专利名称：用于非混合动力电动车辆以增加燃料效率的系统的制作方法
技术领域：
用于非混合动力电动车辆以增加燃料效率的系统
技术领域：
本实用新型涉及用于增加燃料效率的插电式非混合动力电动车辆的系统。背景技术：
由于全球供应减少，石油的价格持续上升。在最近几年，部分由于上升的燃料价格 以及对环境更加关注，车辆制造商已变得越来越专注于改进车辆燃料经济性。已经进行了 许多尝试以在混合动力车辆中利用再生技术以存储能量的形式保存一些机械动力损失，其 可用于向车辆内部的多种系统提供动力以及电能。在美国专利US5，670，830中，提供了一种混合动力电动车辆。该车辆试图通过燃 料使用限制器在车辆中降低燃料消耗，降低车辆对内燃发动机的依赖、减少排放并增加单 位燃料行驶里程。具体地，燃料使用限制器可测量车辆的多个参数，并可根据这些测量值设 定车辆的运转特性以限制车辆中的燃料消耗。发明人已经注意到上述方法的多个问题。混合动力车辆中从增加的燃料经济性所 节约的金钱可能无法弥补由于车辆中额外系统、组件等(例如可充电电池)的成本所导致 的车辆价格的大幅增加。另外，额外的系统和组件可能增加车辆的复杂性，最终导致维修和 维护成本增加。因此，许多车辆制造商正在寻找增加车辆燃料经济性而不大幅增加车辆价 格、不增加客户投诉并且降低车辆对环境影响的替代方法。
实用新型内容这样，在一种方法中，为车辆提供了一种包括配置用于向车辆提供唯一动力源的 内燃发动机、连接至电气系统的能量存储装置、和连接至能量存储装置的充电接口的系统， 该充电接口配置用于与外界充电装置连接。例如，充电接口可成型为配置用于插入家用插 座(110VAC)的插头，或成型为配置用于接收这种插头的插座。在另一个示例中，充电接口 可成型为配置用于插入电压较高的家用电器插座(220VAC)的插头，或成型为配置用于接 受这种插头的插座。另外，充电接口可成型用于接收特定的适配器电缆，而电缆的另一端成 型为家用插头。这样，在一些示例中，充电接口提供了与外界充电装置的机械连接及电连 接。根据本发明的一个实施例，公开了一种用于非混合动力电动车辆的系统，包含配 置用于向车辆提供唯一动力源的内燃发动机，连接至充电接口和电气系统的能量存储装 置，所述充电接口配置用于电连接至所述车辆之外的固定充电装置；电连接至所述能量存 储装置和/或所述电气系统的发电机。这样，使用者可在车辆未运转时将非混合动力电动车辆接上电源来对能量存储装 置充电，且随后可在运转期间使用该存储的能量以减少发动机的发电机产生的电能。即使 车辆没有设计为由电动马达驱动也可以这么做。这样，由于发动机负载降低，可以增加车辆 的燃料经济性而不会显著增加由复杂的再生系统、马达和传动系统等带来的车辆的成本和 /或复杂性。另外，如果需要的话，可提供改装系统用于改装现有的非混合动力车辆。[0008]应了解，上文的背景技术和实用新型内容以简化形式介绍了一系列概念，其将在具体实施方式
中进一步描述。其并非意味着确定了所要求保护的主题的关键或实质特征， 所要求保护的主题的范围仅由权利要求限定。另外，所要求保护的主题并不限于解决上文 或本说明书中任何地方提到的缺点的实施方式。
图1显示了内燃发动机的示意图，具有单个燃烧室。图2图示了带有外界充电系统的车辆的示意图。图3A-3B显示了可包括在图2中所示车辆中的示例外界充电接口的图示。图4示意性图示了包括在图2中所示车辆中的电气系统。图5图示了用于在车辆内部存储并传递动力的示例性方法。
具体实施方式
本实用新型公开了一种用于车辆的有助于在车辆停止时对能量存储装置(例如 电池)充电的系统和方法。然而，在详细描述上述系统和方法之前，参考图1描述了合适的 运转环境。图1为显示了多缸内燃发动机10的一个汽缸的示意图。可由包括控制器12的控 制系统和车辆驾驶员132通过输入装置130的输入来至少部分控制发动机10。在本示例 中，输入装置130包括加速踏板和踏板位置传感器134用于产生踏板位置比例信号PP。发 动机10的燃烧室(例如汽缸)30可包括带有位于其中的活塞36的燃烧室壁32。活塞36 可连接至曲轴40这样活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可通过中间传动系 统连接至车辆的至少一个驱动轮。另外，起动机马达可通过飞轮连接至曲轴40以使得发动 机10能够起动运转。燃烧室30可通过进气道42从进气歧管44接收进气，并可通过排气道48排出燃烧 气体。进气歧管44和排气道48可通过各自的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性 地连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。在本示例中，可通过各自的凸轮驱动系统51、53由凸轮驱动来控制进气门52和排 气门54。凸轮驱动系统51、53可各自包括一个或多个凸轮，并可利用可由控制器12操作的 凸轮廓线变换系统(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)、和/或可变气门升程 (VVL)中的一个或多个来改变气门运转。在本示例中，利用了 VCT。然而，在其它示例中，可 使用其它的气门驱动系统，例如可利用电子气门驱动(EVA)。可通过位置传感器55、57分别 确定进气门52和排气门54的位置。燃料喷射器66显示为直接连接至燃烧室30用于将燃料与通过电子驱动器68从 控制器12接受的信号FPW的脉宽成比例地直接喷射入其中。这样，燃料喷射器66提供了 称为直接燃料喷射的方式将燃料直接喷射进入燃烧室30。例如，燃料喷射器可安装在燃烧 室的侧面或燃烧室的顶部。可通过包括燃料存储箱、燃料泵、和燃料导轨的燃料系统(未显 示)将燃料传输至燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可替代地或附加地包括设置 在进气道44中的配置为提供称为进气道燃料喷射的方式从进气道喷射燃料进入燃烧室30 上游进气道的燃料喷射器。进气道42可包括具有节流板64的节气门62。在本具体示例中，控制器12可通 过提供给节气门62包括的电动马达或驱动器的信号改变节流板64的位置，这种配置通常称为电子节气门控制(ETC)。这样，可运转节气门62以改变提供给燃烧室30及其它发动机 汽缸的进气。可通过节气门位置信号TP将节流板64的位置提供给控制器12。进气道42 可包括空气质量流量传感器120和歧管气压传感器122用于向控制器12分别提供信号MAF 禾口 MAP。在选定的运转模式下，点火系统88可响应于来自控制器12的火花提前信号SA通 过火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管显示了火花点火组件，在一些实施例中，可以 带有或不带有点火火花的压缩点火模式运转燃烧室30或发动机10的一个或多个其它燃烧室。排气传感器126显示为连接至排放控制装置70上游的排气道48。传感器126可 为用于提供排气空燃比指示的任意适合传感器，例如线性氧传感器或者通用或宽域排气氧 传感器(UEGO)，双态氧传感器或排气氧传感器(EGO)，加热氧传感器(HEGO)，NOx, HC或CO 传感器。排放控制装置70显示为沿排气传感器126下游的排气道48设置。装置70可为三 元催化剂(TWC)、Ν0χ捕集器、多种其它排放控制装置或其组合。在一些实施例中，在发动机 10的运转期间，可通过发动机至少一个汽缸以特定的空燃比运转来周期性地重置排放控制 装置70。图1中控制器12显示为微型计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口 104、 用于可执行程序和校准值的电子存储介质(在本具体示例中显示为只读存储器芯片106)、 随机存取存储器108、保活存储器110、和数据总线。控制器12可从连接至发动机10的传 感器接收多个信号，除了上文讨论的那些信号外，还包括来自空气质量流量传感器120的 引入的空气质量流量的测量值(MAF)、来自连接至冷却套筒的温度传感器的发动机冷却剂 温度(ECT)、来自连接至曲轴40的霍尔效应传感器118(或其它类型)的表面点火感测信号 (PIP)、来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)、以及来自传感器122的绝对歧管压力信 号(MAP)。控制器12可从信号PIP产生发动机转速信号RPM。来自歧管压力传感器的歧管 压力信号MAP可用于提供进气歧管中真空或压力的指示。存储介质只读存储器106可编程有可由处理器102执行的、表示实现下文所述方 法以及其它所预见到但未具体列举的变形例的指令的计算机可读数据。如上所述，图1仅显示了多缸发动机的一个汽缸，且各个汽缸可类似地各自包括 一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。图2-3B说明了车辆中的多个系统，其适合有助于在车辆静止时能量从外界充电 装置转移至能量存储装置，降低了车辆对发电机的依赖并因此降低了车辆运转期间发动机 的负载。因此，可增加车辆的燃料效率而不显著增加车辆价格。本说明书中更为详细地描 述了所公开系统的其它优点。图2说明了机动车辆200。在本示例中，车辆包括为车辆提供唯一动力源的内燃发 动机205。在一些示例中，内燃发动机10可等同于发动机205。然而，在其它示例中，可使用 其它合适的内燃发动机。内燃发动机可连接至配置用于为发动机的旋转输出提供速度-扭 矩变换(例如减档)的变速器212。变速器212可为手动变速器、自动变速器、无级变速器 或其组合。另外，变速器中可包括额外的组件，例如液力变矩器、和/或其它传动装置(例 如主减速单元等)。变速器显示为连接至与路面215接触的驱动轮214。尽管显示了单个 驱动轮，应了解，可使用两个或更多驱动轮以推进车辆。[0029]发电机216可机械连接至内燃发动机205中的驱动轴或其它合适组件。发电机可 配置用于将来自发动机的旋转能量转换为电能。可使用合适的发电机，例如带有爪极式构 造的发电机、无刷发电机、电刷发电机、或其组合。另外，可为发电机提供冷却系统(未显 示)以在高温运转期间从组件带走热能。此外，在本示例中，发电机216可电连接至能量存储装置218。在一些示例中，能 量存储装置可包括一个或多个配置用于化学地存储能量并以直流电(DC)的形式释放电能 的电池。电池可为合适的电池，例如可充电铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。应了解，能 量存储装置中可包括上述电池的组合。为了降低成本，可使用铅酸电池。然而，如果车辆在 某些工况下(例如在发动机运转期间)由于较大的电气系统经历高电气负载，可使用具有 更大能量密度的更为稳定的可充电电池，例如镍氢电池或锂离子电池。在其它示例中，能量 存储装置可为电容器、飞轮、压力容器等。另外，在本示例中，发电机可电连接至电气系统 226。该电气系统可包括一个或多个电驱动组件(例如燃料喷射器、气门等)，其将参考图4 更为详细地进行讨论。然而，在其它示例中，在发动机和车辆运转期间，能量存储装置可为 电气系统唯一的电能来源。此外，在本示例中，能量存储装置218和发电机216之间的连接可形成能量存储装 置的第一输入。另外，能量存储装置可连接至充电接口 220，形成第二输入。应了解，在其 它示例中，能量存储装置可包括其它输入。充电接口可位于车辆表面附近，使得车辆驾驶员 能够方便地接近充电接口并为车辆的能量存储装置充电。其它组件可包括在充电接口中 或与之连接，例如整流器222、变压器(未显示)等。整流器可配置用于将从外界充电装置 224 (其可能固定在不变位置)收集的交流电流(AC)转换为直流电流(DC)用于充电。然而 应了解，在替代示例中，取决于设计参数(例如能量存储装置的能量需求、从外界充电装置 提取的电流类型)，外界充电装置可包括附加或替代组件。在一些示例中，充电接口 220可配置用于电连接至外界充电装置224。可根据车 辆运转判断来连接及分离充电接口。例如，车辆驾驶者可在车辆静止时将充电接口连接至 外界充电装置，使得对能量存储装置218能够充电。可使用多种充电装置，例如美国标准墙 壁插座(110伏交流电(VAC)-120VAC)，其将参考图3A-B更为详细地进行讨论。然而，应了 解，可使用具有替代电压范围、形状的合适的替代充电装置。另外，在一些示例中，指示器(其可位于车辆200的车厢(未显示)中所包括的控 制板(未显示)上)可在能量存储装置的荷电状态(SOC)下降低于阈值(其可预先设定) 时向车辆驾驶员发出指示。这样，可提示车辆驾驶员定期地充电车辆、降低车辆对发电机的 依赖。另外，能量存储装置218可包括两个输出。能量存储装置可连接至电气系统226， 形成第一输出。另外，能量存储装置可连接至起动机马达228，形成第二输出。如上所述，起 动机马达可配置用于启动包括在发动机205中的曲轴的旋转以使得发动机能够起动运转。 然而，起动机马达未配置用于对能量存储装置充电。在本示例中，能量存储装置未为车辆提 供动力。如上文所提到的，车辆的动力的唯一来源为内燃发动机。如本说明书中将进一步描述的，可调节发电机的运转以补偿从充电接口充电期间 接收的额外存储量。因此，即使在一些发动机正在运转的车辆运转期间，可调节发电机减少 电能产生(包括基本上不产生电能)使得从外界充电装置接收的能量可用于驱动电气系统的多个组件(例如无线电、导航系统等)，从而减少燃料燃烧用于驱动这些组件。这样，即 使在非混合动力车辆中，可通过例如实施插电式原理用于家庭充电来获得改进的燃料经济 性。图3A说明了可连接至图2中所示的能量存储装置218的示例性充电接口 310。在 此示例中，充电接口 310与充电接口 220类似。然而在其它示例中，充电接口 220、310可能 不相似。充电接口可位于车辆的外部312。车辆的外部可为车身面板、车门、行李箱盖、保险 杠等。在本示例中，充电接口未位于发动机舱内且与发动机舱不相邻。另外，在本示例中， 充电接口位于车辆外部的外厢314内，有助于容易地接触。外厢可包括车门315，其也可用 作减少对充电接口的破坏的入口面板(access panel)。另外，在其它示例中，可取决于设计 参数调节外厢的形状和/或尺寸。外厢也可包括配置为由车辆驾驶员机械驱动或电子驱动 的锁定机构316，防止不希望的人接触充电接口。在本示例中，充电接口为美国使用的标准三脚插孔。然而，应了解，可使用合适的 替代充电接口，例如可延伸的插头、具有替代配置的插孔和/或插脚、无线充电接口、欧洲 标准插头等。充电接口可配置为通过连接装置320连接至固定的墙壁插座318或其它合适 的外界充电装置。在本示例中，连接装置为分别具有第一插头和第二插头322、324的延长 线。然而，应了解，在其它示例中可使用适合连接至充电接口以及外界充电装置(例如标准 墙壁插座)的合适的替代连接装置。例如，可收回连接装置可集成入充电接口。另外在替 代示例中，可使用无线能量传输方法以将能量从外界充电装置(其可为固定的)传输至充 电接口。图3B显示了配置用于接收替代插头324a的替代充电接口 310a，其中替代插头 324a成形为与替代充电接口 310a匹配。在本示例中，充电接口 310a与充电源(墙壁插座 318)的形状不同，因此插头322的形状与324a不同。图4说明了可包括在电气系统226中的多个组件、子系统等。然而，应了解，电气 系统中可包括附加或替代组件。电气系统可包括主电气子系统410。主要电气子系统可包 括一个或多个包括在动力系控制系统412及包括在其中的组件、燃料传输系统414、转向系 统416、和/或点火系统418。在车辆运转期间，能量可提供给主电气子系统，使得能够执行 车辆的多个功能(例如转向、燃料传输等)。电气系统可进一步包括副电气子系统420。副电气子系统可包括一个或多个娱乐 系统422所包括的组件，包括显示系统422a、游戏系统422b、和/或音响系统422c。副电气 子系统可进一步包括导航系统424、车厢加热系统426、车厢冷却系统428、和/或照明系统 430。应了解，附加或替代电气系统、装置等可包括在主电气子系统或副电气子系统中。 车辆可以多种模式运转。在本示例中，车辆可在多个时间间隔期间以减速燃料关 闭(Deceleration Fuel Shut-Off，DFS0)模式运转。DFSO模式可包括没有做出加速的请 求且充分阻止燃料传输至汽缸从而抑制燃烧(但发动机仍然旋转)的模式。发电机216可 用于在DFSO期间对图2中所示的能量存储装置218充电而不增加车辆内部的能量损耗，从 而增加车辆效率。 另外，在多个时间段内车辆可以普通运转模式运转。普通运转模式可包括运转车 辆以通过发动机的燃烧循环产生动力，其中空气和燃料在发动机汽缸中燃烧。在一些示例 中，可在与DFSO相反的普通运转模式、发动机发动模式(例如起动)、和禁止燃料喷射和气门驱动关闭的停机模式期间减少或禁止图2中说明的发电机216的运转。应了解，可能有 多个运转模式且上述模式实质上为示例性的。图5说明了可用于在车辆内部存储和分配能量的方法500。可在发动机运转期间 车辆燃烧空气燃料时或车辆在沿路面行驶时实施方法500。可利用上文描述的系统和组件 实施图5中提出的方法。然而，应了解，可利用其它合适的组件实施图5中提出的方法。首先在510处，确定车辆中是否有对电能的请求。在一些示例中，对电能的请求可 来自一个或多个包括在电气系统中的组件。在其它示例中，可通过车辆内发动机是否正在 运转并燃烧空气燃料(例如普通模式运转)确定。如果没有对电能的请求，该方法可结束， 或在其它示例中可替代地，该方法可返回至开始。然而，如果有对电能的请求，该方法前进至512，其中电能从能量存储装置传递至 车辆内的电气系统。下一步，该方法可前进至514，这里可在发动机燃烧空气燃料时和/或车辆沿路面 行驶时在发动机运转期间禁止发电机运转。在其它示例中，可从方法500中排除步骤514。 下一步，在516处，确定能量存储装置的SOC是否已经下降低于预定阈值。可替代地，在其 它示例中，可确定装置中存储的能量是否已经达到或接近阈值。可利用下列参数中的至少 一种确定阈值电能消耗、电气系统负载、发动机温度和环境温度。如果能量存储装置的SOC已经下降低于阈值，则该方法前进至518，这里开始发电 机运转以将能量传递至电气系统和/或能量存储装置。在步骤518之后，方法500结束，或 可替代地，在其它示例中方法500返回开始。然而，如果能量存储装置的SOC尚未下降低 于阈值，则该方法前进至520，这里可确定车辆是否以DFSO模式运转。在其它示例中，方法 500中可不包括步骤520。替代地或附加地，可确定车辆是否处于停机模式。如果车辆处于 DFSO模式，方法前进至518。然而，如果车辆未处于DFSO模式，该方法结束，或者可替代地 在其它示例中，该方法返回开始。方法500允许减少发电机的使用，降低发动机负载并因此 增加车辆燃料经济性。请注意，本实用新型包括的示例控制和估值程序可用于多种发动机和/或车辆系 统配置。本实用新型描述的具体例程可代表任意数量处理策略(例如事件驱动、中断驱动、 多任务、多线程等)中的一个或多个。同样，可以所说明的顺序执行、并行执行所说明的各 种行为或功能，或在一些情况下有所省略。同样地，处理的顺序也并非实现此处所描述的实 施例的特征和优点所必需的，而只是为了说明和描述的方便而提供。根据使用的具体策略， 可重复执行一个或多个所说明的步骤或功能。此外，所述的步骤用图形表示了编程入发动 机控制系统中的计算机可读存储介质的代码。应了解，此处公开的配置与例程实际上为示例性，且这些具体实施例不应认定为 是限制，因为可能存在多种变形。例如，上述技术可应用于￥-6、1-4、1-6、￥-12、对置4缸和 其他发动机类型。本实用新型的主题包括此处公开的多种系统与配置以及其它特征、功能 和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合与子组合。本申请的权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组 合。这些权利要求可引用“一个”元素或“第一”元素或其类似说法。这些权利要求应该理 解为包括一个或多个这种元素的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元素。所公开的 特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在该申请或关联申请中提出新的权利要求得到主张。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相 比更宽、更窄、相同或不相同，也被认为包括在本实用新型主题内。
权利要求一种用于非混合动力电动车辆以增加燃料效率的系统，其特征在于包含配置用于向所述车辆提供唯一动力源的内燃发动机；连接至电气系统的能量存储装置；以及连接至所述能量存储装置的充电接口，所述充电接口配置为连接至外界充电装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外界充电装置装配在固定的位置，且 其中所述充电接口机械连接及电连接至所述外界充电装置，所述充电接口包括配置用于将 来自所述外界充电装置的交流电流转换为直流电流的整流器，和所述充电接口位于所述车 辆可通过外部车身面板触及的外部。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述外界充电装置为标准110V-120V墙壁 插座。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包含发电机，所述发电机具有机械 连接至所述内燃发动机的输入和电连接至所述能量存储装置和/或所述电气系统的输出， 所述能量存储装置为具有荷电状态的电池。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电气系统包括点火系统、控制系统、 转向系统和燃料传输系统，娱乐系统、车厢加热系统、车厢冷却系统和照明系统中的至少一 个或多个。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量存储装置配置用于在发动机和 车辆运转期间向电气系统提供电能的唯一来源。
7. 一种用于非混合动力电动车辆的系统，其特征在于包含配置用于向所述车辆提供唯一动力源的内燃发动机；连接至充电接口和电气系统的能量存储装置，所述充电接口配置用于电连接至所述车 辆之外的固定充电装置；电连接至所述能量存储装置和/或所述电气系统的发电机。
8.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电气系统包括娱乐系统、车厢加热 系统、车厢冷却系统、照明系统、点火系统、控制系统、转向系统和燃料传输系统中的至少一 种。
专利摘要本实用新型公开了一种增加燃料效率的插电式非混合动力电动车辆，其包含一种用于车辆的系统，包括配置用于向车辆提供唯一动力源的内燃发动机、连接至电气系统的能量存储装置、以及连接至能量存储装置的充电接口，所述充电接口配置用于连接至外界充电装置。这样，可以增加车辆的燃料经济性而不会明显增加车辆的成本和/或复杂性。
文档编号B60W30/00GK201745577SQ20102010614
公开日2011年2月16日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年1月28日
发明者D·C·瑞德 申请人:福特环球技术公司