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浅析如何用车载甲醇发电给动力电池充电

作者:时间:2018-08-03来源:网络

中国新能源汽车分为三类,纯电动汽车、插电式(含程式)混合动力汽车、燃料电池汽车。目前动力电池技术水平明显提升,但其瓶颈还没有真正突破。正如交通运输部有关领导在电动汽车百人会2016年度会议上抱怨的那样:目前的新能源汽车整车的技术水平离终端用户的要求距离较远,是在折腾基层的驾驶员。新能源汽车必须满足用户的基本要求,让以交通运输部为代表的客户满意是必须的,要完成这一任务十分很艰巨。唯一可以做的是不断地创新,加快创新速度。本文对电动汽车用富氢增程器予以介绍与研究,其基本意图,对破解目前新能源汽车破解瓶颈有较大的帮助。

本文引用地址:/article/201808/385221.htm

一、程器的概念

增程器只是个广义的名称。纯电动汽车对用户而言一次充电后续驶里程短的瓶颈。为了增加纯电动汽车行一次性行驶驶里程,业界已经提出较大的方案,其中在纯电动汽车上加装一个附加储能部件的技术方案,这比混合动力方案有了明显的优化。确保了“纯电驱动”技术路线得到贯彻执行,在纯电动汽车的基础上增加一个增程器,国家是有补贴的。

增程器的形式通常有:小型发电机、蓄电池和燃料电池等。普遍的做法是用小型发电机,来做程器。技术上,程器是小型发电机系统,来给动力电池补充电能。

二、程器汽车能量传递路径

程器(小型发电机)发的电,是给车载动力电池进行充电用的,不直接给电机供电。从整车上来讲,是在纯电动汽车基础上,加了一个发电机系统而已,其能量专递路径逻辑如图1所示。

图1 程器汽车能量传递路径

能量传递路径是串联的,结构简单。程器(小型发电机)可以高度集成一个总成,安装位置较为灵活。程器(小型发电机)电能输入动力电池的接口按照国家有关现行标准即可。

程器汽车是以纯电动汽车为基础的,不同的地方是,比纯电动汽车动力电池容量要低得多,一次续驶里程比纯电动汽车要长许多,与传统燃料车基本相同。目前一些的电动汽车里程短,用户是不满意的,即使高频次充电也是不得已的办法。这个水平的电动汽车是无法取代传统汽车的。

三、程器电动汽车动力总成逻辑关系图

程器电动汽车动力总成逻辑关系如图2所示:

图2 电动汽车程器动力总成逻辑关系

从图2的逻辑关系上可以看出:

程器是一个相对独立的总成,由发动机+发电机组成。程器不工作时,此车就是一台纯电动汽车,从功能上看,程器是一个载充电机装置。

配程器的电动汽车,发动机(内燃机)仅为发电机提供动力,可以采用电机直驱,无需变速箱离合器等机械结构,与车辆无机械连接,实现了动力解耦,机械结构简单,车辆性能更加稳定可靠。

配程器的电动汽车,全工况范围内电机无级调速驱动,具有纯电动车辆同等的平顺性及舒适性,为驾乘带来最佳体验;低速时自动切换到纯电动模式,在堵车、低速工况,更加安静、节能。

四、市面目前程器产品基本情况

1)市面目前不同品牌程器产品有汽油、柴油的两大类:

(1)汽油程器产品及参数如图3、图4所示:

图3 市面不同品牌的程器产品外形图

图4 汽油程器基本参数

(2)柴油程器产品外形、基本配置、参数如图5、6、7所示:

图5 柴油程器产品外形图(1000*1000*700)

(2)柴油程器基本配置示意图

图6 柴油程器基本配置示意图

表1 柴油程器基本参数

2)市面目前程器产品基本特点

①无论汽油还是柴油的程器都是2缸机,而发动机基本上4缸机,也有6缸以上的机器。这一点与目前插电式混合动力是本质区别的。插电式混合动力是配发动机的,而程器陪的小功率内燃机,其已经没有发动机的功能了。

②技术特点:以斯太尔增程器为例。斯太尔增程器的核心部件主要由三个部分构成, M12发动机、TFM电机,以及电机系统。 M12 Rex增程器采用卧式2缸柴油机设计,结合高压共轨、涡轮增压、内置中冷器等技术,特别是采用博世最新一代电控高压共轨喷射系统及SCR尾气后处理技术,具有体积小、重量轻、油耗低等特点。其柴油机输出功率为40kW,采用一体式设计发电机,净功率输出为37kW。基于这些独特高超的性能,M12 REX增程器应用范围广泛,可应用于新能源专用车、物流车、6-12米客车以及港口码头专用车领域等。

③无论汽油还是柴油的程器都是燃油内燃机技术,这一点发动机没有区别,尤其要必须要应用尾气环保技术。

④目前市面上,无论汽油还是柴油的程器都是国外品牌,或者是外资企业的产品,核心技术被国外品牌

五、目前市面上燃油程器的不足

中国发展新能源汽车,有“弯道超车”的初衷,如何“弯”道?笔者理解,“纯电驱动”基本找到弯道超车的落脚点,已经具有“中国特色”。驱动模式已经明确,但是驱动车载电机的“电”如何上车,基本是2种,一是动力电池接受电网充电;二是车载燃料发电。

接受电网充电技术有了长足的进步,但是动力电池比能量太低,纯电动汽车一次续驶里程与燃油汽车、CNG汽车相比,相差太远,充电时间与加燃油、加天然气相比,时间太长。

车载发电机发电基本途径有:内燃机发电、燃料电池2种。燃料电池发电目前已经列于国家级示范推广项目。

而燃油内燃机发电技术已经很成熟了。但是车载燃油内燃机(程器)发电,依然烧的是油,与燃油发动机烧油的基本原理是相同的,没有区别,不直接驱动,但是在转成电以后,效率变得更低了。

目前基本有天然气、氢气供给车载载燃气内燃机发电。这个技术方案又面临气体如何上车及安全如何保障?如果程器使用的内燃机使用燃料依然是汽(柴)油,必须要用三元催化技术,进行尾气处理。目前程器汽车对燃油的依赖是客观存在的,达不到零排放的要求,离发展新能源汽车的初衷还有相当一段的距离。

六、在燃油燃油程器上的再创新

主要思路是借用甲醇裂解富氢技术(华中科技大学能源与机械工程学院《甲醇裂解醇氢科研项目组》蒋炎坤教授团队的专利),对目前市面上的程器进行优化。具体思路如下:

1)车载甲醇裂解制富氢的机理介绍

在车载甲醇裂解制富氢装置中,热力学上的甲醇裂解是一个吸热反应过程,甲醇(CH3OH)在催化剂和一定温度作用下(吸热过程反应)产生C-H和C-O键的催化活性及C-C键的偶联反应,实现甲醇裂解变成为氢气(H2)和一氧化碳(CO)(反应式:CH3OH→CO+2H2)。

众所周知,车载内燃机(发动机)所产生的热量的1/3在做功、1/3在制冷降温、1/3因燃烧不充分而通过废气排放到外部浪费。这个外排能量是可用起来的。

2)车载甲醇裂解制富氢装置原理介绍

在车辆上把原来的消声器,用甲醇制氢装置换即可。利用发动机的尾气余热,产生约400℃的高温,使一定纯度的甲醇(75%)在隔绝空气的封闭容器内,经催化,裂解为氢气和一氧化碳气。基本成分有:64%的氢气、32%的一氧化碳气、剩余甲烷等的混合气体。

七、富氢程器与燃油程器相比的优点

1)可以利用尾气的自身热量裂解甲醇,无需在车辆上专设供热装置。既利用了尾气余热,又节省了裂解甲醇所需的能耗。

2)车辆中无需装设高压气瓶储氢,也无需到加氢站去加氢续行。排除了运氢和储氢环节中的各项难题。

3)发动机启动和怠速时、尾气温度很低,不能完成甲醇裂解的化学反应。但是可利用电动汽车蓄电池的能量,启动发动机,带动内燃机,内燃机没有启动和怠速。

4)无需高纯高纯度(90%以上)的精甲醇,用75%纯度的粗甲醇即可,具有普遍推广的的经济价值。

八、当前车载甲醇裂解制气体主要与汽(柴)油参烧

主要原因是:气态氢本身的燃烧热值较高,加上强劲的火焰传播速度、能促进其他燃料加速燃烧。但是气态氢质量密度小,无法满足大型发动机做功要求,于是参烧是一个比较靠谱的方案。

不同燃料参烧方案的不足:车上必须要求有两套不同的燃料供给燃料系统,这也是用户不能接受的。这说明,即使参烧方案,原理科学,技术可行,但是市场上也是行不通的。

九、车载甲醇裂解制气用于改装现有的程器,市场上是完全是可行的

目前市面上程器基本上是汽油、柴油的2缸内燃机,功率在30Kw-40Kw之间。用甲醇裂解富氢技术(华中科技大学能源与机械工程学院《甲醇裂解醇氢科研项目组》蒋炎坤教授团队专利)来改装目前市面上程器,不用两种以上燃料的进行参烧了。

一般情况下甲醇热值较低(汽油的40%),但是在车载式甲醇裂解制气的帮助下,其热值较低可以提高到(汽油的90%)以上,再加上程器功率较小,甲醇与富氢(由甲醇裂解而来)两种燃料参烧比例由目前的2:8会更高。由于甲醇与富氢参烧过程,对用户来说是透明的,市场上完全可以接受的。

①甲醇热值较裂解前提高了27%以上。

②甲醇裂解气含H2、CO、CH4可燃混合气体,其产气率高达95%及以上。

④汽油掺烧甲醇裂解气发动机动力保持在95%以上;

④用100%甲醇替代汽油,满足节约汽油100%的要求。

十、公交车上《车载甲醇裂解制气装置系统》介绍

1) 车载甲醇裂解制气系统组成

图7 车载甲醇裂解制气系统组成示意图

注:(1.电源(蓄电池) 2.点火开关 3.电磁开关 4.甲醇泵 5.甲醇箱 6.温度传感器 7.甲醇裂解装置 8.甲醇喷射器 9.发动机 10.燃油箱 11.电磁阀 12.氢气、一氧化碳储罐 13.压力传感器 14.显示屏 15.电加热器 16.器ECU)

2)甲醇裂解制气系统工作过程

①点火开关开启,甲醇泵4开始工作,甲醇泵4 将甲醇箱5的甲醇导入进入预热管;

②预热后的甲醇经尾气再加热,由装置下部的4个甲醇雾化喷入口进入甲醇裂解装置7内部;

③甲醇裂解装置7内部的甲醇在耐高温、耐氧化催化剂和约400℃温度作用下、分解成氢气(H2)和一氧化碳(CO)。氢气(H2)和一氧化碳(CO);

④进入储气罐12冷却、储存;

⑤依据发动机的工况变化,控制器ECU16发出指令,在进气门打开时、打开电磁阀11,氢气(H2)和一氧化碳(CO)喷入进气歧管进气门处,和新鲜空气(可燃混合气)一同进入发动机气缸,参与燃烧;

⑥温度传感器6将温度信号传输给控制器ECU16,按甲醇裂解装置7内的温度高低,控制电磁阀8的开、闭,调节进入气缸的甲醇供给量和电加热器15的通断;

⑦当发动机排出的尾气不能保证甲醇裂解需要的温度时,控制器ECU16发出指令,电加热装置导通工作,保证甲醇裂解的正常温度,使裂解持续进行;

⑧当发动机尾气足够供给裂解装置所需的热量时,温度传感器输出信号给控制器ECU16发出指令,电加热器15断电,仍由发动机尾气独立供热。

⑨在发动机起动或怠速时,发动机尾气的温度太低,控制器ECU16发出指令,电加热器15导通,由蓄电池供电,保证裂解装置7的正常裂解温度,使裂解反应正常进行。裂解产生的低压氢气(H2)和一氧化碳(CO)进入不锈钢的气体储罐12;

⑩在控制器ECU16的指令,控制电磁阀11的关闭,按发动机工况、供给不同定量的低压氢气(H2)和一氧化碳(CO),和空气混合,(可燃混合气)一起进入气缸参与燃烧。

3)发动机尾气通过裂解器的路径分析

①甲醇裂解装置7内部结构组成示意图

图8 甲醇裂解装置7内部结构组成

注(1.催化剂 2.氢气(一氧化碳)出口 3.外壳与保温层; 4.低温废气出口 5.高温废气入口 6.甲醇喷口 7.甲醇预热管 8.甲醇入口 9.电加热器 10.温度传感器)

②催化剂布置结构

催化剂布置结构原则,要能充分利用发动机尾气的热能,从发动机尾气中吸收热量,催化剂分成三部分、发动机尾气分成4部分,进行热交换,以加大接触传热面积,见图10。

图9 发动机尾气通过裂解器的路线示意图

注:(1.发动机尾气进口 2.尾气4个通道 3.裂解器外壳与保温层 4.催化剂 5.发动机尾气出口)

十二、富氢程器推广的意义

富氢程器推广的意义,实现了发展新能源汽车的初衷:

1.实现能完成节能减排的目标,用100%甲醇替代汽油,满足节约汽油100%的要求,满足国五排放要求;

2.巩固了“纯电动驱动”的技术路线,弯道突破了目前动力电池比能量瓶颈;

3.为用户带来新的价值,75%的甲醇价格是汽油价格五分之一,用户使用费用降低80%;

4.降低新能源汽车制造成本,电动汽车车载动力电池少装四分之三以上。



关键词: 控制

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