3内温度传感器4的信号来判断并控制电动阀17喷入氢气量的话，电动阀17将喷入过量的氢气，将会导致发动机不稳定燃烧，所以此时FECU25将直接根据发动机ECU26检测到的负加速度量来相应迅速减小电动阀17的开度值，其负加速度绝对值减小量和电动阀17开度减小值的数值关系已事先标定和写入FECU中，以保证氢气不过量进入气缸内参与燃烧导致发动机不正常燃烧，从而保证发动机18运行平稳。b.当车辆同时处于第六模式时，此时发动机18、蓄电池21和超级电容22都在工作状态，根据从发动机ECU得到的负加速度值，蓄电池21和超级电容22向电动机24相应减小供电。
(9)第九模式：当发动机ECU26检测到车辆处于熄火驻车状态时，由于裂解器3一段时间内仍然有较高的温度，为充分利用发动机余热能量，此时蓄电池21和超级电容22仍然向FECU25供电以维持其控制，FECU25根据安装在甲醇裂解器3内的温度传感器4信号和储氢罐9内的压力传感器10信号进行如下判断并作出相应控制：a.如果此时甲醇裂解器3内温度高于300℃且储氢罐9内的压力小于其设定最大压力的90％时，FECU25控制电动液体泵2启动，FECU25根据甲醇裂解器3内的温度值控制液体泵2的工作压力值；此时甲醇裂解器3开始工作，液态甲醇进入裂解器3中裂解并产生氢气储存到储氢罐9中，此时FECU25控制电动阀11开启，氢气经加湿器12进入燃料电池13发生反应，向蓄电池21和超级电容22供电，当蓄电池21电量达到其容量的80％时，燃料电池13不再向蓄电池21充电，当超级电容22电量达到其容量的80％时，燃料电池13不再向超级电容22充电，如果蓄电池21和超级电容22电量皆已达到其容量的80％，则蓄电池21和超级电容22不再向FECU25供电，车辆所有电源皆切断。b.如果甲醇裂解器3内温度高于300℃和储氢罐9内的压力小于其设定最大压力的90％这两个条件不同时满足，则FECU25控制电动液态泵2关闭，甲醇裂解器3不再工作，蓄电池21和超级电容22不再给FECU25供电，车辆所有电源皆切断。