[0001] 本发明涉及氢内燃机技术领域，尤其是涉及长续航商用车氢内燃机混合动力系统及车载储氢方式评估。

[0002] 直喷氢内燃机对喷射压力要求高且随着喷射压力的增加，混合物的均匀性略有增强。由于喷射压力升高而增加的湍流动能促进了混合过程的改进，从而提高了BTE（brake thermal efficiency，有效热效率）。然而，高喷射压力会导致储氢罐内的可用氢气比率降低，例如对于配备35MPa储氢罐并采用12MPa喷射压力的动力系统，如果没有车载氢气压缩机，则无法充分利用压力低于喷射压力的储氢罐内的氢气，大幅减少氢能汽车的续航里程；由于高压压缩气态氢的续航里程缩短、低重量和体积能量密度以及安全风险等问题，在氢气应用于车辆之前，还需要进行大量研究，高密度储氢方法的研究引起了相当大的关注，各种储氢方式需要一定的反应温度才能进行，并且在释放氢气时也需要一定的能量，所以储氢方式问题是一大难点。

[0003] 因此，本申请提出长续航商用车氢内燃机混合动力系统及车载储氢方式评估来解决上述存在的技术问题。

[0019] 以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

[0020] 如图1和图2所示，长续航商用车氢内燃机混合动力系统，包括氢内燃机1、余热回收模块2、车载储氢模块3和发电增程模块4，氢内燃机1的动力输出侧与发电增程模块4输入端相连接，氢内燃机1的排气端与余热回收模块2的输入端相连接，余热回收模块2的输出端与车载储氢模块3的输入端相连接，车载储氢模块3的输出端与氢内燃机1的进气端相连接，发电增程模块4的输出端与车载储氢模块3的输入端相连接。

[0021] 余热回收模块2包括涡轮21、低温换热器26和朗肯循环余热回收装置27，涡轮21的输入端与氢内燃机1的排气端相连接，涡轮21的输出端分别连接有高温换热器22和压气机23的输入端，压气机23的输出端连接有中冷换热器24的输入端，中冷换热器24的输出端与氢内燃机1的进气端相连接，氢内燃机1内设置有冷却液25，冷却液25从氢内燃机1内部进入低温换热器26，朗肯循环余热回收装置27的输入端收集低温换热器26、高温换热器22和中冷换热器24产生的余热，朗肯循环余热回收装置的输出端与车载储氢模块3的输入端连接，具体为：氢内燃机1在工作过程中会通过排气歧管、中冷器、换热器等部件散失热量，这也是氢内燃机的三个主要余热来源，根据附图2这三部分详细如下：一、氢内燃机1产生的高温废气经过涡轮21后通过高温换热器22进行换热；二、经过压气机23新鲜空气有较高的温度和压力，需要经过中冷换热器24进行换热，这部分热量也具有可用能；三、氢内燃机1在工作时机体温度高，为了保证机体的可靠性，需要增加冷却液对机体进行冷却，使用过的冷却液可以通过低温换热器26进行换热。这三部分的热量通过朗肯循环余热回收装置27进行回收转换。

[0022] 发电增程模块4包括发电机41、第一电力变换器44和第二电力变换器45，发电机41的输入端与氢内燃机1相连接，发电机41的输出端连接有驱动电机42，第一电力变换器44的输入端与发电机41相连接，第一电力变换器44的输出端连接有电池43的输入端，电池43的输出端分别与驱动电机42和第二电力变换器45相连接，第二电力变换器45的输出端与车载储氢模块3相连接。

[0023] 如图3所示，长续航商用车氢内燃机混合动力系统的车载储氢方式评估，包括以下步骤：步骤1、选择一种待评估车载储氢方式，确定该车载储氢方式反应温度的范围；
步骤2、根据不同的商用车混合动力系统的驾驶人驾驶的工况，确定该驾驶工况下所需要的功率、有效热效率和氢气热值来选择混动模式，其中，混动模式包括氢内燃机直驱和电池增程；
步骤3、根据步骤2得到的功率、有效热效率和氢气热值，计算该驾驶工况下的氢气流量；计算该驾驶工况下的氢气流量，计算公式如下：
（1）

[0024] 式中：为功率，单位W；为氢气流量，单位kg/h；M为氢气热值，单位为MJ/kg；为有效热效率；步骤4、根据能量守恒方程和㶲方程计算余热可用能；
能量守恒方程如下：
（2）

[0025] 其中： 为氢燃料带来的能量， 为进气带来的能量， 为氢内燃机做的功， 为中冷换热器带走的能量， 为高温废气带走的能量， 为冷却
液带走的能量， 为其他损失能量；
㶲方程计算余热可用能的表达式如下：
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）

[0026] 其中， 为氢内燃机的进气中所带有的可用能， 为燃料中所带有的可用能，为排气中含有的可用能， 为冷却液中含有的可用能， 为氢内燃机做的功，为进气的质量流量， 为空气的比热容， 为环境温度， 为氢气的质量流量，为排气的质量流量， 为排气温度、压力下的比焓， 为环境温度与环境压力的比焓，为排气温度、压力下的熵， 为环境温度与环境压力的熵， 为排气中可用能利用率， 为冷却液的流量， 为冷却液的温度， 为冷却液中可用能利
用效率， 为氢燃料的可用效率；
步骤5、通过氢内燃机的排气出口设置的温度传感器测量高温废气温度，根据氢内燃机工作过程中高温废气温度判断储氢方式是否合理，当反应温度≤高温废气温度时，则判定为该储氢方式合理；当反应温度＞高温废气温度时，重新选择储氢方式；
步骤6、根据步骤5选择的储氢方式计算氢气释放能和压气机耗功；各种储氢方式在释放氢气时需要一定的氢气释放能，这部分能量在本发明中有两种来源:氢内燃机余热能和电池补充。此外车载储氢氢气释放后需要通过氢气压缩机进行升压，达到目标氢气压力。氢气释放能与压气机耗功的计算公式如下：
（11）
（12）

[0027] 其中， 为不同储存材料在释放氢温度下的比焓， 为通过压气机的质量流量， 为脱氢焓， 为氢气质量流量， 为将物质压缩到一定的压
力所需要的功率， 为流出压气机的流量， 为进入压气机的流量， 为压气机工作效率；
步骤7、根据步骤6得到的氢气释放能和压气机耗功进行能量评估，当氢气释放能+压气机耗功≤氢内燃机余热可用能时，车载储氢模块所需要的能量完全由余热回收模块提供；当氢气释放能+压气机耗功＞氢内燃机余热可用能时，车载储氢模块所需要的能量差由电池进行补充；
步骤8、通过步骤7的能量评估，判断该车载储氢方式能否利用氢内燃机的余热可用能进行工作，若能利用氢内燃机的余热可用能进行工作，则判定为余热利用率提高；否则返回执行步骤2。

[0028] 实施例本发明在一台2.0L四冲程废气涡轮增压氢内燃机上进行实施验证，结合混合动力系统对多种储氢方式进行评估选择。

[0029] 当发动机工况是以最高43%的BTE在混合动力发电模式下工作时，通过计算只需4.42kg/h的氢气流速即可产生64kW的峰值功率。此时，氢内燃机1的冷却液25产生的温度为
105°C，排气温度为450°C。此外，对氢内燃机1余热进行㶲分析计算，计算结果下文提及。

[0030] 如图4所示，在此工况下进行工作，废气温度在243~450℃之间，可以满足除NH3之外的几乎所有储氢方法，这说明若完全使用废气提供的温度，则不能使用以NH3为载体的储氢方式。

[0031] 对氢内燃机1的余热有用能进行计算，计算结果如图5所示，朗肯循环余热回收装置27对余热进行回收后，进行有用能计算后可以得到来自高温换热器22的废气有用能占79%，来自中冷换热器24的余热有用能占7%，来自低温换热器26的余热有用能占14%，总余热有用能为22.79kW。H2ICE余热有用能可以覆盖MOFs、LT_MH和物理储存方式。但是，对于HT_MH、MBH、LOHC、NH3这些储氢氢方式，氢内燃机1的余热有用能不能完全满足释放氢气和压缩氢气，在这种情况下若采用这些储氢方式则需要电池43提供一定的能量，对余热有用能进行补充。

[0032] 因此，在该工况下，若想完全利用氢内燃机1的余热有用能进行储氢，可以采用MOFs、LT_MH和物理储氢方式。

[0033] 因此，本发明采用上述长续航商用车氢内燃机混合动力系统及车载储氢方式评估，基于能量守恒方程、㶲分析协同分析方法，结合氢内燃机混合动力系统，对氢内燃机的余热可用能计算，关注各种储氢方式所需要的反应温度、释放氢气所需的要能量，针对长续航商用车的常用工况进行车载储氢方法进行评估选择，具有较好的经济效益和广泛的应用前景。

[0034] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。