CN102616149A - 使用飞轮电池驱动的城市客车 - Google Patents
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Abstract
一种使用飞轮电池驱动的城市客车，包括：车体，在车体上设置有：用以提供机械能的电动机、用以驱动车轴转动的驱动器和用以控制车体正常运作的车体控制器，在车体上还设置有：一套由多台飞轮电池连接成的飞轮电池组和用于控制、管理和均衡飞轮电池组充放电电压和电流的电源管理器，所述飞轮电池组通过电源管理器与电动机相连以给电动机提供电能。本发明通过使用多台小型的高速飞轮电池并联来驱动城市客车，其相比于超级电容城市客车，具有储能密度高，重量轻；内阻小，发热少，效率高；对温度不敏感；寿命长；可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及环保节能的运输工具领域，尤其涉及一种电池驱动的城市客车。
背景技术
超级电容公交大巴车以零排放、低噪声、无运行路线馈触线及机动性能等优点，取代了城市无轨电车，成为一种新型环保节能交通运输工具。这种超级电容公交大巴车使用超级电容驱动，相比于锂电池等化学电池，超级电容的功率大，充放电速度快，且充放电次数高达5万次左右（约相当于锂电池的10倍）。但超级电容的缺点是储能密度较小，约为5瓦时/公斤。为了解决储能密度小这个问题，超级电容大巴车利用了超级电容充放电速度快的特点，每行驶到一个公交站，都要快速充一次电，而且由于每站充电，所以每次的充电量不大，约为2-5度电，仅在乘客下车上车的时间内就可以充好电。
但是，超级电容仍然具有以下不足之处。
1、储能密度低，导致重量大。现有技术中的超级电容大巴车，其超级电容重达1吨，甚至2吨，给大巴车带来沉重负担。
2、内阻大，导致发热大，效率低。超级电容中流过电流时，电池的平方乘以内阻，就是它的发热功率。由于超级电容使用了水系或油系的液态电解质，这些电解质的电阻率一般都比金属的电阻大得多，所以超级电容在充电和放电时的发热始终比较大，大量的电能转化为热能，而且为了散热，又需要额外的电能，这样就导致了超级电容的效率仍然不太高。
3、对温度比较敏感，在气温较高或较低时不能正常工作。由于超级电容使用了液态电解质，而液态电解质的性能与温度的关系比较密切，所以在气温较高或较低时，就会影响到超级电容的性能。特别是在夏天，气温高，散热困难，而超级电容自身的发热又比较大，所以这种影响就更为剧烈，即使使用大功率的空调，仍不能有效解决问题。
4、寿命短。正常情况下，一条公交线路会有10多个甚至20多个公交站，一辆公交大巴一天会跑好几个来回。而超级电容大巴车基本上是每站必充放一次电，这样算下来，每天就要充放电几十次，每年就得上万次。即使超级电容的充放电次数高达5万次左右，约为锂电池等化学电容的10倍，它的寿命也仍然只有三年左右。
5、可靠性不够高。超级电容单体的电压只有几伏特，所以需要把几十节乃至上百节超级电容串联使用。只要有一节电容出了问题，或者其连接电路出了问题，这一串电容均受到影响，导致不能供电。所以整个串联电路的不可靠性是每一节电池的不可靠性之和，这样不可靠性就会比较大，而可靠性就会比较低。
6、发生意外时充电繁琐。超级电容公交车必须依赖充电候车站充电，当遇到堵车等特殊原因等导致超级电容亏电而不能及时开进充电候车站，就必须利用拖车将车子拖入充电候车站补充电能，或者调集充电工程车跟随超级电容公交车，一旦发生意外便可通过充电工程车临时充电补充电能，但是，这两种方法都需要耗费很大的人力财力，所以可行性不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种使用飞轮电池驱动的城市客车，其储能密度高，重量轻，内阻小，发热少，效率高，对温度不敏感，寿命长，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种使用飞轮电池驱动的城市客车，包括：车体，在车体上设置有：用以提供机械能的电动机、用以驱动车轴转动的驱动器和用以控制车体正常运作的车体控制器，在车体上还设置有：一套由多台飞轮电池连接成的飞轮电池组和用于控制、管理和均衡飞轮电池组充放电电压和电流的电源管理器，所述飞轮电池组通过电源管理器与电动机相连以给电动机提供电能。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，所述飞轮电池组的多台飞轮电池间以并联方式连接。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，所述飞轮电池组具有四至八台飞轮电池。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，各台飞轮电池的功率至少为40千瓦。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，各台飞轮电池的重量不超过80公斤。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，在车体上还设置有一套备用电池组，所述备用电池组通过开关与飞轮电池组并联以在飞轮电池组无法正常供电时启动备用电池组为电动机供电。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，还包括一用以与外部充电电源相连的可伸缩的集电弓，所述集电弓通过电源管理器与飞轮电池组和备用电池组相连。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，所述备用电池组的功率为3-5千瓦。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，所述备用电池组为锂电池。
所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其中，所述电源管理器包括一飞轮电池速度检测器，所述飞轮电池速度检测器与飞轮电池组相连。
本发明的有益技术效果在于：本发明通过使用多台小型的高速飞轮电池并联来驱动城市客车，其相比于超级电容城市客车，具有储能密度高，重量轻；内阻小，发热少，效率高；对温度不敏感；寿命长；可靠性高等优点；此外，车体上还设置有备用电池组，当飞轮电池遇上堵车或故障等紧急情况时，可启动备用电池组供电来维持客车的正常营运，相比现有技术中利用充电工程车跟随超级电容公交车来给超级电容充电的方式，本发明的成本更低，实用性更好。
附图说明
图1为使用飞轮电池驱动的城市客车的电路结构方框示意图。
具体实施方式
本发明使用飞轮电池驱动的城市客车在原有超级电容驱动的大巴车基础上改进，将超级电容驱动的大巴车的驱动部分改成飞轮电池驱动，以改善超级电容驱动大巴车的缺陷。
其具体实现方式如下：在城市客车的车体上设置飞轮电池组1、电源管理器3、电动机4、驱动器5、车体控制系统6以及集电弓7。飞轮电池组1由多台飞轮电池通过并联方式连接。飞轮电池是一种机械电池，它依靠高速旋转的飞轮储存动能，并可实现动能与电能之间的相互转换。飞轮电池的核心是飞轮，飞轮被磁悬浮轴承悬浮于真空室中，机械阻力和空气阻力都很小。飞轮上套装了一台电机，电机通过变频器与用电器相连。充电时，电机带动飞轮高速旋转，电能转化为飞轮的动能；放电时，高速旋转的飞轮带动电机发电，飞轮的动能转化为电能。飞轮电池组1通过电源管理器3与电动机4相连，以给电动机4提供电能。驱动器5与电动机4相连，利用电动机4输出的机械能来驱动车轴转动，进而带动车体飞速行驶。集电弓7可伸缩式地设置在车体外部，其通过电源管理器3与飞轮电池组1相连，在车子停靠站、乘客上下车时，可伸缩式集电弓7可伸出车体，与公交候车站的充电电源触线对接，以大电流向飞轮电池组1充电，充电结束后，集电弓7收回。电源管理器2内设置有用以检测飞轮电池组1中各飞轮电池的飞轮速度的飞轮电池速度检测器（未图示），并根据检测数据控制、管理和均衡飞轮电池的充放电电压和电流。车体控制系统6作为整车的控制中心，其用以协调和控制所有工作单元，使其维持正常运作。
本发明的飞轮电池组1可由四至八台飞轮电池连接而成，本实施例中的飞轮电池组1包括六台飞轮电池。每台飞轮电池的储能量约为1度电，每台飞轮电池的功率至少为40千瓦，各台飞轮电池的重量不超过80公斤，故飞轮电池组1的总储能量约为6度电，与超级电容大巴车相当，总功率约为240千瓦，总重量480公斤左右（比超级电容轻得多）。且由于本发明中的各台飞轮电池之间采用并联方式连接，即使有四台飞轮电池坏掉，仍然有80千瓦功率，2度电的容量，足以让大巴车正常运行。公交车每站距离约为1公里，耗电量约为1度电，充电时间约为15秒，该充电时间基本在乘客上下车的时间以内。
飞轮电池组1也不是万无一失的，其虽然充放电效率高，但储存过程中会不断损耗能量，当遇上堵车等紧急情况时，有可能把飞轮电池中的电能全部耗光，以至于使车子抛锚在路上。所以本发明还在车体上设置一套备用电池组2，其通过开关与飞轮电池组1并联，以在飞轮电池1无法正常供电时启动备用电池组2为电动机4供电。该备用电池组2的功率可以不用太大，大约3-5千瓦就足以抵消飞轮的损耗功率了。为了减少车载负担，该备用电池组不易过重，30公斤左右较适宜。考虑到技术成熟度和成本的因数，此处的备用电池组2可优选锂电池，当然，也可根据实际情况选用其他小型化学电池。备用电池组2可在车子开出始发站之前充满电待用，一旦发生紧急情况便启动备用电池组2来为电动机4供电，但备用电池组2储存的电能有限，当电源管理器3检测到备用电池组2储能不足时，可在车子驶入候车站时，通过集电弓7为其快速充电，以备下次紧急情况的不时之需。
综上所述，本发明使用多台小型的高速飞轮电池并联来驱动城市客车，在充电方式下与超级电容城市客车一样，均为每站充电一次。相比于超级电容城市客车，飞轮电池城市客车具有如下优点。
1、储能密度高，重量轻。超级电容的储能密度约为5瓦时/公斤，而高速飞轮电池的储能密度高达50瓦时/公斤。所以实现同样的储能量，高速飞轮电池比超级电容轻得多，大大降低了大巴车的负担。
2、内阻小，发热少，效率高。高速飞轮电池使用永磁空芯同步电机来转换能量，电机里面是铜导线，内阻很小，而且由于是空芯结构，完全无铁磁损耗，所以发热很少，效率很高。
3、对温度不敏感。高速飞轮电池本身发热很少，而且它是一个真空结构，真空不导热，所以对于气温的变化很不敏感，在较高或较低气温下均能正常工作。
4、寿命长。高速飞轮电池内部是一台电机带动一个飞轮，只要在正常工作范围内，电机和飞轮均无充放电次数的限制，可以正常工作20年左右。
5、可靠性高。本发明是利用多台小型的高速飞轮电池并联，而超级电容大巴车是利用多节电容串联。并联的可靠性远比串联高。因为在并联情况下，一台飞轮电池损坏了，还有其他飞轮电池继续工作，而在串联的情况下，一节电容坏了，整个串联电路均不能工作。
以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种使用飞轮电池驱动的城市客车，包括：车体，在车体上设置有：用以提供机械能的电动机、用以驱动车轴转动的驱动器和用以控制车体正常运作的车体控制器，其特征在于，在车体上还设置有：一套由多台飞轮电池连接成的飞轮电池组和用于控制、管理和均衡飞轮电池组充放电电压和电流的电源管理器，所述飞轮电池组通过电源管理器与电动机相连以给电动机提供电能。
2.如权利要求1所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，所述飞轮电池组的多台飞轮电池间以并联方式连接。
3.如权利要求1所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，所述飞轮电池组具有四至八台飞轮电池。
4.如权利要求1所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，各台飞轮电池的功率至少为40千瓦。
5.如权利要求1所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，各台飞轮电池的重量不超过80公斤。
6.如权利要求1所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，在车体上还设置有一套备用电池组，所述备用电池组通过开关与飞轮电池组并联以在飞轮电池组无法正常供电时启动备用电池组为电动机供电。
7.如权利要求6所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，还包括一用以与外部充电电源相连的可伸缩的集电弓，所述集电弓通过电源管理器与飞轮电池组和备用电池组相连。
8.如权利要求6所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，所述备用电池组的功率为3-5千瓦。
9.如权利要求6所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，所述备用电池组为锂电池。
10.如权利要求1所述的使用飞轮电池驱动的城市客车，其特征在于，所述电源管理器包括一飞轮电池速度检测器。
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