CN110925142A - 一种电动汽车车载式双能量补充充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车车载式双能量补充充电装置，包括一个风力发电和一个余热发电系统，将车头原来的空调热交换器拆下，装上两个半径约0.25m的小叶轮，及齿轮、发电机、导风管等，构成一个风力发电系统，依靠汽车在高速路上行驶时产生的风能量发电。以及一个余热发电系统，由乏气回收、压缩机、冷凝器、热交换器、气化器、透平机、发电机、整流器、低温冷媒等组成，构成一个有机朗肯循环系统，从原空调的热交换器、压缩机、马达等收集热能，冷媒工质被加热气化，并产生压力大于0.6MPa的气体，驱动气动马达，带动发电机发电。这两个发电机发出来的电经整流稳压后汇合一起，给蓄电池进行充电，提升续航里程。

Description

一种电动汽车车载式双能量补充充电装置
技术领域
本发明是给电动汽车实时充电，增加电动车续航能力的装置，涉及节能环保及能源领域。
背景技术：
全球汽车近年来发展迅猛，传统动力（燃油燃气）能源车的大量使用，随之带来了除交通拥堵外，更严重的是带来了环境污染及能源枯竭等问题，这很大程度地限制了传统内燃机车辆的发展。近些年来，电动汽车及混合动力汽车因其能源利用效率高、低排放或无排放、低噪音和结构简单等优势得到了大力的发展，因此，全球各地的汽车研究机构都投入大量的人力、物力和财力去研究电动汽车及混合动力汽车。但是，目前电动汽车存在电池续航里程短、充电困难、动力来源使用成本高等一系列缺点，如何提高电池的续航能力便成了电动汽车技术领域中一个很重要的研究课题，虽然出现了很多有关于车载风力发电系统的研究成果，但是它们仅仅做到了初步的系统结构设计，并没有涉及到整个车载风力发电系统的工作方式，实际发电效果不理想，实用性差。
例如，中国专利申请号CN201510087312.5公开了一种车载风力发电系统，它公开了如下内容：本发明由聚能器和发电机组组成。聚能器有2个聚能装置，每个聚能装置有一个进口和一个出口。发电机组由主发电机、辅助发电机和三角皮带组成。主发电机的转子上安装皮带轮和轮式风扇并固定。辅助发电机的转子上安装皮带轮并固定。三角皮带套住主发电机与辅助发电机转子上的皮带轮，组成发电机组。聚能器的进口与车辆前脸内部连接，出口对准主发电机上的轮式风扇。一个出口对应一套发电机组。车辆前行，系统发电，为车辆提供源源不断的电能。
以上申请号CN201510087312.5车载风力发电系统至少存在一下几个问题：
1、原来的空调热交换器没有移开，风力受阻，会导致无法发电或发电量很小。
2、主发电机与辅助发电机速度不一致，不能用三角皮带直接连接。
3、四组叶轮、发电机，纯属多余，加上皮带传送，有没有位置安装还是一个大问题。
基于如上问题，本发明提供一种风力发电及余热发电的双动力发电系统，采用科学合理的技术，克服上述技术中存在的缺陷，真正给车辆补充充电。
发明内容
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种电动汽车车载式双能量补充充电装置，包括一个车载风力发电系统和一个车载余热发电系统,其中所述车载风力发电系统由风力发电由叶轮（11）、齿轮箱（12）、发电机一（13）、整流稳压（14）、蓄电池（19）和导风管组成；所述车载余热发电系统由热交换器（2）、气化器（5）、调节阀（6）、透平机（7）、乏气回收罐（8）、压缩机（9）、冷凝器（10）、整流稳压（14）、发电机二（15）和蓄电池（19）组成。
优选的是，拆卸原来的空调散热器和风扇，将散热器平放安装到到前保险杠之后，尽可能地扩大进风口，把两个叶轮（11）并排安装到原来空调散热器的位置上，叶轮（11）前装有引风聚风板，将风聚拢到叶轮（11）上，每个叶轮（11）后都装有导风管，从散热器左右两边延伸到车底部，出口端方向平行车底盘，朝向车尾，目的是要在导风管出口形成一个负压，风经过叶轮（11）后，由导风管流出。
优选的是，所述叶轮主轴连接到一个齿轮组上，齿轮组内有减速装置和变速控制器，齿轮组连接一个发电机，发电机发出的电连接到整流稳压器上。
优选的是，所述变速控制器装有测风速的装置，用来测量风速，并根据不同的风速自动调整齿轮组输出的转速，以适合发电机的速度带动发电机发电。
优选的是，所述车载余热发电系统由热交换器（2）、气化器（5）、调节阀（6）、透平机（7）、乏气收集罐（8）、压缩机（9）、冷凝器（10）、整流稳压器（14）、发电机二（15）、蓄电池（19）组成，形成一个密闭的气体和液体的循环系统内注入容易液化和气化的低温冷媒R22，但不限于R22，构成一个有机朗肯循环系统。
优选的是，所述车载余热发电系统的热源从原空调的热交换器（2）、空调压缩机（1）、压缩机（9）和原主动力马达（16）收集而来，在原空调的热交换器（2）、空调压缩机（1）、压缩机（9）和原主动力马达（16）的外壳上外涂敷一层导热硅胶（18），并用铝做壳，四周加密封胶等把硅胶密封起来，把多个热管焊接到铝壳上，热管另一头连接到气化器（5）上面，在铝壳、热管外面安装有绝热层（17）保护。
优选的是，所述冷凝器（10）紧靠导风管的中间段安装，并与导风管外壳连接起来，冷凝器散热翅片安装在导风管内壁上，翅片方向与导风管内的风向平行。
优选的是，所述气化器（5）获得热能量，使冷媒工质被迅速气化，并产生较大压力的气体，气体驱动气动马达、透平机或膨胀机，带动发电机二发电，发电机二发出的电连接到整流稳压器上。
优选的是，冷媒工质经过透平机后，接到乏气回收罐（8）收集，回收罐接冷凝器（10），冷凝器接压缩机，压缩机接到气化器上，经过调节阀、透平机，形成循环系统。
优选的是，所述电动汽车车载式双能量补充充电装置还包含一个PLC、多个传感器、温控表、调节阀、安全阀、电磁阀、报警器、开关、密封件、固定件和导线。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明风力发电示意图；
图3是本发明余热发电集热示意图；
附图标记注释：1.空调压缩机、2.热交换器、3.蒸发器、4.风扇、5.气化器、6.调节阀、7.透平机、8.乏气收集罐、9.压缩机、10.冷凝器、11.叶轮、12.齿轮箱、13.发电机一、14.整流稳压、15.发电机二、16.电动机、17.绝热层、18.导热填充剂、19.蓄电池。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
具体来说，本发明所述的一种电动汽车车载式双能量补充充电装置，包括一个车载风力发电系统和一个车载余热发电系统。
一、车载风力发电系统
车载风力发电系统，主要部件安装在小型客车车头前端，见图2。由两个叶轮（11）、齿轮组（12）、自动变速器、固定轴、固定架、导风管道、发电机一（13）、整流器（14）和稳压器等组成。首先选择车头较大、前进风口较为宽大的小型客车，拆卸下原来的空调热交换器（含翅片、风扇、固定架等），将散热器平放安装到前保险杠之后。尽量扩大进风口面积，根据进风口面积决定叶轮大小，将两个叶轮左右并排安装到原来空调散热器的位置上，叶轮前装有引风聚风板，将风聚拢到叶轮上，每个叶轮后都装有导风管，从散热器左右两边延伸到车底部，出口端方向平行车底盘，朝向车尾，目的是要在导风管出口形成一个负压。风经过叶轮后，由导风管流出。根据流体力学特点，这个风向是非常重要的，向后导风，产生负压，提高叶轮风力。叶轮的半径大小约0.25m，两组叶轮主动力轴用齿轮组（12）相连，齿轮组内有减速装置和变速控制器，齿轮组连接一个发电机一（13），齿轮组内还装有测风速的装置，用来测量风速，并根据不同的风速自动调整齿轮组输出的转速，以适合发电机的速度，带动发电机发电，发电机发出的电连接到整流稳压器上。
汽车在高速路上行驶速度达120千米/小时，产生33.3米/秒的风速，相当于12级飓风，具有相当大的风能量，风由车头正前方进入，经过叶轮（11），带动叶轮旋转，风顺着导风管道，从车头底部向后排出，叶轮转轴连接齿轮组（12）进行减速和变速处理，产生动力，连接到发电机一（13）发电。按理论值计算风功率为每平方米22156瓦，风轮效率最大理论值为0.593，风功率则可达到每平方米13138瓦。普通户外风力发电在如此大的风力下，一般都采取关闭发电机的做法，以保护机器设备的安全。所以，这个风能如此之大，是完全可以利用的。
风能密度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
风能密度与平均风速V的三次方成正比；风轮面积
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
；
风轮效率Cp，按Bets理论最大理论值为0.593。
风能P=E*S*Cp
下表是4个风速、风功率和风压力的关系：
Figure 323696DEST_PATH_IMAGE001
由表得知，当风速低时，根本无法发电，只有中、高速时才可以发电。这与通常野外风力发电不同，普通风力发电风叶巨大，通过齿轮变速后，即便风不大时也能发电。而小车体积有限，无法加长风叶，因此，在低速行驶时，无法发电。
如一辆小车定速行驶，车速度为118km/h，风速为32.8m/s，原续航里程标称为500km，小车功率若为20kw。
那么，小车行驶500km耗时=里程/速度=500/118=4.24（小时）。
风能密度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
风轮半径0.25m，风轮面积（2个）
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
风轮效率Cp为0.593。
风能P=E*S*Cp=21134×0.39×0.593=4888（w）。
若发电机的效率为80%，风电能总输出=P*h=4.888×1×80%=3910（wh）=3.91kwh。
参考下表：
二、车载余热发电系统
Figure 217220DEST_PATH_IMAGE001
车载余热发电系统安装在车内靠近空调压缩机和冷凝器的位置上，见图3。
电动汽车的空调系统启动时耗费大量的电能，经过多款车测试得出，空调系统耗费的电能占总功耗的20%～26%之间（未包含暖风损耗），这部分能量大部分以热的形式被浪费掉了。把这部分热收集起来，利用低温冷媒易液化及气化的特点，构建一个有机朗肯循环系统，也就是余热发电系统。
余热发电系统由气化器（5）、调节阀（6）、透平机（7）、乏气回收罐（8）、压缩机（9）、冷凝器（10）、发电机二（15）、整流器（14）和蓄电池（19）等组成一个循环系统，并往系统注入低温冷媒，如R22。热源从原空调的热交换器（2）、压缩机（1）合马达（16）收集而来。
拆卸车原来的空调热交换器（含翅片、风扇、固定架等），去掉风扇，移到车前保险杠后平放安装。在热交换器（2）、压缩机（1）和马达（16）的外壳上外涂敷一层导热硅胶（18），并用铝做壳，加密封胶等把硅胶密封起来，把多个热管焊接到铝壳上，热管另一头连接到气化器（5）上面，在铝壳、热管外面安装有绝热层（17）保护。冷凝器（10）紧靠导风管的中间段安装，并与导风管外壳连接起来，冷凝器散热翅片安装在导风管内壁上，翅片方向与导风管内的风向平行，冷凝器利用导风管壳体及风进行散热。
空调机开始工作，热交换器（2）温度可达到60℃以上，气化器的冷媒工质被迅速气化，并产生一定压力的气体，通过调节阀控制，形成大于0.62MPa的气体压力，驱动气动马达、透平机或膨胀机，带动发电机发电。冷媒工质经过透平机后，接到乏气回收罐（8）收集，回收罐接冷凝器（10），冷凝器接压缩机，压缩机接到气化器上，气化器出口管安装有安全阀、调节阀等，冷媒工质经过气化器后到达透平机，形成循环系统。
一辆小车行驶时的总耗电功率是20千瓦，车载空调平均损耗的能量高达20×（20%+26%）÷2=4.6（千瓦），体积越大的车，越是高级的车，空调损耗越大。而且大部分的车，空调压缩机都是与主电动机联轴的，开不开空调，都在工作，只不过在关闭空调时，因为冷媒压力变小，空调压缩机处于低阻力状态运转，能耗有所减少。
空调平均损耗的能量=4.6（千瓦）。
余热发电效率按50%计算。
余热发电输出功率=4.6×50%=2.3（千瓦）。
安装上述两个发电系统，在汽车高速行驶及开启空调时，总发电输出如下所述：
总发电功率=风力发电+余热发电=3.91+2.3=6.21kw。
汽车以118千米/小时高速行驶一个500km里程用时4.24小时，总发电量=6.21×4.24=26.33（度）。
增加续航里程=100×26.33/20=132km。
132km里程用时=132/118=1.19小时。
再次充电=6.21kw×1.19小时=7.39（度）。
再增加续航里程=100×7.39/20=37km。
增加续航总里程=132km+37km=169km。
也就是说，一辆20千瓦续航里程500公里（NEDC标准）的小型车，安装本发明的补充充电装置后，以匀速118千米/小时的速度行驶，里程将增加169公里，由原来的500公里，增加到669公里。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
风力发电系统和余热发电系统发出来的电经整流后汇合起来，给电动车主动力电池进行实时补充充电，对于一辆原续航能力为500千米的小型电动客车来说，总续航里程可以增加169千米，即提升33.8%的里程。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：包括一个车载风力发电系统和一个车载余热发电系统,其中所述车载风力发电系统由风力发电由叶轮（11）、齿轮箱（12）、发电机一（13）、整流稳压（14）、蓄电池（19）和导风管组成；所述车载余热发电系统由热交换器（2）、气化器（5）、调节阀（6）、透平机（7）、乏气回收罐（8）、压缩机（9）、冷凝器（10）、整流稳压（14）、发电机二（15）和蓄电池（19）组成。
2.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：拆卸原来的空调散热器和风扇，将散热器平放安装到到前保险杠之后，尽可能地扩大进风口，把两个叶轮（11）并排安装到原来空调散热器的位置上，叶轮（11）前装有引风聚风板，将风聚拢到叶轮（11）上，每个叶轮（11）后都装有导风管，从散热器左右两边延伸到车底部，出口端方向平行车底盘，朝向车尾，目的是要在导风管出口形成一个负压，风经过叶轮（11）后，由导风管流出。
3.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述叶轮主轴连接到一个齿轮组上，齿轮组内有减速装置和变速控制器，齿轮组连接一个发电机，发电机发出的电连接到整流稳压器上。
4.根据权利要求3所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述变速控制器装有测风速的装置，用来测量风速，并根据不同的风速自动调整齿轮组输出的转速，以适合发电机的速度带动发电机发电。
5.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述车载余热发电系统由热交换器（2）、气化器（5）、调节阀（6）、透平机（7）、乏气收集罐（8）、压缩机（9）、冷凝器（10）、整流稳压器（14）、发电机二（15）和蓄电池（19）组成，形成一个密闭的气体和液体的循环系统内注入容易液化和气化的低温冷媒R22，但不限于R22，构成一个有机朗肯循环系统。
6.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述车载余热发电系统的热源从原空调的热交换器（2）、空调压缩机（1）、压缩机（9）和原主动力马达（16）收集而来，在原空调的热交换器（2）、空调压缩机（1）、压缩机（9）和原主动力马达（16）的外壳上外涂敷一层导热硅胶（18），并用铝金属做壳，四周加密封胶等把硅胶密封起来，把多个热管焊接到铝壳上，热管另一头连接到气化器（5）上面，在铝壳、热管外面安装有绝热层（17）保护。
7.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述冷凝器（10）紧靠导风管的中间段安装，并与导风管外壳连接起来，冷凝器散热翅片安装在导风管内壁上，翅片方向与导风管内的风向平行。
8.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述气化器（5）获得热能量，使冷媒工质被迅速气化，并产生较大压力的气体，气体驱动气动马达、透平机或膨胀机，带动发电机二发电，发电机二发出的电连接到整流稳压器上。
9.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：冷媒工质经过透平机后，接到乏气回收罐（8）收集，回收罐接冷凝器（10），冷凝器接压缩机，压缩机接到气化器上，气化器出口管安装安全阀和调节阀，到达透平机，形成循环系统。
10.根据权利要求1所述的电动汽车车载式双能量补充充电装置，其特征在于：所述电动汽车车载式双能量补充充电装置还包含一个PLC、多个传感器、温控表、调节阀、安全阀、电磁阀、报警器、开关、密封件、固定件和导线。
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