CN101885299B - 带涡轮风力发电机的混合动力汽车 - Google Patents

Abstract

一种带涡轮风力发电机的混合动力汽车，包括带燃油发动机(9)的汽车本体(10)，安装在汽车本体(10)底部的扩散引射型风力通道(1)、风力通道(1)末端连接有带矢量喷管的出风口(7)，风力通道(1)中装有带转轴的涡轮机叶片(2)，在汽车本体(10)上装有可变频风力涡轮发电机(4)、蓄电池(5)、汽车电动机(8)、自动控制装置(6)，汽车本体(10)上还装有放电蓄电池(3)，在涡轮机叶片(2)的转轴上装有由放电蓄电池(3)提供电源的启动电机；自动控制装置(6)中包括：启动电机通断控制装置，可变频风力涡轮发电机(4)输出功率控制装置，汽车电动机(8)与燃油发动机(9)之间进行切换的切换控制装置，出风口(7)的控制装置。

Description

带涡轮风力发电机的混合动力汽车

一、技术领域

本发明涉及一种利用汽车在行驶过程中产生的风力进行发电的带涡轮风力发电机的混合动力汽车。

二、背景技术

混合动力汽车就是同时装载两种以上的动力源作为驱动动力，以提高能源利用率、大幅度降低燃油消耗和尾气排放的汽车。混合动力汽车一般是在传统内燃机的基础上，加装电力动力源，其目的是减少汽车的污染，提高汽车的能源利用率。

如：“普瑞斯”就是日本丰田汽车公司开发的一款油电混合动力汽车，该车装有两套动力系统，即采用高膨胀比循环的高效汽油发动机和输出功率提升至1.5倍的永磁式交流同步电动机。在行驶过程中这两套动力互相结合，使效率最大化；汽油发动机和电动机都可以在驱动车行驶的同时给蓄电池再充电。汽车由电动机启动，直到当车速达到30km/h左右时，转换到发动机运转，消耗燃料。而在减速制动阶段由车轮来驱动马达将车辆制动能量转换成电能并进行回收到蓄电池被再次利用，这就形成车辆制动能量转换成电能的“再生能量”。实践表明，同等排量的可比普通燃油车辆在街道上行驶费用一般为0.5元/公里，而普瑞斯仅为0.35元/公里(参照油价6.4元/升计)。

由于将车辆制动能量转换成电能的“再生能量”的混合动力汽车技术已经是较为成熟的技术，所以也为利用汽车在行驶过程中产生的风力转换成电能的“再生能量”发电的混合动力汽车技术打下了坚实的基础。

中国专利申请200810143128.8公开了一种风能电动汽车，包括汽车车身，行走系统、电动机、风力发电机和蓄电池，其特征是：风力发电机设在车身的车头内，风力发电机的风叶片采用涡轮风叶设在车头的进风口处，在风机的进风口上设有测风速仪器，在风叶轴上设有自动变桨系统和手动刹车装置；风力发电机的电输出端经逆变电源控制器后与蓄电池输入端相连，蓄电池输出端经多功能电源转换调节器、数字化多层次显示仪和操作台后与驱动电动机相连接。

中国专利申请200610045452.7公开了一种利用风力发电的机电产品，特别涉及一种主要应用于汽车、火车、飞机、轮船等机动车的喇叭口滚筒式螺旋风力发电机。其技术方案是：主要由外罩、发电机、叶片及传动轴构成，外罩内的上部安装螺旋式叶片与深沟式球轴承，并通过螺栓连接在外罩处，经传动轴与下部的发电机及支架连接构成。

中国专利申请200910304147.9公开了一种风力自发电电动轿车，包括车轮、车底盘和车身，车内装有电瓶、制动系统、照明系统和操纵控制系统，车身内靠车前脸格栅处置有一风扇，风扇的旋转叶片朝向车的正前方，风扇的转动轴前端连接旋转叶片，后端与螺旋推杆连为一体，螺旋推杆伸入液压缸内，作为液压缸的推杆；液压缸的缸体出油口通过出油管与液压马达的液压马达进油口连通，液压马达的液压马达出油口又通过回油管与液压油箱连通，液压油箱又通过进油管与液压缸的缸体进油口连通，所述液压马达的输出轴驱动连接发电机，发电机的输出端通过配电箱与电瓶连接。

但是上述技术存在很多明显的不足，如：1、进风口对风力初始能量的采集利用有限；2、汽车在实际行驶过程中会产生不同的风速，不同的风力和风力发电机输出功率的工作关系不明确；3、当汽车在高速行驶的条件下，通过车身内部的流体对自重较轻的汽车会产生较大的影响，缺乏合理的解决方案。

三、发明内容

本发明的目的是设计一种采用带扩散引射型风力通道、带有矢量喷管的出风口、带自动控制装置等系统装置的涡轮风力发电机混合动力汽车。

本发明的具体技术方案是：一种带涡轮风力发电机的混合动力汽车，包括带燃油发动机的汽车本体和安装在汽车本体底部的风力通道，风力通道的进风口位于汽车本体头部、风力通道的出风口位于汽车本体尾部，在风力通道中装有带转轴的涡轮机叶片，在汽车本体上装有涡轮机叶片的转轴驱动的可变频风力涡轮发电机、可变频风力涡轮发电机提供电源的蓄电池、蓄电池提供电源的汽车电动机、自动控制装置，其特征在于：

所述风力通道是扩散引射型风力通道；

出风口是带有矢量喷管的出风口；

在汽车本体上还装有放电蓄电池，在涡轮机叶片的转轴上装有由放电蓄电池提供电源的启动电机；

自动控制装置中包括：放电蓄电池与启动电机之间的电源通断控制装置，可变频风力涡轮发电机输出功率控制装置，汽车电动机与燃油发动机之间进行切换的切换控制装置，出风口的控制装置。

在本发明中：

1、扩散引射型风力通道：20世纪50年代由我国著名科学家钱学森提出了他称之为“风洞风车”的扩压引射型风能装置，这是一种带引射气流的扩压增强型风能装置。由该原理设计出的各种风力通道在航空器上已经是很成熟的技术，本发明统称为扩散引射型风力通道。

2、矢量喷管：包括“二维喷管”和“三维喷管”，只有设置了专门的喷口偏转装置才能实现喷流(推力)的换向，也才可以被称之为“矢量喷管”。三维矢量喷管大致可划分为两大类：第一类三维矢量喷管主要用于将涡喷发动机的推力方向由水平转向下方(其最大偏转角度可超过100度)，它们以产生动力升力为主，提供控制力矩为辅；第二类三维矢量喷管主要用于将涡喷发动机的椎力方向调整一定角度，根据需要向上、向下或向左，向右偏转，它们以提供操纵力矩为主(其转向角一般不超过40度)。三维矢量喷管的研究与应用，发端于20世纪50年代，现主要用于航空器上。

3、自动控制装置：仅从“普瑞斯”汽车的工作控制系统就可以知道汽车电动机与燃油发动机之间进行切换的切换控制装置已经是成熟技术，加之变频控制也是很成熟的技术。因此，在此基础上实现其与放电蓄电池和启动电机之间的电源通断控制、可变频风力涡轮发电机输出功率控制、出风口的控制装置等是自动控制工程师很容易做到的。

4、这种混合动力汽车还可以通过常见的技术手段实现将车辆制动能量转换成电能的“再生能量”与汽车在行驶过程中产生的风力转换成电能的“再生能量”相结合的三种动力源(制动能量、风力、燃油)混合动力汽车。

5、放电蓄电池与蓄电池也可以整体设计，即采用蓄电池兼具放电蓄电池的功能的设计方案也是本发明的等效替换方案。

当然，在实践中还需要至少考虑下列因素：

1、确定进、出风口截面大小以及离地高度。从空气动力学的角度来看，当进风口的直径与离地高度的比值达到一定的数值，车辆行驶的阻力系数变化不明显。

2、在实际应用中会产生不同的风速，风力发电机应该根据涡轮机叶片不同的转速所在区间段产生出多组输出功率对蓄电池进行充电，因此需要设计出具有多个挡位控制功能的自动控制装置。

3、对车身风力通道的出口采用合适的矢量喷管，通过调节排气口方向和截面积来降低风力对车身的升力。

这种带涡轮风力发电机的混合动力汽车具有以下优点：

1、在涡轮机叶片直径相同的情况下，其输出功率在采用扩散引射型风力通道时将明显高于无扩散引射型风力通道。

2、为了克服涡轮机叶片转动的静摩擦力，风力发电机的放电蓄电池给涡轮机叶片初始转速，即使在低速下仍然能够使风力发电，最大可能的利用风能。

3、由于采用了矢量喷管的出风口，使汽车在高速行驶的条件下既增强了汽车的稳定性，又增大了汽车的安全性。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意俯视图。

图2是风力通道大样图。

图3是带有矢量喷管的出风口大样图。

附图中：1、风力通道；2、涡轮机叶片；3、放电蓄电池；4、可变频风力涡轮发电机；5、蓄电池；6、自动控制装置；7、带有矢量喷管的出风口；8、汽车电动机；9、燃油发动机；10、汽车本体。

五、具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。本发明的应用范围不限于该实例。

参照图1、图2和图3，一种带涡轮风力发电机的混合动力汽车，包括带燃油发动机9的汽车本体10和安装在汽车本体10底部的两组风力通道1，风力通道1的进风口位于汽车本体10头部、风力通道1的出风口7位于汽车本体10尾部，在风力通道1中装有带转轴的涡轮机叶片2，在汽车本体10上装有涡轮机叶片2的转轴驱动的可变频风力涡轮发电机4、可变频风力涡轮发电机4提供电源的蓄电池5、蓄电池5提供电源的汽车电动机8、自动控制装置6，其特征在于：

所述风力通道1是扩散引射型风力通道1；

出风口7是带有矢量喷管的出风口7；

在汽车本体10上还装有放电蓄电池3，在涡轮机叶片2的转轴上装有由放电蓄电池3提供电源的启动电机；

自动控制装置6包括：放电蓄电池3与启动电机之间的电源通断控制装置，可变频风力涡轮发电机4输出功率控制装置，汽车电动机8与燃油发动机9之间进行切换的切换控制装置，出风口7的控制装置。

现以普通家用1.3L排量的混合动力汽车本体10为原型，在汽车头部设置两组可变频风力涡轮发电机4和扩散引射型风力通道1，当汽车由燃油发动机9或者汽车电动机8驱动汽车行驶后，在此过程中产生的风力经过扩散引射型风力通道1，使涡轮机叶片2转动并带动可变频风力涡轮发电机4发电。当汽车在低速行驶条件下，即风力不能达到可变频风力涡轮发电机4的最低启动能量时，将自动控制装置6的挡位置于放电蓄电池3启动启动电机的位置，放电蓄电池3给涡轮机叶片2初始转速后，停止放电，然后涡轮机叶片2在低风速的条件下能尽可能地采集较低的风力，带动可变频风力涡轮发电机4转化为电能。

当风力达到可变频风力涡轮发电机4的启动输出功率时，自动控制装置6置于可变频风力涡轮发电机4给蓄电池5充电的位置，为汽车的驱动电源储能。通过实验，我们得到当风速在40km/h的情况下，单个普通风力发电机能够产生40w的功率；当风速越高，风力转化为电能的转化率越高。我们可以使用目前成熟的稀土永磁无铁芯电机(系统效率95％以上)技术，风力提供的输出功率将有很大的提高。

自动控制装置6可以根据不同涡轮机转速来触发挡位的选择，并用输出功率区间段对挡位进行分级控制。

当车速达到100km/h的情况下，可变频风力涡轮发电机4将产生1kw一5kw的输出功率向蓄电池5充电。由于此时车速较高，会造成行驶过程中车身的不稳定，风力也会对车身产生较大的升力。我们设置的矢量喷管出风口7与风力通道末端的可旋转的封闭接口连接，矢量喷管出风口7外部可以固定齿轮，齿轮可以通过马达控制，自动控制装置6来开关马达调节矢量喷管出风口7的方向。在矢量喷管出风口7的排风管道内层设有褶皱的封闭通道，内层外边缘安置弹簧，当风力逐渐变大时，弹簧受力压缩，褶皱拉伸，会自动增加矢量喷管出风口7的截面积，以达到调节出风口排风量的目的，这样可以减少因车身自重不足等因素而产生的不稳定状态，保障行车安全。

当蓄电池5中的电能达到规定值时，自动控制装置6使电动机8对汽车进行驱动；当蓄电池5中的电能低于设定值时，自动控制装置6切断电动机8电源，同时起动燃油发动机9对汽车进行驱动。

Claims (1)

1.一种带涡轮风力发电机的混合动力汽车，其中包括带燃油发动机(9)的汽车本体(10)和安装在汽车本体(10)底部的风力通道(1)，风力通道(1)的进风口位于汽车本体(10)头部、风力通道(1)的出风口(7)位于汽车本体(10)尾部，在风力通道(1)中装有带转轴的涡轮机叶片(2)，在汽车本体(10)上装有涡轮机叶片(2)的转轴驱动的可变频风力涡轮发电机(4)、可变频风力涡轮发电机(4)提供电源的蓄电池(5)、蓄电池(5)提供电源的汽车电动机(8)、自动控制装置(6)，其特征在于：

所述风力通道(1)是扩散引射型风力通道(1)；

出风口(7)是带有矢量喷管的出风口(7)；

在汽车本体(10)上还装有放电蓄电池(3)，在涡轮机叶片(2)的转轴上装有由放电蓄电池(3)提供电源的启动电机；

自动控制装置(6)中包括：放电蓄电池(3)与启动电机之间的电源通断控制装置，可变频风力涡轮发电机(4)输出功率控制装置，汽车电动机(8)与燃油发动机(9)之间进行切换的切换控制装置，出风口(7)的控制装置；

该矢量喷管的出风口(7)与风力通道(1)末端的可旋转的封闭接口连接，矢量喷管的出风口(7)外部固定齿轮，齿轮通过马达控制，自动控制装置(6)开关马达调节矢量喷管的出风口(7)的方向，在矢量喷管的出风口(7)的排风管道内层设有褶皱的封闭通道，内层外边缘安置弹簧。

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