KR101349288B1 - 저배기 운행거리 증대형 전기 자동차 - Google Patents

저배기 운행거리 증대형 전기 자동차 Download PDF

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Abstract

저배기량을 가지면서도 운행 거리를 증대시킬 수 있는 전기 자동차를 제공한다. 전기 자동차는, i) 연료 공급기, ii) 연료 공급기와 연결되고, 공기를 흡입하여 연료 공급기로부터 공급되는 연료를 연소시켜서 회전하는 가스 터빈, iii) 가스 터빈과 연결되어 가스 터빈에 의해 회전하면서 제1 전기 에너지를 생성하는 제1 발전기, iv) 가스 터빈과 연결되어 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스를 공급받는 스털링 엔진(sterling engine), v) 스털링 엔진과 연결되어 스털링 엔진에 의해 회전하면서 제2 전기 에너지를 생성하는 제2 발전기, vi) 제1 발전기 및 제2 발전기와 연결되어 제1 전기 에너지 및 제2 전기 에너지를 공급받아 축전하는 배터리팩, vii) 배터리팩과 연결되어 배터리팩으로부터 전력을 공급받는 구동 모터, 및 viii) 구동 모터와 연결되어 구동 모터의 회전력에 의해 회전하는 차축을 포함한다.

Description

저배기 운행거리 증대형 전기 자동차 {ELECTRICAL VEHICLE FOR LOW EMISSION AND RANGE EXTENDING}
본 발명은 전기 자동차에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 저배기량을 가지면서도 운행 거리를 증대시킬 수 있는 전기 자동차에 관한 것이다.
최근의 유가상승과 환경문제 대두로 인해 전기 자동차(electric vehicle, EV) 관련기술이 전세계적으로 주목받고 있다. 전기 자동차 중 배터리 전기자동차(battery electric vehicle, BEV)는 배터리 기술의 한계로 인해 1회 충전 최대주행거리가 매우 짧다. 더욱이, 배터리만으로 전기 자동차내의 실내 에어컨 및 난방용 히터 등을 구동하는 경우, 전기 자동차의 주행거리는 더욱 감소한다. 최근, 리튬이온전지 등 리튬 금속을 이용한 높은 에너지 밀도의 배터리가 개발되었지만, 배터리 고유의 낮은 전압으로 인해 다수의 전지를 직렬 연결해 사용해야 하므로, 전지의 충방전시의 발열 제어가 어렵고, 비용이 많이 소모된다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 종래의 내연기관 자동차를 개조한 하이브리드 자동차(hybrid electric vehicle, HEV)가 사용되고 있다. 하이브리드 자동차는 내연기관과 전기모터를 병행하여 사용한다. 하이브리드 자동차는 직렬방식과 병렬방식 등을 선택적으로 사용하여 주행거리와 주행성능을 향상시킨다. 여기서, 직렬 방식은 내연기관으로 발전하여 배터리를 충전하고 주행모터를 구동하는 것이고, 병렬 방식은 내연기관 및 전기모터를 각 기술의 최적효율구간에서 독립적으로 운전하는 것이다. 그러나 하이브리드 자동차에서는 배터리와 모터뿐만 아니라 기존의 내연기관이 차량에 동시에 탑재되므로, 차량의 중량 및 가격이 커지는 단점을 가지고, 배기가스로 인하여 환경적인 이득이 크지 않다.
최근에는, 가정용 또는 산업용 전기로 자동차의 배터리를 충전하는 플러그인 하이브리드 자동차(plugin hybrid electric vehicle, PHEV) 기술이 각광받고 있다. 즉, 차량을 운행하지 않는 시간대에 주거단지나 고속충전소에서 차량의 배터리를 충전하여 기존 기술 대비 실효성이 우수하므로, 최근 전세계적인 스마트 그리드 사업과 연계해 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 밀집된 주거단지에 가정용 충전장치를 보급하기 쉽지 않고, 상업용 고속 충전소를 현재의 주유소에 상당하는 수준으로 보급해야 하는 부담이 있다.
가스 터빈으로 발전하여 배터리를 충전함으로써 저배기량을 가지면서도 운행 거리를 증대시킬 수 있는 전기 자동차를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는, i) 연료 공급기, ii) 연료 공급기와 연결되고, 공기를 흡입하여 연료 공급기로부터 공급되는 연료를 연소시켜서 회전하는 가스 터빈, iii) 가스 터빈과 연결되어 가스 터빈에 의해 회전하면서 제1 전기 에너지를 생성하는 제1 발전기, iv) 가스 터빈과 연결되어 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스를 공급받는 스털링 엔진(sterling engine), v) 스털링 엔진과 연결되어 스털링 엔진에 의해 회전하면서 제2 전기 에너지를 생성하는 제2 발전기, vi) 제1 발전기 및 제2 발전기와 연결되어 제1 전기 에너지 및 제2 전기 에너지를 공급받아 축전하는 배터리팩, vii) 배터리팩과 연결되어 배터리팩으로부터 전력을 공급받는 구동 모터, 및 viii) 구동 모터와 연결되어 구동 모터의 회전력에 의해 회전하는 차축을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 공급받아 배기가스의 열에너지를 제3 전기에너지로 변환하고, 제3 전기에너지를 배터리팩에 공급하는 열전 소자를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는 전기 자동차의 내부의 온도를 조절하는 공기 조화기를 더 포함하고, 공기 조화기가 냉매를 포함하는 경우, 냉매는 열전 소자를 통과한 배기가스에 의해 응축될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는 열전 소자를 통과한 배기가스를 전기 자동차의 외부로 바로 배기하는 바이패스관을 더 포함할 수 있다. 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스의 온도는 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도보다 높고, 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도는 열전 소자를 통과한 배기가스의 온도보다 높을 수 있다. 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스의 온도와 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도의 차는 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도와 열전 소자를 통과한 배기가스의 온도의 차보다 클 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차는 스털링 엔진과 연결되며, 전기 자동차의 내부의 온도를 조절하는 공기 조화기를 더 포함하고, 공기 조화기가 냉매를 포함하는 경우, 냉매는 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 의해 응축될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차는 공기 조화기와 연결되고, 공기 조화기를 통과한 배기가스의 열에너지를 제3 전기에너지로 변환하고, 제3 전기에너지를 배터리팩에 공급하는 열전 소자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는 i) 가스 터빈에 연결되어 가스 터빈에 공기를 공급하는 흡입관, 및 ii) 흡입관을 배터리팩, 구동 모터, 제1 발전기 및 제2 발전기에 연결시 분기관을 더 포함할 수 있다. 분기관에 의해 공급되는 공기를 이용하여 배터리팩, 구동 모터 및 제1 발전기 및 제2 발전기를 각각 냉각시키도록 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는 낮은 배기량을 가지고 중량이 작으면서도 운행 거리를 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차는 다수의 전기 에너지 생성용 부품들을 포함하여 가스 터빈 배터리 충전식 및 플러그인 방식으로 동시에 충전될 수 있으므로, 단시간 충전 및 주행중의 지속적인 충전이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차의 가스터빈은 무급유 베어링을 채택함으로써 고출력 및 고효율의 시스템을 구현하고, 윤활유가 불필요하여 폐유를 생산하지 않고 유지보수비용을 절감할 수 있다. 또한, 가스터빈의 공기 압축기로 흡입되는 외부 공기를 유동시켜서 배터리, 인버터, 또는 구동 모터에서 발생하는 열을 제어할 수 있다. 가스 터빈에서 배출되는 배기가스는 스털링 엔진 및 발전기의 에너지원으로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 배터리 충전 시스템의 발전 효율을 증대시킨다. 또한, 배기가스를 공기 조화기, 예를 들면 흡수식 또는 제습식 냉난방 시스템의 열원으로 사용되어 운전자의 편의성을 증대시킬 수 있다. 따라서 배기가스의 온도를 낮추어서 지구상의 온실 가스를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 자동차의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 전기 자동차의 에너지 소비를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 자동차의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기 자동차의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기 자동차의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 사용하는 "연결"의 의미는 기계적인 연결뿐만 아니라 전기적인 연결 등 다른 기타 연결 상태를 전부 포함하는 것으로 해석된다. 따라서 물리적인 연결 관계가 성립되지 않아도 상호 영향을 주는 상태에 위치한 경우, 연결 상태가 있는 것으로 해석된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 자동차(100)의 개략적인 구조를 나타낸다. 도 1에서 실선 화살표는 전기 에너지의 흐름을 나타내고, 점선 화살표는 배기가스 또는 연료 등의 흐름을 나타낸다. 또한, 도 1의 전기 자동차(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전기 자동차(100)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전기 자동차(100)는, 연료 공급기(10), 가스 터빈(20), 제1 발전기(30), 스털링 엔진(40), 제2 발전기(50), 배터리팩(60), 구동 모터(70) 및 차축(98)을 포함한다. 이외에, 전기 자동차(100)는 흡입관(12), 분기관(14), 열전소자(80) 및 공기 조화기(90)을 더 포함한다. 필요에 따라 전기 자동차(100)는 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.
연료 공급기(10)는 가스 터빈(20)에 연료를 공급한다. 여기서, 연료로서 액화천연가스(liquid natural gas, LNG), 실내 등유(Kerosene) 또는 바이오매스(biomass) 등을 사용할 수 있다. 연료 공급기(10)는 가스 터빈(20)을 둘러싸면서 상호 이격된 연소실(미도시)에 연료를 공급한다. 가스 터빈(20)은 연료 공급기(10)와 연결된다. 가스 터빈(20)은 공기를 흡입하여 연료 공급기(10)로부터 공급되는 연료를 연소시킨 배기가스에 의해 회전한다. 연료 공급기(10)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
도 1에 점선으로 도시한 바와 같이 가스 터빈(20)의 앞부분에 포함된 공기 압축기(미도시)는 공기를 흡입한다. 공기 압축기(미도시)는 공기를 흡입 압축하여 연소실(미도시)에 공급하고, 연료 공급기(10)에 의해 공급된 연료는 연소실(미도시)에서 연소되어 고온의 배기가스로 변환됨으로써 가스 터빈(20)을 회전시킨다. 그 결과, 가스 터빈(20)에서 고속의 기계적 회전 에너지를 얻을 수 있다. 예를 들면, 가스 터빈의 출력은 수십 kW 이하일 수 있다. 수 kg 내지 수십 kg의 초소형 가스 터빈을 사용하여 전술한 출력을 낼 수 있다. 가스 터빈(20)은 오염 물질 함량이 낮은 배기가스를 배출하여 친환경적이고 그 회전력으로 배터리팩(60)을 전기 충전시키므로, 전기 자동차(100)의 주행 거리를 연장시킬 수 있다. 나아가, 엔진 탑재로 인한 전기 자동차(100)의 중량 및 부피 증가를 크게 줄일 수 있다.
가스 터빈(20)의 회전부(미도시) 및 정지부(미도시)의 마찰로 인한 동력전달손싱을 최소화하기 위해 무급유 공기 베어링을 사용할 수 있다. 무급 공기 베어링을 사용하여 가스 터빈(20)의 출력 및 효율을 향상시킨다. 또한, 베어링에 윤활유를 사용하지 않으므로, 폐유가 발생하지 않아 가스 터빈(20)의 유지 보수 비용을 절감할 수 있다. 가스 터빈(20)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
제1 발전기(30)는 가스 터빈(20)과 연결되어 가스 터빈(20)에 의해 회전하면서 전기 에너지를 생성한다. 즉, 가스 터빈(20)의 회전 에너지는 제1 발전기(30)에서 전기 에너지로 변환된다. 도 1에는 도시하지 않았지만, 제1 발전기(30)는 가스 터빈(20)과 알터네이터(alternator) 등으로 연결되거나 동축으로 연결되어 가스 터빈(20)의 회전 에너지를 전달받는다. 이러한 기계역학적 구조뿐만 아니라 전자기역학적 방법 또는 공기역학적인 방법으로도 가스 터빈(20)과 제1 발전기(30)를 상호 연결할 수 있다. 그 결과, 제1 발전기(30)는 일정한 주파수의 전기 에너지를 생성할 수 있다. 제1 발전기(30)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 스털링 엔진(40)은 가스 터빈(20)과 연결된다. 좀더 구체적으로, 가스 터빈(20)을 스털링 엔진(40)의 열교환기(미도시) 등에 연결할 수 있다. 스털링 엔진(40)은 가스 터빈(20)으로부터 배출되는 배기가스를 공급받아 기계적 회전 에너지를 발생시킨다. 스털링 엔진(40)으로 높은 열량을 가진 가스 터빈(20)의 배기가스가 주입되고, 배기가스는 스털링 엔진(40)에서 연료로서 기능한다. 가스 터빈(20)의 폐열로서 이용되는 높은 열량의 배기가스는 스털링 엔진(40)으로 공급되어 재연소된다. 스털링 엔진(40)에서 연소 후 배기된 배기가스는 스털링 엔진(40)으로 흡입되는 공기와 접촉하여 공기를 예열함으로써 스털링 엔진(40)의 열효율을 상승시킬 수 있다. 스털링 엔진(400)은 가스 터빈(20)의 폐열과의 열교환을 통해 기계적 에너지를 생성한다.
좀더 구체적으로, 가스 터빈(20)으로부터 배출되는 배기가스의 온도는 400℃ 이상이므로, 스털링 엔진(40)의 열원으로 사용하기에 적합하다. 나아가, 스털링 엔진(40)은 초소형 크기로 제조될 수 있으므로, 전기 자동차(100)에서 사용하기에 적합하다. 스털링 엔진(40) 내의 실린더(미도시) 내부의 공기는 배기가스의 열을 받아서 팽창하므로, 팽창된 공기는 실린더(미도시)를 밖으로 밀어낸다. 실린더(미도시)가 일정 영역으로 밀어내진 경우, 다시 차가운 공기가 실린더(미도시) 내부로 유입된다. 팽창된 공기는 밀려나면서 냉각되어 순환된다. 이러한 스털링 엔진(40)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
제2 발전기(50)는 스털링 엔진(40)과 연결된다. 제2 발전기(50)로는 제1 발전기(30)과 동일한 형태의 발전기를 사용할 수 있다. 제2 발전기(50)는 스털링 엔진(40)에 의해 회전하면서 또다른 전기 에너지를 생성한다. 즉, 스털링 엔진(40)의 회전 에너지는 제2 발전기(50)에서 전기 에너지로 변환된다. 도 1에는 도시하지 않았지만, 제2 발전기(50)는 스털링 엔진(40)과 알터네이터(alternator) 등으로 연결되거나 동축으로 연결되어 스털링 엔진(40)의 회전 에너지를 전달받는다. 그 결과, 제2 발전기(50)는 일정한 주파수의 전기 에너지를 생성할 수 있다. 제2 발전기(50)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 배터리팩(60)은 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)와 연결되어 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)로부터 전기 에너지를 공급받는다. 배터리팩(60)은 공급받은 전기 에너지를 축전하여 저장한다. 배터리팩(60)은 하나 이상의 배터리를 포함하고, 전력 충방전 시스템을 포함한다. 따라서 배터리팩(60)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 전기 자동차(100)의 동력원을 확보할 수 있다. 배터리팩(60)은 플러그인 타입으로 제조되어 가정 등에서 충전하여 사용할 수 있다. 도 1에는 하나의 배터리팩(60)만을 도시하였지만, 배터리팩은 주배터리팩 및 보조배터리팩 등 복수의 배터리팩들을 조합하여 사용할 수 있다. 배터리팩(60)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
도 1에는 도시하지 않았지만, 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)는 배터리팩(60)에만 전기 에너지를 공급하는 것이 아니라 전기 자동차(100)내에서 전력을 필요로 하는 부품에 직접 전력을 공급할 수 있다. 예를 들면, 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)는 전기 자동차(100)의 헤드라이트(미도시) 및 전동 모터(미도시) 등에 구동 전력을 직접 공급할 수 있다.
구동 모터(70)는 배터리팩(60)과 연결된다. 구동 모터(70)는 배터리팩(60)으로부터 전기 에너지를 공급받아 구동된다. 구동 모터(70)는 차축(98)에 연결되고, 차축(98)은 구동 모터(70)의 회전력에 의해 회전한다. 그 결과, 전기 자동차(100)를 구동하기 위한 동력을 확보할 수 있다. 또한, 도 1에는 도시하지 않았지만, 구동 모터(70)의 종류에 따라 배터리팩(60)과의 사이에 컨버터 또는 인터버 등이 위치할 수 있다. 구동 모터(70)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 차축(98)은 전륜 차축(981) 및 후륜 차축(983)을 포함한다. 도 1에는 도시하지 않았지만, 기어(미도시) 등을 이용하여 전륜 차축(981) 및 후륜 차축(983)을 상호 연결시킬 수 있으므로, 구동 모터(70)를 이용하여 전기 자동차(100)를 효율적으로 구동시킬 수 있다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 열전 소자(80)는 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스를 공급받아 배기가스의 열에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스는 약 200℃ 이상의 충분한 열원을 가지므로, 열전 소자(80)에 사용하기 적합하다. 열전 소자(80)는 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스가 통과하는 배기가스관(미도시)의 외주면에 부착될 수 있다. 따라서 열전 소자(80)에 의해 열에너지를 전기 에너지로 변환한 후 배터리팩(60)에 공급함으로써 전기 자동차(100)의 에너지 효율을 최대화할 수 있다.
도 1에는 도시하지 않았지만, 열전 소자(80)는 배터리팩(60)에만 전기 에너지를 공급하는 것이 아니라 전기 자동차(100)내에서 전력을 필요로 하는 부품에 직접 전력을 공급할 수 있다. 예를 들면, 열전 소자(80)는 전기 자동차(100)의 헤드라이트(미도시) 및 전동 모터(미도시) 등에 구동 전력을 직접 공급할 수 있다. 열전 소자(80)의 재료는 특정 소재에 한정되지 않으며, 열에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 기능을 가진 모든 소재들을 사용할 수 있다. 열전 소자(80)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 공기 조화기(90)는 열전 소자(80)를 통과한 배기가스를 공급받는다. 열전 소자(80)를 통과한 배기가스 일부만 공기 조화기(90)에 사용하고, 나머지 배기가스는 외부로 배출시킬 수 있다. 한편, 공기 조화기(90)의 사용이 불필요한 경우, 배기가스를 공기 조화기(90)에 공급하지 않고, 바이패스관(95)을 통하여 전기 자동차(100)의 외부로 바로 배기할 수도 있다.
공기 조화기(90)는 전기 자동차 내부(92)의 온도를 조절할 수 있다. 즉, 공기 조화기(90)를 이용하여 전기 자동차 내부(92)의 온도를 올리거나 내릴 수 있다. 좀더 구체적으로, 공기 조화기(90)를 제습식 냉방장치 또는 흡수식 냉방장치로 사용할 수 있다. 공기 조화기(90)를 이용하여 전기 자동차 내부(92)를 냉각하는 경우, 냉매를 이용한다.
냉매를 이용하여 전기 자동차 내부(92)를 냉각시키기 위해 공기 조화기(90)는 그 내부에 증발기(미도시), 압축기(미도시), 응축기(미도시) 및 팽창밸브(미도시) 등을 포함할 수 있다. 냉매는 냉매관을 통하여 상변화하면서 이들 부품들 내부를 순환한다. 액상의 냉매는 전기 자동차 내부(92)와 연결된 증발기를 통과하면서 기화되는 동시에 전기 자동차 내부(92)의 열을 빼앗는다. 그 결과, 냉매를 이용하여 전기 자동차 내부(92)를 냉각시킬 수 있으므로, 전기 자동차(100)의 탑승자들에게 쾌적한 느낌을 제공할 수 있다. 기화된 냉매는 압축기(미도시)에서 압축되어 응축기(미도시)로 보내진다. 응축기(미도시)는 열전 소자(80)를 통과한 배기가스의 열에 의해 냉매를 액화시킨다. 액화된 냉매는 다시 팽창밸브(미도시)를 통과하면서 팽창되어 증발기(미도시)로 이송된다. 이러한 공기 조화기(90)의 냉매 순환 사이클에 전술한 배기가스를 이용할 수 있다. 전술한 방법 이외에 공기 조화기(90)는 배기가스의 현열을 이용하여 전기 자동차 내부(92)를 따뜻하게 가열할 수도 있다. 즉, 전기 자동차 내부(92)의 공기를 배기가스와 열교환시킴으로써, 전기 자동차 내부(92)를 난방할 수 있다.
전술한 공기 조화기(90)의 작동 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 공기 조화기(90)의 작동 방법을 다른 형태로 변형시킬 수 있다. 또한, 공기 조화기(90)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다.
한편, 도 1에 점선으로 도시한 바와 같이, 전기 자동차(100)는 흡입관(12)을 통하여 공기를 가스 터빈(20)에 공급한다. 분기관(14)은 흡입관(12)을 각각 배터리팩(60), 구동 모터(70), 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)에 연결시켜 이들 부품들에 흡입된 공기 일부를 공급할 수 있다. 배터리팩(60), 구동 모터(70), 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)에 공급된 공기는 각각 배터리팩(60), 구동 모터(70), 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)를 냉각시키기 위해 사용한다. 공기는 가스 터빈(20)에 포함된 압축기(미도시)에 의해 고속으로 흡입관(12) 내로 흡입되면서 유동하므로, 고압의 공기를 분기관(14)을 통해 배터리팩(60), 구동 모터(70), 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)에 공급할 수 있다. 그 결과, 작동시 발열되는 배터리팩(60), 구동 모터(70), 제1 발전기(30) 및 제2 발전기(50)를 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 좀더 구체적으로, 공기는 배터리팩(60)의 방열핀(미도시) 또는 구동 모터(70)의 케이싱(미도시) 등을 통과하므로, 이들 부품들의 발열을 제어할 수 있다. 또한, 도 1에는 도시하지 않았지만, 공기는 전기 자동차(100)에 포함된 인버터(미도시)를 냉각하기 위해 사용될 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 에너지를 발생시키기 위한 다양한 형태의 부품들을 단계별로 사용하여 전기 자동차(100)의 에너지 이용 효율을 최대화할 수 있다. 예를 들면, 전기 자동차(100)의 에너지 이용 효율을 약 85%까지 끌어올릴 수 있다. 즉, 에너지를 생성할 수 있는 복수의 부품들을 그 에너지 생성량에 따라 단계별로 배치함으로써 사용하지 않고 전기 자동차(100) 외부로 버리는 배기가스의 양을 최소화하면서 전기 자동차(100)의 주행거리를 증가시킬 수 있다. 이하에서는 도 2를 참조하여 이러한 과정을 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 전기 자동차(100)의 각 부품에서의 에너지 소비를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 2에서 T20은 가스 터빈(20)(도 1에 도시, 이하 동일)으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 나타내고, T40은 스털링 엔진(40)(도 1에 도시, 이하 동일)으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 나타내며, T80은 열전 소자(80)(도 1에 도시, 이하 동일)를 통과한 배기가스의 온도를 나타내고, T90은 공기 조화기(90)(도 1에 도시, 이하 동일)를 통과한 배기가스의 온도를 나타낸다.
도 2에 도시한 바와 같이 가스 터빈(20)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T20)는 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T40)보다 높고, 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T40)는 열전 소자(80)를 통과한 배기가스의 온도(T80)보다 높다. 또한, 열전 소자(80)를 통과한 배기가스의 온도(T80)는 공기 조화기(90)를 통과한 배기가스의 온도(T90)보다 높다. 따라서 배기가스의 열에너지를 이용하면서 배기가스의 온도를 차례로 낮추어 배기가스의 열에너지 이용 효율을 최대화할 수 있다. 즉, 전기 자동차(100)(도 1에 도시, 이하 동일) 내부의 배기가스 온도는 가스 터빈(20), 스털링 엔진(40), 열전 소자(80) 및 공기 조화기(90)를 차례로 통과하면서 낮아진다. 배기가스에 포함된 열에너지가 각각 가스 터빈(20), 스털링 엔진(40), 열전 소자(80) 및 공기 조화기(90)에 이용되므로, 배기가스는 열에너지를 점차적으로 빼앗기면서 그 온도가 점차적으로 낮아진다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 가스 터빈(20)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T20)와 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T40)의 차는 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T40)와 열전 소자(80)를 통과한 배기가스의 온도(T80)의 차보다 크다. 즉, 스털링 엔진(40)은 열전 소자(80)에 비해 배기가스의 열에너지를 좀더 많이 사용하여 전기 자동차(100)의 구동을 위한 에너지를 생성한다. 한편, 도 2에서 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스의 온도(T40)와 열전 소자(80)를 통과한 배기가스의 온도(T80)의 차가 열전 소자(80)를 통과한 배기가스의 온도(T80)와 공기 조화기(90)를 통과한 배기가스의 온도(T90)의 차보다 큰 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 열전 소자(80)도 배기가스의 열에너지를 비교적 많이 이용한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 자동차(200)의 개략적인 구조를 나타낸다. 도 3에서 실선 화살표는 전기 에너지의 흐름을 나타내고, 점선 화살표는 배기가스 또는 연료 등의 흐름을 나타낸다. 도 3의 전기 자동차(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전기 자동차(200)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 한편, 도 3의 전기 자동차(200)의 구조는 도 1의 전기 자동차(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하고 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스는 공기 조화기(90)에 공급될 수 있다. 공기 조화기(90)는 전기 자동차 내부(92)와 연결되어 전기 자동차 내부(92)의 온도를 적절하게 조절할 수 있다. 즉, 공기 조화기(90)는 배기가스를 이용하여 전기 자동차 내부(92)를 따뜻하게 가열하거나 냉각시킬 수 있다. 공기 조화기(90)가 냉매를 포함하는 경우, 냉매는 스털링 엔진(40)으로부터 배출되는 배기가스에 의해 응축되어 사용된다.
공기 조화기(90)를 통과한 배기가스는 열전 소자(80)로 공급된다. 열전 소자(80)는 배기가스 배기관 등의 외주에 부착되어 배기가스의 열에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 변환된 전기 에너지는 배터리팩(60)에 공급되어 전기 자동차(200)의 동력원으로서 이용된다. 그리고 열전 소자(80)를 통과한 배기가스는 전기 자동차(200)의 외부로 배기된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전기 자동차(200)에서 공기 조화기(90)와 열전 소자(80)를 도 1의 전기 자동차(100)에서와 반대로 배치할 수 있다. 이와 같이 전기 자동차(200)를 제조하여 전기 자동차(200)의 에너지 이용 효율을 최적화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기 자동차(300)의 개략적인 구조를 나타낸다. 도 4에서 실선 화살표는 전기 에너지의 흐름을 나타내고, 점선 화살표는 배기가스 또는 연료 등의 흐름을 나타낸다. 도 4의 전기 자동차(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전기 자동차(300)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 한편, 도 4의 전기 자동차(300)의 구조는 도 1의 전기 자동차(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하고 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 전기 자동차(300)에서는 공기 조화기를 사용하지 않고, 열전 소자(80)에서 최종적으로 배기가스의 열에너지를 회수하여 전기 에너지로 변환한 후 배터리팩(60)에 공급한다. 열전 소자(80)를 통과한 배기가스는 전기 자동차(300)의 외부로 배기된다. 전술한 구조로 전기 자동차(300)의 구조를 단순화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기 자동차(400)의 개략적인 구조를 나타낸다. 도 5에서 실선 화살표는 전기 에너지의 흐름을 나타내고, 점선 화살표는 배기가스 또는 연료 등의 흐름을 나타낸다. 도 5의 전기 자동차(400)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전기 자동차(400)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 한편, 도 5의 전기 자동차(400)의 구조는 도 1의 전기 자동차(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하고 그 상세한 설명을 생략한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 전기 자동차(400)에서는 열전 소자 및 공기 조화기를 사용하지 않고, 스털링 엔진(40)에서 최종적으로 배기가스의 열에너지를 회수하여 전기 에너지로 변환한 후 배터리팩(60)에 공급한다. 스털링 엔진(40)을 통과한 배기가스는 전기 자동차(400)의 외부로 배기된다. 전술한 구조로 전기 자동차(400)의 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100, 200, 300, 400. 전기 자동차
10. 연료 공급기
12. 흡입관
14. 분기관
20. 가스터빈
30, 50. 발전기
40. 스털링 엔진
60. 배터리팩
70. 구동모터
80. 열전 소자
90. 공기 조화기
92. 전기 자동차 내부
95. 바이패스관
98. 차축
981. 전륜 차축
983. 후륜 차축

Claims (9)

  1. 연료 공급기,
    상기 연료 공급기와 연결되고, 공기를 흡입하여 상기 연료 공급기로부터 공급되는 연료를 연소시켜서 회전하는 가스 터빈,
    상기 가스 터빈과 연결되어 상기 가스 터빈에 의해 회전하면서 제1 전기 에너지를 생성하는 제1 발전기,
    상기 가스 터빈과 연결되어 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스를 공급받는 스털링 엔진(sterling engine),
    상기 스털링 엔진과 연결되어 상기 스털링 엔진에 의해 회전하면서 제2 전기 에너지를 생성하는 제2 발전기,
    상기 제1 발전기 및 상기 제2 발전기와 연결되어 상기 제1 전기 에너지 및 상기 제2 전기 에너지를 공급받아 축전하는 배터리팩,
    상기 배터리팩과 연결되어 상기 배터리팩으로부터 전력을 공급받는 구동 모터,
    상기 구동 모터와 연결되어 상기 구동 모터의 회전력에 의해 회전하는 차축, 및
    상기 스털링 엔진과 연결되는 공기 조화기
    를 포함하고,
    상기 공기 조화기는 상기 전기 자동차의 내부의 온도를 조절하고, 상기 공기 조화기가 냉매를 포함하는 경우, 상기 냉매는 상기 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 의해 응축되는 전기 자동차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스털링 엔진과 상기 공기 조화기 사이에 구비되어 상기 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 공급받아 상기 배기가스의 열에너지를 제3 전기에너지로 변환하고, 상기 제3 전기에너지를 상기 배터리팩에 공급하는 열전 소자를 더 포함하는 전기 자동차.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 열전 소자를 통과한 배기가스에 의해 응축되는 전기 자동차.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전 소자를 통과한 배기가스를 상기 전기 자동차의 외부로 바로 배기하는 바이패스관을 더 포함하는 전기 자동차.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스의 온도는 상기 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도보다 높고, 상기 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도는 상기 열전 소자를 통과한 배기가스의 온도보다 높은 전기 자동차.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스의 온도와 상기 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도의 차는 상기 스털링 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도와 상기 열전 소자를 통과한 배기가스의 온도의 차보다 큰 전기 자동차.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 조화기와 연결되고, 상기 공기 조화기를 통과한 배기가스의 열에너지를 제3 전기에너지로 변환하고, 상기 제3 전기에너지를 상기 배터리팩에 공급하는 열전 소자를 더 포함하는 전기 자동차.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 터빈에 연결되어 상기 가스 터빈에 상기 공기를 공급하는 흡입관, 및
    상기 흡입관을 상기 배터리팩, 상기 구동 모터, 상기 제1 발전기 및 상기 제2 발전기에 연결시 분기관
    을 더 포함하고,
    상기 분기관에 의해 공급되는 공기를 이용하여 상기 배터리팩, 상기 구동 모터 및 상기 제1 발전기 및 상기 제2 발전기를 각각 냉각시키도록 적용된 전기 자동차.
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