CN103010037A - 一种基于直线isg电机/发动机的车用增程器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，该增程器包括气缸体，活塞组件设有两个，分别位于两个气缸体内，连杆组件的两端连接两个活塞组件，连杆组件上设有直线位移传感器及霍尔传感器，直线ISG电机动子设在连杆组件的中部，直线ISG电机定子固定在两气缸体之间、直线ISG电机动子外，扫气箱设在气缸体的内侧，节气门体连接扫气箱，节气门体上依次设有喷油器、节气门位置传感器及空气流量传感器，气缸盖设在气缸体外侧，火花塞设在气缸盖上电控单元分别与直线位移传感器、霍尔传感器、节气门位置传感器及空气流量传感器电气连接。与现有技术相比，本发明在能源利用效率、价格、机械结构、使用的方便性等方面均具有明显优势。

Description

一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器

技术领域

本发明涉及一种电动汽车增程器，属于车辆工程领域，尤其是涉及一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器。

背景技术

电动汽车具有零排放、无污染、能源利用率高的特点，符合汽车节能、环保的趋势，被认为是未来汽车发展的方向。但受制于现阶段电池技术及配套设施，目前的电动汽车普遍存在如下缺点：

①单次充电续驶里程较短。目前电池组单位质量储存的能量太少，如装载与汽油质量相同的铅酸电池组的电动汽车，其续驶里程仅为燃油汽车的1/70。

②购车及维护成本高。电池组及电机控制器价格昂贵是购车成本高的主要原因，如纯电动公交车中电池组成本占整车成本的1/3，且电动汽车的维修保养成本也较高。

③充电时间长。一次充电完成约需要6～10小时，即使是大电流快速充电，一般也需要10～20分钟，可充到电量的70％左右，但快速充电有损电池的使用寿命。

电动汽车的这些问题正成为制约其发展的瓶颈。而增程式电动汽车作为一种新形式的电动汽车，既具有纯电动车高效率、低排放的特点，又可延长纯电动汽车的续驶里程，是当前解决节能与环保问题切实可行的方案。目前的增程式电动汽车均采用传统内燃机带动旋转发电机对电动汽车驱动系统进行供电，然而这种结构形式仍有其缺陷：①由于采用传统内燃机，无法克服目前内燃机效率较低的问题。②无法避免起动等需要加浓混合气的工况，使得燃油经济性较差。这些弊端无疑将抵消电动汽车本身节能、环保的突出优势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、质量轻、有效克服纯电动汽车续驶里程短、大幅降低电动汽车的电池容量、极大降低电动汽车成本的基于直线ISG电机/发动机的车用增程器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，该增程器包括：

气缸体：设有两个，分别位于增程器的两端；

活塞组件：设有两个，分别位于两个气缸体内，在气缸体内自由直线往复运动；

连杆组件：两端分别与两个活塞组件连接；

扫气箱：与气缸体的内侧连接，储存及预压缩可燃混合气；

节气门体：连接扫气箱，节气门体上设有喷油器；

气缸盖：设在气缸体外侧；

火花塞：设在气缸盖上，点燃气缸体内的可燃混合气；

直线ISG(ISG，Integrated Starter and Generator，汽车起动发电一体机)电机动子：设在连杆组件的中部，与活塞组件及连杆组件一起做直线运动；

直线ISG电机定子：固定在两气缸体之间、直线ISG电机动子外，与直线ISG电机动子互相作用，将电池组产生的电能与活塞组件运动产生的机械能互相转换；

电控单元：分别与喷油器及火花塞电气连接，控制喷油器喷油，控制火花塞点火。

所述的连杆组件上设有直线位移传感器及霍尔传感器，所述的直线位移传感器及霍尔传感器电气连接电控单元，向电控单元传递活塞组件的瞬时位移与运动频率。

所述的节气门体上还设有节气门位置传感器及空气流量传感器，所述的节气门位置传感器及空气流量传感器均与电控单元电气连接，电控单元控制着节气门体的开度。

所述的直线ISG电机动子由固定在连杆组件上的直线ISG电机动子铁芯及永磁体组成。

所述的直线ISG电机定子由直线ISG电机定子铁芯及直线ISG电机线圈组成，所述的直线ISG电机定子接受电池组的电流，产生磁场带动直线ISG电机动子运动，或受到直线ISG电机动子产生的磁场产生电流，向电动车主驱动电机及电池组充电。

所述的直线ISG电机定子铁芯分别连接电流传感器及电压传感器，所述的电流传感器及电压传感器电气连接电控单元。

所述的直线ISG电机线圈连接功率变换器，该功率变换器分别连接电池组及电动车主驱动电机。

当电动汽车的电池组电量低于预定值时，其经功率变换器变换后向直线ISG电机定子中的直线ISG电机线圈通入三相交流电，建立的电枢磁场与直线ISG电机动子中的永磁体的磁场相互作用，产生切向电磁力拖动直线ISG电机动子运动。连杆组件上的直线位移传感器及霍尔传感器检测直线ISG电机动子的位移信号及频率信号，并反馈给电控单元，电控单元对通入直线ISG电机线圈的三相电流大小与相序进行控制，获得合适的起动推力，并实现电磁力的准确换向，从而带动直线发动机的活塞组件起动。当起动频率达到某一定值后，电控单元通过节气门位置传感器及空气流量传感器控制节气门体的开度，进而控制节气门体上的喷油器喷油，当气缸体内可燃混合气准备完毕时，电控单元发出点火信号，此时火花塞点火，可燃混合气燃烧，使直线发动机起动燃烧并加速进入最佳工作区域稳定运转。

直线发动机起动成功后，活塞组件的运动频率将迅速增大，当霍尔传感器测量频率信号超过预定值后，电控单元切断起动电路。此时，直线发动机转为原动机，拖动直线ISG电机，电控单元接通发电电路，直线ISG电机也相应转为发电机运行。永磁体产生的磁场切割直线ISG电机线圈，在直线ISG电机线圈上产生感应电动势及感应电流，将直线发动机活塞直线往复运动的机械能转换为电能输出，并通过功率变换器整流和调节得到直流电，驱动电动车主驱动电机运转以满足车辆继续行驶的要求，剩余电能向电池组充电，从而使电动汽车可以获得更长的续驶里程。同时当电动汽车减速制动或惯性滑行时，主驱动电机转为发电机运行，将电动汽车的动能转化为电能并储存于电池组中，实现能量的回收。

与现有技术相比，本发明在能源利用效率、价格、机械结构、使用的方便性等方面均具有明显优势。

①与传统发动机相比，直线发动机的最大特点是去除了曲柄连杆机构，通过液、电等介质实现“柔性”输出，从而避免传统内燃机中曲轴和轴承所消耗的大量摩擦热，以及由于曲柄滑块机构所引起的侧向力而造成的活塞上的摩擦。直线发动机的连杆与直线ISG电机的动子固定连接，可以直接将活塞直线往复运动的机械能转换为电能，省去了传统旋转发动机和发电机之间的连接轴、轴承等辅助连接装置，因此整个耦合机构的能量转换效率更高。

②增程器为电动汽车的主驱动电机和电池组供电，而不直接驱动车辆，这样直线发动机能够在最佳工作区域稳定运转，避免了怠速和瞬态工况，燃油经济性要远远优于传统汽车，而且由于自身能够提供电力，所以这类车辆能够比纯电动车行驶更远。

③直线ISG电机将传统的起动机和发电机集为一体，在起步阶段以直线ISG电机电磁起动替代起动加浓混合气，可更加快速拖动直线发动机到达预定频率，消除了传统起动受环境影响较大的缺点，达到优化空燃比的目的，从而大幅减小不必要的废气排放。

④简化了系统的结构，有利于整车的布置和整车质量的降低。同时通过控制器与功率变换器的配合，可方便实现起动及发电不同的控制要求。

⑤增程器的应用也可使电动汽车的电池容量大幅降低，极大地降低电动汽车的成本。

附图说明

图1为本发明的结构及信号传输示意图。

图中，1为气缸体、2为活塞组件、3为连杆组件、4为扫气箱、5为霍尔传感器、6为直线ISG电机定子铁芯、7为直线ISG线圈、8为永磁体、9为蓄电池、10为功率变换器、11为电动车主驱动电机、12为火花塞、13为气缸盖、14为电流传感器、15为电压传感器、16为直线ISG电机动子铁芯、17为直线位移传感器、18为空气流量传感器、19为节气门体、20为节气门位置传感器、21为喷油器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，如图1所示，包括气缸体1、活塞组件2、连杆组件3、扫气箱4、霍尔传感器5、直线ISG电机定子铁芯6、直线ISG电机线圈7、永磁体8、电池组9、功率变换器10、电动车主驱动电机11、火花塞12、气缸盖13、电流传感器14、电压传感器15、直线ISG电机动子铁芯16、直线位移传感器17、空气流量传感器18、节气门体19、节气门位置传感器20及喷油器21，气缸体1设有两个，分别位于两端；活塞组件2设有两个，分别位于两个气缸体1内；连杆组件3两端连接两个活塞组件2，连杆组件3上设有直线位移传感器17及霍尔传感器5；直线ISG电机动子设在连杆组件3的中部；直线ISG电机定子固定在两气缸体1之间、直线ISG电机动子外；扫气箱4设在气缸体1的内侧；节气门体19连接扫气箱4，节气门体19上依次设有喷油器21、节气门位置传感器20及空气流量传感器18；气缸盖设在气缸体1外侧；火花塞12设在气缸盖13上；电控单元分别与直线位移传感器17、霍尔传感器5、节气门位置传感器20及空气流量传感器18电气连接；直线ISG电机动子由直线ISG电机动子铁芯16及永磁体8组成。直线ISG电机定子由直线ISG电机定子铁芯6及直线ISG电机线圈7组成。直线ISG电机定子铁芯6分别连接电流传感器14及电压传感器15，电流传感器14及电压传感器15电气连接电控单元。直线ISG电机线圈7连接功率变换器10，该功率变换器10分别连接电池组9及电动车主驱动电机11。

电控单元分别与直线位移传感器17、霍尔传感器5、节气门位置传感器20及空气流量传感器18电气连接。

当电动汽车的电池组9电量低于预定值时，其经功率变换器10变换后向直线ISG电机定子中的直线ISG电机线圈7通入三相交流电，建立的电枢磁场与直线ISG电机动子中的永磁体8的磁场相互作用，产生切向电磁力拖动直线ISG电机动子运动。连杆组件3上的直线位移传感器17及霍尔传感器5检测直线ISG电机动子的位移信号及频率信号，并反馈给电控单元，电控单元对通入直线ISG电机线圈7的三相电流大小与相序进行控制，获得合适的起动推力，并实现电磁力的准确换向，从而带动直线发动机的活塞组件2起动。当起动频率达到某一定值后，电控单元通过节气门位置传感器20及空气流量传感器18控制节气门体19的开度，进而控制节气门体19上的喷油器21喷油，当气缸体1内可燃混合气准备完毕时，电控单元发出点火信号，此时火花塞12点火，可燃混合气燃烧，使直线发动机起动燃烧并加速进入最佳工作区域稳定运转。

直线发动机起动成功后，活塞组件2的运动频率将迅速增大，当霍尔传感器5测量频率信号超过预定值后，电控单元切断起动电路。此时，直线发动机转为原动机，拖动直线ISG电机，电控单元接通发电电路，直线ISG电机也相应转为发电机运行。永磁体8产生的磁场切割直线ISG电机线圈7，在直线ISG电机线圈7上产生感应电动势及感应电流，将直线发动机活塞直线往复运动的机械能转换为电能输出，并通过功率变换器10整流和调节得到直流电，驱动电动车主驱动电机11运转以满足车辆继续行驶的要求，剩余电能向电池组9充电，从而使电动汽车可以获得更长的续驶里程。同时当电动汽车减速制动或惯性滑行时，电动车主驱动电机11转为发电机运行，将电动汽车的动能转化为电能并储存于电池组9中，实现能量的回收。

Claims (7)

1.一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，该增程器包括：

气缸体(1)：设有两个，分别位于增程器的两端；

活塞组件(2)：设有两个，分别位于两个气缸体(1)内，在气缸体(1)内自由直线往复运动；

连杆组件(3)：两端分别与两个活塞组件(2)连接；

扫气箱(4)：与气缸体(1)的内侧连接，储存及预压缩可燃混合气；

节气门体(19)：连接扫气箱(4)，节气门体(19)上设有喷油器(21)；

气缸盖(13)：设在气缸体(1)外侧；

火花塞(12)：设在气缸盖(13)上，点燃气缸体(1)内可燃混合气；

直线ISG电机动子：设在连杆组件(3)的中部，与活塞组件(2)及连杆组件(3)一起做直线运动；

直线ISG电机定子：固定在两气缸体(1)之间、直线ISG电机动子外，与直线ISG电机动子互相作用，将电池组(9)产生的电能与活塞组件(2)运动产生的机械能互相转换；

电控单元：分别与喷油器(21)及火花塞(12)电气连接，控制喷油器(21)喷油，控制火花塞(12)点火。

2.根据权利要求1所述的一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，所述的连杆组件(3)上设有直线位移传感器(17)及霍尔传感器(5)，所述的直线位移传感器(17)及霍尔传感器(5)电气连接电控单元，向电控单元传递活塞组件(2)的瞬时位移与运动频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，所述的节气门体(19)上还设有节气门位置传感器(20)及空气流量传感器(18)，所述的节气门位置传感器(20)及空气流量传感器(18)均与电控单元电气连接，电控单元控制着节气门的开度。

4.根据权利要求1所述的一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，所述的直线ISG电机动子由固定在连杆组件(3)上的直线ISG电机动子铁芯(16)及永磁体(8)组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，所述的直线ISG电机定子由直线ISG电机定子铁芯(6)及直线ISG电机线圈(7)组成，所述的直线ISG电机定子接受电池组(9)的电流，产生磁场带动直线ISG电机动子运动，或受到直线ISG电机动子产生的磁场产生电流，向电动车主驱动电机(11)及电池组(9)充电。

6.根据权利要求5所述的一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，所述的直线ISG电机定子铁芯(6)分别连接电流传感器(14)及电压传感器(15)，所述的电流传感器(14)及电压传感器(15)电气连接电控单元。

7.根据权利要求5所述的一种基于直线ISG电机/发动机的车用增程器，其特征在于，所述的直线ISG电机线圈(7)连接功率变换器(10)，该功率变换器(10)分别连接电池组(9)及电动车主驱动电机(11)。

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