CN117984813A - 一种车辆柴氢复合动力装置及其布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆柴氢复合动力装置及其布置方法，属于车辆动力装置的布置领域，本发明能够有效降低油耗以及二氧化碳排放量，助力完成国家“双碳”目标下对重载商用车的目标要求；燃料电池相对柴油机效率更高，加入燃电系统能够提升整车动力系统综合效率；能够降低动力源规格，尤其是燃料电池大小，相对全功率燃料电池有效降低采购成本；能够实现长途运输，相对纯电动车型无需担心续驶里程问题；利用可分离电驱桥，能够降低带档滑行时的传动系损失，同时能够提升单电驱桥的负荷率，进一步提升效率。

Description

一种车辆柴氢复合动力装置及其布置方法

技术领域

本发明属于车辆动力装置的布置领域，具体涉及一种车辆柴氢复合动力装置及其布置方法。

背景技术

随着全球温室效应的加剧，世界各国对于工业、商业和运输业活动的碳排放量也有进一步的管控。随着环保意识的抬头，各种具有燃油需求的产业优先被纳入相关的考虑。其中，交通运输产业可谓是目前各类活动与燃油最直接相关的产业之一。针对国际碳达峰目标，重型商用车在2030年应实现超过30%的降碳目标。

目前主流降碳手段为混合动力、燃料电池以及纯电动。混合动力降碳潜力有限，燃料电池当前成本过高，纯电驱动对长途车辆成本及有效载重量均不友好，因此提出高效绿色低成本的柴氢复合电驱桥动力系统，该系统采用柴油机、燃料电池以及动力电池三种能量源结合，可以有效降低柴油机排量并使得柴油机工作在较优工作区域进行降碳，降低燃料电池功率从而降低成本，降低动力电池容量节约有效载货量。柴氢混合动力系统具备三种能量源，控制较为复杂，关键技术在于如何最优分配车辆功率需求，使多种能量源均运行在较优工作区间中，从而降低营运成本。针对此问题提出了一种基于规则的控制策略，以满足使用需求。提出的柴氢复合电驱桥系统适用于重载长途大功率运输工具或机械：如矿卡、重卡、船舶、大功率机械等。

申请号 202210215854 .6游船用绿色无污染清洁能源复合动力系统通过氢燃料电池为主、可再生能源(主要为风能、太阳能)为辅的复合型发电系统及电力驱动为船艇提供动力，取代了传统汽油机、柴油机等化石能源为主的动力系统，极大程度地降低了船用动力系统的碳排放，是一种绿色环保动力系统，但该专利仅使用较为较低功率的设备，无法满足大功率机械的运行需求。

申请号 202210833178.9一种氢能源复合动力系统及其控制方法通过对氢内燃机以及氢燃料电池的控制从而将氢内燃机的低成本、高功率以及氢燃料电池的高效利用率、零排放的优点进行结合，从而实现一种低成本、高燃料利用率以及快速响应的系统；但氢发动机目前技术并不成熟，难以克服“氢脆”现象，不适用于长途长时间运输车辆，同时氢内燃机造价昂贵，不适用于商用车辆。

申请号 202111324845.2氨氢融合燃料内燃机与燃料电池复合动力此发明提供了一种氨氢融合燃料内燃机与燃料电池复合动力系统；通过液氨经过氨裂解分离器产生氢气；实现多种动力系统并联混合为车辆提供驱动力，在满足车辆动力性的同时提高了燃料利用率，另外车辆只携带液态氨燃料，实现二氧化碳的零排放；氨发动机的技术不成熟，氨裂解需要额外的热量，同时液氨有一定毒性，安全性不足。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种车辆柴氢复合动力装置及其布置方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种车辆柴氢复合动力装置，包括氢燃料电池、DC/DC、动力电池、双电驱桥、功率分配模块和柴油发电机组；氢燃料电池，被配置为用于将氢气和氧气的化学能直接转换成电能；DC/DC，被配置为用于将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压；动力电池，被配置为用于补充驱动功率、回收制动能量以及回收氢燃料电池软特性导致的额外发出功率；双电驱桥，被配置为用于实现能源复合驱动；功率分配模块，被配置为用于进行功率叠加；柴油发电机组，被配置为用于提供驱动功率。

优选地，柴油发电机组包括柴油机和发电机，柴油机和发电机通过线路连接，通过柴油机驱动发电机发电。

优选地，双电驱桥，包括驱动电机、变速箱、动力分离装置及差速器；驱动电机、变速箱、动力分离装置及差速器通过线路依次连接，动力分离装置还能够安装在驱动电机与变速箱之间，或差速器与车轮之间。

优选地，动力分离装置，采用超越离合器或单向离合。

优选地，双电驱桥为两个可分离式电驱桥。

此外，本发明还提到一种车辆柴氢复合动力装置的布置方法，该方法采用如上所述的一种车辆柴氢复合动力装置，具体包括如下步骤：步骤1：将氢燃料电池、DC/DC、动力电池、功率分配模块和柴油发电机组通过线路连接；步骤2：将DC/DC与功率分配模块通过线路连接；步骤3：将功率分配模块和双电驱桥通过线路连接。

优选地，根据车速以及需求功率的不同将车辆的工作模式分为停车模式、制动模式、驱动模式，在不同的模式下确定发动机、燃料电池以及动力电池工作模式及输出功率；当车速为0，且需求功率为0时，车辆处于停车模式，此时能力源均停机；当车速大于0，且需求功率小于0需求功率小于0时，为制动模式，制动模式下由双电驱桥进行制动能量回收，其余制动需求功率由机械制动给出；当需求功率大于0时，由双电驱桥提供驱动力矩，电机的需求能量由燃料电池、发电机组以及动力电池提供，根据需求功率的不同发电机组工作在不同的发动机工作点，根据SOC的不同燃料电池工作在不同的工作模式，动力电池进行功率补充或多余功率回收。

优选地，双电驱桥的切换步骤如下：步骤S1：判断整车是否进行带档滑行；若判断结果是整车进行带档滑行，则进行双桥分离；或判断结果是整车不进行带档滑行，则执行步骤S2；步骤S2：判断整车是否进行制动模式；若判断结果是整车进行制动模式，则进行双桥制动能量回收；或判断结果是整车不进行制动模式，则执行步骤S3；步骤S3：判断整车需求功率是否大于单桥功率；若判断结果是整车需求功率大于单桥功率，则双桥同时驱动；或判断结果是整车需求功率小于或者等于单桥功率，则执行步骤S4；步骤S4：进行单桥驱动。

本发明所带来的有益技术效果：本发明提出的柴氢复合可分离电驱桥构型，采用柴油发电机组、燃料电池以及动力电池作为能量源联合，采用两个可分离式电驱桥作为驱动设备，具有以下优点：能够有效降低油耗以及二氧化碳排放量，助力完成国家“双碳”目标下对重载商用车的目标要求；燃料电池相对柴油机效率更高，加入燃电系统能够提升整车动力系统综合效率；能够降低动力源规格，尤其是燃料电池大小，相对全功率燃料电池有效降低采购成本；能够实现长途运输，相对纯电动车型无需担心续驶里程问题；利用可分离电驱桥，能够降低带档滑行时的传动系损失，同时能够提升单电驱桥的负荷率，进一步提升效率。

本发明提出的相对应的控制策略，根据车辆的运行情况合理分配功率，使得氢气有效代替柴油运行，实现车辆本身有效降碳；发动机采用多点控制，处于准稳态，进一步降低发动机转矩突变时造成的额外喷油量以及低效率区带来的有害气体排放；燃料电池设定常用功率区以及后备功率区，能够同时保证燃料电池的功率与效率，设定的工作模式也能够保证燃料电池的寿命。

本发明方法不限于使用于单一长途重载运输车辆，亦可适用于各种工程车辆以及工程机械，如矿车、垃圾车、大型的吊机等，适用范围广泛。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；图2为燃料电池工作区间示意图；图3为动力电池SOC阈值示意图；图4为整车能量管理策略流程图；图5为整车能量管理策略示意图；图6为双桥分离策略示意图；其中，1-氢燃料电池；2-DC/DC；3-动力电池；4-双电驱桥；41-驱动电机；42-变速箱；43-动力分离装置；44-差速器；5-功率分配模块；6-柴油发电机组；61-柴油机；62-发电机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：如图1所示，一种车辆柴氢复合动力装置，包括氢燃料电池1、DC/DC2、动力电池3、双电驱桥4、功率分配模块5和柴油发电机组6；氢燃料电池1，用于将氢气和氧气的化学能直接转换成电能；DC/DC2，用于将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压；动力电池3，用于补充驱动功率、回收制动能量以及回收氢燃料电池1软特性导致的额外发出功率；双电驱桥4，用于实现能源复合驱动；功率分配模块5，用于进行功率叠加；柴油发电机组6，用于提供驱动功率。

柴油发电机组6包括柴油机61和发电机62，柴油机61和发电机62通过线路连接，通过柴油机61驱动发电机62发电。

双电驱桥4，包括驱动电机41、变速箱42、动力分离装置43及差速器44；驱动电机41、变速箱42、动力分离装置43及差速器44通过线路依次连接，动力分离装置43还能够安装在驱动电机41与变速箱42之间，或差速器44与车轮之间。

在传统电驱桥的基础上增加了动力分离装置43，用以实现电驱桥与车轮分离连接，从而降低变速箱42空转带来的摩擦及搅油损失，并提高单电机负荷率以提升效率。

动力分离装置43可使用超越离合器，单向离合器等。

本发明提出了一种柴氢复合可分离式双电驱桥的控制方法，包括柴油发电机组控制方法、氢燃料电池控制方法、动力电池控制方法和整车能量管理方法。

柴油发电机组控制方法如下：根据柴油机61以及发电机62的MAP图，绘制出柴油发 电机组的效率MAP图并根据最优效率曲线设置发动机工作点~，使发电机组处于高 效区工作，并且减少发动机转矩突变，从而降低燃油消耗。

所述发动机工作点~由标定定义，并非局限于五个工作点。

燃料电池工作区间如图2所示。

氢燃料电池控制方法如下：根据氢燃料电池的功率及效率定义四个功率阈值为Pidle、Plow、Phigh以及Pmax，并按照不同的燃料电池需求功率将燃料电池工作模式分为Pidle定点工作模式，Plow定点工作模式、功率跟随模式、Phigh定点工作模式、Pmax定点工作模式。

所述氢燃料电池常用功率区以及后备功率区根据燃料电池的功率和效率特性标定产生。

动力电池控制方法如下：根据动力电池的SOC划分阈值与，所述SOC阈 值由标定产生，并不局限数量，由上下限两个数值组成，用于防止模式突变。动力电池SOC阈 值如图3所示。

整车能量管理策略如图4所示：根据整车需求功率确定整车工作模式。整车需求功率由油门踏板开度-需求功率特性计算，根据车速以及需求功率的不同将整车工作模式分为停车模式、制动模式、驱动模式，在不同的模式下确定发动机、燃料电池以及动力电池工作模式及输出功率。

当车速为0，且需求功率为0时，车辆处于停车模式，此时能力源均停机；当车速大于0，且需求功率小于0需求功率小于0时，为制动模式，制动模式下由双电驱桥进行制动能量回收，其余制动需求功率由机械制动给出；当需求功率大于0时，由双电驱桥提供驱动力矩，电机的需求能量由燃料电池、发电机组以及动力电池提供，根据需求功率的不同发电机组工作在不同的发动机工作点，根据SOC的不同燃料电池工作在不同的工作模式，动力电池进行功率补充或多余功率回收。

整车能量管理方法：通过需求功率以及车速划分整车能量管理策略，并划分整车工作模式，从而定义发电机组、氢燃料电池以及动力电池工作模式，进而决定三能量源之间的功率分配。

发电机组工作模式包括但不限于多点控制模式；氢燃料电池工作模式包括但不限于高效区以及高功率区划分及Pidle定点工作模式，Plow定点工作模式、功率跟随模式、Phigh定点工作模式、Pmax定点工作模式。

燃料电池高效区控制方法是根据燃料电池的功率及效率划分高效区及高功率区，由标定产生。

双电驱桥为可分离电驱桥，其功能如下：利用双电驱桥中的动力中断装置，可以灵活切换当前需要工作的电驱桥，能够在负荷较低尤其是高速时，使用单电驱桥驱动车辆，能够提供单电机负荷率提升效率，也能够降低变速箱内的机械损失。在需求制动减速度较小或者车辆带档滑行时可以通过动力中断装置切断电机与车轮之间的连接，从而实现车辆空档滑行，能够有效增加车辆的续驶里程。双电驱桥的切换策略如图6所示。

本发明方法使用柴油发电机组、燃料电池以及动力电池作为能量源，双可分离电驱桥作为动力源，根据车辆的运行状态，将需求功率合理的分配至三种能量源中，实现车辆合理运行；电驱桥可以通过动力分离装置进行动力分离，在负荷较低时使用单电驱桥驱动并断开另一电驱桥，提高电机的负荷率，减少带档滑行带来的摩擦损失。

本发明将柴油发电机组根据发动机最优工作曲线划定多个固定工作点，根据不同的需求功率控制柴油发电机组工作在不同的工作点，保证发动机在整个工况下都处于稳态工作，减少发动机动态变化下带来的额外损失；氢燃料电池高效区控制方法，根据燃料电池的功率及效率划分高效区及高功率区，并将燃料电池的工作状态分为Pidle定点工作模式，Plow定点工作模式、功率跟随模式、Phigh定点工作模式、Pmax定点工作模式，根据不同的SOC确定燃料电池工作状态，使得整个工况下燃料电池均处于较高效率，提高整个工况下燃料电池的平均效率，并降低燃油消耗。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种车辆柴氢复合动力装置，其特征在于：包括氢燃料电池、DC/DC、动力电池、双电驱桥、功率分配模块和柴油发电机组；

氢燃料电池，被配置为用于将氢气和氧气的化学能直接转换成电能；

DC/DC，被配置为用于将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压；

动力电池，被配置为用于补充驱动功率、回收制动能量以及回收氢燃料电池软特性导致的额外发出功率；

双电驱桥，被配置为用于实现能源复合驱动；

功率分配模块，被配置为用于进行功率叠加；

柴油发电机组，被配置为用于提供驱动功率。

2.根据权利要求1所述的车辆柴氢复合动力装置，其特征在于：柴油发电机组包括柴油机和发电机，柴油机和发电机通过线路连接，通过柴油机驱动发电机发电。

3.根据权利要求1所述的车辆柴氢复合动力装置，其特征在于：双电驱桥，包括驱动电机、变速箱、动力分离装置及差速器；驱动电机、变速箱、动力分离装置及差速器通过线路依次连接，动力分离装置还能够安装在驱动电机与变速箱之间，或差速器与车轮之间。

4.根据权利要求1所述的车辆柴氢复合动力装置，其特征在于：动力分离装置，采用超越离合器或单向离合。

5.根据权利要求1所述的车辆柴氢复合动力装置，其特征在于：双电驱桥为两个可分离式电驱桥。

6.一种车辆柴氢复合动力装置的布置方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种车辆柴氢复合动力装置，具体包括如下步骤：

步骤1：将氢燃料电池、DC/DC、动力电池、功率分配模块和柴油发电机组通过线路连接；

步骤2：将DC/DC与功率分配模块通过线路连接；

步骤3：将功率分配模块和双电驱桥通过线路连接。

7.根据权利要求6所述的车辆柴氢复合动力装置的布置方法，其特征在于：根据车速以及需求功率的不同将车辆的工作模式分为停车模式、制动模式、驱动模式，在不同的模式下确定发动机、燃料电池以及动力电池工作模式及输出功率；

当车速为0，且需求功率为0时，车辆处于停车模式，此时能力源均停机；

当车速大于0，且需求功率小于0需求功率小于0时，为制动模式，制动模式下由双电驱桥进行制动能量回收，其余制动需求功率由机械制动给出；

当需求功率大于0时，由双电驱桥提供驱动力矩，电机的需求能量由燃料电池、发电机组以及动力电池提供，根据需求功率的不同发电机组工作在不同的发动机工作点，根据SOC的不同燃料电池工作在不同的工作模式，动力电池进行功率补充或多余功率回收。

8.根据权利要求6所述的车辆柴氢复合动力装置的布置方法，其特征在于：双电驱桥的切换步骤如下：

步骤S1：判断整车是否进行带档滑行；

若判断结果是整车进行带档滑行，则进行双桥分离；

或判断结果是整车不进行带档滑行，则执行步骤S2；

步骤S2：判断整车是否进行制动模式；

若判断结果是整车进行制动模式，则进行双桥制动能量回收；

或判断结果是整车不进行制动模式，则执行步骤S3；

步骤S3：判断整车需求功率是否大于单桥功率；

若判断结果是整车需求功率大于单桥功率，则双桥同时驱动；

或判断结果是整车需求功率小于或者等于单桥功率，则执行步骤S4；

步骤S4：进行单桥驱动。