CN108749586B - 增程式电动交通工具能量回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能量回收技术领域，具体而言，提供了一种增程式电动交通工具能量回收系统，所述增程式电动交通工具包括涡轮发动机(100)、发电机(200)、电池组(300)、驱动电机(400)、车轮(500)和控制装置(700)；所述能量回收系统包括热力元件(600)，所述热力元件(600)分别与所述控制装置(700)和所述涡轮发动机(100)相连，用于将所述车轮(500)的制动能量转化为热能为所述涡轮发动机(100)的进气加热。本发明通过安装热力元件，将增程式电动交通工具的制动能转化为热能，用于对进入燃烧室的气体进行二次加热，提高了燃烧室的进气温度，从而提高了单位燃料的发电量，延长了增程式电动交通工具的续航里程。
Description
技术领域
本发明属于能量回收技术领域，具体而言，本发明涉及一种增程式电动交通工具能量回收系统。
背景技术
汽车制动即给汽车实施反向力，用以使汽车减速或停止。在燃油车时代，这个用以制动的反向力只能由机械制动系统提供。带档刹车，即利用发动机阻力参与制动，此操作有利于及时减速和停车，但是整个制动过程会损耗大量无法回收的能量，造成能源浪费。
对于电动车或者混合动力汽车而言，电机可以作为驱动电机使用，也可以作为发电机使用，所以在制动时，电机能够通过给出一个反向力矩参与制动，并实现能量回收，即在制动过程中，车轮带动电机转动，电机作为发电机将动能转化为电能输入到汽车的储能系统，从而实现制动能量的回收。
在汽车制动过程中，一般希望能最大限度的回收所有能量。但是，在现有技术的电动汽车中，只有车轮的一部分动能可以沿着与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统，车轮的另一部分动能将由车轮上的摩擦制动系统转化为热能并散失掉。
对于传统的纯电动汽车，由于其不设置发动机，因此制动能量除了用于电池充电外，剩余的能量只能以热能的形式浪费掉；而对于设置有内燃机的增程式电动汽车而言，由于内燃机的进气温度不能太高，因此，制动能量也无法以热能的形式被回收，制动能量除了用于电池充电外，也只能以热能的形式浪费掉。
制动能量的回收率除了受电机效率影响以外主要还受到电池的制约，在不考虑其他零部件限制的条件下，大部分电动汽车制动过程的能量回收率最终是由电池的最大充电功率决定的。一般情况下，混合动力车在电机制动过程中回收的功率在十几千瓦到四五十千瓦之间，纯电动车可以达到六七十千瓦。总体来说，在现有技术中，由于受到电池充电功率的限制，一般电动汽车在制动过程中回收的能量不到制动能量的百分之三十，而其余能量都以热量的形式释放，能量回收效率低，造成了能源浪费。与此同时，为了更好的散热，汽车的车轮需要裸露在外，而裸露在外的车轮又会增加汽车行驶的阻力，从而增加汽车行驶过程中的能耗，影响电车的续航里程。因此，如何提供一种能够高效率的回收电动汽车制动能量的能量回收系统，对于减少能源浪费，提高电动汽车的续航里程和整车动力性能具有极其重要的作用。
发明内容
本发明提供了一种增程式电动交通工具能量回收系统，以至少解决现有技术中电动汽车能量回收效率低的技术问题，同时还能解决现有技术中电动汽车行驶能耗大的技术问题，其能够有效地将电动汽车在减速或者制动中的制动能量转化为电能和热能，并有效利用，进而提高电动汽车的续航里程和整车的动力性能，避免能源浪费。
为了解决上述问题，本发明提供了一种增程式电动交通工具能量回收系统，其技术方案如下：
一种增程式电动交通工具能量回收系统，所述增程式电动交通工具包括：涡轮发动机、发电机、电池组、驱动电机、车轮和控制装置；所述涡轮发动机与所述发电机相连，用于带动所述发电机发电；所述发电机与所述控制装置电连接，所述控制装置分别与所述电池组、所述驱动电机电连接，所述发电机发出的电通过所述控制装置分别供应所述电池组和所述驱动电机，所述电池组与所述驱动电机电连接，为所述驱动电机提供电能；所述驱动电机与所述车轮相连，用于驱动所述车轮转动和为所述车轮提供制动阻力；所述能量回收系统包括热力元件，所述热力元件分别与所述控制装置和所述涡轮发动机相连，用于将所述车轮的制动能量转化为热能为所述涡轮发动机的进气加热。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述车轮的制动能量驱动所述驱动电机产生电能，电能通过所述热力元件转化为热能为所述涡轮发动机的进气加热。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述驱动电机产生的电能同时为所述电池组充电。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述涡轮发动机包括压气机、透平、燃烧室和回热器；所述热力元件位于所述压气机与所述透平之间，用于加热所述燃烧室的进气。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述热力元件设置在所述压气机与所述回热器之间，用于加热进入所述回热器前的气体；或者，所述热力元件设置在所述回热器内，用于加热进入所述回热器中的气体；或者，所述热力元件设置在所述燃烧室与所述回热器之间，用于加热进入所述燃烧室前的气体；或者，所述热力元件设置在所述燃烧室内，用于加热进入所述燃烧室中的气体；或者，所述热力元件设置在所述回热器与所述透平之间，用于加热所述透平排入所述回热器的气体。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述控制装置包括功率分配器和第一交直流转换器；所述功率分配器一端与所述发电机电连接，另一端分别与所述第一交直流转换器、所述驱动电机电连接；所述第一交直流转换器与所述电池组电连接。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述电池组与所述驱动电机之间安装有第二交直流转换器。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：还包括温度传感器，所述温度传感器与所述控制装置相连，用于检测所述燃烧室的温度。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述增程式电动交通工具为使用所述涡轮发动机作为增程器的商务车、跑车、公交车、物流车或城市轨道交通车。
如上述的增程式电动交通工具能量回收系统，进一步优选为：所述加热元件采用耐高温材料制成。
分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1、对于涡轮发动机，回热度是影响涡轮发动机效率的关键因素之一，带有回热器的涡轮发动机燃烧原理为通过回热器将进气预热后，进入燃烧室并与燃烧室内的燃料混合燃烧，其中，燃料起了两部分作用，一部分为加热气体，另一部分为维持燃烧，本发明通过安装热力元件，将增程式电动交通工具的制动能转化为热能，用于对进入燃烧室的气体进行二次加热，提高了燃烧室的进气温度，从而提高了单位燃料的发电量，延长了增程式电动交通工具的续航里程。
2、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统在车辆制动时，车轮的动能转化为电能，电能用于加热热力元件，热力元件将电能转化为热能，从而为涡轮发动机的进气进行加热；由于热力元件可以瞬时将大量的电能转化为热能，因此可以将制动能量几乎全部转化为热能再利用，克服了现有技术中电动车能量回收受到电池组最大充电功率和电池组容量限制的缺点，提高了能源利用率。
3、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统在车辆制动时，车轮的动能转化为电能后，所述电能加热热力元件，将电能转化为热能，为涡轮发动机的进气进行加热的同时，一部分电能向电池组供电，减少了电能转化为热能时的能量损失，进一步提高了能量回收效率；同时，由于制动时车轮处不会产生大量热量，车轮轮毂能够为封闭轮毂，从而减小车辆行驶能耗，进一步提高整车动力性能，具有能量回收效率高、车辆行驶能耗小的特点。
4、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统的热力元件具有多种安装方式，热力元件对燃烧室的进气加热方式分为直接加热和间接加热；采用直接加热方式时热力元件安装时具有多种安装方式，每种安装方式均能实现对燃烧室的进气的加热，提高能量利用率的功能，涡轮发动机在输出同样动能的前提下，对燃料的需求量减小，从而提高了能源的利用率，避免了能量浪费，从而使得本发明具有能量利用率高的特点。
5、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统的加热元件能够用作涡轮发动机的保护电阻，在发电机掉负荷的情况下，发电机发出的电能能够通过热力元件以热能的形式释放，从而保证涡轮发动机和发电机能够安全停机，无需给涡轮发动机单独设置保护电阻，结构简单，从而使得本发明具有结构简单，安全可靠的特点。
6、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统的电池组与驱动电机之间安装第二交直流转换器，使得电池组可直接通过第二交直流转换器向驱动电机供电，便于进行能量转换，在车辆制动过程中，驱动电机发出的电能能够通过第二交直流转换器直接对电池组充电，减少能量损耗，从而使得本发明具有能量损耗小、便于能量转换的特点。
7、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统的发电机产生的电能通过功率分配器能够按照预定比例分配给电池组和驱动电机，实现发电机产生的电能基于驱动电机实际用电量在驱动电机和电池组之间合理分配，保证电动交通工具的实际用电需求，第一交直流转换器能够将交流电转换为直流电储存在电池组中，便于进行电流转换，从而使得本发明具有电能便于分配的特点。
8、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统的涡轮发动机能够根据需求采用前置布置或中置布置，便于整车的整体布局，从而使得本发明具有涡轮发动机便于布置的特点。
9、本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统的回热器采用分体式回热器，在安装空间受限的情况下能够灵活的安装涡轮发动机，从而使得本发明具有便于安装的特点。
附图说明
图1为本发明的增程式电动交通工具能量回收系统的一种结构示意图。
图2为本发明的增程式电动交通工具能量回收系统的另一种结构示意图。
图3为本发明的增程式电动交通工具能量回收系统的另一种结构示意图。
图4为本发明的增程式电动交通工具能量回收系统的另一种结构示意图。
图5为本发明的热力元件间接加热方式的连接示意图。
图中：100-涡轮发动机；110-压气机；120-透平；130-燃烧室；140-回热器；200-发电机；300-电池组；400-驱动电机；500-车轮；600-热力元件；700-控制装置；710-功率分配器；720-第一交直流转换器；730-第二交直流转换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种增程式电动交通工具能量回收系统，增程式电动交通工具包括：涡轮发动机100、发电机200、电池组300、驱动电机400、车轮500和控制装置700；涡轮发动机100与发电机200相连，用于带动发电机200发电；发电机200与控制装置700电连接，控制装置700分别与电池组300、驱动电机400电连接，发电机200发出的电通过控制装置700分别供应电池组300和驱动电机400，电池组300与驱动电机400电连接，用于为驱动电机400提供电能；驱动电机400与车轮500相连，用于驱动车轮500转动和为车轮500提供制动阻力；能量回收系统包括热力元件600，热力元件600分别与控制装置700和涡轮发动机100相连，用于将车轮500的制动能量转化为热能为涡轮发动机100的进气加热。对于涡轮发动机100而言，回热度是影响涡轮发动机100效率的关键因素之一，涡轮发动机100燃烧原理为：通过回热器140将进气预热后进入燃烧室130并与燃烧室130内的燃料混合燃烧。其中，燃料有两个作用，一是加热空气，二是维持燃烧。因此，提高进入燃烧室130的气体温度，则客观上降低了燃料的使用量，也可以说，在相同燃料的情况下，增加了发电量。在此基础上，本发明将增程式电动交通工具在减速或制动过程中的制动能量全部或者部分转化为热能，用于对进入燃烧室130的空气进行二次加热，从而提高进入燃烧室130的气体的温度，降低了燃料的使用量，延长了续航里程。
具体而言，本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统在增程式电动交通工具制动时，车轮500的动能通过驱动电机400转化为电能，电能通过控制装置700加热热力元件600，热力元件600能够瞬时将大量电能转化为热能，从而为涡轮发动机100的进气进行加热，有效回收车辆的制动能量，提高能量回收效率；或者，一部分电能通过控制装置700加热热力元件600，热力元件600瞬时将大量电能转化为热能，为涡轮发动机100的进气进行加热，另一部分电能通过控制装置700后向电池组300进行充电，这样，一方面将部分电能直接向电池组300充电，减少了电能转化热能的能量转化损失，进一步提高了能源利用率，另一方面，其客观的克服现有技术中的能量回收受到电池组300最大充电功率和电池组300容量的限制的缺点。本发明适用于基于涡轮发动机100作为增程器的电动交通工具，诸如商务车、跑车、公交车、物流车、城市轨道交通车等。本发明采用热力元件600对涡轮发动机100的进气进行加热，一部分或者全部电能用于加热热力元件600，提高了涡轮发动机100的进气温度，从而降低了涡轮发动机100的燃料使用率，延长了续航里程，在同等燃料消耗量的情况下增加了发电量，有效利用了电机制动产生的电能，客观的克服了现有技术中电动车能量回收受到电池组300最大充电功率和电池组300容量限制的缺点，能量回收效率高。本发明的增程式电动交通工具能量回收系统在进行电机制动时，车轮500处不会产生大量热量，因此车轮500的轮毂能够为封闭轮毂，减小车辆行驶时的风阻，从而减小车辆行驶能耗，进一步提高整车动力性能，并且封闭式轮毂能够避免杂物进入轮毂，从而能够起到防护作用，从而使得本发明具有能量回收效率高、车辆行驶能耗小的特点。
具体地，如图1所示，本发明的涡轮发动机100包括压气机110、透平120、燃烧室130和回热器140；发电机200、压气机110和透平120依次安装在转轴上；压气机110的排气口与回热器140的压缩气体进口相连；回热器140的压缩气体出口与燃烧室130的进气口相连；燃烧室130的出气口与透平120的进气口相连；透平120的排气口与回热器140的高温气体进口相连，回热器140的高温气体出口与外界相通，回热器140利用透平120的高温尾气实现对燃烧室130进气口的进气预热。本发明的发电机200、压气机110和透平120依次安装在转轴上，气体进入压气机110被压缩成高压气体，高压气体进入燃烧室130与燃料混合燃烧，燃烧产生的高温高压燃气推动透平120转动，透平120通过转轴带动发电机200转动发电，将燃料内能转换为电能。在车辆正常行驶时，车轮500具有行驶动能，在制动时，车轮500的动能拖动驱动电机400转动，此时驱动电机400用作发电机，利用车辆的制动能量进行发电，一部分电能传输至电池组300，另一部分电能用于加热热力元件600，热力元件600将电能转换为热能，从而对燃烧室130的进气进行加热，提高燃烧室130进气的内能，并最终转化为透平120的动能，实现制动能量的有效回收利用，涡轮发动机100在输出同样动能的前提下，对燃料的需求量减小，从而提高了能源的利用率，避免了能量浪费，从而使得本发明具有能源利用率高的特点。
本发明的热力元件600的安装位置可以有多种，如图1至图5所示，本发明的热力元件600对燃烧室130的进气加热分为直接加热和间接加热；直接加热是热力元件600对进入燃烧室130前的气体加热或者对进入燃烧室130的气体进行加热；间接加热是指热力元件600通过加热透平120的排气以提高回热器140的换热效率，从而间接实现对燃烧室130的进气加热。热力元件600直接加热的方式为：方式一，具体如图1所示，热力元件600设置在压气机110的排气口与回热器140之间的空气管道上，以对进入回热器140前的气体加热；方式二，具体如图2所示，热力元件600设置在回热器140内，以对进入回热器140中的气体加热，提高回热器140的换热效率；方式三，具体如图3所示，热力元件600设置在回热器140与燃烧室130之间，以对进入燃烧室130前的气体进行加热；方式四，具体如图4所示，热力元件600设置在燃烧室130内，以对进入燃烧室130中的气体进行加热，优选地，热力元件600设置在燃烧室130的进气口附近。热力元件600间接加热的方式具体如图5所示：热力元件600设置在回热器140与透平120之间，以对进入回热器140的透平120的排气进行加热，即提高回热器140的换热效率。本发明的热力元件600具有多种安装方式，每种安装方式均能实现加热气体的功能，提高能量利用率的同时，使得本发明具有热力元件安装灵活的特点。
为了实现发电机200产生的电能基于驱动电机400的实际用电量而在驱动电机400和电池组300之间合理分配，保证电动交通工具的实际用电需求，如图1所示，本发明的控制装置700包括功率分配器710和第一交直流转换器720；功率分配器710一端与发电机200相连，另一端分别与第一交直流转换器720和驱动电机400电连接；第一交直流转换器720与电池组300电连接。本发明的发电机200产生的电能根据驱动电机400的实际用电量通过功率分配器710按照实际需求比例分配给电池组300和驱动电机400，第一交直流转换器720能够将交流电转换为直流电储存在电池组300中，便于进行电流转换。
为了降低本发明的能量损耗，如图1所示，本发明的电池组300与驱动电机400之间安装有第二交直流转换器730。本发明通过在电池组300与驱动电机400之间安装第二交直流转换器730，使得电池组300不通过控制装置700即可直接通过第二交直流转换器730向驱动电机400供电，便于进行能量转换，并且，在车辆制动过程中，驱动电机400发出的电能能够通过第二交直流转换器730直接对电池组300充电，从而减少能量损耗，使得本发明具有能量损耗小、便于能量转换的特点。
为了使本发明便于控制燃料注入量，如图1所示，本发明还包括温度传感器，温度传感器与控制装置700相连，用于检测燃烧室130的温度。本发明的控制装置700能够接收温度传感器反馈的检测信号，并根据温度传感器检测的温度，控制燃烧室130的燃料注入量，从而使得本发明具有便于控制的特点。
本发明的涡轮发动机100能够根据具体车型采用灵活的布置方式，例如采用涡轮发动机100前置布置或中置布置等。
为了使本发明便于安装，如图1所示，本发明的回热器140为分体式回热器140。本发明采用分体式回热器140，即回热器140与涡轮发动机100相对独立，在安装空间受限的情况下能够灵活的安装涡轮发动机100，从而使得本发明具有便于安装的特点。
为了使本发明安全可靠，本发明的加热元件采用耐高温材料制成，加热元件可以为石英加热元件或陶瓷加热元件等，陶瓷材质为氧化硅、氧化铝、二氧化硅的任意一种或其组合。本发明的加热元件采用耐高温材料制成，能够适用于高温环境，不易毁坏，加热元件同时能够用作涡轮发动机100的保护电阻，在发电机200掉负荷的情况下，例如电池组300和驱动电机400故障时，发电机200发出的电能能够通过热力元件600以热能的形式释放，从而保证涡轮发动机100和发电机200能够安全停机，无需给涡轮发动机100单独设置保护电阻，结构简单，从而使得本发明具有结构简单，安全可靠的特点。
如图1所示，下面对本发明的工作过程做详细说明：
本发明提供的增程式电动交通工具能量回收系统，在增程式电动交通工具行驶时，涡轮发动机100带动发电机200转动发电，发电机200产生的电能通过功率分配器710根据驱动电机400实际用电量全部分配至驱动电机400，或者，发动机200产生的电能通过功率分配器710根据驱动电机400实际用电量分配至驱动电机400，同时将发电机200产生的多余电能通过第一交直流转换器720完成AC/DC转换后存储在电池组300内；发电机200产生的电能通过功率分配器710根据驱动电机400实际用电量全部分配至驱动电机400时，若发电机200产生的电能仍无法满足驱动电机400实际用电量需求，则电池组300通过第二交直流转换器730向驱动电机400供电。电动交通工具制动时，车轮500的动能通过驱动电机400转化为电能，电能通过控制装置700加热热力元件600，热力元件600将电能转化为热能，为涡轮发动机100的进气加热；或者一部分电能通过控制装置700加热热力元件600，热力元件600将电能转化为热能的同时，另一部分电能通过控制装置700向电池组300进行充电。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (6)
1.一种增程式电动交通工具能量回收系统，所述增程式电动交通工具包括：涡轮发动机(100)、发电机(200)、电池组(300)、驱动电机(400)、车轮(500)和控制装置(700)；
所述涡轮发动机(100)与所述发电机(200)相连，用于带动所述发电机(200)发电；
所述发电机(200)与所述控制装置(700)电连接，所述控制装置(700)分别与所述电池组(300)、所述驱动电机(400)电连接，所述发电机(200)发出的电通过所述控制装置(700)分别供应所述电池组(300)和所述驱动电机(400)；
所述电池组(300)与所述驱动电机(400)电连接，用于为所述驱动电机(400)提供电能；
所述驱动电机(400)与所述车轮(500)相连，用于驱动所述车轮(500)转动和为所述车轮(500)提供制动阻力；
其特征在于，所述能量回收系统包括热力元件(600)，所述热力元件(600)分别与所述控制装置(700)和所述涡轮发动机(100)相连，用于将所述车轮(500)的制动能量转化为热能为所述涡轮发动机(100)的进气加热；
所述控制装置(700)包括功率分配器(710)和第一交直流转换器(720)；所述功率分配器(710)一端与所述发电机(200)电连接，另一端分别与所述第一交直流转换器(720)、所述驱动电机(400)电连接；所述第一交直流转换器(720)与所述电池组(300)电连接；
所述电池组(300)与所述驱动电机(400)之间安装有第二交直流转换器(730)；
所述增程式电动交通工具为使用所述涡轮发动机(100)作为增程器的商务车、跑车、公交车、物流车或城市轨道交通车；
所述热力元件(600)采用耐高温材料制成。
2.根据权利要求1所述的增程式电动交通工具能量回收系统，其特征在于：所述车轮(500)的制动能量驱动所述驱动电机(400)产生电能，电能通过所述热力元件(600)转化为热能为所述涡轮发动机(100)的进气加热。
3.根据权利要求2所述的增程式电动交通工具能量回收系统，其特征在于：所述驱动电机(400)产生的电能同时为所述电池组(300)充电。
4.根据权利要求1所述的增程式电动交通工具能量回收系统，其特征在于：所述涡轮发动机(100)包括压气机(110)、透平(120)、燃烧室(130)和回热器(140)；所述热力元件(600)位于所述压气机(110)与所述透平(120)之间，用于加热所述燃烧室(130)的进气。
5.根据权利要求4所述的增程式电动交通工具能量回收系统，其特征在于：所述热力元件(600)设置在所述压气机(110)与所述回热器(140)之间，用于加热进入所述回热器(140)前的气体；
或者，所述热力元件(600)设置在所述回热器(140)内，用于加热进入所述回热器(140)中的气体；
或者，所述热力元件(600)设置在所述燃烧室(130)与所述回热器(140)之间，用于加热进入所述燃烧室(130)前的气体；
或者，所述热力元件(600)设置在所述燃烧室(130)内，用于加热进入所述燃烧室(130)中的气体；
或者，所述热力元件(600)设置在所述回热器(140)与所述透平(120)之间，用于加热所述透平(120)排入所述回热器(140)的气体。
6.根据权利要求4所述的增程式电动交通工具能量回收系统，其特征在于，还包括：温度传感器，所述温度传感器与所述控制装置(700)相连，用于检测所述燃烧室(130)的温度。
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