增程式电动车辆的制作方法

本技术涉及一种增程式电动车辆，属于车辆。

背景技术：

1、随着全球环境和空气质量的变差，越来越多的人们意识到环境保护的重要性。传统燃油车对能源的利用率不高，效率低，对环境的危害较大，因此，作为新能源车的增程式电动车辆在诸多客观因素的促使下越来越受到人们的追捧。

2、现有技术中，增程式电动车辆主要涉及三种情况：第一种是以内燃机作为增程器，即利用内燃机带动发电机发电，给电池充电；第二种是以自由活塞膨胀机-直线发电机作为增程器，利用压缩空气驱动自由活塞发电机输出电能，给电池充电；第三种是以微型燃气轮机作为增程器，利用燃机输出轴转动带动发电机工作，给电池充电。

3、热管理系统对整车性能、寿命和耐久性有重要影响。目前，电动车辆存在的热管理问题主要涉及两方面，第一方面是电池组和整车控制器的温度控制，第二方面是乘员舱内的温度控制。具体地，第一方面，电动车辆电池组的工作温度需要维持在一定的范围内(例如锂电池一般为10～50℃)，若温度太高会降低电池的使用寿命，甚至发生爆炸等安全问题，若温度太低则会降低电池的工作性能，还可能会破坏电池的电解质而导致电池的废弃。目前对于电动车辆电池组的热管理一般是通过空气冷却。但空气冷却存在以下几点缺陷：1、空气冷却一般是将冷却液与进气格栅相连，通过车辆在行驶过程中的进气对冷却液进行冷却，进而冷却电池组，这种冷却大大增加了车辆行驶过程中的阻力，增加了对车辆电能的消耗，且进气格栅在冬天也会给电池降温；2、当周围环境的温度大于40℃时，不能通过抽取周围环境空气对电池组进行冷却，而当周围环境的温度小于0℃时则需要对电池组进行加热，所以当电动车辆运行在高温(气温大于40℃)或低温(气温小于0℃)气候条件下时，空气冷却无法满足电池组冷却和加热的需要。3、目前普通电动车辆的电池占电池组的50％～60％(指质量份数，下同)，框架占15％～20％，控制系统占5％～10％，剩余部分为冷却液，占20％～30％(对于例如特斯拉这样大功率放电的电动车辆，其冷却液的质量份数甚至可以占电池组的40％以上)；框架中大半部分的结构是散热翅板。这样使得电池容量减小，同时也不利于电动车辆的轻量化。4、普通电动车辆的冷却液主要成分大多数是水(水的比热容最大)，而冷却水在温度较低时，容易结霜、结冰，这不仅会影响系统的性能，还会影响驾驶员的安全。第二方面，对于传统电动车辆而言，在冬天制热时没有多余的废热供给乘员舱的制热使用，电动车辆必须消耗电池组的电能来满足乘员舱的舒适性要求。在非常寒冷的天气条件下，供乘员舱加热的电能和动力推进系统所需要的电能几乎是同等大小的，此时电动车辆电池组的负载大大增加，车辆的续航里程大大减少。在炎热的天气条件下，电动车辆乘员舱的制冷也主要依靠电能制冷，而电能的消耗严重影响电动汽车的续航里程。

4、另外，为提高增程式电动车辆的能源利用率，避免能源的浪费，对车辆的制动能量进行回收是必要的，现有技术中有诸多报道，比如cn 204383180 u公开了一种具有飞轮储能的增程式电动汽车传动装置，采用飞轮储能对制动能量进行回收。该方案结构复杂，体积庞大，不便于实施。比如cn 104691358 a公开了增程式电动汽车的能量回收控制方法和装置，其将预充电功率与动力电池的最大允许从电功率比较，根据比较结果，确定电动汽车的增程器当前使用的制动回收功率。该方案需要对增程工作模式下充电功率进行监督和限制。比如cn101734251a公开了一种增程式电动汽车控制系统及其控制方法，其设置集发电/驱动功能于一体的驱动电机，采用增程器供电，一方面根据整车高压电池的蓄电池状态确定是否需要启动增程器进行发电，另一方面在驾驶者无驱动需求时，通过使驱动电机发电对整车动能进行能量回收，延长了续航里程。该方案在蓄电池处于充满电状态下无法对发电机输出的多余电能进行及时、有效地利用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本实用新型提供了一种增程式电动车辆及其控制方法。本实用新型的增程式电动车辆能够对车辆制动过程中的能量进行合理回收利用，且无需限制增程器的输出功率，能够对发电机输出的多余电能进行及时、有效地利用，还能够提供更好地热管理。本实用新型对于提高增程式电动车辆的续航里程和整车动力性能，减少能源浪费，具有重要价值和意义。

2、本实用新型是通过以下技术方案实现的：

3、一种增程式电动车辆，包括：

4、驱动系统，包括作为驱动电机的电机a，以及与电机a同轴连接的车轮；

5、电池系统，与电机a电连接并为电机a提供电能；

6、能量回收系统，包括电控离合器、空气压缩泵a和高压气瓶，其中，空气压缩泵a通过电控离合器与电机a连接；高压气瓶与空气压缩泵a连接，空气压缩泵a用于压缩空气并存储于高压气瓶中；

7、增程器，包括相连接的微型燃气轮机和发电机，所述发电机与电池系统连接；

8、热管理系统，包括：制冷系统，制热系统，换热媒介循环系统，用于驾驶舱制冷的制冷风机，以及用于驾驶舱制热的制热风机，其中，制冷系统与发电机连接，还与微型燃气轮机的排气端连接；制热系统与微型燃气轮机的排气端连接；换热媒介循环系统分别与制冷系统、制热系统连接(通过制冷系统实现冷却，通过制热系统实现预热)；制冷风机与制冷系统连接；制热风机与制热系统连接。

9、进一步地，所述微型燃气轮机，包括转轴、压气机、燃烧室和涡轮，压气机和涡轮设在转轴上，压气机的排气口与燃烧室的进气口连通，燃烧室的出气口与涡轮的进气口连通，转轴与发电机的转子轴连接，以驱动发电机发电。

10、进一步地，所述制冷系统，包括制冷机和冷却器，制冷机与发电机连接，冷却器一端与制冷机连接，另一端与换热媒介循环系统连接，制冷风机与制冷机连接。工作时，发电机输出的电能经由功率分配器供给制冷机以实现制冷,制冷机产生的低温气体进入冷却器，冷却经过冷却器的高温换热媒介，高温换热媒介经过冷却器的冷却后温度降低，然后回到换热媒介循环系统循环以冷却整车控制器和电池系统；同时，制冷机产生的低温气体通过制冷风机进入驾驶舱，实现驾驶舱内的制冷。

11、进一步地，所述制冷机与制冷风机之间可以设置流量控制阀，以控制低温气体的流量，从而根据需求控制驾驶舱内的温度，保证驾驶舱内适宜的温度。

12、进一步地，所述制冷系统还包括溴化锂机组，溴化锂机组包括循环连接的发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器，发生器还与吸收器连接，热交换器上设有循环泵；微型燃气轮机的排气端与发生器连通，冷却器与蒸发器的冷水出口连通，制冷风机与冷却器连接。工作时，微型燃气轮机排放的部分尾气进入发生器，对发生器内的溴化锂水溶液进行加热，使溶液中的水汽化产生水蒸气，进而使溴化锂水溶液的浓度升高；浓度升高的溴化锂水溶液进入吸收器；水蒸气进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水降温后凝结，成为高压低温的液态水；然后，进入蒸发器(冷凝器内可设置节流阀)，在蒸发器内，高压低温的液态水急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的溴化锂水溶液吸收，溴化锂水溶液的浓度逐步降低，再由循环泵送回发生器，完成整个循环。如此循环不息，连续制取冷量。由于溴化锂稀溶液在吸收器内已被冷却，温度较低，为了节省加热稀溶液的热量，提高整个装置的热效率，设置了热交换器，让发生器流出的高温浓溶液与吸收器流出的低温稀溶液进行热交换，提高稀溶液进入发生器的温度。这样便实现了利用微型燃气轮机的尾气通过溴化锂机组制冷的目的。具体地，将溴化锂机组产生的冷媒水连通到冷却器并实现循环，从而为冷却器提供了冷源的输入。冷却器通过换热媒介循环系统冷却整车控制系统和电池系统，同时，可以将冷却器和制冷风机连接，利用溴化锂机组产生的冷源为驾驶舱制冷。具体应用时，上述两种冷却方式(利用电能制冷，利用溴化锂机组制冷)可同时进行，为驾驶舱、整车控制系统和电池系统制冷，从而提高制冷效率。在制冷需求不高的情况下，优先使用溴化锂机组的冷却方式，以充分利用微型燃气轮机的尾气，同时节约整车的电能。冷却器可以设置为两套单独的冷却单元，即制冷机冷却换热媒介的冷却单元和溴化锂机组冷却换热媒介的冷却单元，也可以两套冷却单元公用一个冷却器，该冷却器设置有通过制冷机产生的低温气体的气路冷却管道和通过溴化锂机组产生的冷媒水的液路冷却管道。

13、进一步地，所述制热系统包括翅片式换热器，翅片式换热器的内部设有与换热媒介循环系统联通的液体回路，以及与制热风机联通的气体回路。翅片式换热器的翅片为可伸缩式，在需要制热的情况下，翅片式换热器的翅片伸出吸收微型燃气轮机尾气中的热量，在不需要制热时，翅片式换热器的翅片收起，不再进行换热。工作时，制热风机可以将通过微型燃气轮机的尾气加热的空气送入驾驶舱，实现驾驶舱的制热；换热媒介循环系统通过液体回路实现微型燃气轮机的尾气对换热媒介的加热，从而实现利用微型燃气轮机的尾气对整车控制器和电池系统的加热。在寒冷的冬天，通过该制热系统既可实现整车控制器和电池系统的预热，也能够满足驾驶舱的制热，且不用消耗电能，节能环保。

14、进一步地，所述换热媒介循环系统，包括循环管道，循环管道设置在整车控制系统的周围以及电池系统的周围，循环管道与制冷系统的冷却器联通，还与制热系统联通；循环管道中填充有换热媒介；循环管道上设有换热循环泵、电磁阀、节流阀。工作时，启动换热循环泵，使得换热媒介在冷却器和整车控制系统/电池系统周围的循环管道之间循环，从而实现降温冷却，电磁阀用于换热媒介的通断，节流阀用于换热媒介流量的控制，从而实现温度的调控。

15、进一步地，所述换热媒介选自液-气相变物质，如水、乙醇、甲醇、四氯化碳、苯等，相变物质具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，在加热到气化温度时，会产生从液态到气态的相变，气化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热。当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内散发到环境中去，进行从气态到液态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。由于相变物质在相变过程中能够吸收或释放大量的热能，其换热效率高，相比于传统的通过水来实现换热的系统，换热媒介的流道可以设置的更小，这样不仅可以减少换热媒介的循环空间，同时可以减少换热媒介的使用量，从而可以减少电池组的体积和重量，有益于实现整车的轻量化。优选的，换热媒介选自不导电且不易燃烧的换热媒介，如四氯化碳、苯，这种情况下，电池组可以直接浸泡在换热媒介中，省去了电池组内的循环管道，这样不仅可以提高换热效率，简化电池组的结构，同时在电池发生短路时，不会发生爆炸或者火灾等危险。

16、进一步地，所述热管理系统还包括自动控制系统，自动控制系统可实时监测驾驶舱、换热媒介、整车控制系统和电池系统的温度，并根据检测到的温度控制制冷系统、制热系统的启停以及对应的电磁阀的开关和节流阀的开度，实现温度的自动控制。

17、进一步地，所述能量回收系统还包括电机b和空气压缩泵b，所述增程器的发电机与电机b连接，电机b与空气压缩泵b连接；空气压缩泵b与高压气瓶连接，空气压缩泵b用于压缩空气并存储于高压气瓶中。

18、进一步地，所述能量回收系统还包括换热器，换热器设在高压气瓶内，换热器与微型燃气轮机连接，通过换热器实现微型燃气轮机排放的高温尾气(约200℃)与高压气瓶内的压缩气体的换热。换热后，一方面，高压气瓶内的压缩气体被加热，压力更高，在喷射时膨胀做功的效能更好，给车辆的推力更强劲，另一方面，尾气的温度降低，可以接近常温的温度排放，实现了余热回收，环保无污染。

19、进一步地，所述高压气瓶上设有高压气喷射口。

20、进一步地，所述能量回收系统还包括气动发电机，高压气瓶的排气口与气动发电机连接，气动发电机与电池系统连接。

21、进一步地，所述车辆还包括功率分配器，功率分配器与电池系统、电机a和电机b连接，并且包括以下工作模式：

22、在电池系统未满电时，将来自于增程器的发电机的电能分配至电池系统，以为电池系统充电；

23、在电池系统满电时，将来自于增程器的发电机的电能分配至电机a，以驱动车轮转动；

24、在电池系统满电且电机a不工作时，将来自于增程器的发电机的电能分配至电机b，以带动空气压缩泵b压缩空气并存储于高压气瓶中。

25、进一步地，所述车辆还包括电控离合控制器，电控离合控制器与电控离合器连接，并且包括以下工作模式：

26、当车辆行驶时，控制电控离合器脱开，电机a驱动车轮转动；

27、当车辆制动时，控制电控离合器接合，车轮经由电机a带动空气压缩泵a压缩空气并存储于高压气瓶中，同时空气压缩泵a为车轮提供反向阻力。

28、进一步地，所述电控离合器与空气压缩泵a之间设有增速器，在车辆制动时，用于将车轮和/或电机a带动的传动轴的低转速(由于制动导致轴的转速降低)放大，强化空气压缩泵a的泵气效力。

29、进一步地，所述能量回收系统还包括用于检测高压气瓶工作状态参数的传感器，以及用于控制高压气瓶的高压气喷射口的开闭的高压气瓶控制器，传感器与高压气瓶控制器连接；所述传感器选自压力传感器、温度传感器和/或流量传感器。工作时，高压气瓶控制器可响应于传感器检测的高压气瓶的工作状态参数控制高压气喷射口的开闭，例如：当传感器检测到高压气瓶内的压力接近预设压力时，气瓶控制器控制高压气喷射口开启，向与车辆行驶方向相反的方向喷气，从而为车辆提供推力；例如：当传感器检测到高压气瓶内气体的温度接近换热器辐射温度时，表明已经无法再换热，此时气瓶控制器控制高压气喷射口开启。

30、进一步地，所述电动车辆还包括整车控制系统，用于整车及各部件的管理、控制、协调、信息收集和处理，其包括以下元件：

31、整车控制器；

32、交直流转换器，用于将发电机发出的交流电转换为直流电，以便于电池系统存储；

33、电机控制器，通过接收整车控制器的控制命令，控制电机a。

34、进一步地，所述空气压缩泵a和/或空气压缩泵b，选自活塞泵、螺杆泵或离心泵。

35、进一步地，所述高压气瓶的瓶体采用隔热材料制作，以实现隔热效果，保证瓶内气体热量不流失。

36、进一步地，所述电池系统为电池组。

37、进一步地，所述增程器、高压气瓶在整车的设置位置可以为多种，比如前置，中置，后置，此为现有技术，例如cn 105774512 a公开的一种发动机前置的增程式电动乘用车，例如cn 104802629 a公开的一种发动机中置的增程式电动汽车，不再赘述。

38、上述增程式电动车辆的控制方法，包括热管理系统的控制方法、能量回收系统的控制方法；其中，所述热管理系统的控制方法包括：

39、制冷模式：当有制冷需求时(比如，自动控制系统检测整车控制系统中的电气控制元件、电池系统以及驾驶舱内的温度，当检测到整车控制系统、电池系统和/或驾驶舱内的温度超过预定值时)，控制制冷系统启动，对整车控制系统、电池系统和/或驾驶舱进行制冷，直至整车控制系统、电池系统和/或驾驶舱的温度降低至正常范围或预定值；在制冷过程中，对整车控制系统、电池系统、驾驶舱的制冷独立进行，可根据实际情况灵活控制相应支路上的电磁阀的开启/关闭，控制相应支路上的节流阀的开度以减少换热媒介的流量，从而提高换热效率；

40、制热模式：当有制热需求时(比如，自动控制系统检测整车控制系统中的电气控制元件、电池系统以及驾驶舱内的温度，当检测到整车控制系统、电池系统和/或驾驶舱内的温度低于预定值时)，控制制热系统启动，对整车控制系统、电池系统和/或驾驶舱进行制热，直至整车控制系统、电池系统和/或驾驶舱的温度提高至正常范围或预定值；在制热过程中，对整车控制系统、电池系统、驾驶舱的制热独立进行，可根据实际情况灵活控制相应支路上的电磁阀的开启/关闭，控制相应支路上的节流阀的开度以减少换热媒介的流量，从而提高换热效率。

41、所述能量回收系统的控制方法包括：

42、当车辆平稳行驶时，控制电控离合器脱开，电机a驱动车轮转动；

43、当车辆加速行驶时，控制高压气瓶的高压气喷射口向与车辆行驶方向相反的方向喷气，为车辆提供推力；

44、当车辆非紧急制动时，控制电控离合器接合，并控制电机a不工作，车轮经由电机a带动空气压缩泵a压缩空气并存储于高压气瓶中，同时空气压缩泵a为车轮提供反向阻力；

45、当车辆紧急制动时，控制电控离合器接合，并控制电机a工作，电机a驱动车轮上的机械卡盘对车轮制动，同时叠加空气压缩泵a的反向阻力，实现车辆制动。

46、进一步地，所述制冷模式中，首先控制溴化锂机组启动进行制冷；若溴化锂机组制冷不能满足制冷要求或制冷速度较慢时，控制制冷机开启进行制冷，制冷机产生的低温气体通过制冷风机对驾驶舱进行降温制冷，制冷机产生的低温气体进入冷却器与换热媒介进行热交换，从而对整车控制系统和/或电池系统进行降温；待溴化锂机组制冷能够满足制冷要求时，关闭制冷机，只保留溴化锂机组进行循环制冷。

47、进一步地，所述能量回收系统的控制方法还包括：

48、在电池系统未满电时，将来自于增程器的发电机的电能分配至电池系统，以为电池系统充电；

49、在电池系统满电时，将来自于增程器的发电机的电能分配至电机a，以驱动车轮转动；

50、在电池系统满电且电机a不工作时，将来自于增程器的发电机的电能分配至电机b，以带动空气压缩泵b压缩空气并存储于高压气瓶中。

51、本实用新型的增程式电动车辆及控制系统，设置了效果更佳的热管理系统，采用制冷机和/或溴化锂机组制冷，效率高；采用微型燃气轮机的尾气制热，对能量进行充分利用，提高了能量利用率。

52、本实用新型的增程式电动车辆及控制系统，以高压气瓶作为能量平衡器，对增程式电动车辆的制动能量进行回收再利用，在车辆行进过程中只要出现制动情况，就会将制动能量通过空气压缩泵a转化为压缩空气的势能回收。同时，在发动机不便于降速、关停或待机时，可通过空气压缩泵b将不能及时存储的电能转化为压缩空气的势能回收。另外，还通过设置换热器的方式，对发动机排放的高温尾气的热量进行回收。而且，本实用新型可以将回收的能量及时再利用，通过高压气喷射口将高压气体排出，为车辆的行驶提供额外的动力，在实现环保节能的同时提高了能源利用率。

53、本实用新型的增程式电动车辆及控制系统，热管理系统和能量回收系统可根据情况同时工作或独立工作，例如，车辆处于怠速状态，可仅需要热管理系统工作，进行车辆热循环；在车辆行驶阶段，出现刹车制动情况时，可以同时工作，能量回收系统负责车辆制动能量的回收，热管理系统负责热循环。具体应用时，整车控制系统器可以实时监测车辆的运行状态参数(例如，驾驶室温度、电池系统的温度、整车控制系统的温度、高压气瓶的气体存量、电池系统的电量、微燃机转速、制动系统参数、微燃机燃料存量等)，对于人员驾驶的车辆，整车控制器响应于人员指令，控制能量回收系统和/或热管理系统工作；对于自动驾驶车辆，整车控制系统可以基于运行状态参数自主决策，以控制能量回收系统和/或热管理系统工作。

54、具体地，对于自动驾驶车辆，整车控制系统可以基于车辆运行状态参数实时数据、基于决策算法进行寻优计算，以确定优选控制策略。例如：决策算法以电池系统电量、微型燃气轮机燃料存量以及车辆的行程距离作为高权重参数，以确保人员能够到达目的地为目标，进行寻优，则可以给出如下控制策略：

55、①在电池系统电量续航距离大于或等于行程距离情况下，允许能量回收系统和热管理系统工作；

56、②在电池系统电量+微型燃气轮机燃料存量对应的续航距离小于或者刚好等于行程距离情况下，允许能量回收系统工作，允许热管理熊中制热系统或制冷系统中的溴化锂机组工作，控制功率分配器停止向制冷机供电；

57、③在电池系统电量+微型燃气轮机燃料存量对应的续航距离大于行程距离情况下，允许能量回收系统和热管理系统工作。

58、本实用新型的增程式电动车辆及控制系统，具有以下优点：

59、1.利用高压气瓶喷射的高压气体为车辆提供推力，可降低增程式电动车辆对电池能量密度、放电倍率的标准，因此可选用普通电池组或减小电池体积，从而节约成本。

60、2.高压气瓶作为整个车辆的能量平衡器，对车辆制动能量进行回收，并在车辆需要加速时为车辆提供推力，实现整车能量的削峰填谷。

61、3.高压气瓶、空气压缩泵、电控离合器等易于安装，结构相对简单，整个方案便于实施。

62、4.空气压缩存储势能，没有能量损耗。

63、5.对发动机排放的高温尾气的热量进行回收，提高了能量利用效率，理论上整车热效率可达到70％～90％。

64、6、通过制冷机实现降温，由于增程式电动车辆上装有微型燃气轮机，随时可以发电，因此不需要考虑电池电量和续航里程的问题；而且，制冷机的耗电量不大，利用很少的电量就可以满足电池降温和空调制冷的需求。

65、7、相变材料换热效率高，易于实现电池系统和整车的轻量化。

66、8、可以利用微型燃气轮机的余热实现电池系统的加热/制冷、驾驶舱的制热/制冷，节能环保。

67、本实用新型使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本实用新型所表述的含义为准。