CN108340790A - 具有多个车轮的电能驱动的电动车及其动力系 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多个车轮的电能驱动的电动车，包括：电动机；用于将旋转动力从所述电动机传递到至少一个所述车轮中的传动系；飞轮；机械旋转变速器，用于将动力从至少一个所述车轮中传递到所述飞轮，以及将动力从所述飞轮传递到至少一个所述车轮中，使得使用同时来自所述电动机和所述飞轮的动力来加速所述电动车，并且使得所述电动车的动能在所述电动车减速期间回收并存储在所述飞轮中；和至少一个电池单元，其可与电动车接合以向用于向所述电动机提供电能以用于所述电动车的驱动，所述电池单元可从所述电动车中移除并且是便携式的，其可从所述电动车中移除并带走以用于充电。本发明还提供一种用于具有多个车轮的电动车的动力系。

Description

具有多个车轮的电能驱动的电动车及其动力系

技术领域

本发明涉及电动车领域，尤其涉及一种能回收动力的电动车及其动力系。

背景技术

目前，绝大多数小汽车和其他可驾驶的、自驱动的陆地用车辆采用内燃机驱动。由于人们普遍认为电动车在可预见的将来会取代内燃机车，或者至少占有较大的市场份额，因此，电动车是当前深入研究和开发的主题。尽管车辆由电动机从车载电池获取电能并供给的概念与汽车本身一样古老，但是，在二十世纪的大多数时间，这样的电动车在大多数实际应用中举步维艰。与以往不同的是，当前有来自包括社会和技术方面的众多激励，鼓励人们更多地采用电动车，因为，与内燃机车相比，电动车具有少污染，耗能低和噪音小等优点。

相对于电动车，人们更喜欢采用内燃机车的一个最大的因素是电池技术。术语“电池”在本文中将以其常规意义使用，以指代包括一个或多个电池的单元，以存储能量并以电的形式供应电能。然而，术语“电池”不应理解为包括燃料电池。当电池用在电动车中时，电池至少具有以下缺点：

(1)能量密度，通常表示电池的能量存储容量与其质量的比率。体积能量密度-每单位体积的能量存储容量也经常被提及。无论采用哪种测量方法，电池技术都落后于传统的内燃机及它们的燃料箱。由于可容纳在电动车中的电池的质量和体积有限，这与电池技术可实现的有限的能量密度相结合限制了电池可提供的能量存储容量，这进而限制了电动车的续航里程，即在电池的两次充电之间电池可以驱动电动车行驶的里程。为了提供具有与内燃机驱动汽车相当的续航里程的电动车，通常需要重且笨重的电池组。电池组的质量为电动车空载质量的主要部分，从而降低电动车的加速度并增加耗能。

(2)充电便利性。在加油站向传统的内燃机驱动汽车加油的过程快捷方便，但价格较贵。给电动车充电相对而言不太方便，问题部分在于充电时间长，部分在于缺少合适的充电电源。由于电动车实现完全充电所需的时间长，截止到写此文之前，很多电动车都倾向于在车主的家里整夜充电。一些市售电动车声称能够在一小时以内完成部分充电。但涉及到电池再充电所需的时间和由此产生的不便仍然是一个采用本技术的一个重要障碍。对于那些没有路外停车场的人来说，这个问题特别严重。拥有一个车道或车库的车主在从电力干线连接到他们的车进行整夜充电的过程中也可能有小问题。然而，考虑城市车主怎样面对他们的车可能需要在公共街道上过夜的问题，他们自己又不能将电缆从家中连接到街道上的电动车上进行过夜充电，并且他们将车从家里驾驶到指定充电地点并等待电池再充电也不方便并且需等待相当长的时间。替代的解决方案是，例如，在住宅街道上安装充电器，这会带来新的问题，例如，可用性，成本和监管障碍等。此外，一些地方，例如酒店，可能没有任何充电设施。

(3)功率密度。常用电池能够传递的能量的速率是有限的，这潜在地限制了电动车的加速度及其可持续的最高速度。使用电池在其充电速率的上限值充电时，电池的包层会导致电池发热，这是低效的并且降低电池寿命。在设计电池时，通常在能量密度和功率密度之间进行折中，但是在大多数电动车中希望两者都是越高越好。

(4)成本。电池技术是深入研究的领域，并且近年来在该领域的进步已经在一定程度上改善了能量密度和功率密度的问题。现在可以在电动车中实现高性能和可接受的续航里程，如，众所周知的特斯拉的续航里程。然而，这些电动车仍然具有质量，比内燃机电动车的发动机和燃料箱的质量大得多的电池组，此外，用于这种电动车的电池组的成本比具有类似性能的内燃机电动车，高几倍，并且电池组的寿命有限，需要定期更换。

发明内容

本发明提供一种实用且可用的电动车。为此，它使用某些本身已知的技术，现将对其进行讨论。

为了增加电动车的续航里程以期提高其整体效率。在大多数内燃机驱动的汽车中，在加速期间投放在电动车中的动能在电动车减速时被耗散，并且被浪费。目前存在用于回收和存储一部分该动能的各种技术，使得其可在随后用于加速电动车。这样的技术通常被称为“再生制动系统”或称为“KERS”，动能回收系统。

在电动车或混合动力电动车中实现这一点的一种已知方式是：通过在电动车减速期间将电动机作为发电机操作，由此产生的电能用于对电池充电。在该过程中，电动车的动能首先由电动机/发电机转换成电能，然后在电池中转化为化学能。为了随后使用，能量必须反向经历相同的转化链。能量从一种形式到另一种形式的每次转换都涉及能量损失。因此，总效率受到限制。此外，这种类型的再生制动系统有助于解决与有限的电池能量容量相关的问题，但是，由于能量从电池组单独供应到电动机，对电池功率容量有关的问题没有帮助。

可以使用其他装置来存储来自电动车的电动发电机回收的电能。例如，参阅由美国电气与电子工程师学会出版的，由朱安迪克逊撰写的文章，适合在电动车中使用的能量存储装置的综述，其中涉及电动车的能量存储。适合的能量存储装置包括高容量电容器(“超级电容器”)和液压蓄能器。在液压再生制动系统中，电动车减速期间，某种形式的蓄能器的压力升高，并且蓄能器通过某种形式的液压电动机耗尽以用于加速电动车。这些技术都没有在汽车领域得到广泛应用，实际上仍然存在障碍。

存储回收的动能的另一种方式是使用动能来驱动飞轮。这样投入到飞轮中的动能可以随后用于驱动电动车。飞轮再生制动系统将在(a)电动飞轮系统和(b)机械飞轮系统之间进行区分。

在电动飞轮系统中，通过发电机提供减速(制动)电动车所需的车轮扭矩。由此产生的电力被供应到单独的电动机/发电机，以使飞轮旋转(加速)，以存储动能。当随后需要动力来驱动电动车时，电动机/发电机用于将飞轮的动能转换成电能，电能供应于电动机/发电机以驱动电动车。用于制动电动车的发电机和用于驱动电动车的电动机可以是相同的单元。例如，电动飞轮系统已经用于赛车。

在机械飞轮系统中，提供了用于在飞轮和电动车的地面接合轮之间传输能量的机械传动装置。在电动车加速期间，功率从飞轮通过机械旋转变速器传输以驱动车轮。在减速期间，功率以相反方向流过机械旋转变速器以使飞轮旋转并储存动能。机械飞轮系统通常被建议用于文中的内燃机驱动电动车。

机械飞轮系统需要某种形式的机械旋转变速器进行传动，飞轮能够通过该传动来驱动车轮，反之亦然。功率流的方向和在飞轮和车轮处产生的扭矩随着该机械旋转变速器的速比而变化。通过该机械旋转变速器，飞轮的充电/放电和由机械飞轮系统提供的车轮的扭矩被控制。飞轮的旋转速度与车轮的旋转速度的比率连续无级变化，并且为了适应这一点，所述机械旋转变速器可以是包括变换器的无级变速器。变换器可被定义为具有旋转输入和旋转输出的单元和在输入和输出之间传输旋转驱动的机构，输入的转速比与输出的转速比连续无级地可变。由于在许多情况下功率可以沿任一方向流过变换器，因此名称“输入”和“输出”是相对的。所述机构可以采取多种形式。例如，所述机构包括“带和滑轮”或“膨胀带轮”，其中，某种形式的驱动带在一对滑轮上运行，该对滑轮中的至少一个滑轮的有效直径是可变的，以改变它们的相对速度。又如，所述机构包括滚动牵引式变换器，其中滚子在某种形式的滚道上运行，并且滚子距离滚道轴线的距离是可变的，以用于改变传动比再如，所述机构包括静液压变换器。

减少与电动车电池充电相关的一些问题的一种方式是将电池设置为可移除的，使得其可以被带到与电动车本身分离的充电站去充电。

为了满足车主的日常实际需要，电动充电轮式和可转向式机动电动车中仍然存在一些问题，包括充电便利性，城市和郊区使用的便利性，续航里程，经济性和性能。

因此，本发明提供一种具有多个车轮的电动车，并且包括：电动机；用于将旋转动力从所述电动机传递到至少一个所述车轮的传动系；飞轮；机械旋转变速器，用于将动力从至少一个所述车轮中传递到所述飞轮，以及将动力从所述飞轮传递到至少一个所述车轮中，使得使用同时来自所述电动机和所述飞轮的动力来加速所述电动车，并且使得所述电动车的动能在所述电动车减速期间回收并存储在所述飞轮中；和至少一个电池单元，其可与所述电动车接合以向用于向所述电动机提供电能以用于所述电动车的驱动。所述电池单元时便携式的，其可从所述电动车中移除使得其能够被从所述电动车带走以用于充电。

优选地，所述电池单元的质量为小于或等于30kg。

优选地，所述电池单元的质量为小于或等于10kg。

优选地，所述电池单元的质量为小于或等于6kg。

优选地，可仅使用来自所述至少一个电池单元的动力来驱动所述电动机。

优选地，所述电池单元设置有携带把手或背带。

优选地，所述电动车还包括第一舱口，其设于所述电动车的车厢内部以就近接收所述电池单元。

优选地，所述电动车包括第二舱口，其设于所述电动车的车厢外侧以接收所述电池单元。

优选地，所述第二舱口设于所述电动车的后部，并且所述电池单元收纳于所述电动车的车座的后部。

优选地，所述电动车被用于能够接收至少两个不同尺寸和容量的电池单元，即，较大的电池单元和较小的电池单元。

优选地，所述电动车还包括电子控制装置，所述电子控制装置用于控制提供所述电动机的功率，所述电子控制装置还用于根据安装的电池单元的尺寸实施至少两种不同功率的操作模式。

优选地，所述电动车包括所述电池单元在内的空载质量小于或等于1200kg。

优选地，所述电动车包括所述电池单元在内的空载质量小于或等于600kg。

优选地，所述机械旋转变速器包括解耦离合器或动力分配装置，用于选择性地使所述飞轮与所述车轮分离，以使所述飞轮能够在所述电动车静止时由所述电动机驱动，使得所述飞轮能够在所述电动车起动之前被充电。

优选地，所述机械旋转变速器包括变换器。

优选地，所述变换器可操作地连接到所述电动机的电机轴，所述电动机通过所述传动系可操作地连接到至少一个所述车轮中。

本发明还提供一种用于具有多个车轮的电动车的动力系，所述动力系包括电动机；用于将旋转动力从所述电动机传递到至少一个所述车轮的传动系；飞轮；机械旋转变速器，用于将动力从所述飞轮传递到至少一个所述车轮传递，及将功率从所述飞轮传输到至少一个所述车轮，使得使用同时来自所述电动机和所述飞轮的动力来加速所述电动车，并且使得所述电动车的动能能够在所述电动车减速期间被回收并存储在所述飞轮中；和至少一个电池单元，其可与所述电动车接合以用于向所述电动机提供电能以驱动所述电动车，所述电池单元是便携式的，其可从所述电动车中移除使得其能够被从所述电动车中带走以用于充电。

本发明通过飞轮将所述电动车的动能能够在所述电动车减速期间被回收并存储在所述飞轮中，因此，可以使用同时来自所述电动机和所述飞轮的动力来加速所述电动车，因而能够获得更大的加速度。本发明的电池单元是便携式的，其可从所述电动车中移除使得其能够被从所述电动车中带走以用于充电，便利车主。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的具体实施例，其中：

图1a和1b是用于在体现本发明的电动车中的传动系的选定部件的示意图；

图2是用于同一电动车的电池单元中的电池的示意图；

图3a和3b两个图分别表示在相对端观看用于同一电动车中的小型便携式电池单元；

图3c表示小型便携式电池单元省略外壳后的内部部件；

图4a和4b表示在同一电动车中使用的大型电池单元，所述大型电池单元的外壳在图4a中示出，图4b示出了在外壳内的各种可能的电池配置方式；

图5a表示本发明的汽车的后部；

图5b和5c均表示从一侧观看的整个电动车。在图5b中，所述大型电池单元将要被从电动车中拆卸出来，在图5c中，所述大型电池单元被装设在电动车中；

图6a是大型电池单元和小型便携式电池单元的示意图，示出了其如何可以独立于电动车在室内充电；

图6b是大型电池单元的示意图，示出了当其安装在电动车中时如何从电动车充电柱上充电。

主要元件符号说明

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施例

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，为了说明的简单和清楚，在适当的地方，在不同的附图中重复附图标记以指示对应或类似的元件。另外，本文阐述了许多具体细节以便提供对本文所描述的实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述方法，过程和组件，以免模糊所描述的相关特征。此外，这些描述不被认为是限制本文所描述的实施例的范围。附图不一定按比例绘制，并且某些部件的比例被夸大以更好的示出细节和特征。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的属于“连接”，不必限定于物理连接，可以是直接地或者间接地通过中间组件连接，可以是使得对象被永久地连接或可释放地连接。

本发明的具体实施例描述一种小型、轻型、可转向的双座电动车。所述电动车由电动机驱动。所述电动机可拆卸地安装于所述电动车上。所述电动机由手动便携式电池组供电。所述电动车采用机械飞轮系统。所述机械飞轮系统用于在电动车减速时回收能量，并在电动车加速的过程中增加来自电池的功率。所述电动车可被描述为电动车或者电动汽车。所述电动车具有封闭的车厢。但是出于某些管理要求，它被认为是四轮车路上的一种负担。

这种电动车尤其受住在城市或者郊区的人欢迎。由于这种电动车要整夜停在街道上充电，因此，这种电动车的车主整夜都没有机会离开街道，直到上述电动车被完全充电。考虑到城市居民要将电动车停在公共高速路上过夜。因为这些辆的车主不在一个将电动车接入干线来充电的位置。再者，他们也不希望花时间将电动车驾驶到某个指定的充电站充电并等待直至电池被完全充电。因此，电动车的电池需要能够以其他更为便捷的方式充电。在日常生活中，这个名义上的城市车主能够覆盖的距离可能是中等的，例如，对于上下班工作，假设30km或更少。但是为了最大的实用性，期望电动车能够有时更长的续航行程。为了满足用于内燃机汽车的替代品的驾驶员的期望，汽车需要具有一定程度的加速度和可接受的最高速度。

本实施例提供一种使用可移除(拆卸)的、便携式的电池单元的系统，使得所述电池单元可从电动车上移除后被带走充电。因此，城市车主可以在离开电动车时取出其电池单元，并将其带入公寓或办公室，以在下一次出行之前完成充电。为了方便起见，例如，每日通勤工作所需的短的或者中等的距离范围，通过对小型的电池单元充电来提供，并且小型的电池单元对于通常驾驶员来说是容易携带的。对于较长行程，则使用更大的电池单元。

利用便利便携式电池单元实现可接受的电动车续航里程和加速度的要求对能量使用的效率和汲取的峰值功率提出了严格的要求。在这方面的问题，以及解决它们的方式，在下一节中解释。

功率和能量考虑

需要考虑三个电池参数。假定的电池单元具有：

(a)能量存储容量，其限制电动车续航里程，

(b)最大峰值功率，其可以仅在短暂的时间段内递送，并且其限制仅使用电池功率实现的电动车加速度，以及

(c)最大连续功率，可以在持续时间段内提供的最大功率，其限制电动车巡航速度。

这些因素与电池寿命相关，因为，例如，在连续的高功率下使用电池可能导致电池热聚积并引起对电池的损害。同样，从电池提取高瞬态功率可能会缩短电池的工作寿命。

与可用能量和功率相关的问题可以通过最小化电动车的质量来减轻。如下面将解释的，本实施例与通常的道路内燃机驱动汽车相比较轻。它的空载质量在没有电池的情况下是大约450kg，允许配置一质量为30kg的可拆卸电池，和一质量为75kg的驱动器，以组成一空载质量为555kg的电动车。

考虑峰值功率需求。假设电动车能够在10秒内从0加速到96kmh^-1(0-60英里h^-1)。

实验表明，考虑到空气动力阻力和滚动阻力的影响，如果车轮处的扭矩可以达到轮胎的干牵引极限(在当前情况下，每个驱动轮大约为335Nm)，则具有所述空载质量的电动车的车轮处所需的峰值机械功率大约为29kW。电池允许在电气和动力传动系统中的功率损耗大约为37kW。

下表1给出了从具有特定电池质量的已知的磷酸铁锂(LiFePO₄)电池和锂锰镍(LiNiMnCoO₂)电池中可获得的性能值。可以看出，即使是5kg的小电池组，也能提供维持96kmh^-1的容许巡航速度所需的功率7.5kW，但是提供电动车加速所需的功率仍有难度。使用LiFePO₄电池提供上述37kW的功率的需求需要15kg或更重的电池。另外，LiFePO₄型电池的能量密度低于LiNiMnCoO₂电池的能量密度，因此在使用高功率电池和使用高容量电池之间存在冲突。

即使采用15kg的LiFePO4电池或25kg的LiNiMnCoO2电池的情况下，电动车加速期间的功率需求也接近最大峰值功率，这将导致电池寿命减少(即，在电池更换之前的充电循环次数减少)和大电池发热，增加了对电池冷却的需求。

根据本发明，通过使用机械飞轮系统的方式进行次级能量存储和电源供给的方式来解决这些问题。

在电动车中，机械飞轮系统在某些方面是个违反直觉的选择。更常规的方法是在加速或巡航期间使用电动机/发电机驱动，并在减速期间使用电动机/发电机进行能量回收，其中，重新回收的能量存储在电池中。在常规电动车具有大且重的电池组的情况下，容易提供电动车加速所需的峰值功率，由于其相对机械简单性和与机械飞轮系统相关的重量损失，电动机/发电机方法具有非常明显的优点。

但是本发明人已经认识到，在可移除的便携式电池组用于驱动轻型车的情况下，使用机械飞轮系统能够调和相冲突的设计要求。通过存储能量以用于在高功率需求时释放，特别是在电动车加速期间，机械飞轮系统降低了电池所需的峰值功率。这使得采用使用便携式尺寸的电池为电动车提供动力成为可能。它还允许减小电力驱动电动机及其控制器的功率，从而减轻电动车重量，降低电动车成本。

上述实验提及在被驱动电动车车轮处需求的峰值功率为29KW，电动车空载质量为555Kg，其中包括30kg的电池组。现在考虑电动车配置有一个重量只有5kg质量的小型便携式电池组。如果选择LiNiMnCoO₂电池，由于LiNiMnCoO₂电池具有优异的存储容量，因此，可以提供9kW的峰值功率。对于固定的加速度，较低的电动车空载质量使得其在车轮处的峰值功率需求较低，为27kW。如果由电池提供7kW的机械功率，则需要由飞轮系统提供20kW的机械功率。在加速期间，飞轮可以提供的能量等于制动之前的电动车的动能减去能量损失，其中能量损失是指当能量从电动车车轮传递到飞轮并且然后从飞轮传递到电动车车轮过程中的能量损失。如果考虑电动车首先从96kph制动到停止，然后加速回到96kmh^-1，为了实现所需的加速度，仅从车轮充电飞轮，因此需要20/27＝74％的往返能量再生效率。

图1a表示飞轮10通过机械部件被连接到被驱动的车轮12。所述机械部件包括飞轮10，变换器14，齿轮装置16，增速齿轮104，差速齿轮18和驱动轴20。所示齿轮装置16用于将所述变换器14连接到所述差速齿轮18上。所述增速齿轮104用于将所述变换器14连接到所述飞轮10上。其中，能量消耗在飞轮10，变换器14，齿轮装置16，增速齿轮104；差速齿轮18，与驱动轴20相关联的关节和轴承中。

再生能量通过该系统往返，首先从车轮12传递到飞轮10，用于临时存储，然后从飞轮10传输到车轮12以供再次使用。往返效率可以表示为

η_往返＝(η_飞轮*η_变换器*η_齿轮*η_差速齿轮*η_驱动轴)²

并且代入各部件的效率的实际值得出

η_往返＝(0.96*0.92*0.98*0.97*0.98)²＝0.68

也就是说，基于变换器14的92％的效率的总的往返能量再生效率为68％。这不足以在10秒内给出0-96kmh^-1的加速，但是可以提供在12秒内加速达到96kmh^-1的电动车，这在使用这种小电池组时被认为是足够的。

在电池重量为10kg的情况下，也能够实现允许68％的往返再生效率，可以提供0-96kmh^-1加速的时间为7.8s，这比常规的内燃机型的小汽车相比，更有利。

电池系统

本实施例旨在提供容易使用，更易操作的模块化电池系统。

本发明仅以上述类型的电池举例说明本发明，但不希望通过参考任何具体的电池类型来限制本发明的范围。本实施例使用市售的锂锰镍(LiNiMnCoO₂)型电池。适合的电池是可商购的，其个体单元的尺寸比通常电池的尺寸小。图2示出了组装在电池块24中，且用于电池单元中的多个电池22。单个电池是在本示例中在其端面上具有触点的小圆柱形物件，并且夹在板26,28之间，通过该板26,28进行适当的电连接。在该示例中，电池块24包含大约120个电池单元并且具有大约5kg的质量。

所讨论的电动车被用于通过两个不同的路线接收两种不同类型的电池单元，即尺寸较大的电池单元30和尺寸较小的电池单元32。它具有用于接收较小电池单元30的第一舱口43和用于接收较大电池单元32的第二舱口45。在本实施例中，第一舱口43和第二舱口45都为两个，使得电动车能够接收两个较小电池单元30和两个较大电池单元32。在本实施例中，从电动车驾驶室41(如图6b所示)内接近第一舱口43，因此驾驶员可以将较小的电池单元30携带到驾驶室中并且一旦就位就将较小的电池单元30插入电动车中。第二舱口45可从电动车的外部接近，并且所述电池单元32收纳于所述电动车的车座47(如图6b所示)的后部，如下将进行详细的说明。

电池单元30,32都可拆卸地安装到电动车上。也就是说，驾驶员可以在不需要任何工具或其他设备的情况下快速地将电池单元与电动车进行电气断开和机械断开。当然，机动车辆及其辅助设备通常可以在给定足够的时间和合适的工具的情况下拆卸，但这里所涉及的部件的拆卸并不是本文所使用的术语“可拆除的”的意义。移除电池单元30,32的操作须是足够简单和方便，使得车主可以单独手动完成，并且能够重复的每天执行。优选地，电池单元30,32中的其中一个电池单元30或32只需一个或仅两个手动操作就可完成机械释放，例如按下释放按钮或致动电气开关装置。

参考图3，较小的电池单元30能够由驾驶员通过手柄33携带到电动车，或者从电动车中拿出，可以提供一些辅助装置，例如肩带37或背带，使得携带电池单元30更为轻松。较小电池单元30的质量足够小，便于驾驶员携带它而没有不适，使得该电池单元30真正便携，而不需要例如脚轮。在本实施例中，较小的电池单元30承载单个5kg的电池块24(参见图3c)，该电池单元30容纳在外壳34中，外壳34的尺寸和形状类似于小的手提箱或膝上型电脑包。在本示例中，电动车具有设置在中控台处的一对舱口，以接收并电连接一个或两个这种较小的电池单元30。在该实施例中，外壳34设置一可视电池状态指示器46，其用于显示电池的充电状态。可视电池状态指示器46由一组发光体组成，这些发光体被照亮的个数表示电池的充电状态。电池状态指示器46仅在特定的时间被点亮，例如，当充电时，一旦第一次连接到电动车，并且，手柄33中的电容传感器感测到手柄33被触摸时，电池状态指示器46被点亮。电源线48具有电连接器，例如插头。电源线48将电池单元30连接到用于充电的市电电源，并且，当电源线48不使用时可通过弹簧(未示出)收回。当不使用时，可移动盖50关闭包含电源线48和插头的空腔。USB端口52或一些其他类型的数据接口(其可以是无线接口)可以用于访问电池单元30。当电池在电动车内或外时，这些USB端口还允许电池用作为其他设备供电或充电的能量源(例如，移动电话)。

请参考图4，根据容纳在标准尺寸外壳35中的电池块24的数量，本实施例中的大电池单元32可具有约5kg到10kg之间的质量。以这种方式，驾驶员/车主可以灵活选择电池选项，以满足他/她对电动车的续航里程/电池质量的要求。这可以在购买时指定，也可以由驾驶员在购买之后通过插入/移除电池块24的方式修改。在该示例中，外壳35设置有轮36，使得其可以滑入电动车或者从电动车中拖出，从而避免驾驶员携带其整体重量。伸缩手柄38有助于这一点，并且该电池单元32在这些方面类似于带轮子的手提箱构造。外壳35容纳一个或多个电池块24。在本实施例中，其能够承载一个到六个电池块24。图4b中示出了外壳35内的电池块24的可能的合适的构造。汽车被用于接收多达两个较大的电池单元32。

在图5a中看到电动车40在其后部具有能够打开并容纳较大电池单元32的低高度的电池舱门42。其中两个单元可以并排地容纳在该电池舱门42中。电池舱门42允许较大的电池单元32沿着其滑槽滑动到其中，并且电池舱门42的下边缘处可以铰接到电动车，使得当电池舱门42打开时，其在地平面处或正好在地平面上方形成斜坡，以便电池单元32插入，如图5b所示。电池舱门42可以被用于响应，例如，来自驾驶员携带的晶片钥匙或者来自电池单元32本身的射频信号而电动打开。较大的电池单元32在使用中容纳在电动车40的后下部，如图5c所示。在所示的示例中，其为前轮驱动，该位置在后部和可接地车轮44之间。

电动车40还可配置有不需频繁移除的用于续航里程延伸的固定电池组。所述固定电池组通过电动车40与电源的电连接来充电。所有的可移除的电池组也能够以这种方式充电，如图6b所示。

电池单元30,32的模块化形式给出了各种商业和技术的选择。例如，消费车可以根据需要的续航里程和需要移动的重量来指定电池组的数量和重量。可以根据所需的续航里程。电池单元30,32可以被打开以更换电池，或者升高电池容量，或者移除电池以减轻重量。

(a)用于小型便携式电池单元30的舱口和(b)用于较大电池单元32的舱口也给出了各种选择。由于电动车40的其它特征，包括其轻重量和其机械飞轮系统，更小的电池单元30能够给出适合于大多数短行程的续航里程。因此，例如，具有短的每日往返工作的通勤者可以仅移除较小的电池单元30并将其运送到房子或公寓和/或到办公室以进行充电。可以将该电池单元30中的每日剩余电荷用于对电动车中的较大电池单元32充电，使得当需要时可获得更大的范围。附加地或替代地，相同的车主可以仅在必要时选择对一个或多个较大电池单元32充电和加载，例如，因为要做更长的旅程。因此避免了与许多电动车相关联的大电池组的固定重量损失。这可以提高性能(加速度)和能量经济性。

参考图6a，电池单元30,32可通过直接地或经由合适的充电器插入到传统的电源插座100中而被充电。此外，电池单元30,32能够利用通常的电动车充电柱102通过电动车40充电，如图6b所示。

操作模式

可以提供的功率根据驾驶员对电池的选择而变化。在本实施例中，车载电子控制装置47(如图6b所示)用于根据车载电池容量可变地限制从电池单元30,32汲取的功率，还可以通过检测到的车载电池容量实现两种或多种不同的操作模式。峰值功率和连续功率中的任一个或两者可以被限制。

在本实施例中，电动车具有两种操作模式：

(1)城市模式，其在仅装载单个5kg电池并充分充电时实现。在本示例中，这为驾驶员提供大约96kmh^-1的最大速度，并且具有在12s中从0-96kmh^-1的加速度；

(2)正常模式，其在两个或多个电池组被加载并充分充电时实现，并且给出大约128kmh^-1的最大速度和在10s或更少的时间内从0-96kmh^-1的加速度。

飞轮和动力系

能量在被驱动的车轮12与飞轮10之间通过至少一个变换器14交换动力。本实施例中，包括一个变换器14，动力能够通过该变换器14沿任一方向交换。

在本实施例中，飞轮10是金属制品。更具体地，其由钢加工而成，这是经济的。然而，可以采用不同的结构，例如复合飞轮。如果成本允许，碳纤维增强塑料将是合适的。

在图1a所示的传动系中，电动机62通过所述传动系70将旋转动力从所述电动机62传递到至少一个所述车轮12中。具体地，所述传动系70包括齿轮装置16，解耦离合器64，差速齿轮18和驱动轴20。电机轴60通过齿轮装置16连接到解耦离合器64的一侧，解耦离合器64的另一侧连接到差速齿轮18，以通过驱动轴20连接到车轮12。其中，齿轮装置16包括由电机轴60驱动并且尺寸较大的主齿轮16b。齿轮装置16还包括在从电机轴60到解耦离合器64的方向上提供减速的第一小齿轮16a。齿轮装置16还包括第二小齿轮16c，所述第二小齿轮16c与所述主齿轮16b啮合。其中，电动机62通过电机轴60与第一小齿轮16a啮合。第一小齿轮16a与主齿轮16b啮合。主齿轮16b与解耦离合器64连接。解耦离合器64与差速齿轮18的一端连接。差速齿轮18的另一端与驱动轴20连接。驱动轴20与车轮12连接。因此，由电池单元30,32供应的动力由电动机62转换成旋转机械形式，并经由所述传动系70以驱动电动车。其中，解耦离合器64用于选择性地使所述飞轮10与所述车轮12分离，以使所述飞轮10能够在所述电动车静止时由所述电动机62驱动，使得所述飞轮10能够在所述电动车起动之前被充电。

在该示例中，所述机械飞轮系统包括机械旋转变速器80和飞轮10。所述机械旋转变速器80，用于将动力从至少一个所述车轮12中传递到所述飞轮10，以及将动力从所述飞轮10传递到至少一个所述车轮12中，使得使用同时来自所述电动机62和所述飞轮10的动力来加速所述电动车，并且使得所述电动车的动能在所述电动车减速期间回收并存储在所述飞轮10中。具体地，所述机械旋转变速器80包括变换器14。所述变换器14可操作地连接到所述电动机62的电机轴60，所述电动机62通过所述传动系70可操作地连接到至少一个所述车轮12。具体地，所述机械旋转变速器80进一步包括增速齿轮104和摩擦离合器106。所述第二小齿轮16c连接到所述变换器14的旋转输出14a。所述变换器14的输入14b经由所述增速齿轮104连接到所述摩擦离合器106，所述摩擦离合器106在接合时用于将所述变换器14的输入14b连接到所述飞轮10。所述增速齿轮104用于提供飞轮10所需的高旋转速度。所述摩擦离合器106是可控的，以便当飞轮10静止时通过滑动使飞轮10与车轮12脱离，从而在飞轮10重新接合时平滑过渡。

与所述变换器14的旋转部件相关的名称“输出”和“输入”是相对的，因为功率可以在从输入到输出的任一方向上流动并通过所述变换器14，反之亦然。

解耦离合器64在脱离时用于将电机轴60和飞轮10与车轮12分离。这允许电动机62在电动车静止时运行，使得电动机62可以通过齿轮装置16，变换器14和摩擦离合器106驱动飞轮10，以在电动车处于静止时为飞轮10充电，从而确保当驾驶员需要时飞轮10能够提供足够的动力。例如，当驾驶员进入电动车并启动电动车时，解耦离合器64可以脱离，并且电动机62用于给飞轮10充电以获得初始能量。当驾驶员给出控制输入以使电动车移动时，解耦离合器64接合，已充电的飞轮10可用于提供动力以加速电动车。摩擦离合器106逐渐接合并且变换器14被适当地控制以提供合成车轮扭矩的期望时间曲线，从而避免过度的冲击。必要时，在随后的操作期间，电动机62可以再次对独立于车轮12的飞轮10充电。在该示例中，解耦离合器64是爪形离合器，但是，也可以采取其他形式。

在图1b所示的替代传动系统的布置中，所述解耦离合器64由行星齿轮系108替换。行星齿轮系108用作动力分配装置。所述动力分配装置用于选择性地使所述飞轮10与所述车轮12分离，以使所述飞轮10能够在所述电动车静止时由所述电动机62驱动，使得所述飞轮10能够在所述电动车起动之前被充电。所述行星齿轮系108具有与差速齿轮18啮合的齿圈108a，连接到变换器14的输入的太阳齿轮108b，和连接到电机轴60的行星架108c。替代实施例也是可能的，其中太阳齿轮108b或行星齿轮架108c与差速齿轮18啮合。当电动车静止时，电动机62连接到变换器14，允许飞轮10被充电。在电动车减速期间，电机轴60通过摩擦制动器110的作用而固定。因此，动力从车轮12经由变换器14，增速齿轮104和摩擦离合器106流动到飞轮10，绕过电动机62可以用作电磁制动器以减小摩擦制动器110的扭矩需求。

在本实施例中，变换器14是带和滑轮类型。适合的变换器是本领域技术人员已知的。然而，在其他实施例中，可以采用其他合适类型的变换器。

电动车

与常规内燃机汽车的质量相比，本电动车的质量小，其中，几个因素有助于这一点。由于可拆卸和可更换电池的模块化系统提供的灵活性，电动车不依赖于提供大的固定容量的电池。电池质量可低至5kg。低电动车质量和使用飞轮系统在加速期间补充电动机功率意味着电动机62和电动机控制器的功率容量可以是适度的，并且这些部件的质量因此被最小化，并且远低于在传统的汽车中使用的内燃机。飞轮系统的重量损失是适度的。

电动车是可转向的机动电动车。它具有四个车轮12，其接合地面并且电动车在其上行驶。本实施例是一种行驶电动车。

电动车的结构也是轻质的。本实施例使用具有低质量的空间框架底盘。较大的电池单元32容纳在驾驶员和单个乘客的座椅后面。其它实施例可具有不同数量的座位，例如四个座位。

上面示出和描述的实施例仅仅是示例。在本领域中经常发现许多细节，例如电动车。因此，许多这样的细节既未示出也未描述。尽管在前面的描述中已经阐述了本技术的许多特征和优点，连同本公开的结构和功能的细节，但是本公开仅是说明性的，并且可以在细节上做出改变，特别是在本公开的原理内的部件的形状，尺寸和布置直到并且包括由权利要求中使用的术语的宽泛的一般含义所确定的完全范围。因此，应当理解，可以在权利要求的范围内修改上述实施例。

Claims (17)

1.一种具有多个车轮的电能驱动的电动车，其特征在于，包括：

电动机；

用于将旋转动力从所述电动机传递到至少一个所述车轮中的传动系；

飞轮；

机械旋转变速器，用于将动力从至少一个所述车轮中传递到所述飞轮，以及将动力从所述飞轮传递到至少一个所述车轮中，使得使用同时来自所述电动机和所述飞轮的动力来加速所述电动车，并且使得所述电动车的动能在所述电动车减速期间回收并存储在所述飞轮中；和

至少一个电池单元，其可与所述电动车接合以用于向所述电动机提供电能以用于驱动所述电动车，所述电池单元是便携式的，其可从所述电动车中移除使得其能够被从所述电动车中带走以用于充电。

2.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电池单元的质量为小于或等于30kg。

3.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电池单元的质量为小于或等于10kg。

4.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电池单元的质量为小于或等于6kg。

5.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，可仅使用来自所述至少一个电池单元的动力来驱动所述电动机。

6.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电池单元设置有携带把手或背带。

7.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车还包括第一舱口，其设于所述电动车的车厢内部以就近接收所述电池单元。

8.根据权利要求7所述的电动车，其特征在于，所述电动车包括第二舱口，其设于所述电动车的车厢外侧以接收所述电池单元。

9.根据权利要求8所述的电动车，其特征在于，所述第二舱口设于所述电动车的后部，并且所述电池单元收纳于所述电动车的车座的后部。

10.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车被用于能够接收至少两个不同尺寸和容量的电池单元，即，较大的电池单元和较小的电池单元。

11.根据权利要求10所述的电动车，其特征在于，所述电动车还包括电子控制装置，所述电子控制装置用于控制提供所述电动机的功率，所述电子控制装置还用于根据安装的电池单元的尺寸实施至少两种不同功率的操作模式。

12.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车包括所述电池单元在内的空载质量小于或等于1200kg。

13.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车包括所述电池单元在内的空载质量小于或等于600kg。

14.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述机械旋转变速器包括解耦离合器或动力分配装置，用于选择性地使所述飞轮与所述车轮分离，以使所述飞轮能够在所述电动车静止时由所述电动机驱动，使得所述飞轮能够在所述电动车起动之前被充电。

15.根据权利要求14所述的电动车，其特征在于，所述机械旋转变速器还包括变换器。

16.根据权利要求15所述的电动车，其特征在于，所述变换器可操作地连接到所述电动机的电机轴，所述电动机通过所述传动系可操作地连接到至少一个所述车轮。

17.一种用于具有多个车轮的电动车的动力系，其特征在于，所述动力系包括

电动机；

用于将旋转动力从所述电动机传递到至少一个所述车轮的传动系；

飞轮；

机械旋转变速器，用于将动力从所述飞轮传递到至少一个所述车轮传递，及将功率从所述飞轮传输到至少一个所述车轮，使得使用同时来自所述电动机和所述飞轮的动力来加速所述电动车，并且使得所述电动车的动能能够在所述电动车减速期间被回收并存储在所述飞轮中；和

至少一个电池单元，其可与所述电动车接合以用于向所述电动机提供电能以驱动所述电动车，所述电池单元是便携式的，其可从所述电动车中移除使得其能够被从所述电动车中带走以用于充电。