JP6615229B2 - エンジン中央配置航続距離延長型電気自動車 - Google Patents

Description

本出願は、２０１５年５月２０日に中国特許庁に提出された中国特許出願２０１５１０２５９７４９．２（発明の名称：「エンジン中央配置航続距離延長型電気自動車」）の優先権を主張し、その全ての内容が援用により本出願に取り込まれる。

本発明は、自動車技術分野に関し、特にエンジン配置に係る航続距離延長型電気自動車に関する。

現代の自動車には、主に従来ピストンエンジンを動力源とする自動車、純電気自動車、蓄電池を使ってエネルギを貯蔵するプラグイン式の自動車、及び電気モータを用いて駆動を行う自動車等がある。ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、従来ピストンエンジンと、電気モータとの二つの動力システムを共に有する新型自動車である。既存のハイブリッド電気自動車は、普通、機械動力混合構造を適用し、二つの完全な動力システムを有するが、クラッチと、ギヤボックスと、差動機構と等を含み、構造が比較的に複雑であり、バッテリーエネルギが非常に小さく、ただ補助駆動及びブレーキ時のエネルギ回収の役割を果たす。しかしながら、シリーズ方式のＨＥＶ、即ち航続距離延長型電気自動車は、モータダイレクトドライブを適用し、構造が簡単であり、バッテリーは、最良なプラットフォームでの浅い充放電状態にあり、バッテリーの使用寿命を保証する。電池容量が大きく、純電気モードでの走行を行うことができる。エンジンは、常に最適作業状態にあり、排出量が少なく、効率が高い。外部接続充電方式を有し、夜間の低価格のオフピーク時の電気を利用することができる。既存の航続距離延長型電気自動車は、皆ピストンエンジンを充電器として使い、ピストンエンジンの熱効率と燃料ガスタービンの熱効率とには、かなり大きな差異があり、従来のピストンエンジンは、内燃機関を動力源とし、エンジンの構造上、体積が大きいため、航続距離延長型電気自動車動力システムの全体的な効率を低下させる。従って、燃料ガスタービンを使って航続距離延長型電気自動車のために発電するのは、広大な応用展望があることである。

既存のハイブリッド電気自動車は、普通、通常の自動車と同じようにエンジンを前方に、即ち、前車軸の前側の位置に配置し、且つエンジン出力軸は、縦方向に配置されるが、このような配置の利点は、配置及びメンテナンスが便利であることである。但し、前後車輪と左右車輪との荷重のバランスが取りにくく、慣性モーメントが大きく、制御性が悪い。

既存の通常の自動車には、エンジンが中央配置或いは後方配置される自動車もあるが、これは、普通、自動車の制御性を向上させるために後輪駆動形式を適用する場合であるが、後輪駆動の自動車は、高速度でコーナリングする時、後輪が横滑りしたら、オーバーステアリングが発生し易く、鋭敏すぎるステアリングは、車両がより横滑りし易く、及びより制御不能にさせるため、このような形式は、高速運動をしているスポーツカーにとっては危ないことである。

純電気自動車において、車枠の中部は、バッテリーパックの配置および装着に使用でき、このようにして、より大きな装着空間を得て、より大きな電池容量を得ることができる。但し、エンジンが前方に配置された航続距離延長型電気自動車において、バッテリーパックの配置空間は、エンジンの配置位置と前後輪のバランスに対する要求により大きく圧迫され、自動車のバッテリーパックのみの放電駆動モードでの航続距離に大きく影響を及ぼす。

現代の小型自動車は、普通、ユニボディー又はボディー・オン・フレームを適用しており、ユニボディーは、加工し易いが、車枠及び全体フレームの強度が高くなく、ボディー・オン・フレームにも車体強度が高くない欠陥が存在する。

本発明の発明目的は、エンジン中央配置航続距離延長型電気自動車であって、動力源として、燃料ガスタービンが適用され、且つ自動車後輪の前側の自動車対称中心線上の位置に配置され、燃料ガスタービンの出力軸は、縦方向に配置され、エネルギ変換効率が高く、操作性能が良く、航続距離が遠く、及び車体構造強度が高いという特徴を有するエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車を提供することである。

本発明の具体的な技術方案は、車体と、ターボシャフトエンジンと、バッテリーパックと、発電機と、車両制御ユニットと、駆動電動機と、燃料ガス制御器と、バッテリー制御器と、ガス貯蔵タンクと、空気吸入箱とを含むエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車であって、
前記車体は、車体本体を含み、前記車体本体の底部構造は、自動車車枠を形成し、
前記ターボシャフトエンジンは、前後車軸の間であり且つ後車軸に近い自動車車枠上に配置及び装着され、ターボシャフトエンジンの出力軸の軸線は、自動車車体の対称面上に位置され、ターボシャフトエンジンの空気吸入口は、車両のテールに向いており、
前記空気吸入箱と、ターボシャフトエンジンの空気吸入口とは連通され、空気吸入箱は、パイプラインを通じて、車体ボディパネル部材上の空気吸入グリルと連通され、
前記バッテリーパックは、ターボシャフトエンジンの前方の自動車車枠上に配置及び装着され、
前記発電機回転子と、ターボシャフトエンジンの出力軸が相互に連結され、
前記駆動電動機は、前後輪を駆動して回転させ、
前記車両制御ユニットは、コンバータと、インバータとを含み、前記発電機は、三相高速永久磁石電気機械であり、当該三相高速永久磁石電気機械の三相出力端子は、前記コンバータの三相端子に接続され、コンバータの直流端子は、前記バッテリー制御器及び前記インバータの直流入力端子にそれぞれ接続され、インバータの三相出力端子は、前記駆動電動機の三相端子に接続され、
前記燃料ガス制御器は、ターボシャフトエンジンの燃焼室への燃料ガスの追加を制御することを特徴とするエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車である。

更に、前記車体本体は、前懸架キャビンと、後懸架キャビンと、安全キャビンとから構成され、前記車両制御ユニットは、前懸架キャビン内の自動車車枠上に配置及び装着され、前記ガス貯蔵タンクは、ターボシャフトエンジンの前部に配置される。

更に、前記安全キャビンは、炭素繊維材料から作られ、前懸架キャビン及び後懸架キャビンは、アルミニウム合金管フレーム構造である。

更に、前記空気吸入グリルは、二つ設けられ、車体両側のリアフェンダー上に対称的に位置され、対称的な二つのパイプラインを通じて空気吸入箱と連通される。

更に、前記前後輪の懸架は、ダブルウィッシュボーン式独立懸架である。

本発明の有益な効果として、本発明のエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車は、従来技術と比べて、以下のような利点がある。

（１）電気エネルギを提供する発電機群は、ミニサイズ燃料ガスタービンであり、革新及び最適化により、高出力対重量比、低消費電力、低排出、低ノイズ及び振動を有し、メンテナンスが簡単で、寿命が長いという特性を有する。燃料ガスタービンは、電力密度が極めて高く、運転がスムーズで、ノイズが低くという利点を更に有する。通常の場合、同じ電力の燃料ガスタービンの体積は、僅かピストンエンジンの４分の１ないし５分の１であり、これは、燃料ガスタービン自体が有する連続熱力学的循環本質により決定される。その熱効率は、甚だしくは３０％〜６０％まで達することができ、ピストンエンジンより大幅に高い。

（２）本発明は、排ガス処理システムを使用する必要が全くない。ターボシャフトエンジンの全般的な燃焼過程において、４ストロークピストンエンジンの燃焼過程は、連続的で中断のないターボシャフト燃焼室に置き換えられて行い、燃焼過程は途切れない。同様に、燃焼室は、一定の長さを有し、全体の燃焼室は、燃料油の充分の燃焼に十分長い時間を提供でき、且つ酸素が充分で、全般の酸化反応を完全に行うことに十分である。従って、ターボシャフトエンジンの燃焼排出物の構造は、従来ピストンエンジンより大きく優れており、およそユーロの排出ガス規制の１０分の１ないし２０分の１に当たる。同時に、ピストンエンジンの全セットの排ガス処理システムを必要とせず、更に、排ガス処理システムのメンテナンスが要らなくなる。従って、車両排ガス処理システムの不具合による環境汚染も避け、本格的に排出を根源から改善し、環境保護性能を向上させる。

（３）燃料ガスタービンの空気吸入口の前に、空気吸入箱を適用することによって、ターボシャフトエンジンに燃焼に必要な空気を急速に充分な量で補うことができ、使用要求を満たす。

（４）ターボシャフトエンジンを中央に配置し、エンジンの重心が前後車軸の間にかかり、エンジンの出力軸は、車両の対象中心面上に位置することによって、中置エンジンの重心は、車体の中央に位置する。また、中部にバッテリーパックを配置し、及び車両前部に車両制御ユニットを配置し、前後車輪の荷重比は、前後５０：５０になっており、車体重量の分布は、理想的であり、バランスがとれており、高速度でコーナリングする時の水平方向上での慣性モーメントが小さいため、車両は、非常に高い制御性を持ち、ステアリングが大変鋭敏で、ブレーキ時にヘッドアップ・テールダウンの現象が弱まる。これは、本発明のハイブリッド電気自動車が最適な運動性能を獲得できるようにする。

（５）もし依然として通常の直線形式を適用してターボシャフトエンジン及び発電機を配置する場合、即ち、一つの直線上に空気吸入口、圧縮、燃焼、タービン及びタービン出力軸を配置した後の発電機である場合、要求される配置空間が大きすぎ、自動車上での配置要求を満足できなくなる。従って、発電機をターボシャフトエンジンの空気吸入口の所に配置する場合、ターボシャフトエンジン及び発電機の全体の装着体積を極めて減少できる。そして、ターボシャフトエンジンの重量は、車両の重量バランスにかなり大きい影響があるため、もしターボシャフトエンジンの空気吸入口が車両の頭に向いている場合、電気モータ及び全体の空気吸入管体系が皆ターボシャフトエンジンの前側に配置されるべきであるが、ターボシャフトエンジンの前側は、既に座席キャビンにより占められ、電気モータ及び全体の空気吸入管体系の配置要求を満たすことができなくなる。従って、ターボシャフトエンジンの空気吸入口が車両のテールに向いている配置形式を適用することによって、車両の重量バランスの要求を満たし、配置空間も省くようになる。

（６）エンジンが中央に配置された後、航続距離延長型モードを適用するため、発電機によりケーブルを用いて電気エネルギを前輪の駆動電動機に輸送し、不必要なクラッチ、変速装置及び回転軸がなくなり、バッテリーパックがエンジン配置空間を占めない状態でより大きな配置空間を有し、より大容量のバッテリーパックを配置できるようにする。そして、エンジンもバッテリーパックの上方に配置することなく、直接車枠上に装着されることによって、装着がより強固になり、重心がより低くなるが、これらは、皆車両の制御性に寄与する。

（７）前後輪独立駆動制御を適用するため、良い路面適応性能を有するだけではなく、トルク出力の独立リニア制御も可能になる。従って、通常の後輪駆動自動車の場合、高速度でのコーナリング後、車輪が横滑りすると、オーバーステアリングが発生し、鋭敏すぎるステアリングは、車両がより横滑りし易く、制御不能になるようにさせることとは異なる。前後輪独立駆動の方式もエンジン中央配置自動車の直進安定性の悪い欠陥を解決する。

（８）中部全体車体に炭素繊維を適用し、前後部に強度の高いアルミニウム合金管フレーム車体を適用するため、構造強度が完全に要求に達するだけでなく、重量も軽く、エネルギ源の経済性能が向上される。

（９）前後輪がダブルウィッシュボーン式の独立懸架システムを適用するため、横方向の剛性が高く、耐側方向傾斜性能に優れ、ロードホールディング性能が良く、路面フィーリングが明確である。

本発明に係るエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車の平面図である。 本発明に係るエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車の正面図である。 本発明に係るエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車の概略的な斜視図である。

以下に、明細書に添付された図面を参照しながら、本発明の技術方案を更に詳細に説明する。

本発明に係るエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車は、ターボシャフトエンジン１と、バッテリーパック２と、発電機３と、車両制御ユニット４と、駆動電動機５と、燃料ガス制御器６と、バッテリー制御器７と、ガス貯蔵タンク８と、前懸架キャビン９と、後懸架キャビン１０と、安全キャビン１１と、空気吸入箱１２とを含む。

前記前懸架キャビン９と、後懸架キャビン１０と、安全キャビン１１との底部構造は、自動車車枠を形成する。前後輪懸架は、ダブルウィッシュボーン式独立懸架である。安全キャビン１１は、炭素繊維材料で作られ、前懸架キャビン９及び後懸架キャビン１０は、アルミニウム合金管フレーム構造である。

前記ターボシャフトエンジン１は、前後車軸の間であり且つ後車軸に近い自動車車枠上に配置及び装着され、ターボシャフトエンジン１の出力軸の軸線は、自動車車体の対称面上に位置される。ターボシャフトエンジン１の空気吸入口は、車両のテールに向いている。そして、発電機３もターボシャフトエンジン１の後側に位置され、従って、ターボシャフトエンジン１の空気吸入口は、実際的には環状のスリーブであり、スリーブの中心位置には、発電機３が配置され、スリーブを介して吸い込まれる空気は、ターボシャフトエンジン１の空気圧縮機を通じて圧縮されて燃焼室燃焼に入り込むことにより、タービンをプッシュして作動させ、タービンの出力軸と発電機３の回転子軸とは、相互に連結され、ターボシャフトエンジン１の回転シャフト及び発電機３の回転子軸は、エアベアリング上に装着される。

前記空気吸入箱１２は、ターボシャフトエンジン１の後側に配置され、ターボシャフトエンジン１の空気吸入口と連通され、空気吸入箱１２は、パイプラインを通じて車体ボディパネル部材上の空気吸入グリルと連通され、前記空気吸入グリルは、二つ設けられ、車体両側のリアフェンダー上に対称的に位置され、対称的な二つのパイプラインを通じて空気吸入箱１２と連通される。

前記発電機３回転子は、ターボシャフトエンジン１の出力軸と相互に連結される。

前記バッテリーパック２は、ターボシャフトエンジン１の前方の自動車車枠上に配置及び装着される。

発電機３は、電力をバッテリーパック２に貯蓄し、バッテリーパック２は、それぞれバッテリー制御器７と、駆動電動機５とに相互に連結され、バッテリー制御器７は、バッテリー出力電力に対する調節及び制御に用いられる。

バッテリーパック２は、頻繁な充放電的過程中において大量の熱を発生させるため、バッテリーラジエーターを更に設置し、二つのバッテリーラジエーターの吸気グリレは、それぞれ車両前照灯の下方に設置され、バッテリーラジエーターの冷気通路は、直接バッテリーパック２に通じており、車両走行中の冷気を利用して、バッテリーパックに対する実時間冷却を行う。

前記駆動電動機５は、三つ設けられ、その一つの駆動電動機５は、二つの前輪内側の車枠に配置され、トランスミッションを通じて前輪を駆動して回転させ、他の二つの駆動電動機５は、二つの後輪内側の車枠上に対称的に配置され、トランスミッションを通じて、二つの後輪をそれぞれ駆動させて独立回転させることができる。駆動電動機５は、Ｂｒｕｓａ７６０Ｖの永久磁石ＤＣブラシレスモータである。駆動電動機５のモータ制御器は、車両制御ユニット４の制御下で、回転速度の変化を実現し、ひいては航続距離延長型電気自動車に対する駆動を実現する。

前記ガス貯蔵タンク８は、ターボシャフトエンジン１前部の自動車車枠上に配置及び装着される。ガス貯蔵タンク８は、ブラケットを通じて支持されて立ち上がることができ、その下部にバッテリーパック２が配置されることができ、ガス貯蔵タンク８は、ちょうど運転席の下方空間に位置される。

本発明の電気自動車は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）及び液化天然ガス（ＬＮＧ）の二種類のエネルギ源システムを適用できる。ＣＮＧシステムにおいて、ガス貯蔵タンク８は、高圧容器であり、貯蔵圧力は、２０ＭＰａである。ガス貯蔵タンク８は、パイプラインを通じてエンジン天然ガス空気吸入口に連結され、エンジン天然ガス空気吸入口の前に、凍結防止リリーフバルブを有し、当該凍結防止リリーフバルブは、ウォーターバスを使って循環加熱されるが、その熱源は、本車両上の他の発熱部材にある。ＬＮＧシステムにおいて、ガス貯蔵タンク８は、保温タンクであり、エンジンが空気を吸い込むべきである時、加熱バルブを開き、液化ガスが吸熱した後気化され、且つ加圧器を適用して０．５ＭＰａまで加圧され、加熱バルブの熱供給量は電子制御される。

前記車両制御ユニット４は、前懸架キャビン９内の車枠上に位置される。バッテリー制御器７は、バッテリーパック２の近くに位置される。前記車両制御ユニット４は、車両制御用のステアリングシステム及びブレーキシステム以外に、更にモータ制御器を通じて、三つの駆動電動機５に対するトルクをそれぞれ割り当てて、車両の走行システムを制御し、及びターボシャフトエンジン１の燃料ガス制御器６を連結させて、ターボシャフトエンジン１の燃焼室への燃料ガスの追加を制御することにより、ターボシャフトエンジン１の動力出力を変更し、前記燃料ガス制御器６は、前記ターボシャフトエンジン１の前方に位置される。

車両制御ユニット４は、更にバッテリー制御器７の制御端子に連結される。車両制御ユニット４は、コンバータと、インバータとを含み、前記発電機３は、三相高速永久磁石電気機械であり、発電機３のベアリングは、エアベアリングである。当該三相高速永久磁石電気機械の三相出力端子は、前記コンバータの三相端子に接続され、コンバータの直流端子は、前記バッテリー制御器７及び前記インバータの直流入力端子にそれぞれ接続され、インバータの三相出力端子は、前記駆動電動機５の三相端子に接続される。ターボシャフトエンジン１が起動される時、バッテリーパック２によりバッテリー制御器７及びコンバータを介して駆動発電機３を駆動して回転させることにより、ターボシャフトエンジン１が初期起動の回転速度を得るようにする。

発電機３は、主に車両の電力を提供し、エネルギの流れ方向は、二つの経路があり、それぞれバッテリーパック２と、駆動電動機５とである。これは、ターボシャフトエンジン１は、駆動電動機５に電気エネルギを供給することなく、別途にバッテリーパック２に充電可能であることを意味する。或いは、発電機３が電機制御比率（車両制御ユニット４の中央制御回路により演算及び制御）に従って、同時に定格電力の電気エネルギを駆動電動機５及びバッテリーパック２に輸送し、ひいては、バッテリーパック２に全く電気エネルギ貯蓄がないにもかかわらず、最大電力での駆動電動機５を使う必要がある場合において、発電機３は、完全に全ての電気エネルギを駆動電動機５に提供して使用させ、暫くバッテリー充電を行わず、最高動力性能を保証することができる。従って、本発明が提示する航続距離延長型電気自動車は、下記の数種類の作業モードがある。

１．静止充電モードであって、駆動電動機５が働かず、車両が停止された状態で、車両制御ユニット４の中央制御回路を通じて、発電機３にバッテリーパック２に対する緩速充電又は急速充電（使用者の需要に決まる）を行わせる。

２．進行充電モードであって、駆動電動機５が標準電力で働き、発電機３によりバッテリーパック２に電力を供給し、駆動電動機５が超高電力で働く時、発電機３とバッテリーパック２とが同時に駆動電動機５に電力を供給することにより、瞬間的に極めて高い車両性能を発揮させる。

３．バッテリーが切れたのに、高性能走行（高速道路の道路状況）を要求する状況において、発電機３の３０〜６０ｋｗの高出力駆動電気モータは、１５０〜２００ｋｍ／ｈの走行速度を提供し、バッテリーパック２に充電せず、走行状況におけるエネルギ消耗が減少された後、車両は、自動的に作業モード２に入り、車両が停止された後、自動的に工作モードに遷移される。

Claims (6)

1. 車体、ターボシャフトエンジン（１）と、バッテリーパック（２）と、発電機（３）と、車両制御ユニット（４）と、駆動電動機（５）と、燃料ガス制御器（６）と、バッテリー制御器（７）と、ガス貯蔵タンク（８）と、空気吸入箱（１２）とを含むエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車であって、
   前記車体は、車体本体を含み、前記車体本体の底部構造は、自動車車枠を形成し、
   前記ターボシャフトエンジン（１）は、前後車軸の間であり且つ後車軸に近い自動車車枠上に配置及び装着され、ターボシャフトエンジン（１）の空気吸入口は、車両のテールに向いており、ターボシャフトエンジン（１）の出力軸の軸線は、自動車車体の対称面上に位置され、
   前記空気吸入箱（１２）と、ターボシャフトエンジン（１）の空気吸入口とは連通され、空気吸入箱（１２）は、ターボシャフトエンジン（１）の後側に配置され、空気吸入箱（１２）は、パイプラインを通じて、車体ボディパネル部材上の空気吸入グリルと連通され、
   前記バッテリーパック（２）は、ターボシャフトエンジン（１）の前方の自動車車枠上に配置及び装着され、
   前記発電機（３）回転子と、ターボシャフトエンジン（１）の出力軸とは相互に連結され、発電機（３）は、ターボシャフトエンジン（１）と空気吸入箱（１２）との間に位置され、
   前記駆動電動機（５）は、前後輪を駆動して回転させ、
   前記車両制御ユニット（４）は、コンバータと、インバータとを含み、前記発電機（３）は、三相高速永久磁石電気機械であり、当該三相高速永久磁石電気機械の三相出力端子は、前記コンバータの三相端子に接続され、コンバータの直流端子は、前記バッテリー制御器（７）及び前記インバータの直流入力端子にそれぞれ接続され、インバータの三相出力端子は、前記駆動電動機（５）の三相端子に接続され、
   前記燃料ガス制御器（６）は、ターボシャフトエンジン（１）の燃焼室への燃料ガスの追加を制御し、前後車輪の荷重比は、前後５０：５０になっていることを特徴とするエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車。
2. 前記車体本体は、前懸架キャビン（９）と、後懸架キャビン（１０）と、安全キャビン（１１）とから構成され、前記車両制御ユニット（４）は、前懸架キャビン（９）内の自動車車枠上に配置及び装着され、前記ガス貯蔵タンク（８）は、ターボシャフトエンジン（１）の前部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車。
3. 前記安全キャビン（１１）は、炭素繊維材料から作られ、前懸架キャビン（９）及び後懸架キャビン（１０）は、アルミニウム合金管フレーム構造であることを特徴とする請求項２に記載のエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車。
4. 前記空気吸入グリルは、二つ設けられ、車体両側のリアフェンダー上に対称的に位置され、対称的な二つのパイプラインを通じて空気吸入箱（１２）と連通されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車。
5. 二つのバッテリーラジエーターを更に含み、当該二つのバッテリーラジエーターの吸気グリレは、それぞれ車両前照灯の下方に対称的に設置され、バッテリーラジエーターの冷気通路は、直接バッテリーパック（２）に通じており、車両走行中の冷気を利用して、バッテリーパックに対する実時間冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車。
6. 前記前後輪の懸架は、ダブルウィッシュボーン式独立懸架であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンジン中央配置航続距離延長型電気自動車。

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