CN110217113A - 自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种基于自由活塞膨胀机‑直线发电和复合电源系统的增程式电动汽车，属于节能减排领域。本发明希望充分集成压缩空气储能、自由活塞膨胀机‑直线发电机、增程式电动汽车三者的技术优势，该增程式电动汽车具有能量转化效率较高，电池循环寿命长、在行驶路线上或行驶区域内对大气环境的污染基本为零、促进压缩空气储能的实用化、减小电网负荷峰谷差等优势。

Description

自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车
技术领域
本发明专利涉及一种基于自由活塞膨胀机-直线发电和复合电源系统的增程式电动汽车，属于节能减排领域。
背景技术
2018年，全国新能源汽车保有量达261万辆，占汽车保有量的1.09％；与2017年相比，2018年新能源汽车保有量增加107万辆。电动汽车被认为是解决汽车行业所带来的环境污染和能源危机等诸多问题的有效途径之一，然而电动汽车的发展仍然面临许多制约因素，其中，电动汽车动力电池面临着一些需要急待解决的重要问题，诸如功率密度、续航里程、环境适应性、能量效率和循环使用寿命等。纯电动汽车的行驶里程长就需要多装电池，车身的重量就会增加，耗电量也随之增大，而目前国内主要靠燃煤发电，这将导致耗电量越大的电动汽车排放二氧化碳及各种有害气体就越多，这背离了低碳化发展的方向。增程式电动汽车是补贴退坡后新能源汽车走向市场化的最佳技术路线之一，是建设汽车强国的利器。
目前，已有专利提出采用内燃机作为增程式电动汽车的增程器，确保内燃机处于高效率的工况范围内，这其中存在的一个现实问题：若采用内燃机作为增程器，在车辆的行驶路线或区域内不可避免地要排放二氧化碳及其有害气体，对当地的大气环境直接带来或多或少的消极影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出了基于自由活塞膨胀机-发电机和复合电源的增程式电动汽车，将自由活塞膨胀机-直线发电机作为增程式电动汽车的增程器，根据压缩空气无污染、零排放、绿色环保的特点，利用压缩空气驱动自由活塞发电机输出电能；将动力电池与超级电容器组成复合电源系统，充分发挥其高功率密度和高能量密度的特点，采用复合电源系统为增程式电动汽车提供驱动能量。
该装置将自由膨胀机和直线发电机进行耦合，形成了自由活塞膨胀机-直线发电机，通过压缩空气驱动自由活塞膨胀机-直线发电机进行发电。压缩空气作为电动汽车增程器的工质，其来源的环保性和便利性是非常重要的，可利用夜间的低谷电驱动压缩机生产压缩空气，这有利于提高低谷负荷、平滑负荷曲线、减小电网负荷峰谷差，从而有助于达到电力供需平衡、实现电网经济运行、提高能量利用率。自由活塞膨胀机-直线发电机作为增程式电动汽车的增程器，可以单独驱动电动汽车。由动力电池和超级电容器组成的复合电源系统，在很大的程度上满足了电动汽车对高能量、大功率的技术要求。当车辆上坡或急加速时需要大驱动力时，自由活塞膨胀机-发电机作与复合电源系统可以同时驱动电动汽车，可以通过优化增程器与复合电源系统间的车辆驱动能量分配比例，以确保二者均在高效率区间工作，从而有利于提高整车经济性。在保证制动安全的前提下，通过制动能量管理器与复合电源系统的能量管理器协同工作，充分发挥超级电容的优越性，既符合驾驶员的制动意图又具有较高的制动能量回收率，以提高复合电源系统的能量利用率。根据驱动电机功率需求及控制策略模式，确定驱动电机的运行状态，得到电动公交车的工作模式：纯电动(复合电源系统)驱动，自由活塞发电机驱动，自由活塞发电机和复合电源系统联合驱动，制动能量回收，驻车充电等。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
一种自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车，该技术方案主要包括自由活塞膨胀机-直线发电机、复合电源系统和控制系统。具体包括：压缩空气(1)、自由活塞膨胀机-直线发电机(2)、功率分配器(3)、驱动电机(4)、变速器(5)、后轮一(6)、后轮二(7)、整流器(8)、继电器(9)、超级电容器(10)、DC/DC变换器(11)、动力电池(12)、复合电源系统的能量管理器(13)、速度谱(14)、功率谱(15)、逆变器(16)、制动能量管理器(17)。
自由活塞膨胀机-直线发电机主要包括：直线发电机(18)、气缸一(19)、气缸二(20)、温度传感器一(21)、压力传感器一(22)、进气门一(23)、进气门二(24)、排气门一(25)、排气门二(26)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、温度传感器三(29)、温度传感器三(30)、压力传感器三(31)、压力传感器三(32)、活塞一(33)、活塞二(34)、连杆一(35)、连杆二(36)、直线发电机的动子(37)、位移传感器(38)。其中气缸一(19)上布置有进气门一(23)、排气门一(25)、温度传感器二(27)和压力传感器二(28)，其中温度传感器二(27)和压力传感器二(28)布置在排气门一(25)上，气缸一(19)内有温度传感器三(29)、压力传感器三(31)，活塞一(33)，连杆一(35)；气缸二(20)上布置有进气门二(24)、排气门一(26)、温度传感器一(21)和压力传感器一(22)，其中温度传感器一(21)和压力传感器一(22)布置在进气门二(24)上，气缸二(20)内有温度传感器四(30)、压力传感器四(32)，活塞二(34)，连杆二(36)；活塞一(33)和活塞二(34)通过连杆一(35)和连杆二(36)连接，与直线发电机的动子(37)耦合在一起形成活塞动子组件。
复合电源主要包括：超级电容器(10)、双向DC/DC变换器(11)、动力电池(12)、复合电源系统的能量管理器(13)、整流器(8)、逆变器(16)、制动能量管理器(17)。
控制系统主要包括：功率分配器(3)、驱动电机(4)、继电器(9)、复合电源系统的能量管理器(13)、制动能量管理器(17)、速度谱(14)、功率谱(15)、进气门一(23)、进气门二(24)、排气门一(25)、排气门二(26)、温度传感器一(21)、压力传感器一(22)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、温度传感器三(29)、温度传感器四(30)、压力传感器三(31)、压力传感器四(32)、位移传感器(38)。
复合电源系统的能量管理器(13)根据速度谱(14)和功率谱(15)计算出驱动电机所需求的功率，然后确定动力电池(12)和超级电容器的输出功率；当电动汽车处于制动或者减速状态时，驱动电机(4)处于发电模式，通过制动能量管理器(17)和超级电容器(10)进行制动能量的回收；功率分配器(3)可以根据驱动电机(4)的功率需求，结合自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率综合判断电动汽车的驱动模式；若自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率大于驱动电机(4)的功率需求，自由活塞膨胀机-直线发电机(2)的电流可经过整流器(8)，继电器(9)导通，给超级电容器(10)进行充电，再通过双向DC/DC变换器(11)给动力电池(12)充电；若自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率小于驱动电机(4)的功率需求，复合电源系统的能量管理器(13)通过动力电池(12)与自由活塞膨胀机-直线发电机(2)共同驱动电动汽车。
与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：
1、本项目采用自由活塞发电机作为电动公交车的增程器，这种增程器采用压缩空气作为工质，在行驶路线上或行驶区域内可实现零碳排放。自由活塞发电机作为增程器，不仅可以增加电动公交车的续航里程；而且可减少电池组和超级电容器的单体数量，从而降低整车的重量和成本。
2、自由活塞发电机和复合电源相互配合可组成不同的工作模式，共同驱动车辆行驶，增加了整车的续驶里程，通过确定合理的控制策略可实现各种工作模式之间的顺利切换、功率流的合理分配，以利于达到整车的性能最优。针对不同的运行工况，在满足整车动力性能和续航里程的前提下，通过增程器与复合电源系统间的最佳匹配特性，以提高整车的经济性和动力性。
3、压缩空气作为电动汽车增程器的工质，可利用夜间的低谷电驱动压缩机生产压缩空气，这有利于提高低谷负荷、平滑负荷曲线、减小电网负荷峰谷差、促进压缩空气储能技术的实用化。
附图说明
图1是自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车原理示意图
图2是自由活塞膨胀机-直线发电机集成单元示意图
图中：1、压缩空气；2、自由活塞膨胀机-直线发电机；3、功率分配器；4、驱动电机；5、变速器；6、后轮一；7、后轮二；8、整流器；9、继电器；10、超级电容器；11、双向DC/DC变换器；12、动力电池；13、复合电源系统的能量管理器；14、速度谱；15、功率谱；16、逆变器；17、制动能量管理器；18、直线发电机；19、气缸一；20、气缸二；21、温度传感器一；22、压力传感器一；23、进气门一；24、进气门二；25、排气门一；26、排气门二；27、温度传感器二；28、压力传感器二；29、温度传感器三；30、温度传感器四；31、压力传感器三；32、压力传感器四；33、活塞一；34、活塞二；35、连杆一；36、连杆二；37、直线发电机动子；38、位移传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车，该技术方案主要包括自由活塞膨胀机-直线发电机、复合电源系统、控制系统。具体包括：1、压缩空气；2、自由活塞膨胀机-直线发电机；3、功率分配器；4、驱动电机；5、变速器；6、后轮一；7、后轮二；8、整流器；9、继电器；10、超级电容器；11、双向DC/DC变换器；12、动力电池；13、复合电源系统的能量管理器；14、速度谱；15、功率谱；16、逆变器；17、制动能量管理器；18、直线发电机；19、气缸一；20、气缸二；21、温度传感器一；22、压力传感器一；23、进气门一；24、进气门二；25、排气门一；26、排气门二；27、温度传感器二；28、压力传感器二；29、温度传感器三；30、温度传感器四；31、压力传感器三；32、压力传感器四；33、活塞一；34、活塞二；35、连杆一；36、连杆二；37、直线发电机动子；38、位移传感器。
自由活塞膨胀机-直线发电机主要包括：直线发电机18、气缸一19、气缸二20、温度传感器一21、压力传感器一22、进气门一23、进气门二24、排气门一25、排气门二26、温度传感器二27、压力传感器二28、温度传感器三29、温度传感器三30、压力传感器三31、压力传感器三32、活塞一33、活塞二34、连杆一35、连杆二36、直线发电机的动子37、位移传感器38。其中气缸一19上布置有进气门一23、排气门一25、温度传感器二27和压力传感器二28，其中温度传感器二27和压力传感器二28布置在排气门一25上，气缸一19内有温度传感器三29、压力传感器三31，活塞一33，连杆一35；气缸二20上布置有进气门二24、排气门一26、温度传感器一21和压力传感器一22，其中温度传感器一21和压力传感器一22布置在进气门二24上，气缸二20内有温度传感器四30、压力传感器四32，活塞二34，连杆二36；活塞一33和活塞二34通过连杆一35和连杆二36连接，与直线发电机的动子37耦合在一起形成活塞动子组件。
复合电源主要包括：超级电容器10、双向DC/DC变换器11、动力电池12、复合电源系统的能量管理器13、整流器8、逆变器16、制动能量管理器17。
控制系统主要包括：功率分配器3、驱动电机4、继电器9、复合电源系统的能量管理器13、制动能量管理器17、速度谱14、功率谱15、进气门一23、进气门二24、排气门一25、排气门二26、温度传感器一21、压力传感器一22、温度传感器二27、压力传感器二28、温度传感器三29、温度传感器四30、压力传感器三31、压力传感器四32、位移传感器38。
以下结合附图详细说明自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车的工作原理：
压缩空气1驱动自由活塞膨胀机-直线发电机2进行发电时，首先经过温度传感器一21、压力传感器一22，并根据驱动电机4功率的需求，通过调节进气门一23和进气门二的开度，间接控制进入气缸一19和气缸二20的进气压力；进入气缸19、20内的压缩空气1推动自由活塞组件做往复式运动，其中自由活塞组件由活塞一33和活塞二34通过连杆一35和连杆二36连接，与直线发电机的动子37耦合在一起组成；直线发电机的动子37通过切割磁感线产生电能，产生的电能通过直线发电机18输出传送到功率分配器3，功率分配器3可以根据驱动电机4的功率需求，结合自由活塞膨胀机-直线发电机2输出功率、动力电池12的核电荷量(state of charge，简称SOC)综合判断电动汽车的驱动模式；
当自由活塞膨胀机-直线发电机2输出功率大于驱动电机4的需求功率且动力电池12的SOC低于50％时，自由活塞膨胀机-直线发电机2在为驱动电机4提供电能的同时，剩余的电能可经过整流器8，继电器9导通，给超级电容器10进行充电，再通过双向DC/DC变换器11给动力电池12充电；当自由活塞膨胀机-直线发电机2输出功率大于驱动电机4的需求功率且动力电池12的SOC大于75％时，自由活塞膨胀机-直线发电机2单独驱动电动汽车；若自由活塞膨胀机-直线发电机2输出功率小于驱动电机4的需求功率时，此时需要增大进气压力以及进气门一23与进气门二24的开度，增大自由活塞膨胀机-直线发电机2的输出功率直到超过驱动电机4的功率需求并且为超级电容器10和动力电池12充电，直到动力电池12的SOC达到预设值时停止充电；当动力电池12的SOC大于75％时，若此时驱动电机(4)的需求功率小于复合电源系统的输出功率，复合电源系统的能量管理器13根据速度谱14和功率谱15计算出驱动电机所需求的功率，然后确定动力电池12和超级电容器10的输出功率，通过逆变器16传输给驱动电机4，此时由复合电源系统单独驱动电动汽车；若电动汽车在爬坡或者急加速等情况下，驱动电机的需要功率大于复合电源系统的输出功率时，可以由超级电容器10、动力电池12与自由活塞膨胀机-直线发电机2共同驱动电动汽车。
当电动汽车处于制动或者减速状态时，在保证制动安全的前提下，通过制动能量管理器17与复合电源系统的能量管理器13协同工作，充分发挥超级电容的优越性，既符合驾驶员的制动意图又具有较高的制动能量回收率，驱动电机4处于发电模式，通过制动能量管理器17和超级电容器10进行制动能量的回收，再通过双向DC/DC变换器11给动力电池12充电，以提高复合电源系统的能量利用率。
压缩空气1驱动自由活塞膨胀机-直线发电机2发电，具有无污染、零排放，绿色环保等优点，压缩空气1作为电动汽车增程器的工质，其来源的环保性和便利性是非常重要的，可利用夜间的低谷电驱动压缩机生产压缩空气，这有利于提高低谷负荷、平滑负荷曲线、减小电网负荷峰谷差，从而有助于达到电力供需平衡、实现电网经济运行、提高能量利用率。
根据驱动电机功率需求及控制策略模式，确定驱动电机的运行状态，得到电动公交车的工作模式：纯电动(复合电源系统)驱动，自由活塞膨胀机-直线发电机驱动，自由活塞膨胀机-直线发电机和复合电源系统联合驱动，制动能量回收，驻车充电等。

Claims (4)

1.自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车，该技术方案主要包括自由活塞膨胀机-直线发电机、复合电源系统、控制系统,具体包括：压缩空气(1)、自由活塞膨胀机-直线发电机(2)、功率分配器(3)、驱动电机(4)、变速器(5)、后轮一(6)、后轮二(7)、整流器(8)、继电器(9)、超级电容器(10)、DC/DC变换器(11)、动力电池(12)、复合电源系统的能量管理器(13)、速度谱(14)、功率谱(15)、逆变器(16)、制动能量管理器(17)、直线发电机(18)、气缸一(19)、气缸二(20)、温度传感器一(21)、压力传感器一(22)、进气门一(23)、进气门二(24)、排气门一(25)、排气门二(26)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、温度传感器三(29)、温度传感器三(30)、压力传感器三(31)、压力传感器三(32)、活塞一(33)、活塞二(34)、连杆一(35)、连杆二(36)、直线发电机的动子(37)、位移传感器(38)；
所述自由活塞膨胀机-直线发电机主要包括：直线发电机(18)、气缸一(19)、气缸二(20)、温度传感器一(21)、压力传感器一(22)、进气门一(23)、进气门二(24)、排气门一(25)、排气门二(26)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、温度传感器三(29)、温度传感器三(30)、压力传感器三(31)、压力传感器三(32)、活塞一(33)、活塞二(34)、连杆一(35)、连杆二(36)、直线发电机的动子(37)、位移传感器(38)；
所述复合电源主要包括：超级电容器(10)、双向DC/DC变换器(11)、动力电池(12)、复合电源系统的能量管理器(13)、整流器(8)、逆变器(16)、制动能量管理器(17)；
所述控制系统主要包括：功率分配器(3)、驱动电机(4)、继电器(9)、复合电源系统的能量管理器(13)、制动能量管理器(17)、速度谱(14)、功率谱(15)、进气门一(23)、进气门二(24)、排气门一(25)、排气门二(26)、温度传感器一(21)、压力传感器一(22)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、温度传感器三(29)、温度传感器四(30)、压力传感器三(31)、压力传感器四(32)、位移传感器(38)。
2.根据权利要求1所述的自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车，其特征在于：气缸一(19)上布置有进气门一(23)、排气门一(25)、温度传感器二(27)和压力传感器二(28)，温度传感器二(27)和压力传感器二(28)布置在排气门一(25)上，气缸一(19)内有温度传感器三(29)、压力传感器三(31)，活塞一(33)，连杆一(35)；气缸二(20)上布置有进气门二(24)、排气门一(26)、温度传感器一(21)和压力传感器一(22)，温度传感器一(21)和压力传感器一(22)布置在进气门二(24)上，气缸二(20)内有温度传感器四(30)、压力传感器四(32)，活塞二(34)，连杆二(36)；活塞一(33)和活塞二(34)通过连杆一(35)和连杆二(36)连接，与直线发电机的动子(37)耦合在一起形成活塞动子组件。
3.根据权利要求1所述的自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车，其特征在于，该电动汽车的工作原理为：压缩空气(1)驱动自由活塞膨胀机-直线发电机(2)进行发电时，首先经过温度传感器一(21)、压力传感器一(22)，并根据驱动电机(4)功率的需求，通过调节进气门一(23)和进气门二的开度，间接控制进入气缸一(19)和气缸二(20)的进气压力；进入气缸(19、20)内的压缩空气(1)推动自由活塞组件做往复式运动，其中自由活塞组件由活塞一(33)和活塞二(34)通过连杆一(35)和连杆二(36)连接，与直线发电机的动子(37)耦合在一起组成；直线发电机的动子(37)通过切割磁感线产生电能，产生的电能通过直线发电机(18)输出传送到功率分配器(3)，功率分配器(3)可以根据驱动电机(4)的功率需求，结合自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率、动力电池(12)的核电荷量(state of charge，简称SOC)综合判断电动汽车的驱动模式；
当自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率大于驱动电机(4)的需求功率且动力电池(12)的SOC低于50％时，自由活塞膨胀机-直线发电机(2)在为驱动电机(4)提供电能的同时，剩余的电能可经过整流器(8)，继电器(9)导通，给超级电容器(10)进行充电，再通过双向DC/DC变换器(11)给动力电池(12)充电；当自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率大于驱动电机(4)的需求功率且动力电池(12)的SOC大于75％时，自由活塞膨胀机-直线发电机(2)单独驱动电动汽车；
若自由活塞膨胀机-直线发电机(2)输出功率小于驱动电机(4)的需求功率时，此时需要增大进气压力以及进气门一(23)与进气门二(24)的开度，增大自由活塞膨胀机-直线发电机(2)的输出功率直到超过驱动电机(4)的功率需求并且为超级电容器(10)和动力电池(12)充电，直到动力电池(12)的SOC达到预设值时停止充电；当动力电池(12)的SOC大于75％时，若此时驱动电机(4)的需求功率小于复合电源系统的输出功率，复合电源系统的能量管理器(13)根据速度谱(14)和功率谱(15)计算出驱动电机所需求的功率，然后确定动力电池(12)和超级电容器(10)的输出功率，通过逆变器(16)传输给驱动电机(4)，此时由复合电源系统单独驱动电动汽车；若电动汽车在爬坡或者急加速等情况下，驱动电机的需要功率大于复合电源系统的输出功率时，可以由超级电容器(10)、动力电池(12)与自由活塞膨胀机-直线发电机(2)共同驱动电动汽车；当电动汽车处于制动或者减速状态时，在保证制动安全的前提下，通过制动能量管理器(17)与复合电源系统的能量管理器(13)协同工作，充分发挥超级电容的优越性，既符合驾驶员的制动意图又具有较高的制动能量回收率，驱动电机(4)处于发电模式，通过制动能量管理器(17)和超级电容器(10)进行制动能量的回收，再通过双向DC/DC变换器(11)给动力电池(12)充电，以提高复合电源系统的能量利用率。
4.按照权利要求1-3所述的自由活塞膨胀机-直线发电机与复合电源增程式电动汽车，其特征在于:压缩空气(1)可由夜间的低谷电驱动压缩机生产并作为电动汽车增程器的工质驱动自由活塞膨胀机-直线发电机(2)发电。
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