[发明专利]用于车辆的混合功率装置系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年12月3日提交的美国临时申请No. 61/266468以及2010年5月28日提交的美国非临时申请No. 12/790701的权益，它们通过引用而完整地结合于本文中。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及能量存储和产生装置，更具体地涉及使用这种装置来支持车辆的推进。

背景技术

通常，用于推进电动车辆的电功率由电池提供。这些电池通常通过插座机构使用来自电网的电来充电。现有技术的电池能够在大块的外壳中电方式存储能量，该大块的外壳比现有技术的内燃发动机、外燃发动机和燃料电池重得多。因此，电池驱动的电动车辆的驾驶里程受到需要存储提供期望的车辆里程的所需的能量的电池的重量、尺寸和成本的限制。因此，电池电动车辆的里程通常低于等量的内燃、外热或燃料电池驱动的车辆。

对仅具有电池的电动车辆的电池进行充电也是耗费时间和能量强度高的过程。这些特性使得仅有电池的电动车辆的里程问题更为严峻，因为在到达驾驶员的目的地之前存在与到达车辆的里程限制相关的时间损失。术语“里程焦虑”已经被创造出来用于描述很多的仅有电池的电动车辆驾驶员在他们的车辆电池的电荷状态下降时所经历的紧张感受。

最后，仅有电池的电动车辆的一个主要限制在于它们仅能够利用电来补给（或再充电）。结果，车辆的环境影响与产生电的方式有关，而大部分使用者对此无能为力。在电主要是由煤来产生的区域中，电池电动车辆的环境影响可能高于等量的汽油车辆。

为了解决仅有电池的电动车辆的里程、补给时间以及补给源的问题，已经提出了结合内燃发动机、外燃发动机或燃料电池发生器。这些发生器可以使用可用的燃料来补给。因此由燃料的化学能减去与将燃料的化学能转换为电能相关的无效率提高了车辆携带的能量。发生器主要用于对车辆的电池再充电或降低从电池提取的电能。

然而，与电池组一起使用内燃发动机在技术上是复杂的，并且通常引起过度的能量损失，其降低车辆效率并且增加发动机尺寸需求。主要障碍在于机械能形式的内燃发动机的输出能量通过发生器转换为电能。此外，发生器的电输出必须被转换以匹配车辆电池的电压。这些能量转换步骤降低了发动机的整体效率，而增加了重量、尺寸和成本。

另外，由于不稳定的燃烧过程以及在燃烧室中的压缩和膨胀过程，内燃发动机固有地产生氮氧化物（NOx）排放物。高的燃烧温度和高的压力促进NOx的形成。NOx是低空臭氧形成的前体，低空臭氧是在儿童中引起肺部疾病和慢性哮喘的主要因素。

最后，尽管燃烧发动机能够以很多燃料补给，但它们很少能够以多种类型的燃料来补给。例如，不含铅汽油的发动机具有以柴油燃料来运转的能力是非常不常见的。该限制是由于不同类型的燃料在压缩和膨胀要求方面的不同。此外，每种燃料具有不同的使得能够以不同类型的燃料操作的移动部件的设计变得复杂的润滑和材料要求。

燃料电池是电化学功率发生器，类似于电池，其直接将化学能转换为电。这种直接转换能够导致非常高效的操作。现有技术的有成本效益的燃料电池使用氢作为它们的燃料。因此，为了使用燃料电池来扩展电池电动车辆的驾驶里程，必须使用氢作为燃料，或者必须采用车载重整器。

氢是有吸引力的车辆燃料，因为它能够由大量的源产生。车辆的排放物可能仅是水蒸汽。然而，氢是一种具有低的体积能量密度的燃料。也就是说，在一定体积中包含的氢的能量含量比较小。作为一个示例，图1是显示对20kWh电池组充电所需要的燃料的加仑数的图表。为了使用燃料电池系统向车辆的电池提供20kWh的电能，将需要14.2加仑的被压缩到5000psi的氢，而柴油或汽油仅需要2加仑。液体燃料比氢燃料具有高得多的能量含量，因此，即使具有与重整相关的更大的效率损失，所需的燃料的量也低得多。

如果在传统的燃料电池中使用氢之外的燃料，则需要重整器。重整器在通常是催化的过程中将燃料转换为富氢气体。然而，现有技术的重整器催化剂易受到燃料中的硫含量的影响。因此，汽油和柴油重整是高度特殊的任务。大部分汽油或柴油重整器采用液体硫捕集器、加氢脱硫反应器或分馏来降低进入重整器的硫水平。这些系统增加了整体系统的复杂性、成本、尺寸和重量。