專利名稱：能量控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及能量控制。特別地，本申請涉及使用飛輪來進(jìn)行能量的供應(yīng)、存儲以及回收。
背景技術(shù)：
能量守恒和能量最佳使用是制造和運行現(xiàn)代車輛和機器主要考慮的問題。用戶對于效率以及以最低可能的成本獲得最大可能輸出的需求越來越高。在成本/輸出平衡方面的考慮包括財務(wù)因素和環(huán)境因素。另外，人們需要改善車輛和機器的動力和速度，同時需要提供舒適的和用戶友好的感覺。進(jìn)一步，發(fā)動機、發(fā)動機和其他設(shè)備趨于變得更為緊湊和流線型。有很多已知的方法來處理上面所討論的平滑。舉例而言，隨著對于環(huán)境友好車輛 的用戶需求增長以及在碳排放方面的規(guī)定越來越嚴(yán)格，混合動力車輛變得越來越流行。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，混合動力車輛使用兩個或多個不同動力源的組合來驅(qū)動車輛或其他動力機器。在機動車輛領(lǐng)域，最常見的混合是混合動力電動車輛(HEV)，其將內(nèi)燃機(ICE)與一個或多個電動機相結(jié)合。取決于任意給定時刻的動力需求，可以米用ICE和電動機中的一個或兩個向車輛的輸出提供動力。連同電動機，提供化學(xué)能存儲系統(tǒng)，因此在不使用電動機來為車輛輸出提供動力期間，其能操作為發(fā)電機以在化學(xué)能存儲系統(tǒng)中產(chǎn)生并且存儲電荷以供后來使用。已知的化學(xué)能存儲系統(tǒng)可以由單一類型的化學(xué)單元組成，或者可以包括具有不同化學(xué)式表示的單元的任意組合。所有這樣的化學(xué)能存儲系統(tǒng)在本文特指為化學(xué)“電池”。已知的混合系統(tǒng)中存在問題，這是因為由例如在典型的車輛使用環(huán)節(jié)的再生制動和回收所導(dǎo)致的混合電池系統(tǒng)充電電平的高循環(huán)頻率以及與這些操作相關(guān)聯(lián)的高功率通量加速了電池狀況的劣化，由此限制了系統(tǒng)壽命。因此，傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)的電池通常受到限制。典型地，在已知的混合動力電動車輛的壽命期間，化學(xué)電池可能不得不更換兩次。進(jìn)一步，電池循環(huán)可能受到保護(hù)控制系統(tǒng)的限制，該保護(hù)控制系統(tǒng)對混合系統(tǒng)中的電源分配和/或充電進(jìn)行控制。這種保護(hù)限制的效果是削弱相應(yīng)混合系統(tǒng)的CO2減排功效。用于優(yōu)化能量供應(yīng)以及從所存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩(特別是在以ICE為動力的機動車輛中)的另一已知方法是渦輪增壓器和增壓器的使用。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會知道的，渦輪增壓器回收排氣能量以驅(qū)動壓縮機并且增加進(jìn)口充氣壓力給發(fā)動機。增壓器設(shè)備使用引擎?zhèn)鬟f的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動壓縮機，以提高進(jìn)口充氣壓力。然而，在實際利用中，這兩種設(shè)備都有相關(guān)聯(lián)的缺點。作為被動設(shè)備的渦輪增壓器僅在具有足夠的排氣流量來驅(qū)動升壓系統(tǒng)時才可操作。相比之下，增壓器是主動設(shè)備，因為其通常是曲柄傳動，并且因此不像渦輪增壓器那樣受到這些操作限制。然而，增壓器確實引入了引擎能量的寄生損耗，由此，從減少燃料消耗方面來說，減少了其整體功效。作為機動車輛應(yīng)用的目標(biāo)，用戶舒適度和感受的一個方面是由手自一體變速器車輛上的變速事件引起的“轉(zhuǎn)矩中斷”感覺。同時這種變速器類型是非常有效率的，變速期間的這種轉(zhuǎn)矩中斷感覺包括用戶的換擋舒適度和駕駛性能。根據(jù)已知的方法，在手自一體變速器的換擋中斷期間，電動機可以用于滿足轉(zhuǎn)矩要求，以改善用戶的駕駛平滑度。然而，為了向這樣的電動機提供動力，在車輛內(nèi)需要額外的能量供應(yīng)，并且進(jìn)一步，在電能和動能之間能量轉(zhuǎn)換階段，能量損耗不可避免。雙離合器和自動變速器限制了變速期間的轉(zhuǎn)矩中斷，然而，由于在向驅(qū)動系統(tǒng)提供動力時相關(guān)聯(lián)的損耗，與手自一體變速器相比，這些變速器類型較為昂貴和/或本質(zhì)上效率較低。如上文所討論的，為了最佳地平衡車輛或機器的成本和輸出，期望盡可能地利用可用的能量，并且阻止能量例如作為熱能而耗散。飛輪因為以動能形式來存儲能量而聞名，例如用于車輛中使用。利用飛輪來存儲能量是已知的，這些能量原本在車輛減速時被轉(zhuǎn)換成車輛制動系統(tǒng)中的熱量，所存儲的能量隨后被用于在需要時加速該車輛。然而，已知的飛輪的實現(xiàn)方式存在這樣一個問題如何在初始化階段和在其低能量點處，為飛輪充電。有可能使用電動機飛輪充電系統(tǒng)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，這并不是理想的解決方式，因為其引入了車輛內(nèi)的電能存儲系統(tǒng)上的額外能量需求，同時卻不能減少來自車輛的排氣能量損耗。 因此，當(dāng)前需要對車輛和其他機器中的能量使用進(jìn)行優(yōu)化的裝置和方法，同時不損害對用戶而言的重要因素，比如舒適度、成本效率以及環(huán)境友好性。本申請在權(quán)利要求書中列出。因為，根據(jù)一個方面，提供了一種能量存儲裝置，其包括飛輪，其中，所述飛輪被布置具有已經(jīng)從輸入到其的引擎廢氣回收的能量，從而實現(xiàn)一種有效的并且自足式的存儲和回收能量方法。也就是說，能量存儲裝置利用已經(jīng)存在于傳統(tǒng)引擎、車輛或機器中的能量，而不需要提供額外的能源。通過提供廢氣回收，廢氣能夠被快速有效地從引擎輸出端引導(dǎo)至飛輪以便進(jìn)行存儲。有利地，特斯拉渦輪機(Tesla turbine)或者渦輪增壓器可以用于廢氣回收。許多傳統(tǒng)車輛已經(jīng)包括渦輪增壓器，使得根據(jù)本方面的能量存儲裝置需要對引擎配置做出最小的重新布置以達(dá)到目的。通過在廢氣回收和飛輪之間的廢氣路徑中提供離合器，提供了對輸入到飛輪的廢氣進(jìn)行控制的方法。此外，通過將飛輪提供在真空裝置中，飛輪可以在沒有由空氣阻力所導(dǎo)致的摩擦力阻礙的情況下運行，該裝置進(jìn)而得到了優(yōu)化。由于飛輪能夠機械地鏈接到可變比率系統(tǒng)和/或耦接到引擎的能量輸出，因此飛輪能夠用作與引擎相結(jié)合的能源，以例如提供混合車輛驅(qū)動。此外，通過對飛輪進(jìn)行布置，以便飛輪可以操作為用于引擎、車輛、機器或裝置中的其他設(shè)備的機械電池，從而使得飛輪的能效效益得到優(yōu)化。也就是說，飛輪不限于需要周期性對其進(jìn)行使用的單一功能，而是，在操作期間，可以更經(jīng)常的使用飛輪，以便在能量是可用的和/或引擎、車輛或機器中需要能量時，回收和/或供應(yīng)能量。由于，根據(jù)另一方面，提供了一種裝置，其包括充氣升壓設(shè)備和飛輪兩者來提供能量，以驅(qū)動該充氣升壓設(shè)備的操作，因此提供了一種高能效的、有效的并且簡單的增加引擎中的進(jìn)口氣壓的方法。該裝置是靈活的并且具有幾種不同的應(yīng)用，包括使用已知的增壓器和/或使用已知的渦輪增壓器來進(jìn)行操作。通過向飛輪提供輸入供應(yīng)能量，飛輪可以初始充電并且充滿電，因此在引擎中為驅(qū)動充氣升壓提供一種可靠的并且持續(xù)的機械電池。因為，飛輪可以由引擎、車輛或機器內(nèi)的現(xiàn)有能源(例如，動力傳動系統(tǒng)功率，引擎廢氣能量，輔助機械設(shè)備，化學(xué)電池或電動機)來驅(qū)動，從而提供了增強的能效，這是因為不需要額外的能源來運行該裝置。該特征具有進(jìn)一步的優(yōu)勢，這個優(yōu)勢在于，該裝置僅需要對已知的引擎系統(tǒng)做出相當(dāng)簡單的修改，就能使這些已知的引擎實現(xiàn)對其中的能量進(jìn)行智能化地重利和存儲。由于，根據(jù)本方面的飛輪可以被置于渦輪增壓器廢氣環(huán)中，因此提供一種自我更新和自足式的能量回收和存儲方法。此外，因為飛輪可以用作充氣升壓設(shè)備的唯一能源，或者用作與引擎相結(jié)合的補充能源，考慮到用于特定應(yīng)用的飛輪尺寸，提供了靈活性。此外，提供了關(guān)于飛輪控制方案的額外選擇。飛輪可以單獨進(jìn)行操作或者與引擎相結(jié)合來進(jìn)行操作，以驅(qū)動充氣升壓設(shè)備，從而使引擎中的升壓壓力得以優(yōu)化，并且因此增強引擎輸出以及整體效率。


下面將結(jié)合附圖來描述根據(jù)本申請的實施例，其中根據(jù)本裝置的實施例將參考以下附圖來描述圖I示出了已知的飛輪布置；圖2示出了用于向飛輪提供廢氣能量的可能配置；圖3示出了傳統(tǒng)渦輪增壓器設(shè)備的升壓和引擎負(fù)荷之間的關(guān)系；圖4示出了化學(xué)電池與飛輪電池并聯(lián)的雙模操作的可能布局；圖5示出了圖4的布置的示例性控制流；圖6a示出了在負(fù)荷均衡或再生制動期間，圖4的布置的能量流；圖6b示出了在從電機到ICE的功率輔助期間，圖4的布置的能量流；圖6c示出了在插入式充電期間，圖4的布置的能量流；圖6d示出了在慢充電維持期間，圖4的布置的能量流；圖6e示出了在低功率飛輪功率維持和大功率電機操作期間，圖4的布置的能量流；圖7a示出了車輛速度和在混合動力車輛中單獨使用的化學(xué)電池的化學(xué)電池充電狀態(tài)之間的關(guān)系；圖7b示出了車輛速度和圖4的布置中的化學(xué)電池充電狀態(tài)之間的關(guān)系；圖8a示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的可能引擎配置；圖Sb示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的另一類似配置；圖Sc示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的又一類似配置；圖8d示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的可能控制方案；圖9a示出了耦合到ICE的輔助飛輪設(shè)備的可能配置；圖9b示出了使用分裂路徑IVT布局的、耦合到ICE的輔助飛輪設(shè)備的可能配置；圖IOa示出了其中飛輪設(shè)備被耦合到主車輛離合器和變速器的ICE上游的布置；圖IOb示出了其中飛輪設(shè)備在變速器輸入端處耦合到ICE的布置；圖IOc示出了其中飛輪在變速器輸出端處耦接到ICE的布置；以及圖IOd不出了其中飛輪稱合到后軸系統(tǒng)的布直。
鍵概括而言，根據(jù)一個方面，提供了一種用于在飛輪中以動能形式存儲能量的裝置。所述裝置包括到飛輪的至少一個輸入端，其中，所述輸入端將已經(jīng)從引擎廢氣回收的能量引導(dǎo)至飛輪。因此，通常在廢氣被釋放到空氣中時耗散的能量被回收并且存儲在飛輪中以供將來使用。因此，飛輪被布置成充當(dāng)機械電池，這個機械電池在最初和操作期間由引擎廢氣來進(jìn)行充電。可以提供任意適當(dāng)?shù)膹U氣回收裝置，以便將廢氣從引擎輸出點引導(dǎo)至飛輪。舉例而言，可以使用特斯拉渦輪機和渦輪增壓器。優(yōu)選地，在廢氣回收和飛輪之間提供離合器，以控制輸入到飛輪的能量。飛輪和/或離合器可以機械地連接到可變比率系統(tǒng)，并且從可變比率系統(tǒng)，機械地耦合到引擎的能量輸出端。因為飛輪充當(dāng)機械電池，所以飛輪可以向機械耦合點提供能量，由此實現(xiàn)車輛或引擎和/或飛輪的任意適當(dāng)組合的其他裝置的混合控制，以滿足任意給定時刻的能量輸出要求。 飛輪不限于為向其供應(yīng)廢氣的引擎充當(dāng)機械電池，而是可以額外地或可選擇地向其他設(shè)備提供能量，包括但不限于增壓器、渦輪增壓器、化學(xué)電池和電機?？梢詫︼w輪和相關(guān)聯(lián)的能量回收和供應(yīng)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜刂疲源_?？偸悄軌蛞宰顑?yōu)的方式對飛輪進(jìn)行充電，并且在需要能量時，飛輪能夠以高效并且快速的方式供應(yīng)能量。因此，提供一種布置和相關(guān)聯(lián)的方法以及控制方案，其認(rèn)識到使用引擎、車輛或裝置中的現(xiàn)有能量，存儲這些能量以供將來使用并且在其后最適當(dāng)?shù)臅r間重用所存儲的能量這種可能性。所涉及的設(shè)備是機械簡單、隨時可以得到并且取決于用戶需要或其他限制條件可以通過任何適當(dāng)?shù)呐渲脕磉M(jìn)行布置。概括而言，根據(jù)另一方面，提供一種裝置、方法和控制方案以便使用飛輪來提供能量，并且因此驅(qū)動充氣升壓設(shè)備的操作。由飛輪能量驅(qū)動的充氣升壓設(shè)備可以是任意適當(dāng)已知類型的增壓器或者渦輪增壓器。由于飛輪充當(dāng)能夠以動能形式長期存儲能量的機械電池，可以不考慮瞬時引擎速度或功率來驅(qū)動充氣升壓設(shè)備。此外，因為飛輪是自足式的能量存儲，使用飛輪來向充氣升壓設(shè)備提供能量不會導(dǎo)致來自引擎或其他地方的功率寄生損耗。在操作期間，可以使用任何適當(dāng)?shù)哪茉磥碓陂_始階段以及其他時間對飛輪進(jìn)行充電。優(yōu)選地，飛輪是使用飛輪置于其中的引擎、車輛或機器中已經(jīng)可用的能量來進(jìn)行驅(qū)動的，但是在這些系統(tǒng)中，這些可用的能量通常被耗散而沒有重用。舉例而言，飛輪可以由引擎廢氣能量和/或使用來自車輛動力傳動系統(tǒng)或動力傳動系的功率來驅(qū)動。根據(jù)一個實施例，飛輪甚至可以由從渦輪增壓器的廢氣門排放的廢氣能量來驅(qū)動，因此產(chǎn)生閉環(huán)自行能量存儲和回收系統(tǒng)?？梢詫嵤╋w輪以運行充氣升壓設(shè)備，而不是使用傳統(tǒng)裝置來運行這樣的設(shè)備，例如，引擎功率或廢氣能量，或者飛輪可以用作輔助能源，從而產(chǎn)生混合能量系統(tǒng)。可以對飛輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，以使得根?jù)引擎的瞬時條件、大氣質(zhì)量和壓力要求，在任意給定時刻，適量的能量被提供給充氣升壓設(shè)備。因此，飛輪增強充氣升壓設(shè)備的操作，并且使充氣升壓設(shè)備的操作更加便利，以便以簡單然而智能高效的方式在引擎負(fù)荷的范圍內(nèi)實現(xiàn)最佳的升壓。
具體實施例方式圖I示出了典型的現(xiàn)有飛輪布置。大體上圓形的中心金屬支架部I可以軸向地安裝在中心支架(例如，軸3)上。至少一個復(fù)合環(huán)2被安裝在中心支架部I上。在圖I所示的飛輪中，復(fù)合環(huán)2是來自碳纖維纖維纏繞。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會知道的，并且如上文所討論的，諸如圖I中所示的飛輪設(shè)備可以用作機械電池來存儲動能，以供例如在機動車輛中使用。棑氣式飛輪圖2示出了用于向車輛中的飛輪提供能量以便進(jìn)行存儲的可能布置。為了通過消除由空氣阻力所引起的摩擦來優(yōu)化飛輪12的操作，系統(tǒng)10包括優(yōu)選地布置在真空裝置14中飛輪12。在真空裝置14外面，與飛輪12連接的是離合器16。所采用的離合器16可以是任何適當(dāng)類型的簡單離合器，甚至是電磁離合器。
為了向飛輪12提供能量并且初始驅(qū)動飛輪12，和/或在飛輪電池系統(tǒng)中充滿電，輸入18是經(jīng)由離合器16提供給飛輪12的。該輸入將廢氣能量從提供飛輪系統(tǒng)10的車輛的內(nèi)燃機引導(dǎo)至飛輪12，并且使得廢氣能量存儲在飛輪12中。該布置還包括用于廢氣的適當(dāng)輸出20，使得到飛輪12的廢氣能量的供應(yīng)可以被操縱和控制。應(yīng)當(dāng)理解的是，在車輛中所產(chǎn)生的廢氣的大部分通常被釋放到空氣中。從車輛中釋放廢氣，而不是重用廢氣，這浪費了廢氣中的能量。因此，車輛必須工作以便在其內(nèi)產(chǎn)生更多的可用能量，因此導(dǎo)致來自車輛的進(jìn)一步廢氣排放，由此產(chǎn)生潛在的環(huán)境問題。相比而言，本實施例利用廢氣的能量并且允許對廢氣的能量進(jìn)行存儲，以供將來使用。可以提供用于回收廢氣能量并且將廢氣能量直接導(dǎo)向飛輪12的任何適當(dāng)設(shè)備。舉例而言，可以采用特斯拉渦輪機設(shè)備(未示出)來將廢氣用作動力代理并且從其回收廢氣能量。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，特斯拉渦輪機(或者圓盤渦輪)是由固定在軸上并且通過墊圈或者其他適當(dāng)裝置沿著該軸彼此軸向地隔開的兩個或多個圓盤元件組成。在使用中，特斯拉渦輪機中的氣體流或者液體流是放射狀的，以環(huán)形或螺旋形路徑運行。在本實施例中，去往離合器16和飛輪12的廢氣流可以通過改變特斯拉渦輪機的圓盤的軸向間隔來控制，以增加或減少每單位時間穿過其中并且輸入到離合器16的氣體容積。在圖2所示的布置中，沒有特斯拉渦輪機。作為替代，廢氣是經(jīng)由可變幾何尺寸渦輪增壓器(VGT) (17)被引導(dǎo)至離合器16和飛輪12。VGT和其他渦輪增壓器設(shè)備被廣泛用于從車輛回收廢氣并且利用其在發(fā)動機入口處提升壓力。然而，由于渦輪增壓器的直接驅(qū)動的性質(zhì)，渦輪增壓器不能利用或存儲來自提供給它的廢氣的能量。根據(jù)本實施例，作為對執(zhí)行其向引擎提供經(jīng)增壓的空氣的通常功能的替代，或者除了執(zhí)行其向引擎提供經(jīng)增壓的空氣的通常功能之外，可以有利地采用VGT，以經(jīng)由飛輪12來利用過量的廢氣能量，從而使得其中的能量可以被存儲以供將來使用。如圖2所示，在飛輪12和可變比率系統(tǒng)22之間提供離合器16。如下文所進(jìn)一步討論的，可變比率系統(tǒng)可以包括變速器裝置，比如連續(xù)可變傳輸(CVT)或無限可變傳輸(IVT)或者相當(dāng)?shù)碾姍C裝置。圖2中的可變比率系統(tǒng)22通向車輛的動力傳動系統(tǒng)，以使得飛輪裝置12機械地耦合到車輛的內(nèi)燃機(ICE)，從而提供機械混合驅(qū)動系統(tǒng)。然而，作為替代或者另外，飛輪12可以用于包括其他目的，包括直接驅(qū)動、為其他電池類型充電，和/或給除了動力傳動系統(tǒng)之外的車輛輸出提供動力，同時仍然布置成由車輛的廢氣流來充電。如圖2所示的布置中，離合器應(yīng)當(dāng)能夠用于同步飛輪(12)輸入和渦輪元件。因此，其應(yīng)當(dāng)參與滑動狀態(tài)并且因此耗散少量的能量。輕質(zhì)低慣量干型單盤或者錐形離合器可以用作直接的解決方案。更多緊湊的解決方案包括機電粉末離合器，機電粉末離合器用于a/c壓縮機和增壓器上，但是通常具有相當(dāng)?shù)偷乃俣确秶蛘弑Щ呻x合器設(shè)備，抱簧離合器設(shè)備(其為一個單向設(shè)備)將僅為飛輪提供扭曲，以便當(dāng)發(fā)動機處于非“升壓”狀態(tài)時，防止渦輪機的任何阻力損失。當(dāng)被可變比率系統(tǒng)(22)同步時，渦輪機將以飛輪速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且因此可變進(jìn) 口幾何形狀可以用于基于運行條件(包括飛輪速度、排氣質(zhì)量流率以及排氣支管壓力)來優(yōu)化渦輪機效率。并且因此提供一種機制，以便回收內(nèi)燃機廢氣能量并且對內(nèi)燃機廢氣能量進(jìn)行存儲以供將來使用。為了發(fā)起充電或?qū)⑵涑錆M，根據(jù)本實施例的飛輪12不需要諸如電動機之類的任何額外能源，但是作為替代，通過利用在傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)中浪費掉的現(xiàn)有廢氣能量，來提供飛輪系統(tǒng)的連續(xù)輔助充電。與渦輪增壓器不同，飛輪性能不受渦輪遲滯的限制。進(jìn)一步，飛輪12中的能量不需要立即使用，而是能夠進(jìn)行存儲以便將來用于車輛中的各種應(yīng)用，如進(jìn)一步根據(jù)下文的描述中將會明白的。然而，由于圖2中所示出的機制使用其中具有動能的廢氣流，并且提供該動能以便也作為動能存儲在飛輪中，因此由于能量類型之間的轉(zhuǎn)換所引起的損耗得以降低。飛輪輔助型渦輪增壓根據(jù)上述方面的一個實施例，飛輪12可以被置于在渦輪增壓器的廢氣門環(huán)(wastegate loop)中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的，渦輪增壓器是一種放置在車輛或發(fā)動機廢氣流中的被動設(shè)備，其目的是將廢氣能量導(dǎo)向壓縮機，以增加其中的壓力。然而，如果有過量的質(zhì)量流量通過渦輪機自身，那么將產(chǎn)生背壓(back pressure)，這個背壓增加了引擎的排氣支管壓力超過最佳水平，由此使得發(fā)動機效率降低。為了避免這一點，渦輪增壓器具有廢氣門，以便從其釋放過量氣體，因此在不同的系統(tǒng)工作點上有助于優(yōu)化引擎升壓和排氣支管壓力兩者。在傳統(tǒng)的布置中，從渦輪增壓器廢氣門釋放的廢氣中的能量不被利用，而是隨著從車輛排放廢氣而被丟失。根據(jù)本方面，解決了廢氣能量的浪費問題。從渦輪增壓器的廢氣門排放的過量廢氣內(nèi)的能量被導(dǎo)向飛輪，以便向其提供輸入。立即地或者稍后，飛輪12可以用于輔助驅(qū)動渦輪增壓器的壓縮機。因此，通過組合使用渦輪增壓器和飛輪12，廢氣能量被智能地獲取并且利用以輔助增壓器的運行。這使得增壓器的工作更為有效，如根據(jù)圖3所能理解的。參看圖3，其示出了傳統(tǒng)增壓器的升壓-負(fù)荷關(guān)系?？梢钥闯?，渦輪增壓器僅在較小的引擎負(fù)荷范圍內(nèi)產(chǎn)生針對相關(guān)聯(lián)的內(nèi)燃機的最佳理想升壓。然而，使用飛輪12來驅(qū)動渦輪增壓器的壓縮機，并且結(jié)合渦輪增壓器渦輪機，以在較大的負(fù)荷范圍內(nèi)對升壓進(jìn)行優(yōu)化，并且因此使圖3所示的曲線變得平坦。由此，實現(xiàn)改善的渦輪增壓器效率。飛輪輔助型增壓除了可操作以與渦輪增壓器一起使用以外，可以使用根據(jù)本實施例的飛輪以驅(qū)動車輛的增壓器設(shè)備。如上文所簡略討論的，已知的增壓設(shè)備通過使用引擎功率來工作，以驅(qū)動增壓器的壓縮機并且提升車輛中的充氣壓力。引擎功率的這種直接使用引起寄生損耗，因此損害工作中的車輛的潛在效率。根據(jù)本方面，已經(jīng)認(rèn)識到，飛輪設(shè)備可以用于驅(qū)動諸如增壓器之類的充氣升壓設(shè)備，以便在不需要直接從引擎中獲取功率的情況下提升引擎充氣壓力，從而避免通常與增壓器相關(guān)聯(lián)的寄生損耗。如上文所討論的，可以使用廢氣能量來對飛輪進(jìn)行充電?；蛘撸梢詮能囕v的動力傳動系統(tǒng)回收能量(例如，在再生制動或引擎負(fù)荷均衡期間)，并且存儲在輔助飛輪設(shè)備中以用于驅(qū)動增壓器。通過諸如變速器之類的任何適當(dāng)機械聯(lián)動，可以從動力傳動系中回收能量，也在上文討論過。在操作中，增壓器被耦合到車輛的動力傳動系統(tǒng)。飛輪充當(dāng)增壓器的轉(zhuǎn)矩供應(yīng)，因此允許存儲在飛輪中的能量經(jīng)由ICE間接地提供給動力傳動系統(tǒng)。飛輪和增壓器之間使用的機械聯(lián)動可以包括如上文關(guān)于排氣驅(qū)動飛輪方面所討論的離合器。作為替代，可以使用超速離合器，當(dāng)需要加速時，在傳統(tǒng)意義上直接使用渦輪機能量來驅(qū)動壓縮機，并且飛輪能量僅能在潤輪機空轉(zhuǎn)(即低引擎速度)時使用。這需要超越離合器(overrun clutch),超越離合器僅在一個方向上進(jìn)行驅(qū)動，例如抱簧離合器。這對于電磁飛輪配置特別有效，在電磁飛輪配置中，速度不需匹配，隨后，當(dāng)渦輪機在高引擎速度下過升壓時，飛輪經(jīng)由電氣路徑從渦輪機進(jìn)行充電。飛輪也經(jīng)由電氣路徑以低引擎速度來驅(qū)動壓縮機。因為，根據(jù)本方面，飛輪是使用動力傳動系統(tǒng)能量和/或廢氣來充電的，原本在傳統(tǒng)系統(tǒng)中浪費的能量被利用。通過利用原本浪費的能量，車輛的整體性能得以改善。特別地，在燃料消耗和車輛排放方面提供了性能上的益處。根據(jù)這個方面的輔助飛輪設(shè)備能夠用作增壓器的唯一能源或者可以用作對現(xiàn)有增壓器能源的擴(kuò)充。舉例而言，其可以在低引擎速率下向增壓器提供功率提升，在這一點上，使用直接引擎功率并非是優(yōu)選的。因此，由于飛輪可操作以增強對增壓器的功率供應(yīng)，增壓器可以向ICE中提供理想的進(jìn)口壓力和質(zhì)量流量，而不考慮車輛的工作引擎速度，并且與那時由渦輪系統(tǒng)(如果存在的話)提供的任意質(zhì)量流量一致。換句話說，飛輪驅(qū)動的增壓器可以在車輛的引擎工作圖的任意點提供最佳的充電升壓。這對于諸如離開之類的駕駛操作而言是特別有優(yōu)勢的，這些駕駛操作得益于當(dāng)引擎排氣質(zhì)量流量較低并且功率也較低(特別是在高增壓引擎中)時的瞬時短期能量浪涌(surge)。飛輪驅(qū)動的增壓器的另一優(yōu)勢是其允許對引擎進(jìn)行小型化，這是因為低排氣質(zhì)量流量事件(例如，上文所描述的離開)期間的引擎功率密度被提高。尺寸的減小使得摩擦力和泵送損失得以減小，由此改善了其效率?？梢灶A(yù)期的是，通過在所有的條件下將進(jìn)入引擎汽缸的質(zhì)量流量主動地控制為最佳的，與甚至沒有進(jìn)行小型化的引擎相比而言，飛輪驅(qū)動的增壓器可以導(dǎo)致降低高達(dá)30%的燃料消耗。對引擎進(jìn)行小型化因此將會增強這種潛在的燃料消耗優(yōu)勢，并且也滿足了從盡可能小的、緊湊的以及低成本的ICE來實現(xiàn)最大性能這樣一種日益增長的消費趨勢。上文所描述的飛輪驅(qū)動的增壓器的優(yōu)勢是在柴油引擎中尤為突出，對于柴油引擎而言，與汽油引擎相比而言，在室(chamber)中通常具有更多的需要壓縮和膨脹的氣團(tuán)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，對于不同的引擎和引擎類型而言，理想的進(jìn)口壓力不同，舉例而言，理想的進(jìn)口壓力可以從這樣的車輛的設(shè)計負(fù)荷圖得出。雙樽電池、
圖4示出了根據(jù)本申請的進(jìn)一步方面的另一飛輪的可能布局。示出了機械飛輪能量存儲與插入式化學(xué)電池系統(tǒng)并聯(lián)使用的配置。包括飛輪的機械電池40可以用于例如處理再生制動能量回收，以作為使用化學(xué)電池42來執(zhí)行這種功能的替代。如上文所討論的，典型車輛使用環(huán)節(jié)期間的再生制動和回收傾向于需要針對混合動力車輛或機器的電池系統(tǒng)充電電平的高功率和高頻循環(huán)。這種高頻循環(huán)對化學(xué)電池有顯著的的消極影響，損害了化學(xué)電池的健康并且限制整個系統(tǒng)的壽命。根據(jù)本方面的示例性實施例，機械飛輪電池40與化學(xué)電池42并聯(lián)工作，向電機46的功率電子44饋電，電機46反過來被布置成為向車輛的混合動力傳動系統(tǒng)提供功率。圖4所示的布置不限于使用飛輪作為再生制動的主電池。飛輪電池40有利地用作車輛使用期間的任意快速或短期能量供應(yīng)和/或回收的主電池，而化學(xué)電池42更適合于低充電速率，即較慢的、長期的能量供應(yīng)和回收。從下文所討論的額外附圖將會理解，根據(jù)本方面的并聯(lián)化學(xué)電池42和機械電池40應(yīng)當(dāng)根據(jù)與任何其他電池布置相同的考慮來進(jìn)行布置和操作。也就是說，必須單獨和綜合考慮兩種電池可用能量、功率和壽命。應(yīng)當(dāng)注意的 是，圖4同時示出了其中兩種電池并聯(lián)布置的實施例，但是這兩種電池也可以串聯(lián)布置，其中，機械飛輪電池40位于化學(xué)電池42和引擎的變速器之間。通過共同使用機械飛輪電池40和化學(xué)電池42，有可能降低電機的電池電源的整體成本，這是因為與只使用化學(xué)電池而沒有機械電池支持的情況相比，對于給定的功率需求，需要較小的化學(xué)電池與機械電池一起使用。或者，通過降低循環(huán)頻率和/或化學(xué)電池的峰值功率需求(或提供給化學(xué)電池的峰值功率)來增加現(xiàn)有電池的壽命，從而降低供電系統(tǒng)的壽命成本。參見圖5，可以理解示例性的控制方案。在第一步驟510處，在特定時刻，考慮功率是進(jìn)入還是流出組合的化學(xué)和機械電池系統(tǒng)，如圖4中所示出的。如果，根據(jù)那時的車輛使用者需求和操作條件，功率是流出512電池系統(tǒng)以向電機46提供功率，那么隨后在步驟514處，考慮飛輪電池的充電狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)飛輪電池的充電狀態(tài)為高516，那么將從飛輪電池40中使用能量來向電機46提供功率。如果，在另一方面，飛輪電池的充電狀態(tài)為低518，作為替代，將會使用來自化學(xué)電池42的能量。如果，如經(jīng)常出現(xiàn)的情況，在需要來自電池系統(tǒng)的功率輸出時，飛輪電池的充電狀態(tài)為中等，那么將在步驟522處考慮那時所需要的功率是高還是低。如果所需要的功率為高，那么將從飛輪電池中取走滿足需求的能量524。然而，如果所需要的功率為低，使得此后不需要顯著的再充電循環(huán)，那么將從化學(xué)電池中取走滿足功率需求能量的能量526。返回到控制步驟510，如果在步驟528處確定功率要進(jìn)入電池系統(tǒng)，那么接下來要考慮的是這個輸入功率是在低循環(huán)功率下發(fā)生(例如，在插入式充電或者慢充電維持期間)還是在高循環(huán)負(fù)荷或功率下發(fā)生530 (例如，在再生制動或引擎負(fù)荷均衡期間)。對于低循環(huán)功率流入，能量將存儲在化學(xué)電池42中。然而，對于高循環(huán)負(fù)荷或功率而言，能量將被存儲在機械飛輪電池40中。通過這種方式，提供了控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)優(yōu)化了每種電池類型的能量存儲和回收循環(huán)特性，同時確保每個電池得以充分地充電以處理動態(tài)變化的引擎和車輛需求。圖6a至圖6e進(jìn)一步示出了上述示例性的控制邏輯。圖6a示出了負(fù)荷均衡或再生制動期間的能量流，在此期間，能量在短的時間間隔內(nèi)被回收并且重用。如圖6a所示，之前以動能形式存在于車輛中的能量通過動力傳送系統(tǒng)回收到飛輪電池，以避免化學(xué)電池充電的循環(huán)頻率，并且還有利地避免在兩種類型的能量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的能量損耗。在圖6b中，電機用于提升來自混合動力車輛中的ICE的動力供應(yīng)?；瘜W(xué)電池42和飛輪電池40是用于向電機提供能量以便滿足那時的車輛輸出需要。因此，將要理解的是，取決于給定時刻的能量需要和其他控制考慮，這兩種電池類型可以一起操作或者分開操作。在圖6c中，化學(xué)電池經(jīng)由插入方式進(jìn)行充電?；瘜W(xué)電池存儲來自插入式市電電源電力的長期電荷，以便后來使用。在圖6d中，可以看出，能量可以從 機械電池40提供給化學(xué)電池42。圖6d示出了慢充電維持，其中，從車輛輪胎和動力傳動系統(tǒng)回收的高功率能量被導(dǎo)向飛輪電池40，并且其后，來自所回收的飛輪能量的低功率電荷被提供給化學(xué)電池42以便以化學(xué)形式長期存儲。通過這種方式，流入化學(xué)電池42中的電流被最小化，轉(zhuǎn)而，在化學(xué)電池42中轉(zhuǎn)化成熱的功率損耗也最小化?；瘜W(xué)電池中的功率損耗的減少提高了系統(tǒng)效率并且減少了對電池結(jié)構(gòu)有害的熱老化效應(yīng)的影響，如下文進(jìn)一步所討論的。最后，圖6e示出了電機46的高功率作業(yè)的能量流?；瘜W(xué)電池42 (其用于以化學(xué)形式長期存儲能量)對飛輪40進(jìn)行充電，以使得飛輪40能夠在短期內(nèi)為大功率應(yīng)用提供能量。如上文所述的，與化學(xué)電池相比而言，來自飛輪電池的用于大功率應(yīng)用的能量供應(yīng)的效率較高，以使得在需要來自飛輪電池的高功率輸出時，優(yōu)選地，單獨使用飛輪電池來向電機提供能量。圖7a和7b分別示出了針對單獨工作的傳統(tǒng)化學(xué)電池和與飛輪電池一起雙模工作的化學(xué)電池，與車輛速度相比而言，化學(xué)電池的典型電池充電周期。從這些圖中可以看出，通過在一些時段期間(例如，快速加速或快速減速)使用來自飛輪電池的能量，由此可以避免化學(xué)電池中高功率流和充電的高循環(huán)頻率，從而在化學(xué)電池中實現(xiàn)了更好的充電穩(wěn)定性。通過進(jìn)一步的示例的方式，根據(jù)單獨使用化學(xué)電池(例如，按照圖4所示的配置)的傳動車輛，經(jīng)由電動機/發(fā)電機到化學(xué)電池的再生制動期間，能量“往返(roundtrip) ”(車輪到電池到車輪)的效率預(yù)期在50%和63%之間。相比之下，使用機械飛輪電池而不是化學(xué)電池作為能量存儲源的相同再生制動例程的效率預(yù)期達(dá)到84%左右。因此，雙模配置(例如，圖4所示)使得化學(xué)電池的長期益處得以保持，并且同時，通過并聯(lián)使用飛輪機械電池，引入了新的并且有優(yōu)勢的效率效應(yīng)。機械飛輪能量存儲設(shè)備本質(zhì)上適合短期能量存儲，并且在其能夠傳遞或接收的功率上沒有基本限制。因此，通過優(yōu)選地僅將機械系統(tǒng)用于短期能量存儲，本方面利用了機械系統(tǒng)的長處。盡管可以預(yù)期的是，在特殊情況下，飛輪電池可以幫助化學(xué)電池實現(xiàn)長期存儲能量的目的。在又一優(yōu)勢中，具有化學(xué)電池的雙模中的飛輪的使用避免流入和流出化學(xué)電池的高功率流，由此阻止了化學(xué)電池中出現(xiàn)過度的溫度升高。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，化學(xué)電池中的一段時間內(nèi)的溫度升高將導(dǎo)致化學(xué)電池?fù)p壞。此外，化學(xué)電池的內(nèi)部溫度的升高將導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，這是因為子組件中的歐姆損耗(Ohmic losses)隨著阻抗的增加而增大，而阻抗的增加與電池溫度的升高相應(yīng)。與傳統(tǒng)的僅有化學(xué)電池布置相比，整體的機械電池/化學(xué)電池雙模布置具有延長的預(yù)期壽命。這里所討論的雙模機械/化學(xué)電池操作不限于在傳統(tǒng)混合動力引擎或電動車輛中使用。而是，本申請的原則可以更加廣泛的應(yīng)用于其他車輛機械和設(shè)備(包括電梯和起重機)。飛輪轉(zhuǎn)矩填充系統(tǒng)根據(jù)另一方面，在由手自一體變速器車輛上的變速事件導(dǎo)致的“轉(zhuǎn)矩中斷”期間，根據(jù)本實施例的飛輪可以用于“填充”(fill-in)車輛上的輸出動力傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩。如從下文的描述將會理解的，本文的填充布局以及相關(guān)聯(lián)的控制方法通過以下方式來解決“轉(zhuǎn)矩中斷”感覺(這對于一些用戶來說是一個問題)在變速事件期間使用飛輪能量來驅(qū)動或制動變速器輸出以至少減小或潛在地消除用戶的轉(zhuǎn)矩中斷感覺。圖8a示出了使用所存儲的飛輪能量來提供轉(zhuǎn)矩填充的可能布局。飛輪電動機80 通過適當(dāng)?shù)母綦x耦合81連接到變速器82。接下來，變速器82機械耦合到其變速器86的下游的內(nèi)燃機84的輸出，因此飛輪80和引擎84都可以為車輛的最終傳動88提供能量。假設(shè)飛輪具有恒定的慣性，由飛輪提供或者飛輪收進(jìn)的功率與飛輪的角加速度(即飛輪速度的變化率)成比例。因此，由飛輪80傳遞的轉(zhuǎn)矩的變化率，經(jīng)由變速器82，與飛輪的角速度成反比，并且因此與變速器82上的比例變化率成反比。然而，可以預(yù)期的是，單獨變速器82上的控制比率不能提供足夠的控制分辨能力，以便實現(xiàn)根據(jù)本方面所需要的有效飛輪轉(zhuǎn)矩填充。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了的，多數(shù)變速器被設(shè)計成控制其上的速度比率，而本質(zhì)上不是設(shè)計用于轉(zhuǎn)矩控制。對于僅速度可以控制的變速器而言，在短時間內(nèi)單獨實用變速器來控制轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了潛在的問題，這是因為變速器元件的內(nèi)部打滑以及可能的變速器的常規(guī)機制的反應(yīng)延遲。因此，為了提供對通過飛輪80傳遞給動力傳動系統(tǒng)或取自動力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩的足夠控制，在變速器82和其與動力傳動系統(tǒng)88的最終機械耦合點87之間提供調(diào)節(jié)耦合裝置89。包括適當(dāng)?shù)刂糜谌鐖D8a所示的比例鏈(ratio train)中的調(diào)節(jié)稱合89的使用，實現(xiàn)了增強的轉(zhuǎn)矩控制，而這不可能通過單獨使用變速器82來實現(xiàn)。圖8a所示的配置可以使用變速器82速度控制來保持離合器上的一致但是有限的滑動，以便使滑動損耗最小化，但是確保飛輪80和最終動力傳動系統(tǒng)88之間的轉(zhuǎn)矩方向一致。這使得轉(zhuǎn)矩控制分辨能力例如在0到IOONm的范圍內(nèi)，但是在一個緊湊的和高性價比的封裝中。根據(jù)本方面的包括變速器82和調(diào)節(jié)耦合89的轉(zhuǎn)矩控制裝置提供了小于100毫秒范圍內(nèi)的快速響應(yīng)，因此實現(xiàn)了在需要時(特別是，在變速事件期間)，向動力傳動系統(tǒng)88提供轉(zhuǎn)矩填充的飛輪80在的即時反應(yīng)。圖8a所示的布置使得能量損耗最小化，并且因此確保根據(jù)車輛隨著時間的需要，飛輪80中所存儲的多數(shù)能量最終轉(zhuǎn)換為有效的轉(zhuǎn)矩填充。在操作中，包括在調(diào)節(jié)耦合89中的離合器可以引導(dǎo)和控制來自飛輪80的制動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩。也就是說，如果飛輪側(cè)元件的速度低于動力傳動系統(tǒng)側(cè)元件的速度，那么制動轉(zhuǎn)矩將由離合器動作產(chǎn)生。相反地，如果飛輪側(cè)元件的速度大于動力傳動系統(tǒng)側(cè)元件的速度，那么加速轉(zhuǎn)矩將由離合器動作產(chǎn)生。應(yīng)當(dāng)理解的是，離合器上的滑動的幅度將增加能量在離合器中耗散的程度。然而，根據(jù)本實施例，在離合器設(shè)備的操作期間，在離合器設(shè)備中承受最小的能量損耗，從而提供滑動限制以及變速器控制。與單獨的比率變速器車輛上的典型起步離合器(launchclutch)相比，這允許對調(diào)節(jié)耦合89內(nèi)的離合器單元進(jìn)行小型化。根據(jù)本實施例的調(diào)節(jié)耦合89中所使用的離合器可以是任何適當(dāng)?shù)仡愋?，包括電磁離合器、被動冷卻干型離合器單元、具有機械致動設(shè)備的被動冷卻密封濕型離合器單元、具有內(nèi)部被動泵設(shè)備的濕型離合器盤，或者多盤離合器。關(guān)于圖8a的布置以及進(jìn)一步關(guān)于圖Sb和Sc，可以理解飛輪轉(zhuǎn)矩填充的控制策略，圖8a_8c還示出了根據(jù)本方面的適當(dāng)配置?？刂七壿嫲ㄔ诮o定的變速操作期間引擎功率是開還是關(guān)的考慮，也需要考慮該換擋是換高速檔還是換低速檔。對于“上電”換高速檔，飛輪80需要向動力傳動系統(tǒng)88加速轉(zhuǎn)矩。這使得變速期 間的車輛車輪處的轉(zhuǎn)矩變化遍布整個換擋，而不折衷換擋時間或者車輛速度。因此，所提供的優(yōu)點優(yōu)于傳統(tǒng)動力換擋變速器，傳統(tǒng)動力換擋變速器必須在速度改變之前，在第一轉(zhuǎn)矩階段期間，在車輪處實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩變化，因此導(dǎo)致用戶的中斷感覺。通過示例性示例的方式，圖8d示出了根據(jù)本方面的飛輪轉(zhuǎn)矩填充系統(tǒng)的可能控制流。所使用的飛輪可以是任何適當(dāng)容量。舉例而言，飛輪電動機80可以具有400KJ的容量，并且所使用的變速器82可以是具有120KW容量的CVT。在這樣的布置中，飛輪可以在4秒時間內(nèi)向動力傳動系統(tǒng)提供100KW。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，典型的變速僅花費約四分之一秒。因此，在任意給定的變速期間并不是飛輪中的所有能量都需要被耗散和/或在變速開始和/或變速結(jié)束時，飛輪轉(zhuǎn)矩供應(yīng)和引擎轉(zhuǎn)矩供應(yīng)之間可以重疊。如圖8d所示，在示例性的控制流中，在步驟810處，用戶首先啟動齒輪變速，通常使用離合器踏板或其他車內(nèi)離合器控制裝置。在步驟820處，然后在齒輪變速期間，CVT產(chǎn)生流來從飛輪向動力傳動系統(tǒng)傳遞功率。一旦該功率傳遞到位，在步驟820處，在引擎中發(fā)生齒輪變速。一旦齒輪變速完成，在步驟840處，引擎繼續(xù)功率傳遞的責(zé)任，并且同時或者其后，在步驟850處，中斷來自飛輪和CVT的功率傳遞。在步驟840和850處，在來自飛輪的能量傳遞返回到引擎的轉(zhuǎn)換期間，發(fā)動機可以超速運行(overrun)，以便在飛輪上充滿電，以備后續(xù)使用。對于上電換低速擋而言，考慮的問題和控制流是類似的。其中，傳統(tǒng)動力換擋變速器必須在速度已經(jīng)改變之后，在轉(zhuǎn)矩階段中，在車輪處實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩變化。然而，通過在上電換低速擋期間使用飛輪80來向制動轉(zhuǎn)矩做出貢獻(xiàn)，換擋期間車輪處的轉(zhuǎn)矩變化可以散布于整個換擋，而不對換擋時間或速度進(jìn)行折衷。此外，制動能量被收集在飛輪中，以便根據(jù)上文所討論的換高速擋情形后來返回。在使用如圖8a到圖Sc所示的配置的斷電換低速擋或換高速擋期間，車輛輪胎處的轉(zhuǎn)矩變化可以散布于整個下滑時期，因此確保平滑的下滑行為，而不會有換擋感覺。有利地，因為填充飛輪設(shè)備能夠回收動能，取決于車輛的驅(qū)動模式，主引擎變速器可以在進(jìn)行進(jìn)一步操作之前等待正轉(zhuǎn)矩。因此，根據(jù)本方面的飛輪配置和控制方法提供了一種在變速事件期間控制所傳遞的轉(zhuǎn)矩的方法，以便在變速期間為用戶提供改善的換擋舒適度。飛輪填充系統(tǒng)提供了一種能量存儲和回收的有效方式，因為在飛輪和動力傳動系統(tǒng)之間的能量保持為動能形式，因此阻止通常與車輛和機器中的能量轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的能量損耗。由于，根據(jù)本方面，不需要在能量類型之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此提高了效率。因此，在整個系統(tǒng)中，有更多的能量可用，使得潛在地，不需要為轉(zhuǎn)矩填充提供額外的能量源。由于，飛輪被布置成在需要時向動力傳動系統(tǒng)提供能量，并且在車輛使用循環(huán)期間的其他點處從動力傳動系統(tǒng)中回收能量，其使用已經(jīng)存在于車輛中的能量，因此不需要能源以提供其轉(zhuǎn)矩填充功能。與諸如需要額外能源或者至少需要能量轉(zhuǎn)換階段以向動力傳動系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩的電動機填充系統(tǒng)相比而言，這提供了顯著的優(yōu)勢?？梢灶A(yù)期的是，具有足夠尺寸的輔助飛輪設(shè)備的電控手自一體化變速器將實現(xiàn)本文所討論的轉(zhuǎn)矩填充和與混合布置相關(guān)聯(lián)的額外能效效益。對于類似的車輛和引擎運行條件來說，與使用雙離合變速器相比而言，這將減少20%左右的燃料消耗。此外，使用與飛輪轉(zhuǎn)矩填充相結(jié)合的手自一體變速器并不比使用雙離合變速器的成本高。可以對飛輪和相關(guān)聯(lián)的變速器以及耦合(如果需要的話)進(jìn)行改裝以適應(yīng)現(xiàn)有的手自一體變速器，由此改善其效率并且以簡單且相對低成本的方式在變速事件期間提供改善的用戶舒適度。這里所描述的用于現(xiàn)有系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩填充目的的改裝飛輪的整體影響是非常低的，這是因為這樣做不需要對系統(tǒng)進(jìn)行重大的重新設(shè)計。因此，本方面可以潛在的用于現(xiàn)有車輛以及未來車輛設(shè)計。
變速器和設(shè)備配置選擇應(yīng)當(dāng)理解的是，變速器類型的選擇以及針對上述飛輪方面的設(shè)備布線或配置選擇不限于本文所特別描述或示出的。而是，對于特定的車輛、引擎、機器或其他裝置，根據(jù)需要達(dá)到的要求，可以實施任意適當(dāng)?shù)脑O(shè)備選擇和布局。變速器設(shè)備的功能是將飛輪的速度與機械耦合點的速度相匹配，在該機械耦合點，飛輪耦合到ICE或其他輸出裝置的輸出。有效地，變速器是功率變換器。也就是說，在上述飛輪實施例中的功率正比于角速度乘以轉(zhuǎn)矩。所使用的變速器或其他功率變換器的功能為將其一側(cè)的大轉(zhuǎn)矩和低速度變換成功率變換器另一側(cè)的小轉(zhuǎn)矩和高速度。機械耦合點的選擇和變速器設(shè)計兩者都對根據(jù)本文所描述方面的飛輪輔助的系統(tǒng)的功能有影響。針對其中使用變速器的那些方面中的變速器選擇包括帶式連續(xù)可變變速器(CVT)、牽引型CVT、機械分裂路徑無限可變變速器(IVT)，電分裂路徑IVT，靜液壓CVT/IVT以及一個或多個電動機。當(dāng)然，系統(tǒng)甚至是空氣驅(qū)動的。圖9a示出了例如可以用于轉(zhuǎn)矩填充目的可能飛輪和變速器布局。優(yōu)選地，飛輪90布置在真空裝置92中。飛輪90通過任意適當(dāng)?shù)鸟詈戏绞竭B接到耦合離合器94。耦合離合器94在飛輪90和變速器設(shè)備96之間提供連接。變速器設(shè)備96繼而機械地耦合到內(nèi)燃機97和變速器99之間的車輛的變速器輸入端。圖9b示出了包括分裂路徑IVT的替代布局。再次，優(yōu)選地，飛輪90提供在真空裝置92中，并且與耦合離合器94連接，耦合離合器94轉(zhuǎn)而連接到變速器。這種布置中所使用的變速器設(shè)備包括周轉(zhuǎn)圓級96和直列牽引變速器98。通過包括IVT變速器系統(tǒng)，改善了飛輪輔助的引擎的潛在功能，從而在低速下提供增加的回收范圍并且實現(xiàn)起步加速?？梢钥闯?，與圖9a中所示出的變速器設(shè)備機械地耦合到ICE 97的輸出端的布置不同，在圖9b中，變速器設(shè)備耦合在變速器99的輸出端。如上文提到的，機械耦合點的這個選擇可以影響飛輪輔助的系統(tǒng)的功能和相關(guān)聯(lián)優(yōu)勢。圖IOa到圖IOb進(jìn)一步示出了根據(jù)目前所描述方面的用于飛輪輔助的潛在耦合配
置選擇。在圖IOa中，輔助飛輪設(shè)備100耦合到ICE 102，主車輛離合器104和傳輸106的上游。這種耦合配置提供一個優(yōu)勢，這個優(yōu)勢在于，為了將飛輪速度和其與ICE 102的耦合點處的速度相匹配，ICE102和飛輪100之間的變速器設(shè)備上所需要的比率范圍相對較窄。也就是說，由于相對于車輪而言，引擎以較高的速度旋轉(zhuǎn)，飛輪和引擎之間的比率差小于飛輪和車輪之間的比率差。此外，飛輪和ICE之間的轉(zhuǎn)變所需要大的、有力的齒輪已經(jīng)存在于變速器中，但是不存在于較低的下游。圖IOa中的布置通過使用變速器的轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢進(jìn)一步降低了變速器轉(zhuǎn)矩。然而，因為飛輪耦合在離合器104的上游，所以必須閉合離合器104才能在車輛動力傳動系統(tǒng)108中回收和重用來自飛輪100的能量。因此，來自飛輪100回收能量可被變速中斷。此外，在這個布置中，需要動力換擋變速器，以便使用用于機械能量存儲的飛輪設(shè)備100來實現(xiàn)連續(xù)驅(qū)動和再生制動。圖IOb示出了類似于圖9a所示的替代耦合配置，其中，飛輪100耦合到離合器104 和變速器106之間的變速器輸入端。與圖IOa中的布置一樣，IOb中的配置提供了改善的可用范圍，這是因為ICE 102和飛輪100之間的兼容變速器比率。并且，其還實現(xiàn)變速箱轉(zhuǎn)矩的降低。然而，在變速期間仍然需要解耦，以便變速操作期間的來自飛輪100能量回收和/
或重用。圖IOc示出了另一種可能的耦合配置，其中，飛輪100耦合在變速器輸出端。這種布置是有益的，因為來自飛輪100的能量回收不會被變速所中斷。此外，僅飛輪模式是可能的，其中，飛輪100是唯一的能源，并且能量不來自于ICE 102，只要主離合器104打開，這就是可能的。然而，與圖IOa和IOb的配置相比而言，圖IOc中的配置降低了整體操作范圍，并且其也需要在變速器輸出端處增加耦合轉(zhuǎn)矩。圖IOd示出一種后軸系統(tǒng)，其中，飛輪100提供在車輛的引擎102和后車輪109之間。與圖IOc所示出的布置一樣，這種配置是有益的，因為來自飛輪的能量回收不會被變速所中斷，并且只要主離合器打開，僅飛輪模式就是可能的。此外，飛輪100可以用于四輪驅(qū)動輔助或者部分時間四輪驅(qū)動功能。因此，飛輪100可以在多樣化針對不同行車條件下的車輛的適合性方面提供輔助。然而，與圖IOc所示的配置一樣，與圖IOa和IOb所示的配置相比而言，圖IOd中的配置降低了整體操作范圍并且需要在變速器輸出端增加耦合轉(zhuǎn)矩。如上文所討論的適當(dāng)配置中的飛輪的進(jìn)一步使用在于起步支持。取決于車輛類型和發(fā)動機負(fù)荷圖，飛輪可以是用于起步的唯一轉(zhuǎn)矩供應(yīng)，或者可以與引擎轉(zhuǎn)矩供應(yīng)一起使用。舉例而言，對于諸如交通隊列情形中的相對較小的車輛，以固定間隔緩慢前行，飛輪足以為車輛起步提供扭矩，以便于每次緩慢前行?；蛘撸瑢τ谳^大的車輛或較小車輛的較長距離或較高速度移動，飛輪可以與引擎能力的一部分一起使用，例如使用4個可用汽缸中的兩個引擎汽缸?？梢詫嵤┮环N適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，使得考慮到車輛因素和潛在的環(huán)境因素(例如，特定區(qū)域中排放限制)，在任意給定時刻，使用飛輪和引擎轉(zhuǎn)矩供應(yīng)的最佳組合。根據(jù)目前所描述方面的特定變速器和耦合配置的適合性的另一因素是運行期間飛輪自身的速度。在任意給定時刻，飛輪內(nèi)所存儲的動能與其速度的平方直接成比例(Ea 2)。因此，舉例而言，如果所存儲的能量的一半從高速飛輪中提取的，那么與從低速飛輪中取出一半能量相比，這將導(dǎo)致高速飛輪的速度下降的百分比較小。結(jié)果是，較快的飛輪有助于降低用于將飛輪耦合到ICE的變速器設(shè)備的所需要的比率范圍。變型
需要理解的是，本文所描述的飛輪方面不是互斥的，而是可以通過任何適當(dāng)?shù)慕M合在車輛、機器或其他裝置中實現(xiàn)。舉例而言，引擎布局可以包括相對較小的飛輪以用于以下中的任一個或全部驅(qū)動增壓器、為化學(xué)電池充電、和提供輔助能量供應(yīng)或回收，在車輛啟動或停止事件期間提供除了由主電源所提供的之外的輔助能量供應(yīng)或回收。同樣的引擎配置還可以包括相對較大的飛輪，以用于車輛輪胎的直接和/或混合驅(qū)動。對于上述方面中的任意方面，有可能對飛輪進(jìn)行配置，以使得在關(guān)閉車輛或設(shè)備時，飛輪停止運轉(zhuǎn)，并且通過這樣做，對化學(xué)或其他長期電池存儲裝置進(jìn)行充電。取決于需要滿足的特定要求或需要遵守的限制條件，飛輪可以在制造期間包括在引擎或機器中，或者通過各種不同配置，在制造后，對飛輪進(jìn)行改裝以適應(yīng)現(xiàn)有引擎或機器。因此，本文提供了多個方面，在每個方面中，在引擎、車輛、機器或裝置中實現(xiàn)飛 輪，以便有利地使用其中的可用能量，并且使用其以改善整體性能和輸出。不需要額外的能源來運行飛輪或?qū)︼w輪進(jìn)行充電，而是，已經(jīng)認(rèn)識到，根據(jù)本方面，可以使用適當(dāng)?shù)娘w輪布置來有益地獲取、存儲和重用傳統(tǒng)系統(tǒng)中耗散的能量。此外，可以對本文的飛輪布置進(jìn)行適當(dāng)?shù)夭僮骱涂刂?，以便通過直接并且能源高效的方式來滿足隨著時間變化的運行條件和用戶需求。實踐中，可以通過適當(dāng)?shù)赜布蜍浖绞絹磉\行和控制根據(jù)上述方面的飛輪與其協(xié)作的其他裝置的操作。用于控制操作的指令可以記錄在數(shù)字或模擬記錄載體或計算機可讀介質(zhì)中。記錄載體可以包括諸如光盤之類的光學(xué)存儲裝置，或者可以是以諸如聚焦激光束之類的信號形式。諸如計算機硬件驅(qū)動器之類的磁性記錄載體也可以用于指令存儲，以便控制本文所描述的飛輪布置。或者，可以采用固態(tài)存儲或任何適當(dāng)?shù)男盘柎鎯ΑＳ嬎銠C或其他適當(dāng)?shù)奶幚硌b置，例如引擎控制單元(E⑶)，可以被編程以便執(zhí)行用于控制所描述的布置的操作的指令。處理裝置還可以用于控制飛輪布置包括在其中的或者飛輪布置與其相關(guān)的引擎、機器車輛或裝置內(nèi)的其他元件的操作。處理裝置也可以用于記錄和/或存儲與飛輪布置和/或其他元件相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)?？梢蕴峁┰贓CU或其他處理裝置中使用的計算機程序，以實現(xiàn)本文所描述的布置的控制。這樣的計算機實現(xiàn)方式可以用于提供飛輪布置的自動控制?？蛇x地或者另外地，本文所描述的配置的操作或控制可以使用計算機和用戶執(zhí)行的步驟的任意適當(dāng)組合來執(zhí)行。因此，在操作中，可以提供一定程度上的自動化，以控制飛輪布置的操作，但是也可以為用戶(例如，車輛的駕駛員)提供選擇，以便發(fā)出指令或者執(zhí)行其他動作，來控制本文所描述的飛輪布置的控制操作。本方面認(rèn)識到，在車輛或機器中，能量通常以動能的形式回收，并且因此，通過使用飛輪以動能形式存儲能量，由于能量轉(zhuǎn)換階段帶來的能量損耗得以減少或者避免。飛輪可以在擴(kuò)展的時間段內(nèi)以動能形式存儲能量，此外，根據(jù)隨著時間的條件(例如，在引擎關(guān)閉期間)，飛輪可以用來以動能形式或其他形式向其他能量存儲設(shè)備提供能量。本文所描述的飛輪方面通過用戶友好的、高性價比的、小型的并且環(huán)境友好的方式實現(xiàn)了增強的效率和性能，從而與現(xiàn)有布置相比，提供了實質(zhì)性的優(yōu)勢。它們可以實現(xiàn)在任意適當(dāng)?shù)能囕v、引擎、機器或裝置中，以便以一種之前通過使用現(xiàn)有技術(shù)布置不可能實現(xiàn)的方式來提高其輸出性能和滿足用戶需求。
權(quán)利要求
1.一種能量存儲裝置(10)，所述裝置包括飛輪(12)，所述飛輪(12)具有至少一個輸入端(18)，所述輸入端(18)被布置成在使用時向所述飛輪(12)提供能量，其中，所述能量是從引擎廢氣中回收的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能量存儲裝置(10)，進(jìn)一步包括廢氣回收裝置，所述廢氣回收裝置被布置成在使用時將從引擎輸出的廢氣導(dǎo)向所述飛輪(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述廢氣回收裝置包括特斯拉渦輪機。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述廢氣回收裝置包括渦輪增壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述渦輪增壓器是可變幾何尺寸渦輪增壓器(VGT)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的能量存儲裝置(10)，進(jìn)一步包括離合器(16)，其位于所述廢氣回收裝置與所述飛輪(12)之間的能量路徑中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的能量存儲裝置(10)，進(jìn)一步包括輸出端，其用于將經(jīng)回收的過量廢氣能量引導(dǎo)離開所述飛輪(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項所述的能量存儲裝置(10)，進(jìn)一步包括控制器，其用于控制通過所述能量存儲裝置的能量流。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述飛輪被機械地連接到可變比率系統(tǒng)(22)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述飛輪(12)的輸出端被機械地耦合到引擎的輸出端，以便提供輸入到車輛、機器或裝置的混合能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述飛輪(12)機械地耦合到其上的所述引擎進(jìn)一步被布置成，在使用時輸出廢氣以用作輸入到所述飛輪(12)的能量。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至11中任一項所述的能量存儲裝置(10)，其中，所述飛輪(12)可操作為用于裝備有所述能量存儲裝置(10)的車輛、引擎、機器或裝置中的一個或多個設(shè)備的機械電池電源。
13.—種車輛、引擎、機器或裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求I至12中任一項所述的能量存儲裝置(10)。
14.一種用于能量回收的方法，包括 獲取引擎廢氣中存在的能量，將所述能量引導(dǎo)至所述飛輪(12)設(shè)備，并且將所述能量存儲在所述飛輪(12)中以供將來使用。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟將能量從所述飛輪(12)提供給裝備有所述飛輪(10)的引擎、車輛、機器或裝置中的一個或多個設(shè)備。
16.一種控制通過能量存儲裝置(10)的能量流的方法，所述方法包括從廢氣流回收廢氣能量，將所述廢氣能量提供給飛輪(12);并且，根據(jù)動態(tài)運行條件來輸出存儲在所述飛輪(12)中的能量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括將過量的廢氣能量引導(dǎo)離開所述飛輪。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)飛輪充電需要，在使用時重復(fù)將廢氣能量提供給所述飛輪的步驟。
19.一種裝置，其包括充氣升壓設(shè)備，在使用時所述充氣升壓設(shè)備向引擎提供進(jìn)口增壓，所述裝置進(jìn)一步包括飛輪，其中，所述飛輪被布置成提供能量以驅(qū)動所述充氣升壓設(shè)備的操作。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述充氣升壓設(shè)備是增壓器。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述充氣升壓設(shè)備是渦輪增壓器。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21任一項所述的裝置，進(jìn)一步包括輸入端，所述輸入端被布置成在使用時向所述飛輪供應(yīng)能量。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述輸入端被布置成對從以下中的任何一個回收的能量進(jìn)行引導(dǎo)車輛動力傳動系、引擎廢氣，機械設(shè)備，化學(xué)電池或者電動機，并且將所回收的能量供應(yīng)給所述飛輪。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項所述的裝置，進(jìn)一步包括控制器，其用于控制通過所述裝置的能量流。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述充氣升壓設(shè)備是渦輪增壓器，所述渦輪增壓器包括廢氣門，并且其中，所述飛輪被布置在所述渦輪增壓器的廢氣門環(huán)中，以使得所述飛輪被布置成既為驅(qū)動所述渦輪增壓器提供能量，又存儲從所述渦輪增壓器的廢氣門排放的氣體中回收的能量。
26.根據(jù)權(quán)利要求19至25中任一項所述的裝置，其中，所述充氣升壓設(shè)備進(jìn)一步被布置成從所述引擎接收能量輸入，其中，所述充氣升壓設(shè)備提供升壓輸入到所述引擎中。
27.一種車輛、引擎或機器，其包括根據(jù)權(quán)利要求19至26中任一項所述的裝置。
28.一種用于增加引擎功率的方法，其包括利用飛輪來提供能量以驅(qū)動充氣升壓設(shè)備的操作，并且操作所述充氣升壓設(shè)備以提高所述引擎中的進(jìn)口充氣壓力。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟使用所述引擎提供于其中的車輛或機器內(nèi)的現(xiàn)有能源來向所述飛輪供應(yīng)能量。
30.一種用于控制引擎中的進(jìn)口氣壓的方法，包括操作充氣升壓設(shè)備以將所述進(jìn)口氣壓增加到大氣壓之上，并且進(jìn)一步包括使用飛輪來提供能量以驅(qū)動所述充氣升壓設(shè)備的操作，其中，對由所述飛輪供應(yīng)的能量的大小進(jìn)行控制，以便根據(jù)瞬時引擎運行條件來提供最佳的升壓。
31.一種處理裝置，其被編程和可操作以執(zhí)行用于實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求14-18或者28-30中任一項所述方法的指令。
32.一種引擎控制單元(E⑶)，其包括權(quán)利要求31的所述處理裝置。
33.一種記錄載體，其具有存儲其上的指令，所述指令由處理裝置執(zhí)行，以便實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求14-18或28-30中任一項所述的方法。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的記錄載體，其中，所述記錄載體包括光存儲裝置、磁性存儲 裝置或固態(tài)存儲裝置或可讀信號。
35.一種計算機程序，其包括指令，所述指令可由處理裝置執(zhí)行，以實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求14-18或28-30中任一項所述的方法。
36.一種裝置、方法或控制方案，其實質(zhì)上如本文所描述的或者如附圖中所示出的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能量存儲裝置，其包括飛輪，飛輪具有至少一個輸入端。根據(jù)一個方面，在使用中，飛輪輸入端被布置成向飛輪提供能量，其中，能量從引擎廢氣中回收的。根據(jù)另一方面，提供了一種裝置，其包括充氣升壓設(shè)備，在使用中，充氣升壓設(shè)備用來向引擎提供進(jìn)口增壓。所述裝置進(jìn)一步包括飛輪，其中，飛輪被布置成提供能量以驅(qū)動充氣升壓設(shè)備的操作。
文檔編號B60K6/20GK102687309SQ201080056601
公開日2012年9月19日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者A·F·阿特金斯, B·G·科珀, J·J·多爾比, S·蒂莫西·D·謝佛德, 喬納森·查爾斯·威爾斯, 約翰·斯托克斯 申請人:里卡多英國有限公司