CN110863874A - 一种燃料电池汽车的驱动助力***及燃料电池汽车 - Google Patents

一种燃料电池汽车的驱动助力***及燃料电池汽车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车的驱动助力***及燃料电池汽车。该驱动助力***包括：有机朗肯循环回路、传动机构和控制器；有机朗肯循环回路通过传动机构与燃料电池汽车的驱动电机连接；控制器，与有机朗肯循环回路连接，用于控制有机朗肯循环回路产生助力扭矩；有机朗肯循环回路，用于在所述控制器的控制下，根据所述燃料电池汽车中燃料电堆释放的热能产生助力扭矩；传动机构，用于将所述助力扭矩传递给所述驱动电机，用以为燃料电池汽车的驱动***助力，提升了整车能量利用率。

Description

一种燃料电池汽车的驱动助力***及燃料电池汽车
技术领域
本发明实施例涉及汽车技术，尤其涉及一种燃料电池汽车的驱动助力***及燃料电池汽车。
背景技术
目前，在能源与环境危机的背景下，世界各国汽车企业都在大力推进新能源汽车的研发。燃料电池汽车具有零排放、低噪声的优点，同时相对于电动汽车，具有燃料能量密度高，加注时间短的优点。
燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。其采用高纯度氢气作为燃料，在燃料电池反应堆中与空气中的氧气发生化学反应产生电能，作为驱动电机的动力源。在现有燃料电池汽车的燃料电池反应堆中，化学能转变为电能的能量转化效率仅在50％～60％之间，其余的能量转化为热能。而燃料电池反应堆对工作温度要求较高，为了保证燃料电池反应堆高效、安全的运行，需要把燃料电池反应堆中的化学反应废热排出，其主要是通过循环冷却水输送到外部散热器进行排出，这部分能量没有得到有效利用，对整车经济性造成影响。
发明内容
本发明实施例提供一种燃料电池汽车的驱动助力***及燃料电池汽车，对燃料电堆释放的废热进行回收利用，提升了整车能量利用率。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池汽车的驱动助力***，包括：有机朗肯循环回路、传动机构和控制器；
所述有机朗肯循环回路通过所述传动机构与燃料电池汽车的驱动电机连接；
所述控制器，与所述有机朗肯循环回路连接，用于控制所述有机朗肯循环回路产生助力扭矩；
所述有机朗肯循环回路，用于在所述控制器的控制下，根据所述燃料电池汽车中燃料电堆释放的热能产生助力扭矩；
所述传动机构，用于将所述助力扭矩传递给所述驱动电机。
第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池汽车，包括如本发明实施例所述的燃料电池汽车的驱动助力***。
本发明实施例提供了一种燃料电池汽车的驱动助力***方案，通过有机朗肯循环回路将燃料电池汽车的燃料电池反应堆排出的废热回收利用，转换为助力扭矩，并通过传动机构将该助力扭矩传递给驱动电机，用以为燃料电池汽车的驱动***助力，提升了整车能量利用率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池汽车的驱动助力***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池汽车的驱动助力***的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池汽车的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池汽车的驱动助力***的结构示意图，如图1所示，该助力***包括：有机朗肯循环回路、传动机构和控制器。示例性的，有机朗肯循环回路通过所述传动机构与燃料电池汽车的驱动电机连接。所述控制器，与所述有机朗肯循环回路连接，用于控制所述有机朗肯循环回路产生助力扭矩。所述有机朗肯循环回路，用于在所述控制器的控制下，根据所述燃料电池汽车中燃料电堆释放的热能产生助力扭矩；所述传动机构，用于将所述助力扭矩传递给所述驱动电机。
其中，燃料电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池是由将双极板与膜电极(MEA-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成。若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池反应堆，也可以称为燃料电堆。本发明实施例中，可以将冷却工质进入燃料电堆的一端称为燃料电堆的冷却工质进口，相应地，将冷却工质流出燃料电堆的一端称为燃料电堆的冷却工质出口。
其中，控制器可作为单独的整车控制器或整车控制器的一个子模型，用于监控机械控制单元和液力控制单元的信号，实施各回路的工作过程控制。各回路包括电路回路、有机朗肯循环回路和燃料电池电堆冷却回路。例如，预先设置控制矩阵，基于所获得的机械控制单元和液力控制单元的信号，选择特定的控制矩阵，通过被选中的特定的控制矩阵对各回路的工作进行控制。
其中，有机朗肯循环回路包括：有机工质泵、热交换器、第一三通阀、膨胀机、有机工质管路、冷凝器和冷凝风扇。有机工质泵、热交换器、膨胀机和冷凝器通过有机工质管路串联，第一三通阀的进口与所述热交换器连接，第一三通阀的第一出口与所述膨胀机连接，第一三通阀的第二出口与所述冷凝器连接；冷凝风扇配合所述冷凝器设置，用于根据冷却风量要求对所述冷凝器中有机工质进行冷凝。
需要说明的是，有机朗肯循环包含的热交换器还与燃料电池电堆冷却回路连接，可实现燃料电堆余热与有机朗肯循环回路的热交换，把燃料电堆需要散发的热量转移到有机朗肯循环回路中。有机朗肯循环回路，用于在所述控制器的控制下，根据所述燃料电池汽车中燃料电堆释放的热能产生助力扭矩。例如，有机朗肯循环回路中，有机工质泵161，可实现有机循环回路工质的稳定循环和升压，把升压后的液态有机工质输送到热交换器162，与来自燃料电池电堆冷却回路中的余热进行热交换，把燃料电池电堆冷却回路中的余热转移到有机朗肯循环回路中，有机工质发生相变作用，由高压液态转变为高压气态。第一三通阀163根据不同的应用场景，实现有机工质的不同流向，可实现有机工质经管路164a流向膨胀机165，或经由管路164b流向有机朗肯循环冷凝器166。膨胀机165是一种借助于高压气体驱动，输出旋转机械功，同时把高压气体转化为低压气体的装置，高压气态工质在膨胀机内进行膨胀，变为低压气体做功，驱动膨胀机165输出旋转机械功，由机械输出轴把膨胀机165输出的机械扭矩传递给驱动电机153，用于电机驱动助力。离合器154，置于膨胀机165和驱动电机153之间，离合器154的主动盘与膨胀机165的机械输出轴连接，离合器154的从动盘与驱动电机153的驱动轴连接，通过控制离合器154的主动盘与从动盘的结合与断开，可实现膨胀机165的电机驱动助力的开启和关闭。冷凝器166可通过外部空气对流，对流经其内部的低压气体进行散热，实现低压有机工质由气态向液态的相变过程。冷凝风扇167可实现冷凝器的不同风量调节，控制有机工质的冷凝过程。工质泵161进一步把低压液态进行升压，实现有机朗肯循环回路中的工质流动。
需要说明的是，燃料电堆171，采用高纯度氢气作为燃料，与空气中的氧气进行化学反应，产生电能。电能可输出给高压电池或者直接输出给逆变器182。逆变器可把直流电转化为交流电，也可以把交流电转化为直流电。由燃料电堆171输出的直流电，经由逆变器转换为交流电，输出给前轴驱动电机153进行做功。前轴驱动电机153接收逆变器输出的交流电，把电能转化为机械能，输出旋转的扭矩。由机械连接轴，把机械能传递给变速器，变速器通过不同挡位的速比变化，调节输出扭矩值的大小。差速器接收来自变速器的扭矩，驱动整车驱动轴上的左右车轮以不同转速转动，实现整车平稳行驶和转向。需要说明的是，汽车传动比又称速比，是指汽车传动系中变速装置前后两传动机构转速的比值。汽车传动系的传动比有两类，即主传动器的速比及变速器的速比。在同一车型中，主传动器的速比为定值，而变速器的速比还随所用的排档不同而有不同的值。
燃料电池电堆冷却回路中的燃料电堆171，在由氢气和氧气发生化学反应产生电能的过程中，将有40～50％的能量转化为热能，以余热的形式释放出来，由于燃料电堆的工作过程，对温度要求较为敏感，因而这一部分余热需要由燃料电池电堆冷却回路带出燃料电堆，以维持燃料电堆的工作稳定。乙二醇与水的混合物常作为冷却工质用于余热的传递，由工质泵172运转，实现冷却工质的回路循环。根据燃料电堆的冷却工质出口处冷却工质的温度，判定燃料电堆是否有冷却需求，由第二三通阀173控制冷却工质的流向，通过第二三通阀173的出口开闭控制，可控制燃料电堆冷却介质经由管路174a流向热交换器162，或经由管路174b流向燃料电堆冷却介质入口，不经过热交换162，实现燃料电堆通过热交换器散热或自循环两种循环模式。热交换器162，可实现燃料电堆余热与有机朗肯循环回路的热交换，把燃料电堆需要散失的热量转移到有机朗肯循环回路中。
可选的，本发明实施例中，传动机构是离合器。例如，离合器的主动盘与有机朗肯循环回路中膨胀机的机械输出轴固定连接，离合器的从动盘与驱动电机的驱动轴固定连接。当膨胀机165与驱动电机153之间的离合器处在结合状态时，由机械输出轴把膨胀机165输出的机械扭矩传递给离合器主动盘，由主动盘转递给从动盘，从而与驱动电机的驱动扭矩进行叠加，用于电机驱动助力。
需要说明的是，控制器用于控制所述主动盘和从动盘的吸合和分离。例如，离合器置于膨胀机和驱动电机之间，离合器的主动盘与膨胀机的机械输出轴连接，离合器的从动盘与驱动电机的驱动轴连接，通过控制器控制离合器的主动盘与从动盘的结合与断开，可实现膨胀机的电机驱动助力的开启和关闭。
可选的，传动机构是固定速比的齿轮，有机朗肯循环回路中膨胀机的机械输出轴通过该齿轮连接所述驱动电机。或者，传动机构是轴承，有机朗肯循环回路中膨胀机的机械输出轴通过轴承连接所述驱动电机。图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池汽车的驱动助力***的结构示意图。如图2所示，图中齿轮或轴承251位于驱动电机与膨胀机之间。在助力***工作时，膨胀机165的机械输出功直接通过齿轮或中间连接轴传递给驱动电机153。在助力***不工作时，由第一三通阀163，控制有机工质流经管路164b，流到冷凝器166，对膨胀机165起到旁通的作用，驱动电机153带着膨胀机165进行空转，存在能量损失的问题，但结构较为简单。
本实施例的技术方案，通过有机朗肯循环回路将燃料电池汽车的电堆***排出的废热回收利用，转换为助力扭矩，并通过传动机构将该助力扭矩传递给驱动电机，用以为燃料电池汽车的驱动***助力，提升了整车能量利用率。
在上述技术方案的基础上，本发明实施例还提供了一种燃料电池汽车。图3为本发明实施例提供的一种燃料电池汽车的结构示意图。如图3所示，该燃料电池汽车包括：整车机械连接结构、电路回路、有机朗肯循环回路和燃料电池电堆冷却回路。
其中，电路回路包括：燃料电堆171、高压电池181、逆变器182和前轴驱动电机153。
有机朗肯循环回路包括：有机工质泵161、热交换器162、第一三通阀163、膨胀机165、冷凝器166、冷凝风扇167和所需有机工质连接管路。
燃料电池电堆冷却回路包括：燃料电堆171、冷却工质泵172、第二三通阀173、热交换器162和所需冷却工质连接管路。
整车机械连接结构包括：左前轮110、右前轮120、左后轮130、右后轮140、前轴差速器151、变速器152、前轴驱动电机153、逆变器182和离合器154。示例性的，燃料电堆171分别与高压电池181和逆变器182电连接；燃料电堆171、冷却工质泵172、第二三通阀173和热交换器162通过冷却工质管路串联，第二三通阀173的进口与燃料电堆171的冷却工质出口连接，第二三通阀173的第一出口与热交换器162连接，第二三通阀173的第二出口与燃料电堆171的冷却工质进口连接。
前轴驱动电机153通过机械连接轴连接变速器152，用于根据逆变器182输出的交流电产生机械扭矩，并输出机械扭矩给变速器152。需要说明的是，与该燃料电池汽车的驱动助力***相应的驱动形式，可以根据需求实现多种，包括前驱、后驱和四驱。本发明为了说明方便采用前驱形式。相应的，上述驱动助力***中驱动电机可以是前轴驱动电机。此外，差速器可以是前轴差速器。
变速器152与前轴差速器151连接，用于根据不同档位的速比调节机械扭矩，并将调节后的机械扭矩输出至前轴差速器151。前轴差速器151，用于根据变速器152输出的机械扭矩驱动燃料电池汽车的车轮旋转。
可选的，燃料电堆171与高压电池181电连接，用于输出第一电能给高压电池181。前轴驱动电机153与逆变器182电连接，用于输出交流电给逆变器182。逆变器182与高压电池181电连接，用于将交流电转换为直流电，得到第二电能，输出第二电能给高压电池181。
从驾驶工况角度来看，可以实现燃料电池汽车冷启动工况、燃料电池电堆驱动工况、有机朗肯循环驱动助力工况和停车充电工况等。
示例性的，在外界环境温度较低(例如，低于预设温度阈值)的情况下，若启动燃料电池汽车，则燃料电池汽车进入冷启动工况。在冷启动工况下，燃料电堆无法输出有效驱动功率，高压电池181作为整车动力源，输出高压直流电到逆变器182，直流电经逆变器182转换为交流电，输出给驱动电机153，驱动电机153产生旋转机械能经由变速器152和差速器151输出给整车驱动轴，为整车提供动力。此时，有机朗肯循环回路不工作，第二三通阀173控制冷却工质经管路174b流入燃料电堆，燃料电池电堆冷却回路实现自循环，无余热输出。膨胀机165与驱动电机153之间的离合器处在断开状态。
在外界环境温度较高(例如，大于或等于预设温度阈值)的情况下，若启动燃料电池汽车，则燃料电池汽车进入正常启动工况。
示例性的，在燃料电池汽车冷启动的基础上，燃料电堆温度逐渐上升，但仍低于最佳工作温度范围，进入燃料电池电堆驱动工况。此时有机朗肯循环回路不工作，第二三通阀173控制燃料电堆冷却工质经管路174b流入燃料电堆，燃料电池电堆冷却回路实现自循环，无余热输出。膨胀机165与驱动电机153之间的离合器处在断开状态。在此工况下，燃料电堆171可对外输出电能，如果输出电能能够满足整车驱动功率需求，则由燃料电堆171进行氢气和氧气的化学反应产生直流电，输出给逆变器182转换为交流电，输出给驱动电机153，驱动电机153产生旋转机械能经由变速器152和差速器151输出给整车驱动轴，为整车提供动力。如果输出电能不能够满足整车驱动功率需求，则由燃料电堆171进行氢气和氧气的化学反应产生直流电，同时由高压电池181输出电能，作为燃料电堆171输出电能的补充，两者一起输出给逆变器182转换为交流电，输出给驱动电机153，驱动电机153产生旋转机械能经由变速器152和差速器151输出给整车驱动轴，为整车提供动力。
示例性的，随着燃料电堆温度继续上升，当温度超过最佳工作温度范围，进入有机朗肯循环驱动助力工况。此时需要对燃料电堆的余热进行散出，以保证燃料电堆的工作温度稳定，第二三通阀173控制冷却工质经管路174a流入热交换器162。此时有机朗肯循环回路开始工作，有机工质泵161对有机朗肯循环回路中的有机工质进行升压，把升压后的液态有机工质输送到热交换器162，与来自燃料电池电堆冷却回路中的余热进行热交换，把燃料电池电堆冷却回路中的余热转移到有机朗肯循环回路中，有机工质发生相变作用，由高压液态转变为高压气态。高压气态工质流经膨胀机165，在膨胀机内进行膨胀，变为低压气体做功，驱动膨胀机输出旋转机械功。此时，膨胀机165与驱动电机153之间的离合器处在结合状态。由机械输出轴把膨胀机165输出的机械扭矩传递给离合器主动盘，由主动盘转递给从动盘，从而与驱动电机的驱动扭矩进行叠加，用于电机驱动助力。由膨胀机165流出后的有机低压气态工质，流经冷凝器166，通过与外部冷却空气对流，对流经冷凝器166内部的低压气体进行散热，实现低压有机工质由气态向液态的相变过程。根据冷却风量的需求，对冷凝风扇167进行调节，控制有机工质的冷凝过程。其中，确定冷却风量的需求量的方式有很多种，本发明实施例并不作具体限定。例如，可以根据燃料电堆171的冷却工质进口处冷却工质的温度确定冷却风量的需求量，进而，控制冷凝风扇167的转速。工质泵161进一步把低压液态进行升压，实现朗肯循环回路中的工质流动。
示例性的，在停车充电工况下，高压电池181电量低于一定值，由燃料电堆171进行氢气和氧气的化学反应产生直流电，为高压电池进行充电。当燃料电堆171温度超过最佳工作温度范围，此时需要对燃料电堆的余热进行散出，以保证燃料电堆的工作温度稳定，第二三通阀173控制冷却工质经管路174a流入热交换器162。此时有机朗肯循环回路开始工作，有机工质泵161对有机朗肯循环回路中的有机工质进行升压，把升压后的液态有机工质输送到热交换器162，与来自燃料电池电堆冷却回路中的余热进行热交换，把燃料电池电堆冷却回路中的余热转移到有机朗肯循环回路中，有机工质发生相变作用，由高压液态转变为高压气态，由第一三通阀163，控制有机工质流经管路164a，流到膨胀机165。高压气态工质在膨胀机165内进行膨胀，变为低压气体做功，驱动膨胀机输出旋转机械功。此时膨胀机165与驱动电机153之间的离合器处在结合状态。由机械输出轴把膨胀机165输出的机械扭矩传递给离合器主动盘，由主动盘转递给从动盘，再由从动盘传递给驱动电机，此时驱动电机作为发电机工作，产生的交流电经由逆变器182转换为直流电，与燃料电堆171输出的电能进行叠加，输出给高压电池181，为其充电。当高压电池181电量高于一定值，不需要进行充电情况下，燃料电堆停止工作，此时为了保证燃料电堆内部温度均匀，不产生局部高温，控制燃料电池电堆冷却回路继续运行一段时间，同时有机朗肯循环仍参与工作，由第一三通阀163，控制有机工质流经管路164b，流到冷凝器166，不经过膨胀机165，实现燃料电堆余热的转移，此种控制模式可减少有机朗肯循环回路的阻力，同时延长膨胀机工作寿命。
本发明实施例提供的一种燃料电池汽车，可以对燃料电堆余热进行回收利用，用于驱动助力或对高压电池充电，提升能量利用合理性。
需要说明的是，逆变器、驱动电机和变速器可以分体设计，即逆变器、驱动电机和变速器均是相互独立的部件。可选的，可以对逆变器、驱动电机和变速器中的至少两个进行集成设计，以节省布置空间。例如，可以对驱动电机与变速器进行集成设计。或者，对逆变器与驱动电机进行集成设计。或者，对逆变器、驱动电机和变速器进行集成设计。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车的驱动助力***，其特征在于，包括：有机朗肯循环回路、传动机构和控制器；
所述有机朗肯循环回路通过所述传动机构与燃料电池汽车的驱动电机连接；
所述控制器，与所述有机朗肯循环回路连接，用于控制所述有机朗肯循环回路产生助力扭矩；
所述有机朗肯循环回路，用于在所述控制器的控制下，根据所述燃料电池汽车中燃料电堆释放的热能产生助力扭矩；
所述传动机构，用于将所述助力扭矩传递给所述驱动电机。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述传动机构是离合器。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述离合器的主动盘与所述有机朗肯循环回路中膨胀机的机械输出轴固定连接，所述离合器的从动盘与所述驱动电机的驱动轴固定连接。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述控制器还用于控制所述主动盘和从动盘的吸合和分离。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述传动机构是固定速比的齿轮，所述有机朗肯循环回路中膨胀机的机械输出轴通过所述齿轮连接所述驱动电机。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述传动机构是轴承，所述有机朗肯循环回路中膨胀机的机械输出轴通过轴承连接所述驱动电机。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述有机朗肯循环回路包括：有机工质泵、热交换器、第一三通阀、膨胀机、有机工质管路、冷凝器和冷凝风扇；
所述有机工质泵、热交换器、膨胀机和冷凝器通过所述有机工质管路串联，所述第一三通阀的进口与所述热交换器连接，所述第一三通阀的第一出口与所述膨胀机连接，所述第一三通阀的第二口与所述冷凝器连接；
所述冷凝风扇配合所述冷凝器设置，用于根据冷却风量要求对所述冷凝器中有机工质进行冷凝。
8.一种燃料电池汽车，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的驱动助力***。
9.根据权利要求8所述的燃料电池汽车，其特征在于，还包括：差速器、变速器、驱动电机、逆变器、高压电池、燃料电堆、冷却工质泵、第二三通阀和冷却工质管路；
所述燃料电堆分别与所述高压电池和逆变器电连接；
所述燃料电堆、冷却工质泵、第二三通阀和热交换器通过所述冷却工质管路串联，所述第二三通阀的进口与所述燃料电堆的冷却工质出口连接，所述第二三通阀的第一出口与所述热交换器连接，所述第二三通阀的第二出口与所述燃料电堆的冷却工质进口连接；
所述驱动电机通过机械连接轴连接所述变速器，用于根据逆变器输出的交流电产生机械扭矩，并输出所述机械扭矩给所述变速器；
所述变速器与所述差速器连接，用于根据不同档位的速比调节所述机械扭矩，并将调节后的机械扭矩输出至所述差速器；
所述差速器，用于根据所述变速器输出的机械扭矩驱动燃料电池汽车的车轮旋转。
10.根据权利要求8所述的燃料电池汽车，其特征在于，还包括：燃料电堆、驱动电机、逆变器和高压电池；
所述燃料电堆与所述高压电池电连接，用于输出第一电能给所述高压电池；
所述驱动电机与逆变器电连接，用于输出交流电给所述逆变器；
所述逆变器与所述高压电池电连接，用于将所述交流电转换为直流电，得到第二电能，输出所述第二电能给所述高压电池。
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