一种基于太阳能发电制氢的混合动力增程器及控制方法

1.本发明提供一种太阳能发电制氢的混合动力增程器及控制方法，具体内容涉及一种太阳能发电制氢的混合动力增程器的燃料供给系统、节气门进气系统、发电机系统及各自对应的控制方法，属于混合动力领域。


背景技术：

2.随着社会的进步,人们环保意识的加强,环境污染问题越来越受到人们的关注和重视。温室效应导致了全球变暖、海平面上升等环境问题，而二氧化碳则是导致温室效应的最大贡献者。汽车产业是碳排放的主要来源之一，传统汽车主要以汽油和柴油为燃料进行燃烧，会造成大量的碳排放问题。因此，应当追求车用能源的转型，寻求合理的替代燃料，如何降低碳排放是当前所面临的巨大问题。在这个大背景下,氢能作为一种清洁能源再次进入了人们的视野。
3.氢能是实现碳达峰与碳中和的最佳的能源形式，也被誉为21世纪的终极能源。氢内燃机具有零碳排放、高效率、高可靠性和低成本的显著优势，成为氢能应用的重要方向之一。氢气具有质量热值高、燃烧速度快、扩散性好、可燃浓度范围广等优点，是非常合适的内燃机替代燃料。
4.电解水制氢技术通过直接利用电能使水分解出氢气，是使用最早也是最典型的绿色制氢技术。太阳能是全球分布最均匀且广泛的清洁能源，利用太阳能分解水制氢具有绿色经济等现实意义。
5.为了降低车辆动力系统的能耗及排放，近年来国内外都纷纷开展了电动汽车，混合动力汽车。电动汽车作为新能源车辆,具有低污染、低能耗、高能源利用率等诸多优点,受到政府、企业和消费者的高度关注。然而,电动汽车因其续航里程有限,使得驾驶员容易陷入里程焦虑的困扰,制约了电动汽车的使用场景，同时，电动车如采用电池充电方案，则仍存在充电速度慢，以及废旧电池的污染问题。
6.混合动力汽车是在传统汽车结构的基础上，增加了一套电池-电机动力系统，组成更加复杂。在汽车处于不同行驶状态的时候，发动机和电动机分别工作或是一起工作，可使发动机在最佳效率区域运行，与传统汽车相比，在怠速、低速、加速等工况下，减少了能源的消耗和环境的污染。
7.与纯电动汽车相比较来说，混合动力汽车不需要过多的电池组，底盘结构得以优化，减少了整车的重量，有利于提高汽车的动力性。混合动力汽车延续传统内燃机汽车成熟的驱动与控制技术，适合量产并降低制造成本。发动机在工作时可向蓄电池提供能量，无需停车充电，不需要进行专用充电设施的建设，打破了纯电动汽车续航里程的限制，而且混合动力汽车的电池组处于浅充浅放的状态，可以延长电池组的使用寿命。


技术实现要素：

8.本发明采用了如下技术：
9.一种基于太阳能发电制氢的混合动力增程器包括：氧气供给管路(p1)，其上依次串联有空气滤清器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)；氢气供给管路(p2)，其上依次串联有氢气罐(6)、氢气减压阀(7)、第一氢气流量传感器(8)、第一阻燃阀(9)、第一氢气喷嘴(10)；汽油供给管路(p3)，其上依次串联有油箱(11)、汽油泵(12)、汽油流量传感器(13)、汽油喷嘴(14)；电解氢气供给管路(p4)，其上依次太阳能发电装置(16)、制氢机(17)、氢气稳压腔(18)、气泵(19)、第二氢气流量传感器(20)、第二阻燃阀(21)、第二氢气喷嘴(22)；氢内燃机(5)、火花塞(15)、曲轴信号传感器(23)、转速信号传感器(24)、负荷信号传感器(25)、传动轴(26)、发电机(27)、发电机电控单元gcu(28)、内燃机电控单元ecu(29)。氢内燃机(5)、曲轴信号传感器(23)、转速信号传感器(24)、负荷信号传感器(25)、传动轴(26)、发电机(27)、发电机电控单元gcu(28)、内燃机电控单元ecu(29)依次连接成一个回路；
10.所述电控单元ecu(29)与进气压力传感器(2)相连接并获得进气压力信号a；
11.所述电控单元ecu(29)与进气温度传感器(3)相连接并获得进气温度信号b；
12.所述电控单元ecu(29)与进气流量传感器(4)相连接并获得进气流量信号c；
13.所述电控单元ecu(29)与第一氢气流量传感器(8)相连接并获取氢气流量信号e；
14.所述电控单元ecu(29)与汽油流量传感器(13)相连接并获取汽油流量信号d；
15.所述电控单元ecu(29)与第一氢气喷嘴(10)相连接并通过氢气喷射信号g控制第一氢气喷嘴(10)的开启和关闭；
16.所述电控单元ecu(29)与汽油喷嘴(14)相连接并通过汽油喷射信号h控制汽油喷嘴(14)的开启和关闭；
17.所述电控单元ecu(29)与曲轴信号传感器(23)相连接并获得曲轴信号f；
18.所述电控单元ecu(29)与火花塞(15)相连接并通过火花塞信号j控制火花塞(15)的放电；
19.所述电控单元ecu(29)与转速信号传感器(24)相连接并获得转速信号k；
20.所述电控单元ecu(29)与负荷信号传感器(25)相连接并获取负荷信号l；
21.所述电控单元ecu(29)与第二氢气喷嘴(22)相连接并通过氢气喷射信号i控制第二氢气喷嘴(22)的开启和关闭；
22.所述电控单元ecu(29)与第二氢气流量传感器(20)相连接并获取氢气流量信号m；
23.所述发电机电控单元gcu(28)与发电机(27)相连接并通过发电机启停信号o控制发电机的启动和停止；
24.所述发电机电控单元ecu(29)与太阳能发电装置(16)相连接并获取信号n。
25.一种基于太阳能发电制氢的混合动力增程器的控制方法，包括氢内燃机的燃料供给策略、节气门控制策略和发电机控制策略。
26.(1)燃料供给策略
27.电控单元ecu接收来自转速传感器的信号，当转速n＝0变为n≠0时，内燃机为启动工况，此时采用纯汽油模式。电控单元ecu控制汽油泵、汽油喷嘴和节气门，调节汽油供给量和空气量，并根据汽油流量传感器和空气流量传感器进行反馈调节，保持燃烧过量空气系数λ＝1.2；设定起动时间恒为3秒；
28.起动结束后始终保持过量空气系数λ＝1；
29.当0＜n≤3000r/min，采用氢气供给模式，电控单元ecu输出信号e至第一氢气流量传感器(8)为氢气内燃机提供燃料。
30.当n＞3000r/min，采用太阳能发电制氢及氢气共同供给模式，电控单元ecu输出信号n至太阳能发电装置(16)向制氢机(17)供电，制氢机(17)开始制取氢气向稳压腔(18)输送氢气。电控单元ecu分别输出信号e至第一氢气流量传感器(8)、输出信号m至第二氢气流量传感器(20)，使内燃机获得太阳能发电制氢及氢气供给。其中第二氢气供给管路占总氢气流量比为q＝0.2*n/3000+0.3*n/100。
31.电控单元ecu输出信号分别控制汽油喷嘴(10)、第一氢气喷嘴(14)、第二氢气喷嘴(22)为内燃机提供燃料供给，缸内混合气通过电控单元ecu输出点火信号h控制火花塞引燃。
32.燃烧过程混合物过量空气系数式中，m
air
、m
ic8h18
、分别为进气质量流量、汽油质量流量和氢气的质量流量，af
st,
、分别为汽油和氢气的化学计量空燃比。
33.(2)节气门控制策略
34.电控单元ecu调节节气门开度k，以满足在不同工况下的功率需求；在保证发动机转速平稳的前提下，尽可能将节气门开度调节至最大；
35.当转速n＝0时，发动机处于未启动状态，k＝0％；
36.当转速n＝0变为n≠0时，此时发动机处于启动工况，电控单元ecu控制节气门开度k＝100％，使发动机充入足够新鲜空气量，得以迅速启动；
37.当转速700＜n≤800时，此时发动机处于怠速工况，电控单元ecu控制节气门70＜k＜90，以此满足发动机处于该工况下的功率需求；
38.当转速800＜n时，此时发动机处于正常工作工况，电控单元ecu控制节气门90＜k≤100，以此满足发动机处于该工况下的功率需求。
39.(3)发电机控制策略
40.电控单元gcu接受电控单元ecu信号p，并发出信号o控制发电机的开关状态，以调整发电机的运行工况。
41.当转速n＝0时，发电机处于未启动状态；
42.当转速n＝0变为n≠0时，此时发电机处于工作状态。
43.主要考虑该发明的搭载车辆为质量为2.0t的轻型车，考虑等速平直路面的续航里程，在经济车速下(65～90km/h)可达到200km的续航能力。
44.本发明改变不同工况下的燃料供给策略，并调节燃料的喷射时刻和喷射脉宽，进而实现氢内燃机的稳定运行。通过太阳能制氢系统、氢内燃机以及发电机的耦合，最终实现混合动力增程器高效节能地运行，增加车辆的续航能力。
附图说明
45.图1基于太阳能发电制氢的混合动力增程器示意图
46.图1中：氧气供给管路(p1)，空气滤清器(1)、进气压力传感器(2)、进气温度传感器(3)、进气流量传感器(4)；氢气供给管路(p2)，氢气罐(6)、氢气稳压腔(7)、第一氢气流量传
感器(8)、第一阻燃阀(9)、第一氢气喷嘴(10)；汽油供给管路(p3)，其上依次串联有油箱(11)、汽油泵(12)、汽油流量传感器(13)、汽油喷嘴(14)；电解氢气供给管路(p4)，太阳能发电装置(16)、制氢机(17)、氢气稳压腔(18)、气泵(19)、第二氢气流量传感器(20)、第二阻燃阀(21)、第二氢气喷嘴(22)；氢内燃机(5)，曲轴信号传感器(23)、火花塞(15)、转速信号传感器(24)、负荷信号传感器(25)、传动轴(26)、发电机(27)、发电机电控单元gcu(28)、内燃机电控单元ecu(29)。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
48.(1)燃料供给策略
49.电控单元ecu接收来自转速传感器的信号，当转速n＝0变为n≠0时，内燃机为启动工况，此时采用纯汽油模式。电控单元ecu控制汽油泵、汽油喷嘴和节气门，调节汽油供给量和空气量，并根据汽油流量传感器和空气流量传感器进行反馈调节，保持燃烧过量空气系数λ＝1.2；设定起动时间恒为3秒；
50.起动结束后始终保持过量空气系数λ＝1；
51.当0＜n≤3000r/min，采用氢气供给模式，电控单元ecu输出信号e至第一氢气流量传感器(8)为氢气内燃机提供燃料。
52.当n＞3000r/min，采用太阳能发电制氢及氢气共同供给模式，电控单元ecu输出信号n至太阳能发电装置(16)向制氢机(17)供电，制氢机(17)开始制取氢气向稳压腔(18)输送氢气。电控单元ecu分别输出信号e至第一氢气流量传感器(8)、输出信号m至第二氢气流量传感器(20)，使内燃机获得太阳能发电制氢及氢气供给。其中第二氢气供给管路占总氢气流量比为q＝0.2*n/3000+0.3*n/100。
53.电控单元ecu输出信号分别控制汽油喷嘴(10)、第一氢气喷嘴(14)、第二氢气喷嘴(22)为内燃机提供燃料供给，缸内混合气通过电控单元ecu输出点火信号h控制火花塞引燃。
54.燃烧过程混合物过量空气系数式中，m
air
、m
ic8h18
、分别为进气质量流量、汽油质量流量和氢气的质量流量，af
st,
、分别为汽油和氢气的化学计量空燃比。
55.(2)节气门控制策略
56.电控单元ecu调节节气门开度k，以满足在不同工况下的功率需求；在保证发动机转速平稳的前提下，尽可能将节气门开度调节至最大；
57.当转速n＝0时，发动机处于未启动状态，k＝0％；
58.当转速n＝0变为n≠0时，此时发动机处于启动工况，电控单元ecu控制节气门开度k＝100％，使发动机充入足够新鲜空气量，得以迅速启动；
59.当转速700＜n≤800时，此时发动机处于怠速工况，电控单元ecu控制节气门70＜k＜90，以此满足发动机处于该工况下的功率需求；
60.当转速800＜n时，此时发动机处于正常工作工况，电控单元ecu控制节气门90＜k≤100，以此满足发动机处于该工况下的功率需求。
61.(3)发电机控制策略
62.电控单元gcu接受电控单元ecu信号p，并发出信号o控制发电机的开关状态，以调整发电机的运行工况。
63.当转速n＝0时，发电机处于未启动状态；
64.当转速n＝0变为n≠0时，此时发电机处于工作状态。