一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统及方法与流程

本发明涉及压缩充气技术领域，具体涉及一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统及方法。

背景技术：

能源和环保是全球亟待解决的重大问题，促进电动车产业的发展，在中国汽车产业崛起与应对全球石油危机及环境污染的重要战略并举的同时，利用电能作为动力的电动汽车代替传统燃油车并以此来摆脱对石油的依赖、降低环境污染成为了绿色交通的高效解决方案。而在电动汽车发展研究中，燃料电池因对燃料利用率高、燃料来源广泛、污染排放小、环境友好等因素，近年来格外受到多方关注，具有较高的市场竞争力，尤其其燃料电池技术是将燃料与助燃剂在电池的阴极与阳极分开进行氧化还原，能够大大提高燃料氧化能量利用率，故其主导了未来新能源汽车尤其是电动汽车的发展方向。目前已有成熟的以燃料电池作为动力的电动汽车投入市场生产。

燃料电池电动汽车中最常见的是氢燃料电池，氢燃料电池具有以下特点：1、不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；2、不管装置规模大小均能保持高发电效率；3、具有很强的过负载能力；4、与燃料供给装置的多种组合方式使其可适用的燃料非常广泛；5、发电出力由电池堆的出力和组数决定,机组容量的自由度大；6、电池本体的负荷响应性好,用于电网调峰优于其他发电方式；7、用氢气等为燃料时,尾气等排出量少,环境相容性优。在以氢气为燃料的燃料电池电动汽车中，为储能方便，氢气通常以高压方式存储，但燃料电池无法直接处理和使用压力过高的氢气，故通常需要对加压氢气进行泄压。据资料介绍，将氢气压缩为高压氢气所需的能量或将压缩氢气泄压所释放的能量较高，甚至可占到压缩氢气燃烧能量的8％。由此可见，在泄压过程中释放的能量很高，无法得到有效利用而造成了能量浪费，且势必造成燃料电池整理的能量利用率低、经济性差。

进一步考虑到，目前电动汽车刹车系统储气瓶在进行充气时，通常是由车载电机向车载充气设备提供能量来源，在此工作过程中，车载电机需要从车载储能系统中获取大量能量，直接表现是耗电量极大，尤其在一二线城市交通情况时常拥堵，电动汽车刹车次数过多导致需要更多充气，也就会更大程度上耗费电动汽车本身能量。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中燃料电池电动汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及电动汽车刹车系统储气瓶在进行充气时由车载储能系统驱动导致的耗能耗电量大等问题提供了一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统，该系统充分地利用了电动汽车原有部件并在简单巧妙加设几个部件后创新地将氢气泄压能量回收利用与电动汽车刹车系统储气瓶压缩充气过程结合在了一起，提高燃料电池整体能量利用率的同时还有效减少了刹车系统储气瓶压缩充气过程对车载储能系统能量的消耗，提高了电动汽车整体的经济性，简单易行、高效便捷。本发明还提供了一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法。

本发明的技术方案如下：

一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统，包括依次连接的带电源的车载电机、车载充气设备和刹车系统储气瓶，还包括电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，以及包括相互连接的增设涡轮和增设离合器，所述阀门和增设涡轮依次设置于高压氢气瓶和燃料电池之间的气流通路上，所述增设离合器连接所述车载充气设备，所述增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过所述增设离合器的控制来驱动所述车载充气设备工作，外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内。

优选地，所述车载电机的电源采用车载电源或外接电源。

优选地，所述增设涡轮和所述增设离合器形成的组合与所述车载电机相互配合工作进而驱动所述车载充气设备工作，进而外接空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内。

优选地，所述增设离合器具有全部接合、部分接合或断开三种状态，全部接合或部分接合状态时所述增设涡轮驱动所述车载充气设备，断开状态时所述增设涡轮未驱动所述车载充气设备。

优选地，根据刹车系统储气瓶储气需求不同，所述系统支持非充气模式、慢充气模式、快充气模式三种工作模式。

一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法，在燃料电池电动汽车原有的带电源的车载电机、车载充气设备和刹车系统储气瓶的基础上，结合电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，并加设相互连接的增设涡轮和增设离合器，将所述阀门和所述增设涡轮依次设置于所述高压氢气瓶和所述燃料电池之间的气流通路上且将所述增设离合器连接至所述车载充气设备，所述增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过所述增设离合器的控制来驱动所述车载充气设备工作，进而使外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内。

优选地，根据刹车系统储气瓶储气需求不同，所述方法支持非充气模式、慢充气模式、快充气模式三种工作模式，在所述非充气模式时所述增设涡轮和所述车载电机均未驱动所述车载充气设备，在所述慢充气模式时仅由所述增设涡轮驱动所述车载充气设备工作，在所述快充气模式时所述增设涡轮和所述车载电机共同驱动所述车载充气设备工作。

优选地，所述增设离合器具有全部接合、部分接合或断开三种状态，全部接合或部分接合状态时所述增设涡轮驱动所述车载充气设备，断开状态时所述增设涡轮未驱动所述车载充气设备。

优选地，电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法包括以下步骤：

电动汽车启动，燃料电池开始工作，阀门打开，高压氢气瓶释放的高压氢气经阀门进入所述增设涡轮中驱动所述增设涡轮转动并带动所述增设离合器一端转动，同时高压氢气体积膨胀、压力降低将泄压能量转化为所述增设涡轮动能；

当刹车系统储气瓶储气需求低于第一设定条件时为刹车系统储气瓶不需要充气，所述增设离合器为分离状态同时所述车载电机的电源为断开状态，所述增设涡轮和所述车载电机都无法驱动所述车载充气设备工作，进入非充气模式工作；

当刹车系统储气瓶储气需求高于第一设定条件并低于第二设定条件时，所述增设离合器全部接合或部分接合，所述增设涡轮转动经过所述增设离合器驱动所述车载充气设备工作，同时所述车载电机的电源仍断开，车载电机不工作，仅由所述增设涡轮驱动所述车载充气设备，进而外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，进入慢充气模式工作，直至所述刹车系统储气瓶充满；

当刹车系统储气瓶储气需求高于第二设定条件时，所述增设离合器全部接合或部分接合，所述增设涡轮转动经过所述增设离合器驱动所述车载充气设备工作，同时所述车载电机的电源接通，所述车载电机与所述增设涡轮共同驱动所述车载充气设备，进而外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，进入快充气模式工作，直至所述刹车系统储气瓶充满。

优选地，所述车载电机的电源采用车载电源或外接电源。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及了一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统，利用了电动汽车刹车系统原有储气瓶压缩充气系统具备的车载电机、车载充气设备、刹车系统储气瓶等部件，并创新性的结合了电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，还包括了相互连接的增设涡轮和增设离合器，增设涡轮设置于高压氢气瓶和燃料电池的位于阀门后端的气流通路上，增设离合器连接车载充气设备，增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过增设离合器的控制以及结合车载电机的控制来驱动车载充气设备工作，尤其增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过增设离合器驱动车载充气设备的过程，利用将氢气高压势能转化为动能的原理完成了对氢气泄压过程释放能量的有效回收利用，再带动车载充气设备工作是利用动能转化为机械能驱动力驱动车载充气设备工作完成对空气压缩储存的工作，节省或者代替电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气过程向车载储能系统获取的能量，解决了现有技术中燃料电池电动汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及电动汽车刹车系统储气瓶在进行充气时由车载储能系统驱动导致的耗能耗电量大等问题，降低车载电机负载压力，提升工作效率和能量利用率，提高了电动汽车整体的经济性，简单易行、高效便捷。

本发明还涉及了一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法，在燃料电池电动汽车刹车系统原有储气瓶压缩充气过程中采用到的部件的基础上巧妙地结合了电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，并加设相互连接的增设涡轮和增设离合器，将增设涡轮设置于高压氢气瓶和燃料电池的位于阀门后端的气流通路上且将增设离合器连接至车载充气设备，增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过所述增设离合器的控制以及结合所述车载电机的控制来驱动车载充气设备工作，进而使外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，该方法有效克服了燃料电池电动汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及电动汽车刹车系统储气瓶在进行充气时由车载储能系统驱动导致的耗能耗电量大等问题，提高燃料电池整体能量利用率的同时还有效减少了刹车系统储气瓶压缩充气过程对车载储能系统能量的消耗，提高了电动汽车整体的经济性和能量利用率。

附图说明

图1：为本发明一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统的结构示意图。

图2：为本发明一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法三种工作模式切换流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。

本发明涉及了一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统，其设计原理是设计一种使用增设涡轮、增设离合器等部件的能源回收系统，用于回收高压氢气在进入燃料电池前泄压时释放的能量，并应用于车载充气设备对汽车刹车系统储气瓶的压缩充气过程中。通过高压氢气驱动增设涡轮转动，带动增设离合器工作，控制车载充气设备工作状态，进而决定车载充气设备的工作能力，即汽车压缩空气系统的空气压缩能力。该压缩充气系统可以在刹车系统储气瓶储气需求较低时仅由增设涡轮驱动车载充气设备为刹车系统储气瓶充气，还可以在刹车系统储气瓶需要快速充气但增设涡轮提供的功率不能满足需求时启用车载电机进而利用车载电机和增设涡轮共同带动车载充气设备为刹车系统储气瓶快速充气。

本发明一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统的结构如图1所示，包括依次连接的带电源的车载电机、车载充气设备和刹车系统储气瓶，还包括电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，以及包括相互连接的增设涡轮和增设离合器，所述阀门和增设涡轮依次设置于高压氢气瓶和燃料电池之间的气流通路上如图中高压氢气瓶到燃料电池之间的折虚线所示，所述增设离合器连接所述车载充气设备，所述增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过所述增设离合器的控制来驱动所述车载充气设备工作，外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，该系统充分利用了电动汽车刹车系统原有储气瓶压缩充气系统具备的车载电机、车载充气设备、刹车系统储气瓶等部件，并创新性的结合了电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，然后简单添加了增设涡轮和增设离合器等部件，利用新加设的增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过增设离合器的控制以及结合车载电机的控制来驱动车载充气设备工作，尤其增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过增设离合器驱动车载充气设备的过程，利用将氢气高压势能转化为动能的原理完成了对氢气泄压过程释放能量的有效回收利用，再带动车载充气设备工作是利用动能转化为机械能驱动力驱动车载充气设备工作完成对空气压缩储存的工作，节省或者代替电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气过程向车载储能系统获取的能量，解决了现有技术中燃料电池电动汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及电动汽车刹车系统储气瓶在进行充气时由车载储能系统驱动导致的耗能耗电量大等问题，降低车载电机负载压力，提升工作效率和能量利用率，提高了电动汽车整体的经济性，简单易行、高效便捷。

优选地，车载电机的电源可以采用车载电源或外接电源，采用车载电源可以直接利用电动汽车内部资源，采用外接电源能够减少电动汽车自身电能消耗。

优选地，增设离合器具有全部接合、部分接合或断开三种状态，全部接合或部分接合状态时增设涡轮驱动所述车载充气设备，断开状态时增设涡轮未驱动车载充气设备。

优选地，增设涡轮和增设离合器形成的组合与车载电机相互配合工作进而驱动车载充气设备工作，进而外接空气经车载充气设备压缩后存入刹车系统储气瓶内，增设涡轮和增设离合器形成的组合与车载电机之间建立友好的合作机制并根据电动汽车刹车系统储气瓶的不同的储气需求分别进行配合工作，使得整个系统在能够满足刹车系统储气瓶储气需求的情况下尽可能地节省车内资源和能量，且优选地，根据刹车系统储气瓶储气需求不同，所述系统支持非充气模式、慢充气模式、快充气模式三种工作模式，具体比如：当刹车系统储气瓶储气需求低于第一设定条件(储气瓶为满罐状态不需要充气)时为刹车系统储气瓶不需要储气，所述增设涡轮和所述车载电机均未驱动所述车载充气设备，整个系统进入非充气模式工作；当刹车系统储气瓶储气需求高于第一设定条件并低于第二设定条件(储气瓶为半罐状态仅需要慢充气)时，仅由增设涡轮通过增设离合器驱动车载充气设备工作而车载电机不工作，整个系统进入慢充气模式工作；当刹车系统储气瓶储气需求高于第二设定条件(储气瓶基本为空罐状态需要快充气)时，增设涡轮通过增设离合器驱动车载充气设备同时接通电源的车载电机也驱动车载充气设备，即增设涡轮和车载电机共同为车载充气设备提供功率能量，整个系统进入快充气模式工作。

在上述实施例中，流动气体的压力较低，故而雷诺数较低，不会超过1000，可视为不可压缩流体。

增设涡轮进出口氢气流满足不可压缩流体的伯努利方程：

其中，认为是压力势能，认为是动能，gz认为是重力势能。

气流在同一水平面上运动，重力对体系不做功，故该部分能量守恒，而压力势能和动能的改变量则是体系中主要改变的能量。在增设涡轮中，泄压的高压氢气推动增设涡轮转动，压力势能大量减少，泄压的总能量为：

设增设涡轮的效率为η1，则增设涡轮与车载充气设备能量传输效率为η2，则进入到车载充气设备的功为：

优选地，为了评价本系统的作用效果，可以通过研究高压氢气泄压能量引起的增设涡轮对车载充气设备做功量w’与车载充气设备功率需求之间的比较关系，能够有效衡量泄压系统回收能量的能力以及对电动汽车刹车系统储气瓶压缩充气过程中能量利用效率的贡献，当车载充气设备功率需求较低时，氢气泄压释放回收的能量足以负担车载充气设备功率需求，不需要电机启动，能够节省电动汽车的能源，当车载充气设备功率需求较高时，氢气泄压释放回收的能量不足以负担则需要通过电源驱动车载电机一同来提供功率，此时对氢气泄压释放回收的能量的利用也能节省部分电动汽车资源。

应用实例：

本实例使用的压缩氢气储存方法为刹车系统储气瓶(车载储氢罐)使用高压方式将氢气液化后储存，对于刹车系统储气瓶而言，储氢罐内压力一般为70mpa或35mpa，释放的氢气压力一般在1-1.5mpa左右，故而我们认为释放出的高压氢气压力为1.5mpa。

对于现有的氢燃料电池汽车上应用的氢燃料电池而言，为保证氢燃料的氧化效率高同时保护系统、提高安全性，对于其进口处的氢气流和空气流压力需要进行一定的限制。研究表明，进口处空气流压力保持在0.5mpa，氢气流压力则保持在0.25mpa至0.3mpa条件下，燃料电池的效率最高，放电性能也较好。故而在本实例中，选择0.3mpa作为燃料电池进口处的氢气流压力。

本实例基于上述两个实际情况，计算在常温下的氢燃料电池汽车应用本发明所能节约的能量。

取氢气的密度为0.084kg/m³，对于单位质量氢气，则可计算得到，泄压释放的总能量为：

设增设涡轮的效率为0.75，能量传输效率为0.9，则车载充气设备得到的总功为9241.07kj。

对于一般氢能源汽车，在车速较高时耗氢量也较大。对于实际状况下的氢燃料电池汽车而言，车速为100km/h的情况下，车辆每小时使用氢气约一千克。则此时车载充气设备理想情况下每个小时可获得9241.07kj的能量，功率为2.567kw。

当车载充气设备功率需求较低时，氢气泄压释放的能量足以负担充气设备功率需求。当车载充气设备功率需求较大时，泄压系统回收的能量不足以补偿，则需要额外通过电源驱动车载电机来提供功率。

本发明还涉及了一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法，该刹车系统储气瓶的压缩充气方法与上述的一种电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统相对应，可理解为是实现上述电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气系统的方法，在燃料电池电动汽车原有的带电源的车载电机、车载充气设备和刹车系统储气瓶的基础上，结合电动汽车电池系统本身的高压氢气瓶、阀门和燃料电池，并加设相互连接的增设涡轮和增设离合器，将所述阀门和所述增设涡轮依次设置于所述高压氢气瓶和所述燃料电池之间的气流通路上且将所述增设离合器连接至所述车载充气设备，所述增设涡轮接收高压氢气泄压能量的驱动以转动进而通过所述增设离合器的控制来驱动所述车载充气设备工作，进而使外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，本方法提出了利用高压氢气泄压释放的能量用于驱动车载充气设备工作的方法，有效利用了被耗散的能量，提高了整车的能量利用率和经济性，设计方案节约成本，可行性较高，且充分利用了电动汽车内部原有部件，并且简单巧妙地新加设几个部件，有效克服了燃料电池电动汽车的氢气泄压过程能量无法有效利用造成的能量浪费大、整车能量利用率低以及电动汽车刹车系统储气瓶在进行充气时由车载储能系统驱动导致的耗能耗电量大等问题，提高燃料电池整体能量利用率的同时还有效减少了刹车系统储气瓶压缩充气过程对车载储能系统能量的消耗，提高了电动汽车整体的经济性和能量利用率。

优选地，根据刹车系统储气瓶储气需求不同，所述方法支持非充气模式、慢充气模式、快充气模式三种工作模式，在所述非充气模式时所述增设涡轮和所述车载电机均未驱动所述车载充气设备，在所述慢充气模式时仅由所述增设涡轮驱动所述车载充气设备工作，在所述快充气模式时所述增设涡轮和所述车载电机共同驱动所述车载充气设备工作，使得整个系统在能够满足电动汽车制冷需求的情况下尽可能地节省车内资源和能量。

优选地，所述增设离合器具有全部接合、部分接合或断开三种状态，全部接合或部分接合状态时所述增设涡轮驱动所述车载充气设备，断开状态时所述增设涡轮未驱动所述车载充气设备。

优选地，电动汽车刹车系统储气瓶的压缩充气方法具体包括以下步骤，如图2所示：

在电动汽车静止未启动时(理解为初始状态或开始状态)，阀门关闭，增设离合器处于分离状态，车载电机的电源为断开状态，整个系统均未工作；

电动汽车启动，燃料电池开始工作，阀门打开，高压氢气瓶释放的高压氢气经阀门进入所述增设涡轮中驱动所述增设涡轮转动并带动所述增设离合器一端转动，同时高压氢气体积膨胀、压力降低将泄压能量转化为所述增设涡轮动能；

进而进行刹车系统是否需要充气的判断，当不需要充气时，即刹车系统储气瓶储气需求低于第一设定条件(储气瓶为满罐状态不需要充气)时，所述增设离合器为分离状态同时所述车载电机的电源为断开状态，所述增设涡轮和所述车载电机都无法驱动所述车载充气设备工作，进入非充气模式工作直接结束；

进行刹车系统是否需要充气的判断，当需要充气时，进一步判断当刹车系统储气瓶不需要快充气时即刹车系统储气瓶储气需求高于第一设定条件并低于第二设定条件(储气瓶为半罐状态仅需要慢充气)时，所述增设离合器全部接合或部分接合，所述增设涡轮转动经过所述增设离合器驱动所述车载充气设备工作，同时所述车载电机的电源仍断开，车载电机不工作，仅由所述增设涡轮驱动所述车载充气设备，进而外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，进入慢充气模式工作，直至所述刹车系统储气瓶充满后结束工作；

当刹车系统储气瓶需要快充气时即刹车系统储气瓶储气需求高于第二设定条件(储气瓶基本为空罐状态需要快充气)时，所述增设离合器全部接合或部分接合，所述增设涡轮转动经过所述增设离合器驱动所述车载充气设备工作，同时所述车载电机的电源接通，所述车载电机与所述增设涡轮共同驱动所述车载充气设备，进而外界空气经所述车载充气设备压缩后存入所述刹车系统储气瓶内，进入快充气模式工作，直至所述刹车系统储气瓶充满后结束工作。

优选地，所述车载电机的电源采用车载电源或外接电源，采用车载电源可以直接利用电动汽车内部资源，采用外接电源能够减少电动汽车自身电能消耗。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。