CN101870264A - 一种增程式纯电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用微型燃气轮机发电机组的增程式纯电动汽车，包括电力电子变换器、车载充电器、储能装置、能量管理单元、整车控制器、电动机、变速器、微型燃气轮机控制器、微型燃气轮机发电机组和燃料箱；在整车控制器的控制下，通过燃料箱为微型燃气轮机发电机组提供燃料，通过微型燃气轮机发电机组发电来增加车辆的行驶里程。该增程式纯电动汽车降低了对充电基础设施的依赖性，使其能更好地适应高速和郊区路况行驶，提高了车辆的适应性，同时使车辆的能源更加多元化，有利于能源安全，还解决了纯电动汽车的制冷和采暖问题。

Description

一种增程式纯电动汽车

技术领域

本发明涉及一种增程式纯电动汽车，特别涉及一种采用微型燃气轮机发机组增加行驶里程，提高车辆适应性的增程式纯电动汽车。

背景技术

纯电动汽车采用电动机作为驱动装置，由车载可充电蓄电池或其他能量储存装置提供能量，具有零排放、高效率、安静、运行平稳、驾驶操作容易、使用维护费用低和所需电能来源广泛等优点，因而在现有的新能源汽车技术中，被视为长期发展目标或最终发展目标。

在纯电动汽车上常用的储能装置为蓄电池组和超级电容组等，超级电容组虽然充放电速度快，但是其电能不能长期储存，因而限制了它作为独立的储能装置在纯电动汽车上的使用，目前纯电动汽车上所使用的储能装置多为蓄电池组(以下简称电池组)。

近年来，能量储存技术的迅速发展，尤其是锂离子电池的出现，使纯电动汽车的驾驶性能可以做到与常规车完全相同，但是由于电池组的能量容量有限，限制了纯电动汽车的续驶里程。要增加续驶里程，就要增加电池组容量，但电池组容量的增加，带来整车重量的增加和整车成本的急剧增加。由于续驶里程有限，以及续驶里程与整车成本、重量之间的矛盾，使得纯电动汽车只能在市内较小范围使用。并且，由于充电基础设施还不健全，以及电池组超快速充电技术尚没有得到突破，在很大程度上制约了纯电动汽车的推广使用和批量生产。

另外，在传统的纯电动汽车上，所有能量都来源于储能装置，如参考文献：爱塞尼等著.，现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车——基本原理、理论和设计.北京：机械工业出版社，2008中，包括车辆制冷和采暖所需能量，而车辆的制冷和采暖，尤其是制冷耗能非常大，因此又产生了车辆驾驶的舒适性与续驶里程之间的矛盾。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种增程式纯电动汽车，通过采用微型燃气轮机发电机组提供电能，增加行驶里程，提高车辆的适应性。该增程式纯电动汽车提高了整车的驾驶性能，使整车的能源更加多元化，并且使整车更加经济、环保。该增程式纯电动汽车主要包括：电力电子变换器、车载充电器、储能装置、能量管理单元、整车控制器、电动机和变速器，还包括：微型燃气轮机控制器、微型燃气轮机发电机组和燃料箱。

所述的车载充电器通过与外接电源连接，为储能装置充电；所述的储能装置中存储的电能需经电力电子变换器转换为所需的交流电输出给电动机，电动机在整车控制器的控制下驱动增程式纯电动汽车行驶；所述的能量管理单元用于实时监测储能装置中的电压、电流、温度和电量信息，将监测到的信息发送到整车控制器中；所述的整车控制器根据加速踏板传感器和制动踏板传感器的信号，对电动机和变速器进行控制，并对整车进行制动能量回收过程的控制；当整车控制器经能量管理单元中监测到的储能装置中的电量过低时，微型燃气轮机控制器在整车控制器的CAN命令下控制微型燃气轮机发电机组开始工作，并向整车控制器发送微型燃气轮机发电机组的工作状态信息；微型燃气轮机发电机组将燃料箱中燃料的化学能转换成为电能，当所选的微型燃气轮机发电机组和电动机之间添加电子变频控制器时，微型燃气轮机发电机组输出的电能直接经过电子变频控制器转换后交流输出到电动机，同时，微型燃气轮机发电机组输出的多余电能通过电力电子变换器转换为直流电储存在储能装置中；当微型燃气轮机发电机组和电动机之间不添加电子变频控制器时，微型燃气轮机发电机组输出的电能需经电力电子变换器转换为直流电存储在储能装置中，然后储能装置再经电力电子变换器转换为所需的交流电供电动机工作；所述的变速器用于调节电动机转矩-转速特性与整车行驶需求之间的矛盾，依具体电动机的特性，变速器可为单档或多档变速器。

所述的电力电子变换器通过线束分别与储能装置、整车控制器、微型燃气轮机发电机组和电动机相连接；储能装置通过线束分别与能量管理单元和车载充电器相连接；车载充电器通过线束与电网相连接；整车控制器通过CAN线分别与能量管理单元和微型燃气轮机控制器相连接；微型燃气轮机发电机组通过线束与微型燃气轮机控制器和电力电子变换器相连接；微型燃气轮机发电机组与燃料箱通过管道相连接；变速器、车轮和差速器均采用普通的机械连接方法连接。

本发明所提供的增程式纯电动汽车可以实现三种运行模式，分别为正常行驶模式、增程模式和停车充电模式。

所述的正常行驶模式是指：增程式纯电动汽车在储能装置所能提供的电量范围内正常行驶时所采用的运行模式；该运行模式下，电动机的电能全部来源于储能装置。整车控制器根据加速踏板传感器和制动踏板传感器的信号，并输出正确的电流信号给电力电子变换器，通过电力电子变换器将储能装置中的电能转化为所需功率的交流电输出到电动机，并通过电动机的转速和温度传感器等反馈的电动机的状态信息，对整车控制器输出给电力电子变换器的电流信号进行实时修正。当车辆减速或下坡时，电动机被车轮驱动，将车辆的机械能转换成电能，电能通过电力电子变换器转换后充入储能装置中，进行制动能量回收。

所述的增程模式是指：该增程式纯电动汽车超出储能装置驱动的正常行驶里程，或者当储能装置中存储的电能下降到设定值A时仍需行驶时所采用的运行模式；该运行模式通过整车控制器依据能量管理单元发送的储能装置的电量信息而自动激活；在该运行模式下，整车控制器发送CAN命令给微型燃气轮机控制器，微型燃气轮机控制器控制微型燃气轮机发电机组以恒定转速在燃油消耗最低的负荷范围内工作，微型燃气轮机发电机组工作并产生电能，微型燃气轮机发电机组输出的电能经过电子变频控制器转换后直接交流输出到电动机供其使用；当微型燃气轮机发电机组输出的功率过剩时，该部分电能通过电力电子变换器转换成直流电充入储能装置中。当车辆减速或下坡时，电动机被车轮驱动，将车辆的机械能转换成电能，电能通过电力电子变换器转换后充入储能装置中，进行制动能量回收。在该增程模式下，整车控制器依据车辆行驶所需功率，通过微型燃气轮机控制器动态调整微型燃气轮机发电机组的工作负荷，以满足车辆行驶的需要。当微型燃气轮机发电机组驱动富余充入的电能和制动回收的电能，使储能装置的电量达到设定值B时，车辆回到正常行驶模式。

所述的停车充电模式是指：增程式纯电动汽车处于静止状态时的运行模式，该运行模式由驾驶员手动激活，通过微型燃气轮机发电机组对储能装置进行充电。在该运行模式下，微型燃气轮机发电机组启动后以恒定转速运转，在油耗最低的负荷区域内运行。当储能装置中的电量达到设定值B时，整车控制器通过微型燃气轮机控制器关闭微型燃气轮机发电机组，完成停车状态下对储能装置的充电；当储能装置中的电量未达到设定值B时，驾驶员可随时手动关闭该模式。

本发明的优点在于：

1、本发明所提供的增程式纯电动汽车，采用微型燃气轮机发电机组为储能装置充电，在储能装置正常驱动的行驶里程上，增加了行驶里程，使增程式纯电动汽车能更好地适应高速和郊区路况行驶；

2、本发明提供的增程式纯电动汽车，通过采用微型燃气轮机发电机组，降低了普通纯电动汽车对充电基础设施的依赖性，提高了车辆的适应性，还解决了纯电动汽车的制冷和采暖问题；

3、本发明提供的增程式纯电动汽车，采用微型燃气轮机发电机组具有较好的燃料适应性，可以使用天然气、沼气、酸性气体、汽油、柴油和煤油等，具有能源多元化的优点，同时其排气污染很低，有利于环境保护；

4、本发明提供的增程式纯电动汽车采用的微型燃气轮机发电机组，其负荷变化对燃油经济性的影响不大，有利于以恒定转速运行扩展纯电动汽车行驶里程的工况；

5、本发明提供的增程式纯电动汽车具有的停车充电模式，可使增程式纯电动汽车从郊区进入市区后实现零排放行驶；

6、本发明提出的增程式纯电动汽车，通过车载充电器完成对储能装置的充电，并且通过储能装置或微型燃气轮机发电机组向外接用电设备应急供电。

附图说明

图1：本发明的增程式纯电动汽车结构原理图；

图2：本发明的增程式纯电动汽车包含电子变频控制器的结构原理图。

图中：1-电力电子变换器；        2-车载充电器；    3-储能装置；

      4-能量管理单元；          5-整车控制器；    6-微型燃气轮机控制器；

      7-微型燃气轮机发电机组；  8-燃料箱；        9-电动机；

      10-变速器；               11-车轮；         12-差速器；

      13-电子变频控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出一种增程式纯电动汽车，该增程式纯电动汽车采用微型燃气轮机发电机组提供电能，增加车辆的行驶里程，降低纯电动汽车对充电基础设施的依赖。该增程式纯电动汽车结构如图1所示，包括电力电子变换器1、车载充电器2、储能装置3、能量管理单元4、整车控制器5、电动机9、变速器10、车轮11和差速器12，该增程式纯电动汽车还包括：微型燃气轮机控制器6、微型燃气轮机发电机组7和燃料箱8。

所述的车载充电器2通过与外接电源连接，为储能装置3充电；所述的储能装置3中存储的电能需经电力电子变换器1转换为所需的交流电输出给电动机9，电动机9在整车控制器5的控制下驱动增程式纯电动汽车工作；所述的能量管理单元4用于实时监测储能装置3中的电压、电流、温度和电量信息，并将监测到的信息发送到整车控制器5中；所述的整车控制器5根据加速踏板传感器和制动踏板传感器的信号，以电动机9的相电流为反馈量对电动机9的转矩和功率进行控制，并在车辆减速或下坡时，通过相电流给电动机9施加负转矩使其在车轮11的驱动下，将增程式纯电动汽车的机械能转换成电能，进行制动能量回收；当整车控制器5经能量管理单元4中监测到的储能装置3中的电量过低时，微型燃气轮机控制器6在整车控制器5的CAN命令下控制微型燃气轮机发电机组7开始工作，并向整车控制器5发送燃气轮机发电机组7的工作状态信息；微型燃气轮机发电机组7将燃料箱8中燃料的化学能转换成为电能，当所选的微型燃气轮机发电机组7和电动机9之间添加电子变频控制器13时，如图2所示，微型燃气轮机发电机组7输出的电能直接经过电子变频控制器13转换后交流输出到电动机9，同时，微型燃气轮机发电机组7输出的多余电能通过电力电子变换器1转换为直流电储存在储能装置3中；当微型燃气轮机发电机组7和电动机9之间不添加电子变频控制器13时，微型燃气轮机发电机组7输出的电能需经电力电子变换器1转换为直流电充入储能装置3中，然后储能装置3再经电力电子变换器1转换为所需的交流电供电动机9工作；所述的变速器10用于调节电动机9转矩-转速特性与整车行驶需求之间的矛盾，依具体电动机9的特性，变速器10可为单档或多档变速器；所述的车轮11和差速器12的实现功能与传统汽车完全相同；

所述的电力电子变换器1通过线束分别与储能装置3、整车控制器5、燃气轮机发电机组7和电动机9相连接；储能装置3通过线束分别与能量管理单元4和车载充电器2相连接；车载充电器2通过线束与电网相连接；整车控制器5通过CAN线分别与能量管理单元4和微型燃气轮机控制器6相连接；燃气轮机发电机组7通过线束与微型燃气轮机控制器6和电力电子变换器1相连接；燃气轮机发电机组7与燃料箱8通过管道相连接；变速器10、车轮11和差速器12均采用普通的机械连接方法连接。

优选地，电动机9为永磁同步电动机。

优选地，变速器10为单档变速器。

本发明所提供的增程式纯电动汽车可以实现三种运行模式，分别为正常行驶模式、增程模式和停车充电模式。

所述的正常行驶模式是指：增程式纯电动汽车在储能装置3所能提供的电量范围内正常行驶时所采用的运行模式；该运行模式下，电动机9的电能全部来源于储能装置3。整车控制器5根据加速踏板传感器和制动踏板传感器的信号，并输出正确的电流控制信号给电力电子变换器1，通过电力电子变换器1将储能装置3中的电量转化为所需功率的交流电输出到电动机9，并通过电动机9的转速和温度传感器等反馈的电动机9的状态信息，对整车控制器5输出给电力电子变换器1的电流信号进行实时修正。当车辆减速或下坡时，电动机9被车轮11驱动，将增程式纯电动汽车的机械能转换成电能，电能通过电力电子变换器1转换后充入储能装置3中，进行制动能量回收。

所述的增程模式是指：该增程式纯电动汽车超出储能装置3驱动的正常行驶里程，或者当储能装置3中存储的电能下降到设定值A时仍需行驶时所采用的运行模式；该运行模式通过整车控制器5依据能量管理单元4发送的储能装置3的电量信息而自动激活；在该运行模式下，整车控制器5发送CAN命令给微型燃气轮机控制器6，微型燃气轮机控制器6控制微型燃气轮机发电机组7以恒定转速在燃油消耗最低的负荷范围内工作，微型燃气轮机发电机组7工作并产生电能，电能通过电力电子变换器1转换后储存在储能装置3中供电动机的使用；或者微型燃气轮机发电机组7输出的电能直接经过电子变频控制器13转换后交流输出到电动机9供其使用；当微型燃气轮机发电机组7输出的功率过剩时，该部分电能通过电力电子变换器1转换为直流电存储在储能装置3中。当车辆减速或下坡时，电动机9被车轮11驱动，将增程式纯电动汽车的机械能转换成电能，电能通过电力电子变换器1转换后充入储能装置3中，进行制动能量回收。在该增程模式下，整车控制器5依据车辆行驶所需功率，通过微型燃气轮机控制器6动态调整微型燃气轮机发电机组7的工作负荷，以满足车辆行驶的需要。当微型燃气轮机发电机组7驱动充入的电能和制动回收的电能，使储能装置3的电量达到设定值B时，车辆回到正常行驶模式。

所述的设定值A和设定值B主要用于保护储能装置3，并延长储能装置3的使用寿命。其中设定值A是指储能装置3中的电能输出到电动机9供其驱动车辆行驶时储能装置3的电量最低值。不同类型的储能装置3其设定值A不同，如磷酸铁锂电池组其设定值A为电池组荷电状态SOC的20％；所述的设定值B是指储能装置3中的电能输出到电动机9供其驱动车辆行驶时储能装置3的电量最高值，不同类型的储能装置3其设定值B不同，如磷酸铁锂电池组其设定值B为电池组荷电状态SOC的80％。

所述的停车充电模式是指：增程式纯电动汽车处于静止状态时的运行模式，该运行模式由驾驶员手动激活，在该模式下车辆处于静止状态，通过微型燃气轮机发电机组7对储能装置3进行充电。在该运行模式下，微型燃气轮机发电机组7启动后以恒定转速运转，在油耗最低的负荷区域内运行。当储能装置中的电量达到设定值B时，整车控制器5通过微型燃气轮机控制器6关闭微型燃气轮机发电机组7，完成停车状态下对储能装置3的充电；当储能装置3中的电量未达到设定值B时，驾驶员可随时手动关闭该模式。

本发明提供的增程式纯电动汽车可将车载充电器2的插头插入家用插座或公共充电设施，完成对储能装置3充电。当车载充电器2与电网连接后，发送已连接信息给整车控制器5，整车控制器5控制车载充电器2开启对储能装置3充电，在此过程中，由能量管理单元4对储能装置3的电压、电流、温度和电量信息进行实时监测，并向整车控制器5反馈电压、电流、温度和电量等信息；当整车控制器5从能量管理单元4获得储能装置3已充满信息后，控制车载充电器2关闭。

本发明提供的增程式纯电动汽车可利用储能装置3或微型燃气轮机发电机组7为外接用电设备应急供电，当外接用电设备为直流用电设备时，由储能装置3供电或由微型燃气轮机发电机组7经电力电子变换器1转换后供电；当外接用电设备为交流用电设备时，由微型燃气轮机发电机组7供电。

Claims (9)

1.一种增程式纯电动汽车，包括电力电子变换器、车载充电器、储能装置、能量管理单元、整车控制器、电动机和变速器，其特征在于：还包括微型燃气轮机控制器、微型燃气轮机发电机组和燃料箱；

所述的燃料箱为微型燃气轮机发电机组提供燃料，微型燃气轮机控制器根据整车控制器的CAN命令来控制微型燃气轮机发电机组的工作，并向整车控制器发送微型燃气轮机发电机组的工作状态信息；储能装置中电能经电力电子变换器转换为交流电输出给电动机，实现对增程式纯电动汽车的驱动；

所述的车载充电器通过与外接电源连接，为储能装置充电；所述的能量管理单元用于实时监测储能装置中的电压、电流、温度和电量信息，并将监测到的所有信息发送到整车控制器中；所述的整车控制器根据加速踏板传感器和制动踏板传感器的信号，对电动机和变速器进行控制。

2.根据权利要求1所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：在所述的微型燃气轮机发电机组与电动机之间设置有电子变频控制器，微型燃气轮机发电机组产生的电能通过电子变频控制器转换后输出给电动机，实现对增程式纯电动汽车的驱动；同时，微型燃气轮机发电机组产生的多余电能通过电力电子变换器转换为直流电储存在储能装置中。

3.根据权利要求2所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：所述的电力电子变换器通过线束分别与储能装置、整车控制器、微型燃气轮机发电机组和电动机相连接；通过线束分别与能量管理单元和车载充电器相连接；整车控制器通过CAN线分别与能量管理单元、微型燃气轮机控制器和电力电子变换器相连接；微型燃气轮机发电机组通过线束与微型燃气轮机控制器、电子变频控制器相连接；微型燃气轮机发电机组与燃料箱通过管道相连接。

4.根据权利要求2所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：所述的增程式纯电动汽车具有实现三种运行模式，分别为正常行驶模式、增程模式和停车充电模式。

5.根据权利要求4所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：所述的正常行驶模式是指：增程式纯电动汽车在储能装置所能提供的电量范围内正常行驶时所采用的运行模式；该运行模式下，电动机的电能全部来源于储能装置。

6.根据权利要求4所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：所述的增程模式是指：该增程式纯电动汽车超出储能装置驱动的正常行驶里程，或者当储能装置中存储的电能下降到设定值A时仍需行驶时所采用的运行模式；该运行模式通过整车控制器依据能量管理单元发送的储能装置的电量信息而自动激活；在该运行模式下，微型燃气轮机发电机组工作并产生电能，所述的电能用于电动机驱动车辆行驶；当储能装置中的电量达到设定值B时，车辆回到正常行驶模式；

所述的设定值A和设定值B分别为储能装置中的电能输出到电动机供其驱动车辆行驶时，储能装置中所含电量的最低值和最高值。

7.根据权利要求4所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：所述的停车充电模式是指：增程式纯电动汽车处于静止状态时的运行模式，该运行模式由驾驶员手动激活，在该模式下，通过微型燃气轮机发电机组对储能装置进行充电。

8.根据权利要求1所述的增程式纯电动汽车，其特征在于：当车载充电器与外接电源连接为储能装置充电时，发送已连接信息给整车控制器，整车控制器控制车载充电器开启对储能装置充电，由能量管理单元对储能装置的充电过程进行实时监测，并向整车控制器反馈电流、电压、温度和电量信息；当整车控制器从能量管理单元获得储能装置已充满的信息后，整车控制器控制车载充电器关闭。

9.一种权利要求1～8任意一项权利要求所述的增程式纯电动汽车的应用，其特征在于：所述的增程式纯电动汽车为外接用电设备应急供电，当外接用电设备为直流用电设备时，由储能装置中储存电能供电或由微型燃气轮机发电机组经电力电子变换器转换后供电；当外接用电设备为交流用电设备时，由微型燃气轮机发电机组供电。

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