1.本发明涉及一种结合有机朗肯循环的增程式电动汽车余热回收发电装置，属于内燃机节能减排领域。
背景技术：2.我国对石油的进口依赖度逐年上涨，并且传统化石能源的使用正在逐年加重环境污染。为了响应绿色发展的号召，发展新能源成为各行各业的共识。在汽车领域，增程式电动汽车是混合动力汽车的一种，在现阶段具有广阔的应用前景和时代意义。但是在能源利用方面，增程式电动汽车中的发动机在工作时，燃料的热能仅有不到40％能够转化为机械功，其余能量有很大一部分以热量形式通过缸套以及废气排出。如果能够将废气中的热量回收使用，势必能够提升对燃料的能量利用率，进一步提升增程器的效率，延长整车的行驶里程。
3.有机朗肯循环利用液态有机物质作为工质，传热性能好，能够高效地利用高温热源的热量输出机械功。增程器中的发动机在工作过程中产生的高温尾气经过有机朗肯循环余热回收发电装置中的蒸发器，将热量传递给蒸发器内的有机工质；吸收了热量的工质在膨胀机内做机械功；膨胀机与发电机相耦合，膨胀机输出的机械功在发电机内转换为电能，可以被汽车内电池组回收使用；工质做功完成后经过冷凝器冷却，随后利用工质泵将工质再次送入蒸发器内，构成一个完整的循环过程；冬季室外气温低，往往会低于电池组的工作温度，此时电池组的实际可用容量会小于标称容量，从而降低整车的行驶里程；废气经过有机朗肯循环的蒸发器后，可以将一部分热量用于加热电池组，以便电池组在冬季维持工作温度；部分严寒地区在冬季气温极低，发动机启动困难，采用蓄热器收集部分发动机运行过程中的冷却液并保温，在冷启动时释放回冷却液回路中以便发动机启动。超级电容具有比功率大、循环寿命长的优点，适合于频繁的充放电场景。因有机朗肯循环发电输出会受到受热源温度的影响，容易造成输出不稳定的现象，使用超级电容结合电池组的储能机构能够在部分工况下使用超级电容接收电能，一定程度上起到保护电池组的作用，能够延长电池组的使用寿命。
技术实现要素：4.本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种利用有机朗肯循环回收增程器中发动机的余热来发电的装置。
5.本发明根据增程式电动汽车中增程器的运行特性并结合蓄电池及整车的能量需求，确定了有机朗肯循环系统的运行逻辑和电流去向，尽可能地充分使用有机朗肯循环装置回收增程器中发动机的余热产出电能，从而提升整车总体能量利用率。
6.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
7.结合有机朗肯循环的增程式电动汽车余热回收发电装置其特征在于：
8.包括：增程器(1)、水泵(2)、第一板式换热器(3)、电池组(4)、第二板式换热器(5)、
节温器(6)、低温散热器(7)、高温散热器(8)、散热风扇(9)、蒸发器(10)、膨胀机(11)、发电机(12)、冷凝器(13)、工质泵(14)、第一dc/ac转换器(15)、第一二极管(16)、第二二极管(17)、第二dc/ac转换器(18)、驱动电机(19)、进气口(20)、第一电子三通阀(21)、排气口(22)、旁通阀(23)、蓄热器(27)、蓄热水泵(28)、第二电子三通阀(29)、第三二极管(30)、dc/dc转换器(31)、超级电容(32)及开关(33)；
9.所述增程器(1)中包括：发动机(24)、冷却液分流阀(25)、增程发电机(26)及连接各器件的管路和线路；
10.所述结合有机朗肯循环的增程式电动汽车余热回收发电装置各个部件间的连接关系为：
11.增程器(1)一端与水泵(2)的一端及第一dc/ac转换器(15)的一端相连接，一端与低温散热器(7)及高温散热器(8)二者的同一端及第二板式换热器(5)的一端相连，另有一端与旁通阀(23)相连接；
12.水泵(2)与第二电子三通阀(29)的a口连接；蓄热水泵(28)的一端与第二电子三通阀(29)的c口连接，另一端与蓄热器(27)连接；第二电子三通阀(29)的b口与第一电子三通阀(21)的a口连接，第一电子三通阀(21)的c口与第二板式换热器(5)的一端连接；
13.第一板式换热器(3)的一端与第一电子三通阀(21)的b口及蒸发器(10)的一端相连接，另一端与排气口(22)及电池组(4)的一端连接；
14.电池组(4)的一端与第一板式换热器(3)的一端连接，一端与开关(33)的一端相连接，一端与第二板式换热器(5)的一端连接，另有一端与第二dc/ac转换器(18)相连接；
15.第二板式换热器(5)的一端与电池组(4)及进气口(20)相连接，另一端与节温器(6)的一端及增程器(1)的一端相连接；
16.节温器(6)的另一端分为两路，一路与低温散热器(7)相连接，另一路与高温散热器(8)相连接；
17.散热风扇(9)布置在高温散热器(8)后；
18.蒸发器(10)的一端与旁通阀(23)的一端及膨胀机(11)的一端相连接，另一端与第一板式换热器(3)及工质泵(14)的一端相连接；
19.膨胀机(11)的输出轴与发电机(12)的输入轴相连接，另一端与冷凝器(13)相连接，发电机(12)的另一端与第二二极管(17)的阳极相连接，冷凝器(13)的另一端与工质泵(14)相连接；
20.第二二极管(17)的阴极与第一二极管(16)的阳极及第三二极管(30)的阴极相连接；
21.第一dc/ac转换器(15)的一端与第一二极管(16)的阴极及增程器(1)的一端相连接，另一端与开关(33)的一端及超级电容(32)的一端相连接，超级电容(32)的另一端与dc/dc转换器(31)相连接；
22.第二dc/ac转换器(18)的一端与电池组(4)及dc/dc转换器(31)的一端相连接，另一端与第三二极管(30)的阳极相连接；
23.驱动电机(19)与第三二极管(30)的阴极相连接；
24.在增程器(1)内部，冷却液分流阀(25)的一端与发动机(24)相连接，另一端与增程发电机(26)相连接，发动机(24)的输出轴与增程发电机(26)的输入轴相连接；
25.所述电池组(4)具有温度监测功能，温度低于10℃时视为有加热需求，否则无加热需求；所述驱动电机(19)和所述发电机(12)均为交流电机，所述驱动电机(19)具有制动能量回收功能；
26.所述增程器(1)中，冷却液流过冷却液分流阀(25)，分别通向发动机(24)缸套和增程发电机(26)壳体，分别流经发动机(24)和增程发电机(26)后汇合流出。
27.所述蓄热器(27)内层使用在100℃时导热系数为0.05w/(m
·
k)的材料制成，能够储存冷却液。
28.所述冷却液回路中蓄热支路的工作原理为：冬季室外气温低，严寒地区发动机启动困难，在车辆运行过程中，第二电子三通阀(29)的a口和c口导通，b口关闭，发动机(24)流出的部分冷却液流经第二电子三通阀(29)，逆向流过蓄热水泵(28)存入蓄热器(27)中，蓄热器(27)中存满后第二电子三通阀(29)的a口和b口导通，c口封闭，冷却液正常循环；下次启动时，第二电子三通阀(29)的c口和b口导通，a口关闭，蓄热水泵(28)将蓄热器(27)中的冷却液泵回冷却回路中，以便发动机(24)启动。
29.所述结合有机朗肯循环的增程式电动汽车余热回收发电装置工作原理为：增程器(1)启动后，气缸中排出的废气先流过蒸发器(10)，与有机工质在蒸发器(10)内换热；有机工质流出蒸发器(10)后进入膨胀机(11)内膨胀做功；有机工质完成做功后流入冷凝器(13)内降温降压，随后通入工质泵(14)内加压通入蒸发器(10)中继续换热构成循环；废气流出蒸发器(10)后进入第一板式换热器(3)中，如电池组(4)有加热需求，第一电子三通阀(21)的a口和b口导通，c口关闭，废气在第一板式换热器(3)内与流过第一电子三通阀(21)的冷却液换热，加热后的冷却液流过电池组(4)为其加热，冷却液流出电池组(4)后流入第二板式换热器(5)中与来自进气口(20)的新鲜空气换热，预热进气；如电池组(4)没有加热需求，第一电子三通阀(21)的a口和c口导通，b口关闭，水泵(2)泵出的冷却液流经第一电子三通阀(21)进入第二板式换热器(5)中预热新鲜进气；废气流过第一板式换热器(3)后通过排气口(22)排出至外界环境；经过预热后的新鲜进气送入增程器(1)内发动机的燃烧室中；冷却液流出第二板式换热器(5)后进入节温器(6)，如冷却液温度大于节温器(6)阈值，即85℃，则送入高温散热器(8)中利用散热风扇(9)降温，如冷却液温度小于节温器(6)阈值，则送入低温散热器(7)中风冷降温；流经高温散热器(8)或低温散热器(7)的冷却液流入增程器(1)的冷却液入口，继续为缸套散热；发电机(12)产生的电能能够直接经由第二二极管(17)到达驱动电机(19)，也可以经过第一二极管(16)到达第一dc/ac转换器(15)；增程器(1)工作产生的电能经过线路到达第一dc/ac转换器(15)；制动过程中，驱动电机(19)回收的制动能量转化为电能到达第一dc/ac转换器(15)；上述三部分电能到达第一dc/ac转换器(15)后，可以在开关(33)闭合时输送至电池组(4)内，也可在开关(33)断开时输送至超级电容(32)内；超级电容(32)释放的电能先后经过dc/dc转换器(31)和第二dc/ac转换器(18)提供给驱动电机(19)；电池组(4)释放的电能经过第二dc/ac转换器(18)提供给驱动电机(19)；
30.与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：
31.1、本发明提出了有机朗肯循环回收余热发电后电流的不同分配路径，膨胀机带动发电机产出的电能不仅能够存储在储能设备内以备后续的使用，还能够直接提供给驱动电机，起到辅助储能设备供电的功能，能够减少电池组的大功率放电，一定程度上保护了电池组，延长电池组的使用寿命。
32.2、本发明提出了冬季时电池组的一种加热方式，废气能量在蒸发器中消耗一部分之后，剩余部分能够与增程器冷却液换热，流经电池起到加热作用，还能够提高冷却液的温度，加快增程器暖机过程。
33.3、本发明提出了利用电子三通阀作为电池组的加热开关，通过电子三通阀不同的导通方式来控制对电池组的加热与否。
34.4、本发明提出了电池组结合超级电容的储能设备，超级电容具有比功率大的优点，且循环寿命长，能够在大功率放电时辅助电池组供电，减少电池组大功率放电，同时在储能设备接收电能时，由超级电容优先接收，减少电池组的充放电次数，起到保护电池组的作用。
附图说明
35.图1是一种结合有机朗肯循环的增程式电动汽车余热回收发电装置原理示意图
36.图中：1、增程器；2、水泵；3、第一板式换热器；4、电池组；5、第二板式换热器；6、节温器；7、低温散热器；8、高温散热器；9、散热风扇；10、蒸发器；11、膨胀机；12、发电机；13、冷凝器；14、工质泵；15、第一dc/ac转换器；16、第一二极管；17、第二二极管；18、第二dc/ac转换器；19、驱动电机；20、进气口；21、第一电子三通阀；22、排气口；23、旁通阀；27、蓄热器；28、蓄热水泵；29、第二电子三通阀；30、第三二极管；31、dc/dc转换器；32、超级电容；33、开关。
37.图2是增程式电动汽车的增程器内部示意图
38.图中：24、发动机；25、冷却液分流阀；26、增程发电机。
具体实施方式
39.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
40.实施例1：下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
41.如图1所示，一种利用有机朗肯循环的増程器余热回收发电装置，主要包括有机朗肯循环余热回收发电系统、增程器进排气道系统、增程器冷却液循环系统、驱动电机供电系统。
42.具体包括：1、增程器；2、水泵；3、第一板式换热器；4、电池组；5、第二板式换热器；6、节温器；7、低温散热器；8、高温散热器；9、散热风扇；10、蒸发器；11、膨胀机；12、发电机；13、冷凝器；14、工质泵；15、第一dc/ac转换器；16、第一二极管；17、第二二极管；18、第二dc/ac转换器；19、驱动电机；20、进气口；21、第一电子三通阀；22、排气口；23、旁通阀；27、蓄热器；28、蓄热水泵；29、第二电子三通阀；30、第三二极管；31、dc/dc转换器；32、超级电容；33、开关。
43.所述增程器(1)内部如图2所示。
44.具体包括：24、发动机；25、冷却液分流阀；26、增程发电机。
45.所述有机朗肯循环余热回收发电系统包括：蒸发器(10)、膨胀机(11)、发电机(12)、冷凝器(13)、工质泵(14)以及工质流经的管路。
46.所述增程器进排气道系统包括：进气口(20)、第二板式换热器(5)、增程器(1)、蒸发器(10)、第一板式换热器(3)、排气口(22)。
47.所述增程器冷却液循环系统包括：增程器(1)、水泵(2)、第一电子三通阀(21)、第一板式换热器(3)、电池组(4)、第二板式换热器(5)、节温器(6)、低温散热器(7)、高温散热器(8)、散热风扇(9)、蓄热器(27)、蓄热水泵(28)、第二电子三通阀(29)以及冷却液流经的管路。
48.所述驱动电机供电系统包括：增程器(1)、电池组(4)、发电机(12)、第一二极管(16)、第二二极管(17)、第一dc/ac转换器(15)、第二dc/ac转换器(18)、驱动电机(19)、第三二极管(30)、dc/dc转换器(31)、超级电容(32)、开关(33)以及连接各部件的线路以及连接各部件的线路。
49.所述的有机朗肯循环余热回收发电系统各个部件间的连接关系为：蒸发器(10)工质出口与膨胀机(11)工质入口连接；膨胀机(11)输出轴与发电机(12)输入轴相连；冷凝器(13)工质入口与膨胀机(11)工质出口连接，工质出口与工质泵(14)入口连接；工质泵(14)出口与蒸发器(10)工质入口连接。
50.所述增程器进排气道系统各个部件间的连接关系为：进气口(20)与第二板式换热器(5)的空气入口连接；增程器(1)的进气口与第二板式换热器(5)的空气出口连接，排气口与蒸发器(10)的废气入口连接；蒸发器(10)废气入口处设置旁通阀(23)，旁通至蒸发器(10)废气出口；第一板式换热器(3)的废气入口与蒸发器(10)的废气出口连接，废气出口与排气口(22)连接。
51.所述增程器冷却液循环系统各个部件间的连接关系为：冷却液流过增程器(1)冷却液出口，进入水泵(2)中；水泵(2)与第二电子三通阀(29)的a口连接；蓄热水泵(28)的泵出口与第二电子三通阀(29)的c口连接，泵入口与蓄热器(27)连接；第二电子三通阀(29)的b口与第一电子三通阀(21)的a口连接；第一电子三通阀(21)的b口与第一板式换热器(3)的冷却液入口连接，c口与第二板式换热器(5)的冷却液入口连接；冷却液流出第二板式换热器(5)后，经过节温器(6)，可分别流向低温散热器(7)和高温散热器(8)；低温散热器(7)和高温散热器(8)的出口端相连，并同增程器(1)的冷却液入口连接。
52.所述增程器(1)进排气口均对应发动机(24)进排气口；所述增程器(1)中，冷却液流过冷却液分流阀(25)，分别通向发动机(24)缸套和增程发电机(26)壳体，分别流经发动机(24)和增程发电机(26)后汇合流出。
53.所述驱动电机供电系统各个部件间的连接关系为：发电机(12)的输出端与第二二极管(17)的阳极相连接；第二二极管(17)的阴极与第一二极管(16)的阳极和驱动电机(19)的供电端连接；第一二极管(16)的阴极与第一dc/ac转换器(15)的交流端相连，第一dc/ac转换器(15)的直流端连接开关(33)和超级电容(32)；dc/dc转换器(31)的一端连接超级电容(32)，另一端连接第二dc/ac转换器(18)的直流端；开关(33)的另一端连接电池组(4)；电池组(4)的电流出口与第二dc/ac转换器(18)的直流端连接；第二dc/ac转换器(18)的交流端与第三二极管(30)的阳极连接；第三二极管(30)的阴极连接驱动电机(19)供电端；增程器(1)的电流出口与第一dc/ac转换器(15)的交流端相连。
54.以下结合附图详细说明冷却液回路中蓄热支路的工作原理：
55.所述蓄热器(27)内层使用在100℃时导热系数为0.05w/(m
·
k)的材料制成，能够储存冷却液。
56.冬季室外气温低，严寒地区发动机启动困难，在车辆运行过程中，第二电子三通阀
(29)的a口和c口导通，b口关闭，发动机(24)流出的部分冷却液流经第二电子三通阀(29)，逆向流过蓄热水泵(28)存入蓄热器(27)中，蓄热器(27)存满后第二电子三通阀(29)的a口和b口导通，c口封闭，冷却液正常循环；下次启动时，第二电子三通阀(29)的c口和b口导通，a口关闭，蓄热水泵(28)将蓄热器(27)中的冷却液泵回冷却回路中，以便发动机(24)启动。
57.以下结合附图详细说明利用有机朗肯循环的増程器余热回收发电装置的工作原理：
58.所述增程器(1)采用基于规则的两点式控制策略，具体内容为：增程器(1)中的发动机特性曲线标定后，根据最佳油耗曲线确定两个发动机工作点，分别为高转速和低转速工作点；增程器(1)启动时，若驱动电机(19)的需求功率低于峰值功率的40％，则增程器(1)中的发动机(24)工作在低转速工作点；若驱动电机(19)的需求功率高于峰值功率的40％，则增程器(1)中的发动机(24)工作在高转速工作点；需求功率之于峰值功率的比率为驾驶室加速踏板的行程比例。
59.所述电池组(4)具有温度监测功能，所述驱动电机(19)和所述发电机(12)均为交流电机，所述驱动电机(19)具有制动能量回收功能。
60.所述蒸发器(10)在增程器(1)不工作时无热量交换，所述工质泵(14)在增程器(1)不工作时停止运作。
61.冬季室外气温低，车辆发动后增程器(1)启动，发动机(24)气缸中排出的废气先流过蒸发器(10)，与有机工质在蒸发器(10)内换热；有机工质流出蒸发器(10)后进入膨胀机(11)内膨胀做功；此时电池组(4)的soc若大于等于95％，则膨胀机(11)空转，不输出机械功，若电池组(4)soc小于95％，则有机工质推动膨胀机(11)做功，发电机(12)将机械能转化为电能，经过第一二极管(16)和第一dc/ac转换器(15)存入电池组(4)；废气流出蒸发器(10)后流入第一板式换热器(3)中，第一电子三通阀(21)的a口和b口导通，c口关闭，冷却液由水泵(2)加压后通过第一电子三通阀(21)后进入第一板式换热器(3)吸收废气余热，再进入电池组(4)的冷却回路中加热电池组(4)，冷却液从电池组(4)冷却液出口流出后流入第二板式换热器(5)，预热来自进气口(20)的新鲜进气；电池组(4)内的温度监测判断温度达到20℃后第一电子三通阀(21)的a口和c口导通，b口关闭，停止加热，冷却液经过第一电子三通阀(21)流入第二板式换热器(5)中，否则继续加热。
62.经过预热后的新鲜进气送入增程器(1)中发动机(24)的燃烧室中；冷却液流出第二板式换热器(5)后进入节温器(6)，如冷却液温度大于节温器(6)阈值，即85℃，则送入高温散热器(8)中利用散热风扇(9)降温，如冷却液温度小于节温器(6)阈值，则送入低温散热器(7)中风冷降温；流经高温散热器(8)或低温散热器(7)的冷却液流入增程器(1)的冷却液入口，继续为缸套散热。
63.在行驶过程中，若电池组(4)soc低于40％，增程器(1)启动发电；该情况下若驱动电机(19)需求功率小于峰值功率的40％，增程器(1)中的发动机(24)工作在低转速工况点，废气能量低，回收价值较低，废气经过旁通阀(23)流经第一板式换热器(3)后直接通过排气口(22)排入外界环境中；若驱动电机(19)需求功率大于峰值功率的40％，废气流过蒸发器(10)与有机工质换热，有机工质在膨胀机(11)内完成做功后流入冷凝器(13)内降温降压，随后通入工质泵(14)内加压通入蒸发器(10)中继续换热构成循环；废气流过第一板式换热器(3)后通过排气口(22)排出至外界环境。
64.驱动电机(19)需求功率大于70％时，发电机(12)产生的电能直接经由第二二极管(17)到达驱动电机(19)，并且此时若超级电容(32)soc大于30％，超级电容(32)参与放电，其电能先后经过dc/dc转换器(31)和第二dc/ac转换器(18)到达驱动电机(19)；若超级电容(32)soc小于30％，则其不参与放电；驱动电机(19)需求功率大于40％小于70％时，发电机(12)产生的电能输送至第一dc/ac转换器(15)；增程器(1)工作产生的电能输送至第一dc/ac转换器(15)；制动过程中，驱动电机(19)回收的制动能量转化为电能输送至第一dc/ac转换器(15)；上述三部分电能到达第一dc/ac转换器(15)后，若超级电容(32)soc不小于95％，则开关(33)闭合，电能输送至电池组(4)内；若超级电容(32)soc小于95％，则开关(33)断开，电能输送至超级电容(32)内；电池组(4)释放的电能经过第二dc/ac转换器(18)提供给驱动电机(19)。