CN112277622A - 车用辅助电动牵引电机 - Google Patents

Abstract

车辆牵引装置，其具有至少一个能量存储组件；至少一个牵引组件；至少一个加速传感器，包括压力传感器、运动传感器、陀螺仪传感器、加速度计和/或压电传感器；和至少一个减速传感器，包括压力传感器、运动传感器、陀螺仪传感器、加速度计和/或压电传感器。至少一个加速/减速传感器响应于操作者的输入，并且当将操作者的输入施加到至少一个加速/减速传感器时，能量牵引装置被发信号以将能量从至少一个能量存储组件传递至使用至少一个牵引组件使车辆向前推进，反之亦然。该车辆牵引装置可以被结合到例如车轮、电机和/或变速器中。

Description

车用辅助电动牵引电机

背景技术

本公开涉及用于车辆的牵引电机的领域。

诸如汽车之类的车辆可以包括内燃机(ICE)和/或电力牵引电机(ETM)。ICE或ETM可以连接至变速器，从而以使车辆前进的旋转运动来驱动车辆的车轮。当使用ETM时，车辆和/或发动机可以例如包括用于控制电机(例如具有集成控制器的逆变器)和/或能量存储装置(例如大容量电池)的电力电子设备。结合到车轮中的制动器可以由车辆中的杠杆操作，使得当按压杠杆时，车轮中的制动器被致动并且车辆减速和/或停止。当踩下加速踏板时，信号可能会传递到发动机或电机，以向车轮施加更多动力。发动机或电机可以位于车辆底盘内，例如在前或后发动机盖下方。可以使用轮耳将车轮附接到车轮轮毂，并且轮毂可以包括例如驱动轴和/或制动器。轮胎可以附着在车轮的轮辋上。

发明内容

以下是一些发明概念的简要概述，其仅出于说明目的，而不是广泛的概述，并且无意于指定关键或重要元件或限制或制约详细描述中的发明和示例。本领域技术人员将从详细描述中认识到其他新颖的组合和特征。

根据本文公开的方面，诸如车轮的车辆组件可以包括独立的牵引系统，例如包括能量收集部件、电机(或等效转换装置)、能量存储组件、电力/控制电子设备和/或控制器。可以将诸如与车轮的控制器通信的传感器放置在操作者控件处，并且车轮的控制器可以使用传感器读数在使用独立式牵引系统和使用车辆牵引系统例如内燃机(ICE)之间进行选择。例如，车辆的车轮可以被包括能量存储和电子/机械装置的牵引电机车轮代替，该装置用于在某些情况下例如在慢速或交通拥堵期间，将存储的能量传递到车轮。例如，结合到车轮中的机械飞轮可以存储能量并用作电机。

飞轮可以充当转子，其中定子可以是轮毂和/或轮辋。车轮可使用电磁体的操作顺序地将飞轮的角动量传递给车辆。例如，车辆的车轮可包括电池、电子设备以及电动轮毂电机/发电机，其中轮毂电机/发电机将电能存储在电池中，并且随后使用电能来帮助使车辆前进。例如，车辆的内燃发动机(ICE)和/或变速器可以被电力牵引电机、电子设备和占据与ICE和/或变速器相同的空间的电池代替。在该示例中，可以使用与操作者控件相同的连接器，从而将车辆转换为电池电动车辆或混合动力总成。

附图说明

参考以下描述、权利要求和附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。本公开通过实例的方式绘示，并且不受附图的限制。在附图中，相同的附图标记指代相似的元件。

图1示意性地示出了包括用于辅助牵引电机放置的组件的车辆传动系统。

图2示意性地示出了具有辅助牵引电机组件的车辆发动机和/或变速器。

图3示意性地示出了具有辅助牵引电机组件的车辆动力传动系统组件。

图4示意性地示出了具有辅助牵引电机组件和电池能量存储装置的车轮。

图5示意性地示出了具有辅助牵引电机组件和飞轮能量存储装置的车轮。

图6示意性地示出了具有用于辅助牵引电机的组件的车辆驱动桥。

图7示出了用于使用结合在车轮中的辅助牵引电机系统的方法的流程图。

具体实施方式

形成本文的一部分的附图展示了本公开的实例。应理解，附图中所展示和/或本文中所论述的实例是非排他性的，并且存在可以如何实践本公开的其它实例。

在内燃机(ICE)车辆中，为了提高效率而并入电力牵引电机可能是具有挑战性的。例如，车辆可能不被设计用于这种修改。例如，包括安装在内的翻新装置成本可能比新的电动汽车(EV)更高。本文公开的解决方案提供了一种独立式能量转换和存储系统，其可以替代车辆的现有组件，从而增加了电牵引系统。诸如车辆牵引装置之类的独立式牵引电机可以被结合到车辆发动机、变速器、传动系统(例如驱动桥、差速器、轴和/或关节)或车轮中，以将ICE车辆转换为混合动力车辆，减少ICE车辆的排放或扩大车辆的行驶距离。例如，用于车辆的售后车轮组可以包括电机/发电机、电子设备和用于能量存储的电池。例如，车辆变速器可以被在替换变速器内结合有一个或多个电机、电子设备和电池的变速器代替。例如，ICE和变速器可以用电机、电子设备、行星齿轮和电池代替。

本公开的方面涉及一种车辆牵引装置，例如车轮、轮辋、车轮和轮胎组合等，其中车辆牵引装置包括至少一个能量存储组件、至少一个牵引组件、至少一个传感器以及控制器。例如，能量存储组件可以是电池、超级电容器、飞轮等。可以接合至少一个牵引组件，例如牵引电机，以例如通过控制器监视传感器、连接到接合控制电路的传感器等来推动车辆前进。传感器可以合并到用户控件中，例如压力传感器、速度传感器、偏航角速度传感器、位置/方位传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、压电传感器等，以及监视传感器的电路或控制器可以确定接合牵引装置以使车辆前进。

例如，控制器被配置为监视传感器值，并且响应于传感器值，在能量存储组件(即，电池)和牵引组件(即，电动电机)之间引导能量的转换。例如，能量存储组件可以是存储动能的飞轮，并且动能可以使用磁体转移到车辆轮辋和轮胎或从车辆轮辋和轮胎转移，并且被选择性地激活以利用磁引力和斥力转移能量。

例如，至少一个加速度传感器可以连接至油门踏板，例如压力传感器、运动传感器、加速计、压电传感器等。例如，至少一个减速传感器可以连接至制动踏板，例如压力传感器、速度传感器、偏航角速度传感器、位置/方位传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、压电传感器等。加速度传感器可以响应于操作者输入，以及当施加输入后，将向牵引组件发信号，以从能量存储组件传递能量，以提高车辆的速度。类似地，一个或多个减速传感器可以响应于操作者输入，并且当施加所述输入时，给牵引组件发信号，以从车辆的前进力矩将能量传递到能量存储组件，从而降低车辆速度。

当在车辆上使用一个以上的车辆牵引装置时，传感器可以辅助装置的协调和操作。例如，偏航角速度传感器可以提供围绕垂直轴的旋转的测量值，以辅助向每个车辆牵引装置提供动力。例如，压力传感器可以提供主制动缸中的制动液压力的测量值。例如，横向加速度传感器可以提供横向加速度的测量值，例如当以侧风行驶时或沿着弯曲的道路延伸时。例如，四个速度传感器可以测量每个车轮的速度。例如，方向盘角度位置传感器可以响应于来自驾驶员的输入来提供转向角的测量。例如，电子控制单元(ECU)可以执行传感器信号的处理，并将其计算为提供给每个车辆牵引装置的电力，并提供给其他车辆部件(如致动器)的控制信号。

液压动力单元可以执行ECU的命令。例如，液压动力单元可以独立于驾驶员的输入来控制相应的制动缸操作。例如，制动压力可由液压动力单元或ECU监控。例如，液压动力单元可以接收命令以对液压动力单元的泵/充装活塞单元进行预充。例如，当驾驶员未操纵制动器时，液压动力单元压力可能会在制动缸中积聚压力，从而为制动操作提供足够的压力。

能量传递组件可用于在牵引组件和车辆之间转换动能。例如，可以使用电机、发电机、电机和发电机的组合、感应充电系统和/或磁飞轮转换器系统在动能和电能之间进行转换。一些能量收集方法可以用于收集能量，例如太阳能、再生制动、感应充电等，并且能量可以存储在能量存储装置中。例如，可以至少部分地提供车辆的加速以例如通过使用离合器和发电机来增加能量存储装置的充电状态。

可以使用诸如车辆的油门踏板、制动踏板等的操作者装置来发出信号，以在至少一个牵引组件(例如，电机)和至少一个能量存储组件(例如电池)之间转换电能。

当车辆通过ICE电力启用了动力转向，并且在启用了辅助牵引电机时关闭了ICE时，可以使用转向传感器。例如，转向传感器(例如压力传感器、速度传感器、偏航角速度传感器、位置/方位传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、压电传感器等)可以响应于操作者转向输入。当接收到操作者转向输入时，可以向控制器发出信号以启用辅助动力到动力转向能量设备的供电(例如从电池到动力转向液压泵等)，例如，使用继电器向动力转向泵供电。

车辆牵引装置(电机、能量转换、能量存储等)可以被结合到车辆的动力传动系统组件中。例如，牵引电机可以合并到差速器、变速箱、驱动轴、变速器、ICE等中。例如，电机、控制电子设备和能量存储装置可以合并到轴中，以向车轮，例如用于为车轮提供补充动力的e轴，提供动力。

能量存储组件可以是二次电池(例如锂离子电池等)、飞轮、压缩气体能量存储装置、超级电容器、燃料电池等。车辆牵引装置可以配置用于陆地车辆，例如汽车、公共汽车、厢式货车、皮卡车、越野车、卡车、推土机、拖拉机、拖车等。车辆牵引装置可以合并到车轮中，并且车轮配置为在交通拥堵期间有限的时间内(即直至能量存储组件的极限)推动特定的车辆品牌和型号。车辆牵引装置可以被包括在套件中，例如，被配置用于

的四个车辆牵引轮的套件。例如，该套件可以包括四个车辆牵引装置、传感器和控制单元，其中传感器安装在车辆控制器上，并且控制单元收集传感器数据并将操作命令发送到车辆牵引装置。

可以在车轮外部增加能量存储装置。例如，诸如电池的能量存储组件的组合体积在物理上可以大于车轮中可用的空间，并且一部分电池可以位于车轮外部。例如，可以通过使用电导体和连接器将电池添加到牵引装置的能量存储装置中。例如，可以在车轮附近的车厢中放置额外的电池。

能量存储装置可在驾驶过程中用于向辅助车辆系统例如冷却、加热、刮水器等提供动力。例如，车轮外部的能量存储组件可添加至ICE车辆，以在堵车期间关闭ICE时为动力转向提供动力。例如，可以将车轮外部的能量存储组件添加到ICE车辆上，以在交通拥堵期间关闭ICE时向空调提供动力。类似于这些示例，可以在牵引装置的操作期间从附加的能量存储组件向加热器、雨刮器、动力制动器或其他车辆组件提供动力。

除了增加ICE车辆的燃料效率之外，车辆牵引装置还可以结合到其他种类的车辆中，例如混合动力(HEV)或电动车辆(EV)中。如本文所使用的，术语车辆是指具有电机/发动机的任何组合的ICE、HEV、EV或其他陆地车辆。车辆牵引装置可以允许增加车辆的行驶距离或效率，从而可以从每次充电中获得更好的效用。例如，车辆牵引装置可以增加车辆的行驶距离。例如，车辆牵引装置可以增加车辆的燃油效率以符合燃油效率法规，例如城市法规、地方法规、区域法规、国家法规和/或出口法规。

牵引装置可以包括地理位置传感器，例如全球定位系统(GPS)传感器，并且牵引装置的控制器可以基于来自位置传感器的输入来改变牵引装置的操作。例如，当车辆进入需要改变车辆排放物的特定区域时，例如低排放区，具有某些环境法规(噪声和/或污染)的区等，控制单元可以应用牵引装置以推进车辆，从而减少车辆的排放。例如，公司可以从两个或多个品牌购买车队，并使用结合在牵引装置中的GPS传感器来监视两个品牌车队的组合位置。

现在参考图1，其示意性地示出了车辆动力传动系统100，其包括用于辅助牵引电机放置的组件。内燃发动机(ICE)102使用离合器110联接至变速器104。ICE 102可以包含辅助牵引电机130，或完全由牵引电机130代替。类似地，变速器104可以包含电动牵引电机(未示出)，或者ICE 102和变速器104可以被电动牵引电机(未示出)代替。变速器104通过U型接头112A联接至驱动轴106，第二U型接头112B将驱动轴106联接至差速器114。变速器104、驱动轴106和/或差速器114可包含一个或多个电动牵引电机，例如包括牵引电机的替换驱动桥。差速器114联接到车轮108，车轮108的任一个或两者包含牵引电机(未示出)。传感器120可以连接至例如加速器踏板、制动踏板和/或方向盘。例如，来自传感器120的值可以用于确定控制器何时应当操作电力牵引电机的任一个(130和未示出的电机)。例如，传感器可以是运动传感器、压力传感器、速度传感器、偏航角速度传感器、位置/方位传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器和/或压电传感器。

如本文所使用的，术语控制器和控制器电路是指被配置为实现诸如操作和控制一个或多个其他电子电路的一种或多种功能诸如方法和/或规则的电子部件。例如，控制器可以是中央处理单元、微处理器、嵌入式控制器，数字硬线逻辑电路、专用指令集处理器、专用集成电路、多核处理器和/或现场可编程门阵列(FPGA)。控制器(或控制器电路)可以解释和执行指令，指令例如可以存储在控制器可访问的存储器(例如基于硬件的数字存储、RAM、ROM、光盘)中，也可以作为软件存储在存储库中，和/或硬连线至数字逻辑或FPGA。例如，设备可以包括控制器(例如，处理器)和存储指令的存储器，所述指令在由控制器执行时使该设备实现一个或多个功能，例如图2和图6中所描述的那些以及本文所述的任何其他功能。

现在参考图2，其示意性地示出了具有辅助牵引发动机组件的车辆发动机和/或变速器200。牵引电机组件被封闭在外壳/模块202内，例如发动机和/或变速箱的壳体内。发动机/变速器组件包括具有可选的牵引力传递部件208的牵引电机206，所述牵引力传递部件例如变速器、行星齿轮、离合器、棘轮和/或锁定销。能量从能量存储装置204提供，并通过电力电子设备214进行调节(例如转换为交流电)，以用于牵引电机206的运行。电力电子设备214可以包括控制器(例如一个或多个硬件处理器)、通信模块212和/或电力转换电路。控制器和/或通信模块212可以在单独的组件中。可以包括发动机和/或变速器的其他组件(未示出)，例如执行机械联接的组件，例如离合器、变速器和/或结构功能。传感器220可用于接收操作者输入并使用电机和其他组件做出响应。例如，当操作者踩下制动踏板时，制动踏板传感器220可确定制动力低，例如小于10牛顿(N)，并通过牵引力传递208使用再生制动，并使用牵引电机206将机械制动转换为电能，然后电力电子设备214可以使用该能量为能量存储装置204充电。附接到加速踏板的加速传感器220可以基于踏板上的低压力和车辆的速度来确定车辆处于交通拥堵中，并且可以使用电力电子设备214和能量存储装置204来操作牵引电机206以推进车辆略微向前。能量存储设备或组件可以是二次电池(例如可充电电池)、飞轮、压缩气体能量存储装置、超级电容器和/或燃料电池。

发动机和/或变速器200的本来组件210可以被替换、修改或移除。例如，当电力牵引电机代替ICE时，可能不需要变速器。在此示例中，更换了ICE，并将变速箱修改为与电动牵引电机的运行特性相对应的行星齿轮。在替换车轮的示例中，车轮的功能可以包括在替换组件中，例如轮辋、轮胎、制动盘和/或中央轴承。

现在参考图3，示意性地示出了具有辅助牵引电机组件的车辆传动系统组件300。辅助牵引电机组件304、306和308与轮辋和轮胎301和传动系统组件302同心并在它们之间。例如，轮毂牵引电机304使用诸如离合器、齿轮和/或差速器的牵引传递组件将旋转扭矩传递至轮毂。能量存储和电子设备308可围绕轮毂牵引电机304，并允许轮毂牵引电机304的远程操作。制动、加速和转向传感器320可以合并到操作者控件中。电子设备和传感器允许检测操作者何时可以更喜欢使用电力牵引电机并且随后根据需要进行电机304的操作，例如根据预先确定的规则或由启发式规则产生的规则。

现在参考图4，其示意性地示出了具有辅助牵引电机组件和电池能量存储装置的车轮400。车轮400可以具有轮辋、轮胎、螺栓孔和/或轮毂(未示出地示出)。轮毂牵引电机408连接到中央轮毂和行星齿轮、增压器和/或制动能量再生器406，以将牵引力从轮毂牵引电机408传递到轮辋。锁定销402可用于将牵引力从轮毂牵引电机408传递到车轮轮胎，例如正常接合的锁定销402，当不需要轮毂牵引电机408时，该锁定销脱离。电池、逆变器、硬件处理器和/或通信模块404可以围绕行星齿轮的周围布置，从而不阻止锁定销402的操作。转向传感器410，例如运动传感器、压力传感器、速度传感器、偏航角速度传感器、位置/方位传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、压电传感器、磁场传感器和/或加速度计可以应用于操作者室内的方向盘。制动传感器412可以被施加到制动踏板，并且加速器传感器414可以被施加到加速踏板。

如在404处，传感器410、412、414可记录操作者对车辆控件的输入，并将传感器值发送至控制器(例如中央处理单元或CPU)。这些传感器值允许确定何时将车辆以制动模式运行，何时将来自车辆减速的能量转换为电池404中的电能，例如通过使用发电机。传感器允许确定何时将车辆以电机模式操作，使得轮毂牵引电机408通过接合锁定销402并将电池404的电能转换为向前运动来向车辆提供向前运动。在某些情况下，例如交通拥堵和/或走走停停的交通，可能希望停止ICE的运行，并且仅将轮毂牵引电机408用于向前推进。在这种情况下，辅助组件，例如动力转向和/或动力制动器，可能无法工作。在这些情况下，当转向传感器410向转向器登记操作者输入并且当车辆以电力牵引电机模式运行时，控制器可以向发动机区域中的组件(例如在发动机罩下方)发信号，通知操作动力转向泵以允许操作者控制车辆转向。类似地，制动传感器412可以确定动力转向应当被打开。

现在参考图5，其示意性地示出了具有辅助牵引电机组件和飞轮能量存储装置的车轮500。使用例如电磁体(EM)和/或锁定销502将能量从车辆运动传递到飞轮506。飞轮506可以包括永磁体并且以类似于磁阻电机的转子的方式操作。飞轮506可以在磁性轴承上或围绕铁芯508旋转，而永磁体用作磁性轴承。控件、用于电磁操作的电池、通信模块和/或硬件处理器504可以位于轮子上，例如在电磁体和/或锁定销502周围。如在图4中公开的方面中，转向传感器510、制动传感器512、加速器传感器514和/或ICE切断/启动开关516例如可以用于配置车轮500的操作。

现在参考图6，其示意性地示出了具有用于辅助牵引电机的组件的车辆驱动桥600。车辆驱动桥600可以结合到前置发动机、前轮驱动车辆中。驱动桥600或包括发动机壳体602的驱动桥可以并入一个或多个牵引电机606、能量存储组件604、电力电子设备608、牵引传递组件614(例如离合器和/或行星齿轮)以及控制器和/或通信模块612。传感器620可以应用于例如方向盘、制动踏板和/或加速器踏板。当ICE作为本来组件610的一部分被保留在车辆中时，可以将自动关闭/自动启动开关616应用于ICE。

现在参考图6，其示出了用于使用结合在车轮中的辅助牵引电机系统的方法的流程图700。这是示例方法，可以根据特定实现方式的需要修改、删除、添加或替换限制、值、阈值和规则。例如，安装车轮的步骤702可以由人或机器执行，例如将车轮附接到车辆，其中车轮结合有牵引电机、能量存储装置和/或能量转换器。控制器可以测量车轮上的传感器值以评估充电状态，例如电流传感器、累积电流传感器、功率传感器和/或电压传感器，并使用这些传感器值来执行评估车轮充电状态(SOC)的步骤704。当车辆的SOC低于阈值(例如90％阈值)时，进行收集能量的步骤706，例如从车辆的动量、来自车辆的电力(感应地，例如通过电连接和/或电线)、来自太阳能转换器(单元、面板、嵌入式、涂层等)的电缆充电和/或来自道路的感应功率。控制器可以执行监视车轮传感器(例如速度传感器、压力传感器(例如，连接到踏板)等)的步骤708，并且当控制器确定特定传感器值时，控制器可以执行将牵引电机与车轮接合的步骤710。控制器可以启动从能量存储装置到车轮的能量传递，从而执行将车辆向前推进的步骤712。当所监视的传感器值不再指示需要牵引电机时，例如当车速增加时，控制器可以执行使电机脱离接合的步骤714。控制器可以监视能量来源的SOC并重复说明性方法的步骤。可以实施包括控制器执行能量收集步骤706和牵引电机接合710的类似方法，以满足类似的使用情况。

许多车辆可用于ICE效率不佳的情况下，例如在空转时和/或在走走停停的交通但没有其他选择的过程中。例如，Smart^TMFortwo^TM车辆仅可用于城市驾驶，并且在交通拥堵期间，车辆的ICE可能会在低汽油消耗水平下运行。改装用于混合动力或作为电动汽车(BEV)的车辆的成本很高，并且可能需要对底盘进行大范围的重新布线，有时需要在车辆外部进行布线，以容纳电能存储装置，例如代替储气罐。通过将电气子系统的所有组件结合到要更换的组件(例如车轮、发动机和/或变速器)中，可以避免整个车辆的改装问题。包含在组件中的电气系统可以是简化的系统，在上述情况下具有最低的性能规格，例如在交通拥堵和/或巡航期间的能量输出低，并且可以提供足够的能量输出以显著节省汽油消耗。

电动车辆中使用的电力牵引电机通常可包括电力电子设备和与电动电机分离的电池，从而用电动电机直接替换ICE很难将所有组件安装到ICE先前占据的空间中。在模块化设计例如由Bosch^TM、Voith^TM和其他提供的用于商用车配置的设计中，模块可以用于例如电机、电池和/或电子设备。这允许组合用于多种车辆/解决方案/应用的模块化组件。在许多私人乘用电动车辆设计中，第一代电机设计可以使用模块化组件来降低开发成本和缩短上市时间，但是下一代可以使用组件的集成来提高成本效率。

逆变器与电机和齿轮的集成可以允许以维护成本为代价的成本降低，例如，当诸如逆变器的单个组件发生故障时，更换整个发动机。EV电机的尺寸、形状和重量分布可能需要非线性的形状，例如较重的组件位于车辆中较低的位置，以获得更好的转弯能力，而较轻的组件(如电子设备)可能位于车辆中较高的位置。类似地，可以定位电动轮(e-轮)中的组件的位置，使得较轻的组件距旋转轴线更远，从而例如产生较低的惯性矩和/或减少簧下重量。

在某些应用中，例如船用电机，对于电力电子设备和电机本身，针对海洋环境的保护要求可能会有所不同。例如，可以将船用ICE电机转换为使用结合了能量存储装置的电机或混合动力电机，并在船舶减速时存储能量，并使用存储的能量来推进船舶。例如，当停靠码头或缓慢移动时，使用船舶的存储能量。

具有不同工作特性的两个电机可以在车辆中一起使用，以产生电机的更有利的转矩分布。例如，第一电机(结合在第一车轮等中)具有峰值效率为每分钟1000转的运转速度，第二电机(结合在第二车轮等中)具有峰值效率为每分钟3000转的运转速度。第一电机可用于低速运动，第二电机可用于高速运动，从而在低速和高速下均以最高效率工作。例如，第一电机在低速时具有非常高的扭矩，而第二电机在高速时具有中等的扭矩。可以使用该示例的越野车辆在低齿轮和低速行驶以克服障碍时可以使用第一电机，而在高速公路上行驶时可以使用第二电机。类似地，对于每种类型的电机，电机可以在两个轮子中，例如，前轮中两个低速电机和后轮中两个高速电机。

将电机配置为包括电力电子设备和其他机械装置作为电机主体的自然延伸，可以允许将电机设计更容易地并入车辆设计中。例如，针对特定目的的改装电机，例如集成到售后轮中以在交通拥堵期间停止ICE操作的电机，可受益于集成的电子设备、齿轮和/或用于不同功率/速度的多个电机。例如，电机、机械装置、能量存储装置、电子设备和动能充电器可以合并到售后车轮/轮辋(e-轮)中，其能够适合多种品牌和型号的车辆并接受标准轮胎。并入加速踏板和制动踏板传感器，例如将踏板转换为两级踏板、轻压用于电机、重压用于ICE等，可允许车辆在不操作ICE(或在动力转向/刹车需求的情况保持电机闲置)和刹车时内置电池的情况下运动。

e-轮可以作为售后产品出售，并且可以根据停止和行驶过程中所需的时间，面向非EV以使其受益于EV技术。替代配置可包括，例如，替换发动机、替换变速器、替换驱动桥、替换驱动轴和/或替换差速器。制动摩擦力可以使用车轮圆周上位于电机和轮辋之间的锁定销传递给发电机。锁定销可以机电接合，以帮助在电动电机和车轮之间传递动能(例如在牵引或制动期间)。传感器值可以确定操作者何时请求从软(再生)制动到硬制动的过渡。

例如，指示中等(小于75％)加速的传感器值可以通过将车辆的动能转换为电能而使车辆配置为给电池充电。例如，制动踏板传感器上的轻压力可以向车辆的控制器指示以将组件配置为使用再生制动来存储能量以供以后使用。当将压力施加到方向盘、制动踏板、加速踏板时，类似于用于巡航控制和/或自动关闭的算法，转向传感器可用于例如自动打开ICE。当操作者试图对车辆进行更改时，例如要求ICE开启的更改，则自动开启设备可以启动ICE。这可以使关闭对操作者透明。加速器踏板上的轻压力可以松开锁定销，并使车辆配置为使用轮毂电机——用于慢速行驶(例如在交通拥堵中)和高速公路巡航(代替ICE)。在ICE处于关闭状态或空闲状态时(例如未为设备提供足够的电力)，可选的ICE自动关闭功能可能需要解决辅助动力例如动力转向、动力制动器和/或空凋的解决方案。

用于能量存储的飞轮可以包含一个双面机构，该机构包括外侧EM和永磁体(横向靠近车辆外边缘)和内侧EM和永磁体(横向靠近车辆中心线)。飞轮的每一侧可以包括用于将飞轮锁定到车轮、轮毂和/或轮辋的锁定销。飞轮的内侧通过电子控制的变速器与外侧相连，该变速器允许两侧以不同的速度旋转，同时保持角动量。例如，可以使用变速器使内侧的转速减慢(使外侧加快)以匹配车轴的转速。例如，内销锁定到轮轴，变速器可用于将飞轮的动量传递到轮轴旋转。能量可以动能的形式存储在飞轮机构中，例如带有磁性轴承的真空密封飞轮，并且飞轮周围的感应磁体可以将车轮的机械能转换为飞轮的旋转动能，反之亦然。

可以使用两个反向旋转的飞轮来减小陀螺力。车轮旋转能量向飞轮的传递和向后的传递可以通过磁场来完成，例如在各种电机中使用的磁场。围绕轮辋放置的电磁体可以根据特定的顺序拉动或推动飞轮中的永磁体，这取决于相对转速和所需的配置。

在旋转的参考系中，例如图5的飞轮506的参考系中，EM的选择性操作可以对嵌入飞轮中的永磁体施加磁性拉力，例如沿飞轮旋转方向的拉力，以增加飞轮的速度。相反，EM的选择性操作可以在相反方向施加磁性拉力，从而将能量从飞轮传递到车轮。电磁学也可以用作感应发电机，以对用于向飞轮施加磁力的电池进行缓慢充电。电磁体的间距可与飞轮上的永磁体间距不同，并且控制轮辋中的电子设备确定电磁体(EM)的运行顺序，以便将动能添加到飞轮或从飞轮中移除。例如，可以使用开关式磁阻电机配置。例如，飞轮上可以有十个辐条的磁体配置，九个带销的电磁辐条，因此总有一个EM可以推动或拉动飞轮。飞轮永磁辐条可能与多个EM同相，以锁定轮辋和飞轮的相对旋转。同相EM可以操作飞轮并将飞轮锁定到轮辋，从而可以保留所有机械旋转力矩，例如在高速公路滑行和/或超速行驶期间。可选地，离合器和/或变速比齿轮用于将飞轮的角动量传递至轮辋和/或轮胎或从轮辋和/或轮胎传递。用于操作EM的电子设备可以被配置用于EM的高速操作。例如，当飞轮以每分钟50,000转(或833.3赫兹)的速度旋转，并且在飞轮的圆周上放置10个电磁体时，每个EM都与83.3赫兹的永磁体相邻。电子设备的时间响应应为0.1毫秒，并且用于运行EM的摆率应配置为使EM的完全磁化在0.1到1毫秒之间。

可以通过配置用于不同车轮重量的减震器和弹簧来抵消增加的车轮和/或轮胎重量。较高密度(例如重量)的组件可更靠近车轮中心，因此悬架上的力矩臂更少，旋转重量和/或质量也更少。反向旋转飞轮可用于减小旋转飞轮的陀螺力的影响，并且反向旋转飞轮之间的连接可以是例如机械的，例如机械齿轮；和/或磁性的，例如使用磁力或感应。电磁体上的传感器可以检测飞轮的角位置和速度，以确定何时可以向飞轮施加更多的能量。智能手机应用程序可以帮助控制例如飞轮、轮毂电机和/或电动电机。例如，可以在智能手机上查看飞轮的操作参数，例如所存储的能量的量，并且语音命令可以由智能手机的麦克风接收，例如通过增加从ICE引起的车轮运动中收集的能量来增加所存储的能量的量的命令。

飞轮的控制器可以访问轮外的传感器，例如通过使用蓝牙，以确定何时使用所存储的能量。诸如蓝牙、Wi-Fi、CANbus和/或RS-485之类的通信链路可以访问其他车辆传感器，例如踏板上的加速和制动传感器、车辆警报设备(例如

设备)上的视觉/光学传感器、GPS传感器、交通传感器和/或互联网数据存储库。在轮子之间，或者在轮子和控制单元之间可以使用类似的通信链路。

本文公开的方面可用于不带发动机的旧车的完整EV转换，这使用串入油箱的串电池，插入电机/逆变器中，将电线绑在车外车身上(从燃料箱中的电池传输功率至发动机)，以及发动机到电机的机械转换套件。可替代地，可以将电池并入车辆中以代替变速器和/或驱动桥。

以下是在交通拥堵中使用辅助牵引电机的计算。为了进行计算，假设交通拥堵超过10公里(km)，并且车辆以每小时10km(km/h)的速度行驶，例如在一小时的交通拥堵期间。例如，当前10km/h的电力牵引电机效率可能是每km130瓦时(Wh)(Wh/km)，因此需要1300Wh的总容量。对于锂离子电池，能量密度可能约为260Wh/千克(Kg)，因此电池的重量为5Kg，即每个车轮1.25Kg。如果使用飞轮储能，密度为130Wh/Kg，因此，基于飞轮的系统的重量为10Kg，即每个轮2.5Kg。另外，车顶上的200W太阳能电池板可在交通拥堵期间为车辆运动提供足够的动力。太阳能车罩也可以并入系统中。下表显示了结合所公开方面的e-轮设计的一种选择：

表1：电池示例车轮组件的重量

e-轮组件	重量
		电池	1.5Kg
电机	2Kg
		电子设备	1Kg
结构件	2Kg
		齿轮	2Kg
总计	比普通车轮多8.5Kg

为了确认该额外重量是可以接受的，已经对车轮和轮胎的重量变化进行了分析和模拟。例如，原始设备(OE)BMW 3系车轮每个重20.5磅，而OE Michelin Energy MXV4 Plus轮胎每个重22.5磅，每个轮胎(包括车轮)总计为43.0磅。另一方面，轻便的车轮每个仅重17磅，每个车轮加轮胎的总重量为38.5磅(少2公斤)。重质的车轮和轮胎可以总共重48.5磅(比库存重3公斤，比轻质重5公斤)。轮辋较大的车轮可能会更重，例如轮辋19英寸的车轮重54磅，轮辋15英寸的车轮重40磅(相差7公斤)。

在第二种情况下，牵引电机的功率密度为1.5kW/Kg，约为2马力(hp)/Kg。低于5km/h，效率可为100Wh/km，而在10km/h的速度下，效率可为50Wh/km。对于10km的交通堵塞，车辆需要大约500Wh的电池容量(或每个车轮125Wh的能量存储)。因此，每个车轮750W的电机将在每个车轮上产生约1hp的功率，每个车轮重500克。因此，用于交通拥堵的每个车轮低效率1.5hp电机可重达1Kg，500Wh的能量存储装置可重2Kg，结构组件重1Kg，电子设备重1Kg。因此，每个轮的总计如下表所示：

表2：飞轮示例轮组件的重量

e-轮组件	重量
		电池	2Kg(500Wh，1L)(4Kg飞轮)
电机	1Kg(1.5hp,@5kW/升＝0.3L)
		电子设备	1Kg(3C时的放电量＝1.5kW)
结构件	2Kg
		齿轮	1Kg
总计	比常规车轮多7公斤

当轻质轮辋、车轮和轮胎用于辅助牵引装置时，转换套件的重量可能小于或等于OE车轮和轮胎的组合。

传感器可以用于操作者控制，例如陀螺仪传感器、运动传感器、速度传感器、全球定位系统传感器、光学传感器和/或磁场传感器。传感器可以位于车辆控制器和操作者之间的界面处，使得当操作者操作车辆时，双重传感器和控件可以允许控件直接对ICE进行管理，并且传感器允许与牵引电机和组件的电传操纵(fly-by-wire control)。

在此，如在说明书和权利要求书中的其它地方，范围可以组合以形成更大的范围。

本文中所公开的特定尺寸、特定材料、特定范围、特定电阻率、特定电压、特定形状和/或其它特定性质和值本质上是示例性的，并且不限制本公开的范围。本文中对于给定参数的特定值和特定值范围的公开并不排除可以用于本文中所公开的一个或多个实例中的其它值和值范围。此外，可以预见的是，本文所述的特定参数的任何两个特定值可以定义可能适合给定参数的一系列值的端点。例如，给定参数的第一值和第二值的公开可以解释为公开第一和第二值之间的任何值也可以用于给定参数。例如，如果参数X在本文中示范为具有值A并且还示范为具有值Z，则设想参数X可以具有约A至约Z的值范围。相似地，设想参数的两个或更多个值范围(无论此类范围是嵌套的、重叠的还是不同的)的公开包涵使用所公开范围的端点可以要求保护的值的范围的所有可能组合。例如，如果参数X在本文中示范为具有在1-10、或2-9、或3-8的范围内的值，则还设想参数X可以具有包括1-9、1-8、1-3、1-2、2-10、2-8、2-3、3-10和3-9的其它值范围。

在对各种绘示性特征的描述中，参考形成本文的一部分的附图，并且在附图中以说明的方式展示可以实践本公开的方面的各种特征。应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其它特征并且可以进行结构和功能的修改。

本公开中使用的术语例如“多个”指示具有或涉及若干零件、元件或组件的性质。

可以注意，本文中在元件之间阐述了各种连接。这些连接被一般性地描述，并且除非另有说明，否则可以是直接的或间接的；本说明书在这方面不意图是限制性的，并且直接和间接连接都被想到。此外，任何实施例中的一个特征的元件可以与任何实施例中的其它特征的元件以任何组合或子组合来组合。

所有描述的特征以及描述的特征的修改可用于本文所教导的发明的所有方面。此外，本文描述的所有实施例的所有特征以及特征的所有改型是可组合的并且彼此可互换的。

Claims (15)

1.一种装置，其包括：

至少一个能量存储组件；

至少一个牵引组件；

至少一个传感器；和

至少一个控制器，其中所述控制器被配置为监视至少一个传感器提供的值，并且响应于所述值，在所述至少一个能量存储组件和所述至少一个牵引组件之间引导能量的转换。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个传感器包括：

选自压力传感器、运动传感器、加速度计和压电传感器的至少一个加速传感器；和

选自压力传感器、运动传感器、加速度计和压电传感器的至少一个减速传感器；

其中所述至少一个加速传感器响应于第一操作者输入，并且其中当所述第一操作者输入被施加到所述至少一个加速传感器时，所述至少一个牵引组件被发信号以从所述至少一个能量存储组件传递能量至车辆的向前推进，以及

其中所述至少一个减速传感器响应于第二操作者输入，并且其中当所述第二操作者输入被施加到所述至少一个减速传感器时，所述至少一个牵引组件被发信号以将能量从所述车辆的向前推进传递到所述至少一个能量存储组件。

3.根据前述权利要求所述的装置，还包括至少一个能量收集装置，其中所述至少一个能量收集装置向所述至少一个能量存储组件发送能量。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述至少一个存储组件包括轮内存储组件和轮外存储组件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述车辆是内燃机(ICE)车辆、混合动力电动车(HEV)或电动车(EV)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述至少一个传感器包含用于测量车辆上的横向力的横向加速传感器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述至少一个控制器还被配置为处理所述传感器值并计算提供给多个装置中的每一个的功率。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述至少一个能量存储组件选自二次电池、飞轮、压缩气体能量存储装置、超级电容器和燃料电池。

9.一种车轮，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的装置。

10.一种电机，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的装置。

11.一种变速器，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的装置。

12.一种车辆，其包括分别根据权利要求9、10或11所述的车轮、电机或变速器。

13.一种用于车辆牵引的方法，包括使用硬件控制器来：

监视从至少一个传感器接收的多个值；

响应于所述多个值，在至少一个能量存储组件和至少一个牵引组件之间引导能量流。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个传感器包括：

选自压力传感器、运动传感器、加速度计和压电传感器的至少一个加速传感器；和

选自压力传感器、运动传感器、加速度计和压电传感器的至少一个减速传感器；

其中所述至少一个加速传感器响应于第一操作者输入，并且其中当所述第一操作者输入被施加到所述至少一个加速传感器时，所述至少一个牵引组件被发信号以从所述至少一个能量存储组件传递能量至车辆的向前推进，以及

其中所述至少一个减速传感器响应于第二操作者输入，并且其中当所述第二操作者输入被施加到所述至少一个减速传感器时，所述至少一个牵引组件被发信号以将能量从所述车辆的向前推进传递到所述至少一个能量存储组件。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述车辆还包括选自压力传感器、运动传感器和压电传感器中的至少一个转向传感器，其中所述至少一个转向传感器响应于操作者转向输入，并且其中当接收到所述操作者转向输入时，至少一个控制器向车辆发信号以使对车辆的动力转向启用动力。

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