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CN115298421A - 混合动力系统 - Google Patents

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CN115298421A
CN115298421A CN202080091324.4A CN202080091324A CN115298421A CN 115298421 A CN115298421 A CN 115298421A CN 202080091324 A CN202080091324 A CN 202080091324A CN 115298421 A CN115298421 A CN 115298421A
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Abstract

本申请提供一种混合动力系统，结合内燃机与SOFC电堆，在SOFC电堆预热阶段，先通过内燃机为整车提供动力，解决了SOFC电堆在预热阶段不能为整车提供动力的问题。同时，内燃机燃烧燃气输出高温废气，利用高温废气对换热器进行加热，然后通过废气涡轮将废气排出，并从系统外部吸入空气，空气先经过空气预热器然后再经过换热器后进入SOFC电堆内部，并通过空气管路对空气预热器进行加热后排出，多次循环实现SOFC电堆的预热。由于通过空气预热器串联换热器来对空气进行加热，因此提高了对进入SOFC电堆内空气的加热速度，缩短了预热时间，实现了SOFC电堆的快速启动，以利用SOFC电堆实现高效地为整车提供动力的目的。

Description

混合动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力技术领域，尤其涉及一种混合动力系统。
背景技术
SOFC发动机效率高，可以到60％，燃料适用性强。但是，SOFC发动机需运行在600℃以上，导致启动预热时间长，在此阶段无法输出额定功率，即不能为整车提供动力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合动力系统，以解决现有技术中SOFC发动机在预热阶段不能为整车提供动力的问题。
技术方案如下：
本发明提供一种混合动力系统，包括：
内燃机；
所述内燃机的第一输入端与第一三通阀的第一输出端连接；
所述第一三通阀的输入端与燃气供给装置连接，所述第一三通阀的第二输出端与重整器的第一输入端连接；
所述重整器的输出端与SOFC电堆的第一输入端连接；
所述SOFC电堆的第一输出端与所述内燃机的第二输入端连接；
所述内燃机的输出端连接排气管路，所述排气管路紧邻换热器的外壁设置，所述内燃机燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经所述重整器后通过废气涡轮排出；
所述废气涡轮排出废气的同时通过空气管路吸入空气，所述空气管路与第二三通阀连接，所述第二三通阀与空气预热器连接，所述空气预热器与所述换热器连接；
与所述换热器输出端连接的空气管路与所述SOFC电堆的第二输入端连接，通过所述空气管路将空气输入所述SOFC电堆的内部，并通过与所述SOFC电堆的第二输出端连接的空气管路将空气排出，其中，与所述SOFC电堆的第二输出端连接的空气管路紧邻所述空气预热器的外壁设置；
所述第二三通阀还与所述内燃机的第三输入端连接，为所述内燃机提供空气。
优选地，还包括：
催化器；
则所述内燃机的输出端连接排气管路，所述排气管路紧邻换热器的外壁设置，所述内燃机燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经所述重整器后通过废气涡轮排出，包括：
所述内燃机的输出端连接排气管路，通过所述排气管路与所述催化器的第一输入端连接；
所述催化器输出端的排气管路紧邻换热器的外壁设置，所述内燃机燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经所述重整器后通过废气涡轮排出。
优选地，还包括：
燃烧器；
所述燃烧器的输入端与所述SOFC电堆的输出端连接，所述燃烧器的输出端与所述催化器的第二输入端连接。
优选地，还包括：
与所述废气涡轮串联的电动涡轮，通过所述电动涡轮辅助所述废气涡轮从系统外部吸入空气。
优选地，还包括：
设置在所述燃气供给装置与所述第一三通阀之间的减压阀。
优选地，还包括：
设置在所述第二三通阀与所述内燃机的第三输入端之间的中冷器。
优选地，还包括：
设置在所述空气管路一端的滤除装置，通过所述滤除装置滤除空气中的杂质，使得滤除杂质后的空气进入所述空气管路。
优选地，所述燃气供给装置还与所述燃烧器连接。
优选地，还包括：
设置在所述SOFC电堆的第一输出端与所述内燃机的第二输入端之间的第三三通阀；
则所述SOFC电堆的第一输出端与所述内燃机的第二输入端连接，包括：
所述SOFC电堆的第一输出端与所述第三三通阀的输入端连接，所述第三三通阀的第一输出端与所述内燃机的第二输入端连接；
则所述燃烧器的输入端与所述SOFC电堆的输出端连接，包括：
所述三通阀的第二输出端与所述燃烧器的输入端连接。
与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案具有如下优点：
从上述技术方案可知，本申请提供了一种混合动力系统，将内燃机与SOFC电堆结合在一起，在SOFC电堆预热阶段，先将燃气供给装置内的燃气提供给内燃机，通过内燃机为整车提供动力，解决了SOFC电堆在预热阶段不能为整车提供动力的问题。同时，内燃机燃烧燃气输出高温废气，并利用高温废气对换热器进行加热，然后通过废气涡轮将废气排出，并从系统外部吸入空气，空气先经过空气预热器然后再经过换热器后进入SOFC电堆内部，并通过空气管路对空气预热器进行加热后排出，多次循环实现SOFC电堆的预热。由于通过空气预热器串联换热器来对空气进行加热，因此提高了对进入SOFC电堆内空气的加热速度，缩短了预热时间，实现了SOFC电堆的快速启动。在预热完成后可以通过SOFC电堆为整车提供动力，内燃机停止工作，并在SOFC电堆不能满足整车动力需求时，同时控制内燃机与SOFC电堆一起为整车提供动力。
可见，本申请中利用内燃机的启动灵活，不受温度限制的特点，先利用内燃机为整车提供动力，然后在达到SOFC电堆的工作温度后，仅利用SOFC电堆为整车提供动力，正是由于SOFC电堆工作效率高，因此可以提高为整车提供动力的工作效率，实现了内燃机与SOFC电堆缺点的互补，实现了灵活高效的为整车提供动力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明公开的混合动力系统的一种结构示意图；
图2是本发明公开的混合动力系统的另一种结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种混合动力系统，通过将内燃机和SOFC电堆结合在一起，在SOFC电堆预热阶段通过内燃机为整车提供动力，并利用内燃机排出的高温废气为SOFC电堆加热以快速启动SOFC电堆，并利用SOFC电堆为整车提供动力，以提高工作效率。
参见图1所示，该混合动力系统可以包括：
内燃机1。
内燃机1通过燃烧燃气为整车提供动力。为了保证内燃机1的运行，需要为内燃机1提供燃气。
燃气供给装置2中存储有燃气，并向内燃机1提供燃气。
其中，燃气供给装置2向内燃机1提供燃气的通路为：
燃气供给装置2与第一三通阀3的输入端连接；
第一三通阀3的第一输出端与内燃机1的第一输入端连接，这样可以实现将燃气供给装置2内的燃气提供给内燃机1使用。
本实施例公开的混合动力系统中，除了利用内燃机1为整车提供动力外，还利用SOFC电堆4为整车提供动力。
因此，还需要为SOFC电堆4的阳极一侧持续通入燃气(氢气、一氧化碳、甲烷等)，从而还需要通过燃气供给装置2向SOFC电堆4提供燃气。
本申请的混合动力系统中，第一三通阀3的第二输出端与重整器5的第一输入端连接，重整器5的输出端与SOFC电堆4的第一输入端连接，这样可以实现将燃气供给装置2内的燃气提供给SOFC电堆4使用。此处，SOFC电堆4的第一输入端指的是SOFC电堆4的阳极。
由于通入SOFC电堆4的燃气不能全部消耗，为了进一步提高燃气利用率，将SOFC电堆4的第一输出端与内燃机1的第二输入端连接，使得内燃机1再次利用SOFC电堆4没能消耗的燃气。
且，正是由于SOFC电堆4也可以为内燃机1提供一定的燃气，因此，节省了燃气供给装置2需要为内燃机1提供的燃气。
通过上述将SOFC电堆4与内燃机1结合在一起，使得在系统初始启动后，SOFC电堆还处于预热阶段而不能为整车提供动力的阶段，可以先通过燃气供给装置2向内燃机1提供燃气，以利用内燃机1为整车提供动力。
进一步，SOFC电堆处于预热阶段时，还可以利用内燃机1燃烧燃气后排出的高温废气对SOFC电堆进行预热，以加快对SOFC电堆的预热，缩短预热时间，实现对SOFC电堆的快速启动。
具体地，内燃机1的输出端连接排气管路，排气管路用于将内燃机1燃烧燃气产生的废气排出。
排气管路紧邻换热器6的外壁设置。如图1所示的，将换气管路缠绕在换热器6的外壁上，通过热交换的方式利用排气管路中流过的高温废气对换热器6进行加热。然后流经重整器5后，通过废气涡轮7将废气排出。
在废气涡轮7处于工作状态时，即废气涡轮7运转以将废气从一侧排出的同时，废气涡轮7的另一侧将从系统外部吸收新鲜空气，通过空气管路将空气传输至SOFC电堆4的内部，以通过SOFC电堆4内的燃气与空气的化学反应来为整车提供动力。
同时，还通过空气管路将空气传输至内燃机1的内部，以将空气与燃气混合后燃烧，实现通过内燃机1为整车提供动力。
具体地，空气管路与第二三通阀8的输入端连接，第二三通阀8的输出端与空气预热器9的输入端连接，空气预热器9的输出端与换热器6的输入端连接，换热器6的输出端通过空气管路实现与SOFC电堆4第二输入端的连接。此处，SOFC电堆4的第二输入端为SOFC电堆4的阴极。
这样实现了将从空气管路的进气口吸入的空气，流经第二三通阀8、空气预热器9以及换热器6之后，进入SOFC电堆4的阴极。
需要注意的是，虽然空气先流经了空气预热器9，然后流经换热器6，但是，此时空气预热器9没有经历过热交换，因此空气预热器9本身的温度仍然很低，不能对流经自身的空气进行加热；而由于换热器6已经经历了与内燃机1排出的高温尾气的热交换，因此换热器6温度升高，能够对流经自身内部的空气进行热交换，从而达到提高空气温度的目的。
空气输入SOFC电堆4的内部后，从SOFC电堆4的第二输出端输出，并通过与SOFC电堆4的第二输出端连接的空气管路将空气排出，其中，为了加快对即将进去SOFC电堆4阴极空气的加热，本实施例中将与SOFC电堆4的第二输出端连接的空气管路紧邻空气预热器9的外壁设置。
如图1所示的，将空气管路缠绕在空气预热器9的外壁上，通过热交换的方式利用空气管路中流过的空气对空气预热器9进行加热。由于此时空气管路中的空气已经经过了高温尾气的加热，因此具有一定温度，进而可以利用具有一定温度的空气对空气预热器9进行加热，使得空气预热器9的温度上升。
如此，在继续从系统外部吸入空气，并通过空气管路流经第二三通阀8后，进入空气预热器9，并通过空气预热器9对空气进行第一次加热，然后进入换热器6，通过换热器6对空气进行第二次加热，加快了对空气的加热速度，缩短了对SOFC电堆的预热时间。
本申请实施例中，第二三通阀8还与内燃机1的第三输入端连接，以将从系统外部吸入的空气输入内燃机1的内部。
通过上述技术方案，本实施例提供的混合动力系统将内燃机与SOFC电堆结合在一起，在SOFC电堆预热阶段，先将燃气供给装置内的燃气提供给内燃机，通过内燃机为整车提供动力，解决了SOFC电堆在预热阶段不能为整车提供动力的问题。同时，内燃机燃烧燃气输出高温废气，并利用高温废气对换热器进行加热，然后通过废气涡轮将废气排出，并从系统外部吸入空气，空气先经过空气预热器然后再经过换热器后进入SOFC电堆内部，并通过空气管路对空气预热器进行加热后排出，多次循环实现SOFC电堆的预热。由于通过空气预热器串联换热器来对空气进行加热，因此提高了对进入SOFC电堆内空气的加热速度，缩短了预热时间，实现了SOFC电堆的快速启动。在预热完成后可以通过SOFC电堆为整车提供动力，内燃机停止工作，并在SOFC电堆不能满足整车动力需求时，同时控制内燃机与SOFC电堆一起为整车提供动力。
可见，本申请中利用内燃机的启动灵活，不受温度限制的特点，先利用内燃机为整车提供动力，然后在达到SOFC电堆的工作温度后，仅利用SOFC电堆为整车提供动力，正是由于SOFC电堆工作效率高，因此可以提高为整车提供动力的工作效率，实现了内燃机与SOFC电堆缺点的互补，实现了灵活高效的为整车提供动力。
在排放尾气时，为了满足排放标准，本申请还提供了另一种混合动力系统，参见图2所示，在图1所示的基础上，还包括：
催化器10。
催化器10设置在内燃机1的输出端，在通过排放管路排放尾气前，先经过催化器10对尾气的净化后再排出，以满足排放标准。
具体地，内燃机1的输出端连接排气管路，通过排气管路与催化器10的第一输入端连接；催化器10输出端的排气管路紧邻换热器6的外壁设置，内燃机1燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经重整器5后通过废气涡轮7排出。
在其他实施例中，混合动力系统还可以包括：
燃烧器11。
燃烧器11的输入端与SOFC电堆4的输出端连接，燃烧器11的输出端与催化器10的第二输入端连接。这样从SOFC电堆4输出的没有被充分利用的燃气可以进入燃烧器11内，通过燃烧器11的燃烧后与内燃机1一起为整车提供动力。且，燃烧器11燃烧燃气后产生的废气，也通过催化器10的净化后排出。
通过设置燃烧器11可以提高对燃气的利用率。
在其他实施例中，考虑到吸入的空气量要满足一定的流量，才能满足SOFC电堆所需的空气以及内燃机所需的空气，有些情况下仅依靠废气涡轮从外部系统吸入空气不能满足空气的流量要求。针对此，本实施例提供的混合动力系统中还包括：
电动涡轮12，将电动涡轮12与废气涡轮7串联，通过电动涡轮12辅助废气涡轮7从系统外部吸入空气，以满足混合动力系统对空气的需求。
其中，为了滤除空气中的杂质，在空气管路的进气口一端设置滤除装置13，如滤芯，通过滤芯将空气中的杂质滤除。
在其他实施例中，考虑到燃气供给装置2为燃气瓶时，直接从燃气瓶输出的燃气压力大，需要对燃气减压后再将燃气提供给内燃机1以及SOFC电堆4。因此，在燃气供给装置2以及第一三通阀3之间设置减压阀14。
在其他实施例中，在为内燃机1提供空气的管路上还设置中冷器15，即在第二三通阀8与内燃机1的第三输入端之间设置中冷器15。
在其他实施例中，燃气供给装置2还与燃烧器连接，通过向燃烧器提供燃气，使得燃烧器与内燃机一起燃烧燃气，不仅可以实现为整车提供动力，而且加快了进入到SOFC电堆内空气的升温速度，缩短了SOFC电堆的预热时间。
在其他实施例中，通过设置第三三通阀16，实现将SOFC电堆输出的燃气分两路，一路输入到燃烧器，另一路输入到内燃机。
为了便于理解本申请公开的混合动力系统，下面结合混合动力系统的工作原理介绍本申请公开的混合动力系统。
工作原理是：燃气在经过减压阀的减压后分为两路，一路连接内燃机，一路连接重整器为SOFC电堆发电提供燃料；
整车启动后，首先利用内燃机和储能电池混合动力的优势，让内燃机在高效区工作，带动发电机为整车提供电能，电动机通过变速箱驱动车轮，实现了为整车提供动力和电能；
内燃机燃烧燃气后排出的高温废气首先通过三元催化器净化后输出，再通过换热器、重整器和废气涡轮后输出，使得新鲜空气通过滤芯进入内燃机和SOFC电堆；其中，高温废气排出的过程虽然经过了换热器，但是仅是与换热器进行热交换以对利用废气的余热对后续进入换热器并最后需要进入SOFC电堆内的空气进行升温；
增压后的空气在第二三通阀处被分别分配到内燃机和SOFC电堆，其中，空气需要先进入空气预热器，再进入换热器，并在进入换热器后通过与内燃机排出的高温废气进行换热来实现升温，进而实现SOFC电堆的热启动；
为实现SOFC电堆的快速启动，可以将燃气供给装置与燃烧器连接，以实现为燃烧器供应燃气，而燃烧器还与SOFC电堆的输出端连接，实现在燃烧器内将燃气与SOFC电堆排出的燃气混合燃烧，并由燃烧器输出高温废气。燃烧器输出的高温废气与内燃机输出的高温废气一起与换热器进行热交换，进而实现对进入SOFC电堆空气加热的目的。由于高温废气增多，因此可以使得进入SOFC电堆内的空气快速升温，实现SOFC电堆的快速热启动；且由于存在更多的废气排出，废气涡轮会压缩更多新鲜空气进入系统内，可以进一步提高SOFC电堆的热启动速度，缩短了SOFC电堆的预热时间。
当重整器和SOFC电堆达到工作温度后，水泵开始工作，水蒸气和燃气在重整器内经高温催化部分反应进行重整；
水蒸气和燃气气按照一定比例混合均匀后，在重整器中吸热发生化学反应，变成氢气和一氧化碳，提供给SOFC电堆，SOFC电堆开始输出电能，驱动电机输出动力，当电机功率需求降低时，利用SOFC电堆输出的电能给储能电池充电。
SOFC电堆输出电能，SOFC电堆热启动结束，电动涡轮启动，代替废气涡轮工作，内燃机可停止工作，也不再向燃烧器额外提供燃气，而是燃烧SOFC电堆排出的阳极废气，通过空气预热器冷却后，进入燃烧器燃烧，来维持整个系统的热需求；内燃机熄火后SOFC电堆为整车提供电能进而提供动力。
当整车动力需求很大，需要内燃机和SOFC系统同时工作，可以切换第三三通阀，让SOFC电堆阳极废气进入内燃机继续燃烧，提高燃料利用率。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种混合动力系统，其特征在于，包括：
内燃机；
所述内燃机的第一输入端与第一三通阀的第一输出端连接；
所述第一三通阀的输入端与燃气供给装置连接，所述第一三通阀的第二输出端与重整器的第一输入端连接；
所述重整器的输出端与SOFC电堆的第一输入端连接；
所述SOFC电堆的第一输出端与所述内燃机的第二输入端连接；
所述内燃机的输出端连接排气管路，所述排气管路紧邻换热器的外壁设置，所述内燃机燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经所述重整器后通过废气涡轮排出；
所述废气涡轮排出废气的同时通过空气管路吸入空气，所述空气管路与第二三通阀连接，所述第二三通阀与空气预热器连接，所述空气预热器与所述换热器连接；
与所述换热器输出端连接的空气管路与所述SOFC电堆的第二输入端连接，通过所述空气管路将空气输入所述SOFC电堆的内部，并通过与所述SOFC电堆的第二输出端连接的空气管路将空气排出，其中，与所述SOFC电堆的第二输出端连接的空气管路紧邻所述空气预热器的外壁设置；
所述第二三通阀还与所述内燃机的第三输入端连接，为所述内燃机提供空气。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，还包括：
催化器；
则所述内燃机的输出端连接排气管路，所述排气管路紧邻换热器的外壁设置，所述内燃机燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经所述重整器后通过废气涡轮排出，包括：
所述内燃机的输出端连接排气管路，通过所述排气管路与所述催化器的第一输入端连接；
所述催化器输出端的排气管路紧邻换热器的外壁设置，所述内燃机燃烧燃气后产生的废气通过所述排气管路流经所述重整器后通过废气涡轮排出。
3.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，还包括：
燃烧器；
所述燃烧器的输入端与所述SOFC电堆的输出端连接，所述燃烧器的输出端与所述催化器的第二输入端连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，还包括：
与所述废气涡轮串联的电动涡轮，通过所述电动涡轮辅助所述废气涡轮从系统外部吸入空气。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
设置在所述燃气供给装置与所述第一三通阀之间的减压阀。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，还包括：
设置在所述第二三通阀与所述内燃机的第三输入端之间的中冷器。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，还包括：
设置在所述空气管路一端的滤除装置，通过所述滤除装置滤除空气中的杂质，使得滤除杂质后的空气进入所述空气管路。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，所述燃气供给装置还与所述燃烧器连接。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
设置在所述SOFC电堆的第一输出端与所述内燃机的第二输入端之间的第三三通阀；
则所述SOFC电堆的第一输出端与所述内燃机的第二输入端连接，包括：
所述SOFC电堆的第一输出端与所述第三三通阀的输入端连接，所述第三三通阀的第一输出端与所述内燃机的第二输入端连接；
则所述燃烧器的输入端与所述SOFC电堆的输出端连接，包括：
所述三通阀的第二输出端与所述燃烧器的输入端连接。
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