CN108136886A - 具有多种燃料能力的串并联电动混合动力系统 - Google Patents

具有多种燃料能力的串并联电动混合动力系统 Download PDF

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维托里奥·马嫩特
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Abstract

一种用于给车辆提供动力的混合动力系统包括微型涡轮组件，微型涡轮组件具有多燃料能力以及从微型涡轮组件延伸出来的涡轮驱动轴。涡轮驱动轴具有涡轮接合位置和涡轮未接合位置，在涡轮接合位置处，微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由涡轮驱动轴传递至车辆的车轮，并且在涡轮未接合位置处，涡轮旋转输出独立于车轮。发电机以与涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至微型涡轮组件。能量储存装置能由发电机充电并可以驱动电动机。电动机驱动轴具有电动机接合位置和电动机未接合位置，在电动机接合位置处，电动机的电动机旋转输出经由电动机驱动轴传递至车轮，并且在电动机未接合位置处，电动机旋转输出独立于车轮。

Description

具有多种燃料能力的串并联电动混合动力系统
发明人:维托里奥·马嫩特
技术领域
本公开内容大致涉及混合动力车辆，更具体地涉及用于车辆的混合动力系统。
背景技术
由于存在给车辆提供动力的柴油燃料的使用增长的趋势(即被称为柴油机化的现象)，因此预测对柴油的需求将增大而对汽油的需求将减小。汽油与柴油之间的价格差以及火花点火动力系统与压缩点火动力系统之间的效率差异导致发生朝着柴油机化的趋势。大多数驾驶员优选地驾驶具有较低的每英里燃料费的车辆。
因为精炼厂不能在不花费大量的附加成本的情况下改变柴油、煤油和汽油的生产比率，所以在未来汽油可能过剩。为了增大汽油的需求使得这些产物中的每一者成比例，期望增大使用汽油的发动机的效率，使得使用汽油的发动机的效率与常规现代柴油发动机的效率相同，并且使得汽油车辆的每英里燃料费与柴油车辆的每英里燃料费相等。作为对当前在加油站可用的常规汽油的替代，例如石脑油等未经提炼的汽油可以在压缩点火发动机中直接工作，而且与汽油相比不需要大量的硬件修改。通过使用石脑油，还使油井到油箱的CO2产生量最小。由于对CO2的担忧并且因为轻馏分过剩，所以可以将石脑油引入到市场作为车辆用燃料。然而，不容易在市场上购到石脑油。
作为对火花点火动力系统与压缩点火动力系统的替代，已提出了全电动车辆。通常来说，轻型和中型车辆在其典型行驶循环中经历大量的瞬态反应。全电动车辆具有优异的瞬态反应。然而，当使用煤、石油或天然气来产生对车辆充电的电力时，全电动车辆可能具有负面的环境足迹。
发明内容
本公开内容的各个实施例提供了一种能够在不需要硬件修改的情况下使用不同类型的燃料的动力系统。与一些现有可用的动力系统相比，本文所述的系统及方法还可以实现低燃料消耗以及提高的车辆瞬态能力。为了实现这些改进，将微型涡轮与电动动力系统组合起来。
微型涡轮可以提供使用多燃料能力。微型涡轮在全功率工作时还可以提供燃料效率功能，而电动动力系统允许提高瞬态能力。根据本公开内容的微型涡轮具有在不需要硬件修改的情况下燃烧不同类型的商用和非商用液体燃料(例如汽油、乙醇、柴油、石脑油、煤油和生物柴油)的能力。采用一些变型，根据本公开内容的微型涡轮还具有燃烧压缩天然气或液化石油气的能力。如果稍微进行变型，则根据本公开内容的微型涡轮还可以操作例如氢气、沼气或天然气等气体燃料。微型涡轮可以与回热器组合起来，以进一步提高微型涡轮的能量效率。
本公开内容的动力系统的各个实施例包括以与微型涡轮并联和串联的方式工作的电动动力系统。电动动力系统具有优异瞬态反应，这是因为只要推压油门踏板就立即可获得扭矩。此外，电动动力系统能够使车辆在减速或下坡期间回收车辆的惯性能量，在其他情况下惯性能量则被浪费，这是由于常规内燃机不能回收惯性能量。
在本公开内容的实施例中，公开了用于给车辆提供动力的混合动力系统。混合动力系统包括微型涡轮组件以及从所述微型涡轮组件中延伸出来的涡轮驱动轴。涡轮驱动轴具有涡轮接合位置和涡轮未接合位置，在所述涡轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述涡轮驱动轴被传递至所述车辆的车轮，并且在所述涡轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出独立于所述车轮。发电机以与所述涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至所述微型涡轮组件。能量储存装置连接至所述发电机，并能由所述发电机充电。电动机连接至所述能量储存装置，并能由所述能量储存装置驱动。电动机驱动轴具有电动机接合位置和电动机未接合位置，在所述电动机接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出经由所述电动机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述电动机未接合位置处，所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。
在可选实施例中，所述微型涡轮组件具有回热器，所述回热器为热交换器，所述热交换器具有位于所述微型涡轮组件的压缩机段与涡轮段之间的第一流体路径以及与来自所述涡轮段的废气流体连通的第二流体路径。所述微型涡轮组件可以具有多燃料涡轮，多燃料涡轮利用选自由气体燃料和液体燃料构成的组的燃料来工作。
在其他可选实施例中，发电机驱动轴可以具有发电机接合位置和发电机未接合位置，在所述发电机接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出经由所述发电机驱动轴被传递至所述发电机，并且在所述发电机未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出独立于所述发电机。所述车轮驱动轴可以具有车轮接合位置和车轮未接合位置，在所述车轮接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出和所述电动机的所述电动机旋转输出中的至少一者经由所述车轮驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述车轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出和所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。所述能量储存装置可以选择性地连接至所述车轮，并能借助于所述车轮的旋转来充电。
在其他可选实施例中，涡轮齿轮组件将所述涡轮驱动轴与所述车轮驱动轴机械连接起来。所述涡轮齿轮组件可以为连续变速传动装置。涡轮离合器可以沿着所述涡轮驱动轴设置，并能操作用于使所述涡轮驱动轴在所述涡轮接合位置与所述涡轮未接合位置之间移动。电动机离合器可以沿着所述电动机驱动轴设置，并能操作用于使所述电动机驱动轴在所述电动机接合位置与所述电动机未接合位置之间移动。车轮离合器可以沿着所述车轮驱动轴设置，并能操作用于使所述车轮驱动轴在所述车轮接合位置与所述车轮未接合位置之间移动。发电机离合器可以沿着所述发电机驱动轴设置，并能操作用于使所述发电机驱动轴在所述发电机接合位置与所述发电机未接合位置之间移动。
在本公开内容的另一个实施例中，用于给车辆提供动力的混合动力系统包括具有回热器的微型涡轮组件，所述回热器为热交换器，所述热交换器具有位于所述微型涡轮组件的压缩机段与涡轮段之间的第一流体路径以及与来自所述涡轮段的废气流体连通的第二流体路径。电动机驱动轴从微型涡轮组件的涡轮段中延伸出来，并与所述车轮驱动轴选择性地机械连接。车轮驱动轴与车辆的车轮选择性地机械连接。发电机以与所述涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至所述微型涡轮组件。能量储存装置以串联的方式连接至所述发电机，并能由所述发电机充电。电动机以串联的方式与所述能量储存装置连接，并能由所述能量储存装置驱动。电动机驱动轴从所述电动机中延伸出来，并与所述车轮驱动轴选择性地机械连接。
在可选实施例中，所述微型涡轮组件具有用选自如下组中的燃料工作的多燃料涡轮，所述组包由气体燃料、液体燃料、汽油、乙醇、柴油、石脑油、煤油、生物柴油、压缩天然气、液化石油气、氢气、沼气和天然气构成。涡轮齿轮组件可以将所述涡轮驱动轴与所述车轮驱动轴机械连接起来。所述涡轮齿轮组件为连续变速传动装置。
在其他可选实施例中，发电机驱动轴具有发电机接合位置和发电机未接合位置，在所述发电机接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出经由所述发电机驱动轴被传递至所述发电机，并且在所述发电机未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出独立于所述发电机。所述车轮驱动轴具有车轮接合位置和车轮未接合位置，在所述车轮接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出和所述电动机的所述电动机旋转输出中的至少一者经由所述车轮驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述车轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出和所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。涡轮驱动轴可以具有涡轮接合位置和涡轮未接合位置，在所述涡轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述涡轮驱动轴被传递至所述车辆的车轮，并且在所述涡轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出独立于所述车轮。电动机驱动轴可以具有电动机接合位置和电动机未接合位置，在所述电动机接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出经由所述电动机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述电动机未接合位置处，所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。
在其他可选实施例中，涡轮离合器可以沿着所述涡轮驱动轴设置，并能操作用于使所述涡轮驱动轴在所述涡轮接合位置与所述涡轮未接合位置之间移动。电动机离合器可以沿着所述电动机驱动轴设置，并能操作用于使所述电动机驱动轴在所述电动机接合位置与所述电动机未接合位置之间移动。车轮离合器可以沿着所述车轮驱动轴设置，并能操作用于使所述车轮驱动轴在所述车轮接合位置与所述车轮未接合位置之间移动。发电机离合器可以沿着所述发电机驱动轴设置，并能操作用于使所述发电机驱动轴在所述发电机接合位置与所述发电机未接合位置之间移动。
在本公开内容的其他可选实施例中，一种用混合动力系统给车辆提供动力的方法包括：设置微型涡轮组件，所述微型涡轮组件具有从所述微型涡轮组件中延伸出来的涡轮驱动轴。设置发电机，发电机以与所述涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至所述微型涡轮组件。设置能量储存装置并选择性地利用所述发电机来对所述能量储存装置充电，所述能量储存装置连接至所述发电机。设置电动机并选择性地利用所述能量储存装置驱动所述电动机，所述电动机连接至所述能量储存装置。使涡轮驱动轴在涡轮接合位置与涡轮未接合位置之间移动，在所述涡轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述涡轮驱动轴被传递至所述车辆的车轮，并且在所述涡轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出独立于所述车轮。使电动机驱动轴在电动机接合位置与电动机未接合位置之间移动，在所述电动机接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出经由所述电动机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述电动机未接合位置处，所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。
在可选实施例中，所述微型涡轮组件可以具有回热器，所述回热器具有位于所述微型涡轮组件的压缩机段与涡轮段之间的第一流体路径以及与来自所述涡轮段的废气流体连通的第二流体路径，并且所述方法还可以包括使所述回热器作为热交换器工作，所述热交换器从所述废气提取热量，以加热所述第一流体路径中的流体。所述微型涡轮组件可以具有多燃料涡轮，并且所述方法还可以包括用选自由气体燃料和液体燃料构成的组的燃料来操作所述微型涡轮组件。
在其他可选实施例中，可以设置发电机驱动轴，并可以使所述发电机驱动轴在发电机接合位置与发电机未接合位置之间选择性地移动，在所述发电机接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出经由所述发电机驱动轴被传递至所述发电机，并且在所述发电机未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出独立于所述发电机。可以设置车轮驱动轴，并且可以使所述车轮驱动轴在车轮接合位置与车轮未接合位置之间移动，在所述车轮接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出和所述电动机的所述电动机旋转输出中的至少一者经由所述发电机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述车轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的所述涡轮旋转输出和所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。
附图说明
可以通过参考本发明的在构成本说明书的一部分的附图中示出的实施例来简单总结本发明的更具体的描述，从而得到并可以详细理解使得本发明的以上列举的特征、方面和优点以及其他部分变得显而易见的方式。然而，值得注意的是，附图仅示出了本发明的优选实施例，并且因为本发明可以允许其他同样有效的实施例，所以附图不被认为是限制本发明的范围。
图1是根据本公开内容的实施例的用于给车辆提供动力的混合动力系统的示意图，示出了在平均循环道路负载期间的能量流动。
图2是图1的混合动力系统的示意图，示出了在高于平均循环道路负载期间的能量流动。
图3是图1的混合动力系统的示意图，示出了在低于零循环道路负载期间的能量流动。
图4是在高速档配置中示出的根据本公开内容的实施例的用于给车辆提供动力的混合动力系统的示例性连续变速传动装置的透视图。
图5是在低速档配置中示出的图4的示例性连续变速传动装置的透视图。
图6是根据本公开内容的实施例的用于给车辆提供动力的混合动力系统的微型涡轮的透视图。
具体实施方式
说明书包括发明内容、附图说明和具体实施方式，并且所附权利要求涉及本发明的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域的技术人员应理解的是，本发明包括说明书中描述的特定特征的所有可行组合和使用。本领域的技术人员应理解的是，本发明不限于说明书中给出的各个实施例的描述也不受这些实施例限制。本发明的主题除了被说明书和所附权利要求的精神限制之外，不受限制。
本领域的技术人员还应理解的是，用于描述特定实施例的术语不限制本发明的范围或广度。为了解释说明书和所附权利要求，在各个术语的语境一致的情况下，所有术语应以尽可能宽泛的方式进行解释。除非另有限定，否则说明书和所附权利要求中所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属的领域中的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
在说明书和所附权利要求中，除非有明确的相反说明，否则单数形式“一种”、“一”和“所述”还包括复数个所指对象。如这里所使用的那样，词语“包括”、“具有”和“包含”以及它们的所有语法变体均旨在具有不排除其它要素、部件或步骤的开放、非限制性的意思。本发明的各个实施例可以适当地“包括”、“包含”或“基本上包含”所公开的限制性特征，并可以在没有公开限制性特征的情况下实施。例如，本领域的技术人员可以认为某些步骤可以被组合成单个步骤。
空间术语描述物体的或物体组相对于另一物体或物体组的相对位置。空间关系沿着纵轴和横轴应用。除非另有指出，否则取向和关系词语是为了便于描述，而不限制本发明。
如果说明书或所附权利要求提供了值的范围，应理解的是，区间包括上限值与下限值之间的各个中间值以及上限值和下限值。本发明因所提供的任何特定排除而包括并限定更小的区间范围。
如果说明书和所附权利要求引用包括两个以上限定步骤的方法，可以以任意次序或同时进行这些限定步骤，除非上下文排除这种可能性。
术语“选择性连接”、“选择性地连接”和其他类似术语用于表明：根据操作者的选择，指定元件能连接至另一指定元件。
参见图1，示出了示例性的用于给车辆提供动力的混合动力系统10。混合动力系统10包括微型涡轮组件12。混合动力系统10还包括涡轮驱动轴14，涡轮驱动轴14从微型涡轮组件12中延伸出来，并与车轮驱动轴22选择性地机械连接。涡轮驱动轴14可以选择性地连接至微型涡轮组件12。混合动力系统10还具有发电机16、能量储存装置18和电动机20，发电机16、能量储存装置18和电动机20彼此串联连接并以与涡轮驱动轴14的一部分并联的方式选择性地连接至微型涡轮组件12。发电机16、能量储存装置18和电动机20还借助于涡轮驱动轴14的共用部分串联地选择性地连接至微型涡轮组件12。能量储存装置18可以例如为一个或多个电池，可以连接至发电机16并可由发电机16充电。能量储存装置18还可以选择性地连接至车轮32，并可借助于车轮32的旋转而充电。电动机29连接至能量储存装置18，并可由能量储存装置18驱动。车轮驱动轴22选择性地机械连接至涡轮驱动轴14和电动机20。
为了将微型涡轮组件12选择性地机械连接至发电机16，发电机驱动轴24从发电机16延伸至涡轮驱动轴14。发电机16利用发电机离合器26选择性地连接至微型涡轮组件12。发电机离合器26沿着发电机驱动轴24设置，并可操作用于使发电机驱动轴24在发电机接合位置与发电机未接合位置之间移动。在发电机接合位置中，微型涡轮组件12的涡轮旋转输出经由发电机驱动轴24被传递至发电机16。在发电机未接合位置中，微型涡轮组件12的涡轮旋转输出独立于发电机16，使得微型涡轮组件12的旋转输出不会产生输入至发电机16的任何旋转输入。
除了发电机离合器26机械地位于微型涡轮组件12与发电机16之间之外，发电机齿轮组件28也机械地位于微型涡轮组件12与发电机16之间。发电机齿轮组件28可以改变微型涡轮组件12的旋转输出与输入至发电机16的旋转输入的旋转比率。
涡轮离合器30沿着涡轮驱动轴设置，并可操作用于使涡轮驱动轴14在涡轮接合位置与涡轮未接合位置之间移动。在涡轮接合位置中，微型涡轮组件12的涡轮旋转输出经由涡轮驱动轴14被传递至车辆的车轮32。在涡轮未接合位置中，微型涡轮组件12的涡轮旋转输出独立于车轮32，使得微型涡轮组件12的旋转输出不会造成车轮32的任何旋转。
混合动力系统10还包括电动机驱动轴34。电动机驱动轴34在电动机20与车轮驱动轴22之间延伸。电动机驱动轴34具有电动机接合位置，在电动机接合位置处，电动机20的电动机旋转输出经由电动机驱动轴34被传递至车轮32。在电动机接合位置中，车轮32的旋转可以使能量储存在能量储存装置18中。电动机驱动轴34还具有电动机未接合位置，在电动机未接合位置处，电动机20的电动机旋转输出独立于车轮32，使得电动机20的旋转输出不会造成车轮32的任何旋转。在电动机未接合位置中，车轮32的旋转不能使能量储存在能量储存装置18中。电动机离合器36沿着电动机驱动轴34设置，并可操作用于使电动机驱动轴34在电动机接合位置与电动机未接合位置之间移动。电动机齿轮组件38可以改变电动机驱动轴34与车轮驱动轴22的旋转比率。因此，电动机齿轮组件38可以用于改变电动机20的旋转输出与至车轮驱动轴22和车轮32的旋转输入的比率。作为选择，电动机齿轮组件38可以用于改变来自车轮驱动轴22和车轮32的旋转输出与输入至电动机20的旋转输入的比率。
车轮离合器40沿着车轮驱动轴22设置，并可操作用于使车轮驱动轴22在车轮接合位置与车轮未接合位置之间移动。在车轮接合位置中，微型涡轮组件12的涡轮旋转输出和电动机20的电动机旋转输出中的至少一者可以经由车轮驱动轴22被传递至车轮32，或者作为替代，车轮23的旋转可以经由车轮驱动轴22被传递至电动机20。在车轮未接合位置中，微型涡轮组件12的涡轮旋转输出独立于车轮32，电动机20的电动机旋转输出独立于车轮32，并且车轮32的旋转独立于至电动机20的旋转输入。
混合动力系统10还包括涡轮齿轮组件42，涡轮齿轮组件42将涡轮驱动轴14与车轮驱动轴22机械地连接起来。涡轮齿轮组件42可以改变微型涡轮组件12的旋转输出与输入至车轮驱动轴22和车轮32的旋转输入的旋转比率。在某些实施例中，涡轮齿轮组件42为连续变速传动装置44(图4)。在其他可选实施例中，发电机齿轮组件28或电动机齿轮组件38可以为连续变速传动装置44。
转而参考图4，连续变速传动装置44为可以在两个旋转部件之间提供无数多的有效齿数比。例如锥体形滑轮或可调滑轮等滑轮46可以与在滑轮46之间延伸的链条或带48一起使用，以替代使用固定齿轮。滑轮46的直径的变化提供旋转比率的变化。因此，连续变速传动装置44可以在输入旋转部件50与输出旋转部件52的旋转比率之间提供无缝过渡。在带48经过每个滑轮46的位置处的滑轮46的直径可以被自动调节为提供功率和燃料效率的优选平衡。
作为实例，参见图4，在以一速度行进时的高速档配置中，旋转输入部件50转动与输出滑轮46b相连的输入滑轮46a。作为实例，当涡轮齿轮组件42为连续变速传动装置44时，输入旋转部件50可以为由微型涡轮组件12旋转的涡轮驱动轴14，并且输出旋转部件52可以为使车轮32旋转的车轮驱动轴22。在高速档配置中，输入滑轮46a取向为使得输入滑轮46a的各半部以较小输入距离D1间隔开，并且输出滑轮46b取向为使得输出滑轮46b的各半部以较大输出距离D2间隔开。由于滑轮46的半部的锥形对向面54较浅，因此与带48经过输出滑轮46b处的输出滑轮46b的直径相比，带48经过输入滑轮46a处的输入滑轮46a的直径较大。因此，对输入旋转部件50的每圈旋转而言，输出旋转部件52转动多圈。例如当车辆以正常工作速度巡航时，可以使用图4的高速档配置。
转而参考图5，在低速档配置中，输入滑轮46a取向为使得输入滑轮46a的各半部以较大输入距离D3间隔开，并且输出滑轮46b取向为使得输出滑轮46b的各半部以较小输出距离D4间隔开。由于滑轮46的半部的锥形对向面54较浅，因此与带48经过输出滑轮46b处的输出滑轮46b的直径相比，带48经过输入滑轮46a处的输入滑轮46a的直径较小。因此，对输入旋转部件50的每圈旋转而言，输出旋转部件52转动一圈的一部分。例如当车辆从停止进行加速、上坡行驶或拉引重负载物时，可以使用图5的低速档配置。图4和图5公开了示例性的连续变速传动装置44。在可选实施例中，本领域公知的连续变速传动装置的其他实施例可以可选地用于涡轮齿轮组件42、发电机齿轮组件28或电动机齿轮组件38。在其他可选实施例中，具有设定的齿数比的常规齿轮组件可以用于涡轮齿轮组件42、发电机齿轮组件28或电动机齿轮组件38。
当涡轮齿轮组件42为连续变速传动装置时，微型涡轮组件12可以在最佳工作速度下工作，使得微型涡轮组件12的旋转输出处于恒定速度。连续变速传动装置44在向车轮32提供无数多的旋转速度的同时允许微型涡轮组件12在最佳工作速度下工作。与一些目前动力系统构造相比，这允许提高微型涡轮组件12的效率。
参考图6，示出了微型涡轮组件12的示例性实施例。微型涡轮组件12可以具有能以气体燃料或液体燃料作为燃料的多燃料涡轮段。作为实例，微型涡轮组件12可以以汽油、乙醇、柴油、石脑油、煤油、生物柴油、压缩天然气、液化石油气、氢气、沼气或天然气作为燃料。微型涡轮组件12包括压缩机段56和涡轮段58。压缩机段56可以包括单个压缩机或可以包括具有可变压力的多个压缩机。在图6的实例中，示出了两个压缩机。在这种构造中，外部压缩机56a为低压力压缩机，而内部压缩机56b为高压力压缩机。涡轮段58可以包括单个涡轮或具有可变压力的多个涡轮。在图6的实例中，涡轮段58中存在三个涡轮。在这种实例中，内部涡轮58a可以为高压力涡轮，而中间涡轮58b可以为低压力涡轮。内部涡轮58a和中间涡轮58b可以为动力压缩机段56。外部涡轮56c可以为向涡轮驱动轴14提供微型涡轮组件12的旋转输出的涡轮。
微型涡轮组件12的空气入口60可以将空气输送至压缩机段56。从压缩机段56输出的压缩空气可以与燃烧腔62中的燃料混合起来，在燃烧腔62中混合物燃烧。燃料可以经由燃料输入部64被输送至燃烧腔62。在燃烧腔62中的燃烧将产生高温和高压气体，该气体将进入涡轮段58，在涡轮段58中，高温和高压气体工作以产生涡轮段58的旋转输出。
在图6的实例中，微型涡轮组件12包括回热器(recuperator)66。回热器66为具有第一流体路径68的热交换器，第一流体路径68在压缩机段56与涡轮段58之间输送空气。回热器66还具有第二流体路径70，第二流体路径70与来自涡轮段58的废气流体连通。来自涡轮段58的废气处于比第一流体路径68中的空气的温度高的温度。通过使用回热器66从废气中提取热量来加热第一流体路径中的空气，可以提高微型涡轮组件12的效率。
在工作的实例中，参见图1，在平均循环道路负载期间，微型涡轮组件12的尺寸可以定为在稳定状态下全功率地工作。作为实例，由微型涡轮组件12产生的目标功率可以与平均道路负载加上附加功率裕量相等。裕量可以为例如平均道路负载的25％至50％。因此，当车辆所需的负载与道路负载相等时，例如当车辆在相对平坦地带上以巡航速度行驶时，由微型涡轮组件12产生的能量的一部分被提供至车轮32，而由微型涡轮组件12产生的剩余能量用于对能量储存装置18充电。在该构造中，电动机20独立于车轮32，并因此不会与车轮32连接。在道路负载低于平均循环道路负载但车轮仍然需要能量期间，例如在下坡行驶期间，来自微型涡轮组件12的能量的较大部分朝能量储存装置18被引导，但也不会改变如图1所示的能量流动。
在图1的示例性构造中，涡轮离合器30接合，使得涡轮驱动轴14位于涡轮接合位置，并且微型涡轮组件12的涡轮旋转输出经由涡轮驱动轴14被传递至车辆的车轮32。车轮离合器40接合，使得车轮驱动轴22位于车轮接合位置，并且使得微型涡轮组件12的涡轮旋转输出可以经由车轮驱动轴22被传递至车轮32。发电机离合器26接合，使得发电机驱动轴24位于发电机接合位置，并且使得微型涡轮组件12的涡轮旋转输出经由发电机驱动轴24被传递至发电机16。电动机离合器36脱离接合，使得电动机驱动轴34位于电动机未接合位置，并且使得电动机20的电动机旋转输出独立于车轮32，且不会造成车轮32的任何旋转。此外，当电动机离合器36脱离接合时，车轮32的旋转不使能量储存在能量储存装置18中。
在高于平均循环道路负载期间，需要更大的能量来使车轮32旋转。这可以为例如在加速期间或上坡行驶期间。在该情况下，来自微型涡轮组件12的能量的较大部分用于给车轮32提供动力。如果由微型涡轮组件12产生的能量不足，则可以由电动机20产生附加扭矩并将附加扭矩提供至车轮32，并且微型涡轮组件12和电动机20都可以用于使车轮32旋转。
参见图2的示例性构造，当微型涡轮组件12和电动机20都用于使车轮32旋转时，涡轮离合器30接合，使得涡轮驱动轴14位于涡轮接合位置，并且微型涡轮组件12的涡轮旋转输出经由涡轮驱动轴14被传递至车辆的车轮32。电动机离合器36接合，使得电动机驱动轴34位于电动机接合位置，并且使得电动机20的电动机旋转输出经由电动机驱动轴34被传递至车轮驱动轴22和车轮32。车轮离合器40接合，使得车轮驱动轴22位于车轮接合位置，并且使得微型涡轮组件12的涡轮旋转输出和电动机20的电动机旋转输出可以经由车轮驱动轴22被传递至车轮32。发电机离合器26脱离接合，使得发电机驱动轴24位于发电机未接合位置，并且使得微型涡轮组件12的涡轮旋转输出独立于发电机16，且不向发电机16提供旋转输入。
参见图3，当车轮不再需要动力时，例如在制动或滑行期间，由微型涡轮组件12产生的能量以及使车轮32继续旋转的车辆惯性能量都用于对能量储存装置18充电。回收车辆惯性以对能量储存装置充电的过程可以被称为再生。在再生期间，涡轮离合器30脱离接合，使得涡轮驱动轴14位于涡轮未接合位置，并且微型涡轮组件12的涡轮旋转输出独立于车轮32。发电机离合器26接合，使得发电机驱动轴24位于发电机接合位置，并且使得微型涡轮组件12的涡轮旋转输出经由发电机驱动轴24被传递至发电机16。车轮离合器40接合，使得车轮驱动轴22位于车轮接合位置，并且使得车轮32的旋转可以经由车轮驱动轴22被传递至电动机驱动轴34。电动机离合器36接合，使得电动机驱动轴34位于电动机接合位置，并且使得车轮32的旋转可以经由电动机驱动轴34被传递至电动机20，以将能量储存在能量储存装置18中。
在使用再生时的混合动力系统10的效率高于在不使用再生时的混合动力系统10的效率。另外，与电动机20的使用率相比，微型涡轮组件12的使用的百分比更高，这提高了混合动力系统10的总效率。因此，可以通过使微型涡轮组件12的尺寸定为在稳定状态下全功率地工作，从而仅预期电动机20的最低使用，以优化混合动力系统10的效率。理想地说，当微型涡轮组件12全功率地工作时，微型涡轮组件12的大部分的旋转输出用于使车轮32旋转，并且微型涡轮组件12的旋转输出的其余部分可以用于给能量储存装置18充电。
因此，如本文所述那样，混合动力系统10能够处理不同类型的燃料，而不需要改变硬件，并还能够以低燃料消耗量在瞬态模式下高效地工作。在本公开内容的各个实施例中，微型涡轮组件12可以在最优效率下工作，并且通过使用连续变速传动装置44可以直接使车轮32旋转，而不用首先将微型涡轮组件12的旋转输出传递至电动机进而使车轮32旋转。在本公开内容的各个实施例中，微型涡轮组件12还可以根据需要使用各个齿轮和离合器来利用自身能力将变化的能量传递至车轮32或发电机16以在最优效率下连续工作，而不是通过改变微型涡轮组件12本身的工作条件来改变被提供至车轮32或发电机16的能量。
因此，本文所述的各个实施例良好地适于实施该目的，并得到上述结果和优点以及本文固有的其他结果和优点。虽然已为了公开而给出现有优选实施例，但为了得到期望结果，许多改变存在于详细过程中。本领域的技术人员将容易地想起这些和其他类似变型例，并且这些和其他类似变型例意图被包含在本文所公开的本发明的精神以及所附权利要求的范围中。

Claims (19)

1.一种用于给车辆提供动力的混合动力系统，所述混合动力系统包括：
微型涡轮组件；
涡轮驱动轴，其从所述微型涡轮组件中延伸出来，所述涡轮驱动轴具有涡轮接合位置和涡轮未接合位置，在所述涡轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述涡轮驱动轴被传递至所述车辆的车轮，并且在所述涡轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出独立于所述车轮；
发电机，其以与所述涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至所述微型涡轮组件；
能量储存装置，其连接至所述发电机，并能由所述发电机充电；
电动机，其连接至所述能量储存装置，并能由所述能量储存装置驱动；以及
电动机驱动轴，其具有电动机接合位置和电动机未接合位置，在所述电动机接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出经由所述电动机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述电动机未接合位置处，所述电动机的所述电动机旋转输出独立于所述车轮。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述微型涡轮组件具有回热器，所述回热器为热交换器，所述热交换器具有位于所述微型涡轮组件的压缩机段与涡轮段之间的第一流体路径以及与来自所述涡轮段的废气流体连通的第二流体路径。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力系统，其中，所述微型涡轮组件具有多燃料涡轮，所述多燃料涡轮利用选自由气体燃料和液体燃料构成的组的燃料进行工作。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混合动力系统，还包括：
发电机驱动轴，所述发电机驱动轴具有发电机接合位置和发电机未接合位置，在所述发电机接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述发电机驱动轴被传递至所述发电机，并且在所述发电机未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出独立于所述发电机。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的混合动力系统，还包括：
车轮驱动轴，所述车轮驱动轴具有车轮接合位置和车轮未接合位置，在所述车轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出和所述电动机的电动机旋转输出中的至少一者经由所述车轮驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述车轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出和所述电动机的电动机旋转输出独立于所述车轮。
6.根据权利要求5所述的混合动力系统，还包括：
涡轮齿轮组件，其将所述涡轮驱动轴与所述车轮驱动轴机械连接起来。
7.根据权利要求6所述的混合动力系统，其中，所述涡轮齿轮组件为连续变速传动装置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的混合动力系统，还包括：
涡轮离合器，其沿着所述涡轮驱动轴设置，并能操作用于使所述涡轮驱动轴在所述涡轮接合位置与所述涡轮未接合位置之间移动；
电动机离合器，其沿着所述电动机驱动轴设置，并能操作用于使所述电动机驱动轴在所述电动机接合位置与所述电动机未接合位置之间移动；
车轮离合器，其沿着所述车轮驱动轴设置，并能操作用于使所述车轮驱动轴在车轮接合位置与车轮未接合位置之间移动；以及
发电机离合器，其沿着所述发电机驱动轴设置，并能操作用于使所述发电机驱动轴在发电机接合位置与发电机未接合位置之间移动。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的混合动力系统，其中，所述能量储存装置选择性地连接至所述车轮，并能借助于所述车轮的旋转而充电。
10.一种用于给车辆提供动力的混合动力系统，所述混合动力系统包括：
微型涡轮组件，其具有回热器，所述回热器为热交换器，所述热交换器具有位于所述微型涡轮组件的压缩机段与涡轮段之间的第一流体路径以及与来自所述涡轮段的废气流体连通的第二流体路径；
涡轮驱动轴，其从所述微型涡轮组件的所述涡轮段延伸出来，并与车轮驱动轴选择性地机械连接，所述车轮驱动轴与所述车辆的车轮选择性地机械连接；
发电机，其以与所述涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至所述微型涡轮组件；
能量储存装置，其以串联的方式与所述发电机连接并能由所述发电机充电，所述能量储存装置还能借助于所述轮车的旋转来充电；
电动机，其以串联的方式与所述能量储存装置连接，并能由所述能量储存装置驱动；以及
电动机驱动轴，其从所述电动机中延伸出来，并与所述车轮驱动轴选择性地机械连接。
11.根据权利要求10所述的混合动力系统，其中，所述微型涡轮组件具有利用选自如下组中的燃料进行工作的多燃料涡轮，所述组由气体燃料、液体燃料、汽油、乙醇、柴油、石脑油、煤油、生物柴油、压缩天然气、液化石油气、氢气、沼气和天然气构成。
12.根据权利要求10或11所述的混合动力系统，还包括：
发电机驱动轴，所述发电机驱动轴具有发电机接合位置和发电机未接合位置，在所述发电机接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述发电机驱动轴被传递至所述发电机，并且在所述发电机未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出独立于所述发电机，并且
其中，所述车轮驱动轴具有车轮接合位置和车轮未接合位置，在所述车轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出和所述电动机的电动机旋转输出中的至少一者经由所述车轮驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述车轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出和所述电动机的电动机旋转输出二者独立于所述车轮；
所述涡轮驱动轴具有涡轮接合位置和涡轮未接合位置，在所述涡轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述涡轮驱动轴被传递至所述车辆的车轮，并且在所述涡轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出独立于所述车轮；并且
所述电动机驱动轴具有电动机接合位置和电动机未接合位置，在所述电动机接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出经由所述电动机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述电动机未接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出独立于所述车轮。
13.根据权利要求12所述的混合动力系统，还包括：
涡轮离合器，其沿着所述涡轮驱动轴设置，并能操作用于使所述涡轮驱动轴在所述涡轮接合位置与所述涡轮未接合位置之间移动；
电动机离合器，其沿着所述电动机驱动轴设置，并能操作用于使所述电动机驱动轴在所述电动机接合位置与所述电动机未接合位置之间移动；
车轮离合器，其沿着所述车轮驱动轴设置，并能操作用于使所述车轮驱动轴在所述车轮接合位置与所述车轮未接合位置之间移动；以及
发电机离合器，其沿着所述发电机驱动轴设置，并能操作用于使所述发电机驱动轴在所述发电机接合位置与所述发电机未接合位置之间移动。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的混合动力系统，还包括：
涡轮齿轮组件，其将所述涡轮驱动轴与所述车轮驱动轴机械连接起来，其中，所述涡轮齿轮组件为连续变速传动装置。
15.一种用混合动力系统给车辆提供动力的方法，所述方法包括：
设置微型涡轮组件，所述微型涡轮组件具有从所述微型涡轮组件中延伸出来的涡轮驱动轴；
设置发电机，所述发电机以与所述涡轮驱动轴的一部分并联的方式选择性地连接至所述微型涡轮组件；
设置能量储存装置并选择性地利用所述发电机来对所述能量储存装置充电，所述能量储存装置连接至所述发电机；
设置电动机并选择性地利用所述能量储存装置驱动所述电动机，所述电动机连接至所述能量储存装置；
使所述涡轮驱动轴在涡轮接合位置与涡轮未接合位置之间移动，在所述涡轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述涡轮驱动轴被传递至所述车辆的车轮，并且在所述涡轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出独立于所述车轮；以及
使电动机驱动轴在电动机接合位置与电动机未接合位置之间移动，在所述电动机接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出经由所述电动机驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述电动机未接合位置处，所述电动机的电动机旋转输出独立于所述车轮。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述微型涡轮组件具有回热器，所述回热器具有位于所述微型涡轮组件的压缩机段与涡轮段之间的第一流体路径以及与来自所述涡轮段的废气流体连通的第二流体路径，所述方法还包括使所述回热器作为热交换器工作，所述热交换器从所述废气提取热量，以加热所述第一流体路径中的流体。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述微型涡轮组件具有多燃料涡轮，所述方法还包括用选自由气体燃料和液体燃料构成的组的燃料来操作所述微型涡轮组件。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，还包括：
设置发电机驱动轴，并使所述发电机驱动轴在发电机接合位置与发电机未接合位置之间选择性地移动，在所述发电机接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出经由所述发电机驱动轴被传递至所述发电机，并且在所述发电机未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出独立于所述发电机。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，还包括：
设置车轮驱动轴，并使所述车轮驱动轴在车轮接合位置与车轮未接合位置之间选择性地移动，在所述车轮接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出和所述电动机的电动机旋转输出中的至少一者经由所述车轮驱动轴被传递至所述车轮，并且在所述车轮未接合位置处，所述微型涡轮组件的涡轮旋转输出和所述电动机的电动机旋转输出二者独立于所述车轮。
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