一种氢内燃动力系统、车辆及控制方法与流程

1.本发明属于新能源轨道车辆领域，具体涉及一种氢内燃动力系统、包括该氢内燃动力系统的车辆以及控制方法。


背景技术：

2.氢能作为一种清洁的二次能源，在轨道车辆中的应用受到广泛关注。有机液态储氢具有高体积储氢密度、加注速度快和高安全性的优点，可以满足氢能源轨道车辆对高功率等级、长续航和高安全性的要求，但其放氢温度平台较高，需要额外提供热量。
3.例如在公开号为cn 104975988 b的专利中，公开了一种用于氢内燃机的液态储氢材料的供氢系统，并在其说明书中具体公开了以下内容：内燃机工作过程中有很多能量以热量的形式释放，工作温度可达400℃以上，目前的汽油、柴油和燃气内燃机都是通过冷却系统将热量带走，然后散热浪费掉。而由于脱氢反应是一个吸热过程，反应温度在120～250℃，而内燃机释放的热量可以通过换热系统，特别是用氢源燃料本身作为冷凝剂，加以利用，整个过程起到了冷却和提高能源利用率的效果。即该专利中公开了利用内燃机工作过程中产生的热量通过换热系统应用到脱氢反应中，但是其忽略了其他能量的利用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的第一发明目的是提供一种新的氢内燃动力系统，该装置一方面充分利用氢内燃机产生的热量，另一方面利用制动电阻和增压机产生的废热，可以使车辆在正常运行时，有机储氢系统不需额外热源稳定供氢，实现有机储氢系统车载应用，并提高能源利用效率。
5.本发明的第二发明目的是提供一种包括所述氢内燃动力系统的车辆。
6.本发明的第三发明目的是提供一种包括所述氢内燃动力系统的车辆的控制方法。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
8.第一方面，本发明的实施例提供了一种氢内燃动力系统，包括供氢系统、氢内燃发电系统、制动系统、和牵引动力系统；所述的供氢系统包括储油罐、反应器和增压机；本系统还包括换热系统，增压机、制动系统及氢内燃发电系统的冷却介质经由各自冷却循环系统流入换热系统换热后流回各自冷却循环系统，储油罐的液态氢源由储油罐流入换热系统换热后流入反应器进行脱氢反应。
9.作为进一步的技术方案，所述的换热系统包括换热器，所述换热器包括气体、液体多组流道，且每路流道应具备独立流量控制器。
10.作为进一步的技术方案，所述的制动系统包括制动电阻和动力电池，在车辆制动时，制动能量转换为电能，给所述的动力电池供电，所述的制动电阻吸收多余的能量，制动电阻产生热量提供给换热系统。
11.作为进一步的技术方案，所述的氢内燃发电系统包括氢内燃机和发电机；供氢系统提供的氢气进入氢内燃机内燃烧，将化学能转化为机械能，并由发电机将机械能转化为
电能；所述的氢内燃机产生的热量提供给所述的换热系统。
12.作为进一步的技术方案，所述的氢内燃机可替换成氢发动机或氢燃气轮机。
13.作为进一步的技术方案，所述的反应器还连接有电加热系统。
14.作为进一步的技术方案，所述的电加热装置由车载动力电池或外部供电提供电能。
15.第三方面，本发明还提供了一种车辆，该车辆上安装有前面所述的氢内燃动力系统。
16.作为进一步的技术方案，所述车辆上安装空调系统，所述的空调系统的制热装置与所述的换热系统相连。
17.第三方面，本发明还提供了一种车辆的控制方法，如下：
18.车辆冷机启动时，动力电池向反应器配置的电加热系统和增压机提供电能；反应器加热到设定温度放氢，氢气经过增压机增压，输送给氢内燃机或者氢发动机或氢燃气轮机；当产生的氢气满足氢内燃机燃料供应要求，内燃机点火，对外输出牵引功率；
19.车辆运行时，氢内燃机、氢发动机或氢燃气轮机的尾气经过换热系统将热量传导给供氢系统，将液态氢源加热到设定温度后进入反应器进行放氢；系统运行过程中，若氢内燃机、氢发动机或氢燃气轮机的机尾气热量不能满足供氢系统放氢需求，则使用氢气增压机余热进行热量补充；
20.车辆停站时，氢内燃机发电系统不停机，所发出的电能给动力电池充电，尾气经过换热系统将热量传导给供氢系统的反应器；
21.车辆制动时，制动能量转换为电能，优先给动力电池充电，多余能量被制动电阻消耗，制动电阻热量经换热系统传导给供氢系统的反应器。
22.上述本发明的实施例的有益效果如下：
23.1.本发明提供的基于液态氢源供氢和余热利用的氢内燃动力系统，该系统可以合理利用氢内燃机尾气、制动电阻及增压机废热给液态氢源加热，使在车辆运行时无需额外热源，即可稳定供氢。此系统可以实现安全、大量车载储氢，并可通过废热利用提高车辆综合能源利用率。
24.2.本发明提供的包括上述氢内燃动力系统的车辆，该车辆使用液态氢源作为大容量储氢介质，为燃氢内燃机(包括氢发动机与氢燃气轮机)提供燃料，并且同时可以实现废热利用提高车辆综合能源利用率。
25.3.本发明提供的氢内燃动力车辆的控制方法，该控制方法可以对氢内燃机、制动电阻及增压机废热进行合理利用，使液态氢源无需额外热源即可稳定供氢。通过维持内燃机在高效率点运行、避免频繁起停，可提高车辆能效、延长内燃机使用寿命。
附图说明
26.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
27.图1是本发明实施例提供的液态氢源和废热利用的车辆氢动力系统拓扑结构。
28.图2是本发明实施例中的换热器的结构示意图。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
31.正如背景技术所介绍的，现有技术中氢能作为一种清洁的二次能源，在轨道车辆中的应用受到广泛关注。有机液态储氢具有高体积储氢密度、加注速度快和高安全性的优点，可以满足氢能源轨道车辆对高功率等级、长续航和高安全性的要求，但其放氢温度平台较高，需要额外提供热量。为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种氢内燃动力系统、车辆及控制方法。
32.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例提供了一种基于液态氢源供氢和废热利用的氢内燃动力系统，该车辆氢动力系统拓扑结构如图1所示，其包括供氢系统、氢内燃发电系统、换热系统和牵引动力系统；所述的供氢系统包括依次连接的储油罐、反应器、分离器、缓冲罐和增压机；所述的换热系统将氢内燃发电系统、制动系统以及增压机产生的废热输送给反应器。该系统可以合理利用氢内燃机尾气、制动电阻及增压机废热给液态氢源加热，使之在车辆运行时，无需额外热源，即可稳定供氢。此系统可以实现安全、大量车载储氢，并可通过废热利用提高车辆综合能源利用率，下面对每个系统以及各个系统与换热系统之间的关系进行说明：
33.其中，本实施例中的供氢系统用于给氢内燃动力系统提供氢气，其结构如图1所示，主要由依次连接的储油罐、反应器、分离器、缓冲罐和增压机组成；其中氢源储存在储油罐中，在需要氢气供应时，储油罐中的氢源流入反应器，在反应器中加热到设定反应温度时，在催化剂的作用下产生氢气。氢气与脱氢后的液态氢源混合物流入分离器中进行气液分离，分离出的氢气进入缓冲罐，脱氢后的液态氢源返回储油罐中。氢气经增压机加压到氢内燃机所需压力，提供给氢内燃发电系统。
34.进一步需要说明的是，上述的反应器的设定温度根据氢源产生氢气的温度进行设定，例如：日本研发的基于甲苯等传统有机材料的储氢技术，脱氢温度大于300℃；在国内研发的一类液态有机共轭分子储氢材料，此类材料的脱氢温度约150℃；所以反应器的具体设定温度根据氢材料进行确定。
35.进一步的，本实施例中氢内燃发电系统由燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)和发电机组成；由供氢系统供应的氢气在氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)内燃烧，将化学能转化为机械能，并由发电机将机械能转化为电能，给车辆牵引系统供电。进一步的需要说明的是，氢内燃动力系统发出的电能不能直接给牵引电机供电，一般需要经过整流和逆变环节给一台或多台牵引电机提供电能，牵引电机接收来自变流器逆变部分的三相可控电能，将电能转换为机械能提供给齿轮箱、车辆轮对或者其他辅助负载。
36.进一步的，本实施例公开的换热系统用于将氢内燃动力系统的燃氢内燃机或氢发动机或氢燃气轮机、制动电阻及增压机等设备废热传导给供氢系统；下面对换热系统的结
构进行具体说明：
37.进一步的，本实施例中公开的换热系统的结构如图2所示，所述的换热系统需进行集成设计，具备气体、液体多组流道，液态氢源、空调导热介质、内燃机尾气、增压机和制动电阻冷却介质等经管道流入换热系统，进行热交换。每路流道应具备独立流量控制器，可根据所需换热量控制对应流道流量。液态氢源由储罐流入换热器，换热后流入反应器进行脱氢反应。内燃机尾气经换热后排出。增压机、制动电阻及动力电池冷却介质经由各自冷却循环系统流入换热器，换热后流回各自冷却循环系统。
38.进一步的，当燃氢内燃机或氢发动机或氢燃气轮机、制动电阻及增压机产生的热量过多，供氢系统无法全部使用的情况下，该热量还可以应用在其他设备上，例如供给车辆的空调制热系统。
39.进一步的，本实施例中的供氢系统还配置有电加热器，可由车载动力电池或外部供电提供电能，用于在车辆冷机启动时将反应器加热到设定反应温度。需要说明的是，当后期车辆正常运行时，氢内燃动力系统的燃氢内燃机或氢发动机或氢燃气轮机、制动电阻及增压机等设备提供的废热已经足以供反应器使用时，该电加热器关闭；当后期车辆正常运行时，氢内燃动力系统的燃氢内燃机或氢发动机或氢燃气轮机、制动电阻及增压机等设备提供的废热不足以供反应器使用时，该电加热器才开启；因此电加热器可以根据实际需要进行开启或者关闭。
40.进一步的，本实施例中供氢系统和氢内燃动力系统一般在车辆内集中布置，牵引动力系统等分散布置在车辆对应的位置。
41.进一步的，本实施例中的车辆还配置有动力电池，所述的动力电池对车辆峰值功率进行补充和制动能量回收，并用于供氢系统冷机启动加热。
42.进一步的，本实施例中的车辆匀速行驶阶段使用氢内燃发电系统提供牵引所需能量。
43.进一步的需要说明的是，本实施例还提供了一种车辆，该车辆可以为轨道车辆或者公路上运行的普通汽车，所述的轨道车辆可以是任何适当类型的车辆，例如普速火车、动车、地铁车辆、城铁车辆等，本发明不局限于某种或某些特定的轨道车辆类型。由于该车辆中设置有如上所述的氢内燃动力系统，因此该车辆同样具备如上所述的全部优势。
44.进一步的，本实施例结合上述氢内燃动力车辆，还提供了一种车辆氢动力系统余热利用控制方法，本方法对氢内燃动力系统、制动电阻及增压机等设备废热进行系统性利用，优先供给储氢系统，满足供氢系统中的反应器所需热量要求，并在需要时将多余热量供给车辆空调制热，具体如下：
45.车辆冷机启动时，动力电池向反应器配置的电加热系统和增压机提供电能。反应器加热到特定温度放氢，氢气经过增压机增压，输送给燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)。当产生的氢气满足氢内燃机燃料供应要求，燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)点火，对外输出牵引功率。
46.车辆运行时，燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)尾气经过换热系统将热量传导给供氢系统，将液态氢源加热到特定温度放氢；系统运行过程中，若燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)尾气热量不能满足供氢系统放氢需求，则使用氢气增压机余热进行热量补充，使产生的氢气满足燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)燃料供应要求。
47.车辆停站时，燃氢内燃机(或氢发动机或氢燃气轮机)发电系统不停机，所发出的电能给动力电池充电，尾气经过换热系统将热量传导给供氢系统。
48.车辆制动时，制动能量转换为电能，优先给动力电池充电，多余能量被制动电阻消耗，制动电阻热量经换热系统传导给供氢系统进行脱氢反应。
49.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。