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JP6742419B2 - エンジン前置き航続距離延長型電気乗用車 - Google Patents

エンジン前置き航続距離延長型電気乗用車 Download PDF

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JP6742419B2 JP2018536289A JP2018536289A JP6742419B2 JP 6742419 B2 JP6742419 B2 JP 6742419B2 JP 2018536289 A JP2018536289 A JP 2018536289A JP 2018536289 A JP2018536289 A JP 2018536289A JP 6742419 B2 JP6742419 B2 JP 6742419B2
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Description

本出願は、２０１６年３月１日に中国特許庁に提出された中国特許出願２０１６１０１１５０６７．９（発明の名称：「エンジン前置き航続距離延長型電気乗用車」）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ー貯蔵するプラグイン式の自動車、及び電気モーター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及び電気モーターの二つの動力システムとも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、一般的に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ーが非常に小さく、ただ補助駆動及びブレーキ時のエネルギー回収の役割を果たす。然しながら、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、バッテリーが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が可能である。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して充電することができる。既存の航続距離延長型電気自動車は、すべて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。このため、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ことは、広大な応用展望を持つ。
既存のハイブリッド電気自動車は、一般的に通常の自動車の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される。但し、ピストンエンジン自体の特徴の制限のため、エンジン出力軸は、普通、縦方向にしか配置できず、これは、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、制御性が悪いという結果をもたらす。
純電気自動車において、フレームの中部は、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、エンジンが前部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、純電気自動車より小さく、これは、主にエンジンが前部に配置された条件の下で、前後輪のバランスに対する要求による問題を考慮したものである。
本発明の発明目的は、エンジン前置き航続距離延長型電気乗用車であって、動力源として、ガスタービンが適用され、且つ自動車前軸の上の対称中心線上の位置に配置され、ガスタービンの出力軸は、縦方向に配置され、エネルギー変換効率が高く、前後車輪と左右車輪との積載重量のバランスが取られ、操作性能が良く、航続距離が遠いという特徴を有するエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車を提供することである。
本発明の具体的な技術方案は、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、駆動モーターと、貯蔵タンクと、分離型熱交換器とを含むエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車であって、
前記ターボシャフトエンジンは、前車軸の上の自動車フレームに装着され、その出力軸の軸線が自動車車体の対称平面に位置し、
前記発電機の回転子は、ターボシャフトエンジンの出力軸に連結され、
前記バッテリーパックは、前後車軸の間の自動車フレーム上に装着され、
前記駆動モーターは、前後車輪を駆動回転させ、
前記貯蔵タンクは、後車軸の前であり且つ後車軸に近い自動車フレーム上に装着され、ターボシャフトエンジンが使用する液化天然ガス、圧縮天然ガス又は燃料油を貯蔵するためであり、
前記分離型熱交換器は、ターボシャフトエンジンの下方に位置し、ターボシャフトエンジンから排出される排気ガスを用いてターボシャフトエンジンの吸気に対して予熱を行うことを特徴とするエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車である。
なお、吸気箱と、エンジン排気管とを更に含み、前記ターボシャフトエンジンの空気吸入口は、車両前部に向かっており、前記吸気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、吸気箱は、車両前部の吸気グリルの後に位置し、エンジン排気管は、対称の２本であり、エンジン排気管の出口は、フロントフェンダー上に具備されるグリルと正対向する。
なお、車両制御ユニットと、バッテリー制御器と、燃料ガス制御器とを更に含み、前記車両制御ユニット及びバッテリー制御器は、それぞれターボシャフトエンジンの両側に位置し、前記燃料ガス制御器は、前記貯蔵タンクの前方に位置し、且つ前記車両制御ユニットに電気的に接続され、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の追加を制御する。
なお、前記車両制御ユニットは、コンバーターと、インバーターとを含み、前記発電機は、三相高速永久磁石モーターであり、当該三相高速永久磁石モーターの三相出力端子は、前記コンバーターの三相端子に接続され、コンバーターの直流端子は、それぞれ前記バッテリー制御器及び前記インバーターの直流入力端子に接続され、インバーターの三相出力端子は、前記駆動モーターの三相端子に接続される。
なお、前記車両制御ユニットは、インバーターを含み、前記発電機は、三相交流発電機及びコンバーターの組み合わせにより構成され、当該発電機の出力端子は、それぞれ前記バッテリー制御器及び前記インバーターの直流入力端子に接続され、インバーターの三相出力端子は、前記駆動モーターの三相端子に接続される。
なお、前記駆動モーターは、四つ有し、それぞれ自動車の四輪を駆動回転させる。
なお、前記四つの駆動モーターのうち二つは、それぞれ前左右輪内のホイールモーターに位置される。
なお、前記貯蔵タンク内の燃料は、圧縮天然ガスであり、ターボシャフトエンジン圧縮天然ガス吸気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、バッテリー冷却装置のウォーターバスを使って循環加熱され、バッテリー冷却装置の熱源は、バッテリーパックの散熱及びエンジン排気管の余熱である。
なお、前記貯蔵タンク内の燃料は、液化天然ガスであり、ターボシャフトエンジンの天然ガス吸気口の前に過給装置を有する。
本発明の有益な効果として、本発明に係るエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車は、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、ミニチュア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、容易な維持補修及び長い寿命という特性を有する。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、ノイズが低いという利点を更に有する。通常の場合、同じ電力の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、ガスタービン自体の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はるかに高い。
（２）本発明は、排ガス処理システムを使用する必要が完全にない。ターボシャフトエンジンの燃焼過程全体において、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、酸化反応全体を完全に行うことに十分である。このため、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６排出ガス規制の４０％に相当する。一方、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しないことはもちろんのこと、更に、排ガス処理システムのメンテナンスがいらなくなる。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、確実に根源から排出を改善し、環境保護性能を向上させる。
（３）ミニチュアターボシャフトエンジンを前部に配置し、ガスタービンの吸気口は、直接に車両前部の位置に向かっており、吸気距離を短縮させ、吸気効率を向上させる。そして、ガスタービン空気吸入口の前に吸気箱を適用することによって、ターボシャフトエンジンに対して燃焼に必要な空気を急速に且つ充分な量で補ってくれることができ、使用要求を満たす。
（４）ターボシャフトエンジンを前部に配置し、エンジンの出力軸が車両の対象中心面上に位置し、左右輪荷重分布が均一であり、自動車のステアリングの制御性を向上させる。そして、中後部にバッテリーパックを配置し、車の後部に貯蔵タンクを配置することによって、前後車輪の積載重量の分布が理想的であり、バランスが取れており、高速度での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、非常に良い制御性を持ち、ステアリングが非常に鋭敏であり、ブレーキ時のヘッドアップ・テールダウンの現象が弱い。
（５）ターボシャフトエンジンの吸気予熱装置の分離型熱交換器が外装され、ターボシャフトエンジンの下方に装着されることにより、ターボシャフトエンジンの効率を低下させずに、ターボシャフトエンジンの体積を減らし、ターボシャフトエンジンを車両前部の狭小な空間に配置することが可能になる。
（６）若し依然として一般的な直線形式を適用してミニチュア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、一直線上に吸気口、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、乗用車上での配置要求を満足できなくなる。このため、発電機をミニチュア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、ミニチュア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大きく減らすことができる。
（７）エンジンが前部に配置された後、航続距離延長型モードが適用されるため、発電機によりケーブルを用いて前後輪の駆動モーターに電気エネルギを輸送し、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、直接にフレーム上に装着され、装着がより強固になり、重心がより低くなるが、これらは、すべて車両の制御性に寄与する。
（８）エンジンが前部に配置された後、四輪が独立に駆動及び制御され、良好な路面上で起動、加速又はクライミングを行う時、駆動輪の負荷が増大し、牽引性能に優れており、且つアクスル荷重の配分が比較的に均一であり、良好な安定性及び乗り心地を有するとともに、タイヤの使用寿命の延長に有利である。
本発明に係るエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車の平面図である。 本発明に係るエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車の車両前部位の斜視模式図である。（車の尻から車両前部を見た場合） 本発明に係るエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車の斜視模式図である。（車両前部から車の尻を見た場合）
以下に、明細書に添付された図面を結合して、本発明の技術方案を更に詳細に説明する。
図１乃至３に示すように、本発明に係るエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車は、車体１と、ターボシャフトエンジン２と、バッテリーパック３と、発電機４と、車両制御ユニット５と、駆動モーター６と、燃料ガス制御器７と、バッテリー制御器８と、貯蔵タンク９と、吸気箱１０と、ホイールモーター１１と、独立型熱交換器１２と、バッテリー冷却装置１３と、エンジン排気管１４とを含む。
前記車体１は、ユニボディー車体であり、車体の底部構造は、直接にフレームを形成する。前記ターボシャフトエンジン２は、前車軸の上の自動車フレームに装着され、ターボシャフトエンジン２の出力軸の軸線が自動車車体の対称平面に位置される。
前記ターボシャフトエンジン２の空気吸入口は、車両前部に向かっており、前記吸気箱１０とターボシャフトエンジン２の空気吸入口とは連通され、吸気箱１０は、車両前部の吸気グリルの後に位置される。エンジン排気管１４は、対称的な２本であり、エンジン排気管１４の出口は、フロントフェンダー上に具備されるグリルと正対向する。
前記発電機４の回転子は、ターボシャフトエンジン２の出力軸に連結される。
前記バッテリーパック３は、前後車軸の間の自動車フレーム上に装着される。
前記駆動モーター６は、四つ有し、そのうち二つの駆動モーター６は、二つの後輪内側のフレーム上に対称配置され、それぞれ後輪を駆動回転させる。他の二つは、それぞれ前左右輪内のホイールモーター１１に位置される。
前記貯蔵タンク９は、後車軸の前であり且つ後車軸に近い自動車フレーム上に装着され、ターボシャフトエンジン２に使用される液化天然ガス、圧縮天然ガス、ガソリン又はディーゼル油を貯蔵するために用いられる。
前記分離型熱交換器１２は、ターボシャフトエンジン２の下方に位置し、ターボシャフトエンジン２から排出される排気ガスを用いてターボシャフトエンジン２の吸気に対して予熱を行う。
貯蔵タンク９内の燃料が圧縮天然ガスである場合、ターボシャフトエンジン２の圧縮天然ガス吸気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、バッテリー冷却装置１３のウォーターバスを使って循環加熱され、バッテリー冷却装置１３の熱源は、バッテリーパック３の散熱及びエンジン排気管１４の余熱である。
前記貯蔵タンク９内の燃料が液化天然ガスである場合、ターボシャフトエンジン２の天然ガス吸気口の前に過給装置を有する。
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ー源システムを適用できる。ＣＮＧシステムにおいて、貯蔵タンク９は、高圧容器であり、貯蔵圧力は、２０ＭＰａである。貯蔵タンク９は、パイプラインを通じてエンジン天然ガス吸気口に連結され、エンジン天然ガス吸気口の前に、凍結防止リリーフバルブを有する。ＬＮＧシステムにおいて、貯蔵タンク９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、加熱バルブを開放して、液化ガスが吸熱した後気化されるようにし、加圧器を適用して０.５ＭＰａまで加圧し、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５及びバッテリー制御器８は、それぞれターボシャフトエンジン２の両側に位置される。前記車両制御ユニット５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の以外に、更にモーター制御器により四つの駆動モーター６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２の燃料ガス制御器７を連結させて、ターボシャフトエンジン２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２の動力出力を変化させ、前記燃料ガス制御器７は、前記貯蔵タンク９の前方に位置される。
車両制御ユニット５は、更にバッテリー制御器８の制御端子に接続される。本発明の一つの具体的な実施例によれば、車両制御ユニット５は、コンバーターと、インバーターとを含み、前記発電機４は、三相高速永久磁石電気機械であり、発電機４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、前記コンバーターの三相端子に接続され、コンバーターの直流端子は、それぞれ前記バッテリー制御器８及び前記インバーターの直流入力端子に接続され、インバーターの三相出力端子は、前記駆動モーター６の三相端子に接続される。ターボシャフトエンジン２が起動される時、バッテリーパック３によりバッテリー制御器８及びコンバーターを介して駆動発電機４を駆動回転させて、ターボシャフトエンジン２が初期起動の回転速度を得るようにする。他の一実施例によれば、前記車両制御ユニット５は、インバーターを含み、前記発電機４は、三相交流発電機及びコンバーターの組み合わせにより構成されたブラシレスＤＣモータであり、当該ブラシレスＤＣモータの出力端子は、それぞれ前記バッテリー制御器５及び前記インバーターの直流入力端子に接続され、インバーターの三相出力端子は、前記駆動モーター６の三相端子に接続される。
発電機４は、主に車両の電力を提供し、エネルギーの流れ方向は、二つの経路があり、それぞれバッテリーパック３及び駆動モーター６である。これは、ターボシャフトエンジン２は、駆動モーター６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３に充電可能であることを意味する。或いは、発電機４が電機制御比率（車両制御ユニット５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モーター６及びバッテリーパック３に輸送し、ひいては、バッテリーパック３に完全に電気エネルギ貯蓄がないにもかかわらず、最大電力での駆動モーター６を使う必要がある場合、発電機４は、完全にすべての電気エネルギを駆動モーター６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、本発明が示す航続距離延長型電気自動車は、下記のいくつかの種類の作業モードに分かれる。
１．静止充電モードであって、駆動モーター６が働かず、車両が停止された状態で、車両制御ユニット５の中央制御回路を通じて、発電機４にバッテリーパック３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、駆動モーター６が標準電力で働き、発電機４によりバッテリーパック３に電力を供給し、駆動モーター６が超高電力で働く時、発電機４及びバッテリーパック３が同時に駆動モーター６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４の３０〜６０ｋｗの高出力駆動モーターは、１５０〜２００ｋｍ/ｈの走行速度を提供し、バッテリーパック３に充電せず、走行状況におけるエネルギー消耗が減少された後、車両は、自動的に作業モード２に移行され、車両が停止された後、自動的に作業モード１に移行される。

Claims (8)

  1. ターボシャフトエンジン（２）と、バッテリーパック（３）と、発電機（４）と、駆動モーター（６）と、貯蔵タンク（９）と、分離型熱交換器（１２）とを含むエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車であって、
    前記ターボシャフトエンジン（２）は、前車軸の上の自動車フレームに装着され、その出力軸の軸線が自動車車体の対称平面に位置し、
    前記発電機（４）の回転子は、ターボシャフトエンジン（２）の出力軸に連結され、
    前記バッテリーパック（３）は、前後車軸の間の自動車フレーム上に装着され、
    前記駆動モーター（６）は、前後車輪を駆動回転させ、
    前記貯蔵タンク（９）は、後車軸の前であり且つ後車軸に近い自動車フレーム上に装着され、ターボシャフトエンジン（２）に使用される液化天然ガス、圧縮天然ガス又は燃料油を貯蔵するために用いられ、
    前記分離型熱交換器（１２）は、ターボシャフトエンジン（２）の下方に位置し、ターボシャフトエンジン（２）から排出される排気ガスを用いてターボシャフトエンジン（２）の吸気に対して予熱を行い、
    吸気箱（１０）と、エンジン排気管（１４）とを更に含み、前記ターボシャフトエンジン（２）の空気吸入口は、車両前部に向かっており、前記吸気箱（１０）とターボシャフトエンジン（２）の空気吸入口とは連通され、吸気箱（１０）は、車両前部の吸気グリルの後に位置し、エンジン排気管（１４）は、対称の２本であり、エンジン排気管（１４）の出口は、フロントフェンダー上に具備されるグリルと正対向することを特徴とするエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  2. 車両制御ユニット（５）と、バッテリー制御器（８）と、燃料ガス制御器（７）とを更に含み、前記車両制御ユニット（５）及びバッテリー制御器（８）は、それぞれターボシャフトエンジン（２）の両側に位置し、前記燃料ガス制御器（７）は、前記貯蔵タンク（９）の前方に位置し、且つ前記車両制御ユニット（５）に電気的に接続され、燃料ガス制御器（７）は、ターボシャフトエンジン（２）の燃焼室への燃料の追加を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  3. 前記車両制御ユニット（５）は、コンバーターと、インバーターとを含み、前記発電機（４）は、三相高速永久磁石モーターであり、当該三相高速永久磁石モーターの三相出力端子は、前記コンバーターの三相端子に接続され、コンバーターの直流端子は、それぞれ前記バッテリー制御器（８）及び前記インバーターの直流入力端子に接続され、インバーターの三相出力端子は、前記駆動モーター（６）の三相端子に接続されることを特徴とする請求項２に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  4. 前記車両制御ユニット（５）は、インバーターを含み、前記発電機（４）は、三相交流発電機及びコンバーターの組み合わせにより構成され、当該発電機の出力端子は、それぞれ前記バッテリー制御器（８）及び前記インバーターの直流入力端子に接続され、インバーターの三相出力端子は、前記駆動モーター（６）の三相端子に接続されることを特徴とする請求項２に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  5. 前記駆動モーター（６）を、四つ有し、それぞれ自動車の四輪を駆動回転させることを特徴とする請求項１に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  6. 前記四つの駆動モーター（６）のうち二つは、それぞれ前左右輪内のホイールモーター（１１）に位置されることを特徴とする請求項５に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  7. 前記貯蔵タンク（９）内の燃料は、圧縮天然ガスであり、ターボシャフトエンジン（２）の圧縮天然ガス吸気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、バッテリー冷却装置（１３）のウォーターバスを使って循環加熱され、バッテリー冷却装置（１３）の熱源は、バッテリーパック（３）の散熱及びエンジン排気管（１４）の余熱であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
  8. 前記貯蔵タンク（９）内の燃料は、液化天然ガスであり、ターボシャフトエンジン（２）の天然ガス吸気口の前に過給装置を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエンジン前置き航続距離延長型電気乗用車。
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