專利名稱：用于電動車輛的緊湊電增程發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動車上的輔助發(fā)電。
背景技術(shù)：
電動車輛使用高壓電力牽引電動機以輸送足以啟動和推進車輛的電動機扭矩。電能替換地存儲在可充電能量存儲系統(tǒng)(RESS)中和從該系統(tǒng)獲取。RESS在運行期間通常經(jīng)由再生制動或其他再生事件被充電。在車輛停車時，RESS可以使用例如墻壁插口或充電站這樣的離車電源充電。不似依賴內(nèi)燃發(fā)動機提供用于推進車輛的發(fā)動機扭矩的混合動力電動車，電動車的行程范圍受到RESS中存儲的能量的限制
發(fā)明內(nèi)容

本文公開一種電動車。電動車具有輔助動力單元(APU)。APU按照需要起動以產(chǎn)生電能，以由此延長車輛的行程。使用本APU (其配置和封裝為本文所述的套件)可通過在車載能量存儲系統(tǒng)(RESS)的可用能量下降到臨界值以下時實現(xiàn)一定水平的電行駛，例如通過允許操作者行駛到電源輸出口或充電站，有助于減少行程問題。具體說，本文公開一種電動車，其包括變速器、牽引電動機、APU、RESS和控制器。牽引電動機具有機械地聯(lián)接到變速器輸入構(gòu)件的電動機輸出軸。變速器僅通過來自牽引電動機的電能提供動力。APU包括一對環(huán)。一個環(huán)可以連接或固定連接到車輛的靜止表面，例如備胎艙或其他車廂的壁。另一環(huán)或可選地兩個環(huán)可在發(fā)動機被供應(yīng)燃料時旋轉(zhuǎn)。齒輪元件與內(nèi)環(huán)，以及發(fā)動機本身驅(qū)動連接。發(fā)動機可具有本文設(shè)定的各種構(gòu)造。無論構(gòu)造如何，發(fā)動機具有減小的軸向尺寸，例如薄片樣式或扁平設(shè)計，且徑向地設(shè)置在最內(nèi)環(huán)中。發(fā)動機的動力輸送機構(gòu)或連接到發(fā)動機的動力輸送機構(gòu)，機械地聯(lián)接到齒輪元件，例如經(jīng)由驅(qū)動傳動帶、鏈、離合器或其他直接或間歇的連接裝置?？刂破髋cAPU和RESS電連通，且在RESS的可用能量水平下降到校準臨界以下時選擇性地通過RESS對APU賦能。還公開一種方法，其包括將輔助動力單元(APU)定位在通過電動車車身限定的車廂中。該步驟包括將感應(yīng)繞組的外環(huán)固定到車廂的壁上，將具有永磁體的可旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)徑向地定位在外環(huán)中且與外環(huán)同軸，且將內(nèi)燃發(fā)動機徑向地定位在可旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)中。其后，該方法包括將發(fā)動機的動力輸送機構(gòu)連接到可旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)。在下文結(jié)合附圖進行的對實施本發(fā)明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點以及其他的特征和優(yōu)點。


圖1是具有輔助動力單元(APU)的示例性電動車的示意性框圖，所述輔助動力單元可選擇性地被操作以延長車輛的電行程。
圖2是可與圖1所示電動車一起使用的示例性APU的示意圖。圖3是描述了使用圖2所示的APU而選擇性地延長圖1中車輛電行程的示例性方法的流程圖。
具體實施例方式參見附圖，其中幾幅圖中相同的附圖標記對應(yīng)相同或類似的部件，圖1中示意性地示出了電動車輛10。車輛10包括輔助動力單元(APU) 50，其一個例子在圖2中示出且將在下文詳細描述。另外，車輛10包括牽引電動機12，其具有與變速器14的輸入構(gòu)件140聯(lián)接的電動機輸出軸15。來自牽引電動機12的扭矩最終經(jīng)由變速器14的輸出構(gòu)件17對一個或多個驅(qū)動車軸19的車輪21進行驅(qū)動。電動車10包括車身27，所述車身限定了車廂25。在具體實施例中，APU50可以完全地設(shè)置在車廂25中。在非限制性的示例性實施例中，車廂25可以是位于車輛10的后部或行李艙部或其他合適位置的備用輪胎艙。替換地，APU 50可以使用合適的支撐結(jié)構(gòu)(未示出)而被連接在車身27外部的車輛10的下方或上方。APU 50可以配置為具有有限的軸向空間，例如是裝配在相對淺的備胎艙界限中的軸向扁平/薄盤樣式的裝置。換句話說，APU 50具有低縱橫比的安裝形式，足以在車輛10上將APU 50安裝或定位在可能用于承裝備胎或其他貨物的位置中，或足以安裝在沒有被推進部件占用的有限空間位置。牽引電動機12可以配置為是多相機器，例如大約60VAC到大約300VAC或取決于實施例。在這樣的實施例中，牽引電動機12可以經(jīng)由功率轉(zhuǎn)換模塊(PIM) 16電連接到可充電能量存儲系統(tǒng)(RESS) 18，所述功率轉(zhuǎn)換模塊最終將通過牽引電動機12產(chǎn)生的或在再生制動過程中產(chǎn)生的AC電能轉(zhuǎn)換成適用于存儲在RESS 18中的DC電能。其他實施例可以將牽引電動機12配置為DC電動機，所述DC電動機不需要PM16。在任何實施例中，輔助電力模塊(APM)或DC-DC轉(zhuǎn)換器(未示出)可以用于將所需的DC輸出電壓提供到各種裝置，如本領(lǐng)域所理解的。不論如何配置，RESS 18可根據(jù)車載控制器30的決定而可選擇性地從APU50接收能量(箭頭11)。仍然參見圖1，控制器30經(jīng)由閉環(huán)和/或開環(huán)控制和反饋信號(箭頭31)與APU50通信?？刂破?0可以配置為一個或多個數(shù)字計算機，其具有中央處理單元(CPU)以及足夠的只讀存儲器(ROM)、隨機訪問存儲器(RAM)、電可編程只讀存儲器(EEPROM)、高速時鐘、模擬-數(shù)字(A/D)和數(shù)字-模擬(D/A)電路，和任何所需的輸入/輸出(I/O)電路和裝置，以及信號調(diào)制和緩沖電路。控制器30可以包括適用于執(zhí)行本方法100 (見圖3)的指令，和用于例如通過接收表示這種剩余能量的信號(箭頭33)確定RESS 18中可用能量水平的指令，無論所述能量水平是被測量、計算出的或以其他方式確定的。參見圖2,示例性APU 50示意性地顯示為包括軸向減小的發(fā)動機40。發(fā)動機40徑向地設(shè)置在一對同心的環(huán)20、22中。環(huán)20、22中的至少一個可以被允許相對于另一個旋轉(zhuǎn)，哪一個是實際旋轉(zhuǎn)的環(huán)取決于設(shè)計。在一個可行實施例中，環(huán)22可以被固定到圖1的車輛10的靜止構(gòu)件，例如圖1所示的車廂25的徑向壁52。環(huán)22可以通過焊點54或其他合適的方式固定。在該實施例中，環(huán)20徑向地設(shè)置在環(huán)22中且與環(huán)22同軸對準。因此，為了更清楚，環(huán)20將在下文被稱為內(nèi)環(huán)20，且環(huán)22將在下文被稱為外環(huán)22。
在所示實施例中，內(nèi)環(huán)20包括多個永磁體58。磁體58朝向外環(huán)22取向。外環(huán)22包括或形成為一組導(dǎo)電線圈或感應(yīng)繞組。例如，內(nèi)環(huán)20的旋轉(zhuǎn)在內(nèi)環(huán)20的感應(yīng)繞組中產(chǎn)生電流或形成整個內(nèi)環(huán)20。在外環(huán)22被允許旋轉(zhuǎn)而內(nèi)環(huán)20保持靜止的實施例中將發(fā)生相反的影響，如本領(lǐng)域可理解的。產(chǎn)生的電流最終被作為電能(箭頭11)傳遞到圖1的PIM 16和/或RESS 18，如在同一圖中示出的。內(nèi)環(huán)20可以可選地配置為具有空氣管道鰭片(未示出)或通道，以允許空氣在內(nèi)環(huán)20旋轉(zhuǎn)期間自由地流通，由此冷卻發(fā)動機40。圖2的發(fā)動機40包括動力輸送機構(gòu)(power takeoff mechanism) 24,例如可旋轉(zhuǎn)滑輪或齒輪組，其通過發(fā)動機扭矩而繞旋轉(zhuǎn)軸線80旋轉(zhuǎn)(箭頭TE)。發(fā)動機安裝部13可以用于支撐發(fā)動機40的重量。動力輸送機構(gòu)24機械地聯(lián)接到齒輪元件26，例如經(jīng)由示例性的鏈或驅(qū)動傳動帶60，或間歇地例如經(jīng)由離合器，從而動力輸送機構(gòu)24的旋轉(zhuǎn)最終通過轉(zhuǎn)子扭矩(箭頭TR)讓齒輪元件26旋轉(zhuǎn)。齒輪元件26可以通過鍵槽安裝于或以其他方式嚙合于內(nèi)環(huán)20，以提供充分的驅(qū)動接合。本發(fā)動機40的各種實施例是可行的。包裝和重量是重要的設(shè)計因素。由此，車廂25可以至少部分地限定發(fā)動機40和周圍的例如導(dǎo)管、管或其他完全封閉的通路之間的通道28。這種通道28或多個這樣的通道28可以配置為有助于排氣(箭頭45)、空氣進入、燃料饋送和/或發(fā)動機冷卻。在示例性實施例中，發(fā)動機40可以是熱力發(fā)動機，其包括多個汽缸35。每一個汽缸35可以具有縱向軸線110、210，其與動力輸送機構(gòu)24的旋轉(zhuǎn)軸線80相交。這種發(fā)動機40可以包括多汽缸內(nèi)聯(lián)的或平坦“V”或“W”樣式的活塞汽缸發(fā)動機。替換地，可以放棄使用活塞/汽缸方式而代替使用Wankel類型旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。如本領(lǐng)域所理解的，這樣的發(fā)動機使用3腰輪轉(zhuǎn)子(3-lobed rotor)設(shè)計和偏心軸，以某種程度的內(nèi)齒輪油泵組件的方式，以便將壓力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)扭矩而不使用活塞。其他可能的實施例可以包括單汽缸發(fā)動機、蒸發(fā)驅(qū)動的發(fā)動機或渦輪驅(qū)動的裝置。實際上，具有任何數(shù)量汽缸的活塞驅(qū)動的熱力發(fā)動機是可行的。例子包括單個、V型或平坦3或4汽缸發(fā)動機，后兩種情況具有90’動力輸送旋轉(zhuǎn)角度變化的齒輪，用于正確耦合到傳動裝置系統(tǒng)，所述傳動裝置系統(tǒng)將熱力發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為環(huán)的旋轉(zhuǎn)。能量轉(zhuǎn)變裝置可以例如使用外部燃燒發(fā)動機或渦輪。在渦輪例子中，可以通過經(jīng)由例如燃燒的內(nèi)部流體增壓、使用外部燃燒的外部流體增壓或加壓空氣的預(yù)加壓箱為渦輪提供動力。參見圖3,示例性方法100顯示為用于選擇性地延長圖1所示的電動車10或配備有圖2所示的APU 50的任何車輛的電運行范圍。方法100以步驟S102開始，其中APU 50定位在電動車車身所限定的車廂中，例如備胎艙。步驟S102可以實現(xiàn)將至少一個環(huán)20和/或22固定到靜止構(gòu)件，例如將感應(yīng)繞組的外環(huán)22固定到車廂25的壁52，如圖2所示。繞組隨后連接到RESS18，步驟S102包括將具有其永磁體的內(nèi)環(huán)20徑向地定位在外環(huán)22內(nèi)且與外環(huán)22同軸。步驟S102也可以包括將發(fā)動機40徑向地定位在可旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)20中，且隨后將發(fā)動機40的動力輸送機構(gòu)24連接到可旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)20。在步驟S104，圖1的控制器30確定RESS 18中的可用能量，例如通過測量或計算該值?？刂破?0將RESS 18的可用能量與校準的臨界值對比，所述校準的臨界值可以記錄在控制器30的存儲器中。如果檢測或計算的能量值超過校準的臨界值，則控制器30重復(fù)步驟S102。否則控制器30前進到步驟S106。
在步驟S106中，控制器30做曲軸動作并起動圖1的發(fā)動機40,隨后開始為發(fā)動機40提供燃料。一旦發(fā)動機40以充分地穩(wěn)定的速度運轉(zhuǎn)則控制器30執(zhí)行步驟S108。在步驟S108，圖1的控制器30開始允許所產(chǎn)生的電能(箭頭11)輸送到牽引電動機12。取決于實施例，這可以直接地發(fā)生，或可以經(jīng)由RESS 18和/或PM 16間接地發(fā)生。一旦牽引電動機12被以這種方式提供動力，則方法100前進到步驟SI 10。在步驟S110，控制器30判斷圖1的車輛10是否已經(jīng)停止。如果是，方法100前進到步驟SI 12。否則方法100重復(fù)步驟S108。在步驟SI 12，控制器30可以執(zhí)行任何數(shù)量的控制動作，取決于車輛10在其停下來時的狀態(tài)。例如，如果車輛10停止且熄火、連接到充電口，則控制器30可以自動地關(guān)閉發(fā)動機40。在這樣的實施例中發(fā)動機起動/關(guān)閉狀態(tài)可以關(guān)聯(lián)到鑰匙起動/關(guān)閉位置。如果車輛10僅僅停止在交通燈處，則控制器30可以繼續(xù)產(chǎn)生電能(箭頭11)，將任何多余的能量引導(dǎo)到RESS 18用于存儲。通過閱讀以上的公開內(nèi)容本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地理解目前公開的設(shè)計的各種優(yōu)點。一個重要的優(yōu)點是角動量可以以飛輪的方式存儲在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量體中，即環(huán)20、22中的一個或兩者中。機械能量源和環(huán)之間的機械聯(lián)接可由此用來存儲機械能。例如，再生制動事件通常需要電池組尺寸過大，必須吸收高電流再生充電脈沖。如果高電流充電脈沖可用于對當(dāng)前環(huán)(一個或多個)20和/或22賦予能量，則可以以更多低注意成本減少的方式設(shè)置電池組尺寸，由此存儲來自APU 50的環(huán)(一個或多個)上的再生事件的能量，用于更緩慢地返回到RESS 18。對于機械能可被轉(zhuǎn)換回電能且直接地輸送回PM 16或牽引電動機12的任何其他事件來說也是相同的情況，由此像電能存儲裝置一樣處理APU 50。另一重要的優(yōu)點是能對環(huán)(一個或多個)20、22的形狀進行工程設(shè)計，以便作為鼠籠類風(fēng)扇使用，如果這種設(shè)計利用外部燃燒發(fā)動機或非常效率高的內(nèi)燃發(fā)動機則，所述鼠籠類風(fēng)扇可用于也許是完全地幫助冷卻APU 50。盡管已經(jīng)對執(zhí)行本發(fā)明的較佳模式進行了詳盡的描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可得知在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用來實施本發(fā)明的許多替換設(shè)計和實施例。
權(quán)利要求
1.一種電動車,包括變速器，其具有輸入構(gòu)件；牽引電動機，其具有機械地聯(lián)接到輸入構(gòu)件的電動機輸出軸；可充電能量存儲系統(tǒng)(RESS)，其電連接到牽引電動機；輔助動力單元(APU)，其具有一組感應(yīng)繞組；外環(huán)；內(nèi)環(huán)，其與外環(huán)同軸且徑向地定位在外環(huán)中，其中外環(huán)和內(nèi)環(huán)中的至少一個可相對于另一個旋轉(zhuǎn)，由此在該組感應(yīng)繞組中產(chǎn)生電流；齒輪元件，與旋轉(zhuǎn)的外環(huán)或內(nèi)環(huán)驅(qū)動連接；發(fā)動機，其徑向地設(shè)置在內(nèi)環(huán)中，且包括動力輸送機構(gòu)，所述動力輸送機構(gòu)機械地聯(lián)接到齒輪元件；和控制器，其與APU和RESS電連通；其中，控制器可操作為確定RESS中可用能量的水平何時下降到校準的臨界值以下，且用于選擇性地為APU賦能，以每當(dāng)RESS中可用的能量下降到校準臨界值以下時都通過外環(huán)和內(nèi)環(huán)中的至少一個的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電功率。
2.如權(quán)利要求1所述的電動車，其中動力輸送機構(gòu)具有與內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸線同軸的旋轉(zhuǎn)軸線。
3.如權(quán)利要求1所述的電動車，其中外環(huán)和內(nèi)環(huán)中的一個被固定；感應(yīng)繞組連接到或形成為被固定的環(huán)；和旋轉(zhuǎn)的環(huán)包括朝向感應(yīng)繞組取向的多個永磁體。
4.如權(quán)利要求1所述的電車輛，進一步包括鏈或驅(qū)動傳動帶，其直接地將動力輸送機構(gòu)連接到齒輪元件。
5.如權(quán)利要求1所述的電動車，其中電動車包括限定出車廂的車身，且其中APU完全地定位在車廂中。
6.如權(quán)利要求5所述的電動車，其中所述車廂是至少部分地限定出從發(fā)動機到周圍環(huán)境的通道的備胎艙。
7.如權(quán)利要求1所述的電動車，其中所述發(fā)動機是具有多個汽缸的活塞驅(qū)動的核心發(fā)動機。
8.如權(quán)利要求7所述的電動車，其中汽缸布置為圓形的構(gòu)造，從而每一個汽缸的縱向軸線與外環(huán)和內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸線相交。
9.如權(quán)利要求1所述的電動車，其中發(fā)動機是Wankel發(fā)動機。
全文摘要
電動車包括變速器、電動機、可充電能量存儲系統(tǒng)(RESS)、輔助動力單元(APU)和控制器。APU具有一對環(huán)，所述一對環(huán)中至少一個相對于另一個旋轉(zhuǎn)。一個環(huán)與另一個同軸且徑向地位于另一個中。環(huán)在繞組中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電流。齒輪元件與可旋轉(zhuǎn)環(huán)驅(qū)動連接。APU包括徑向地設(shè)置在內(nèi)環(huán)中的發(fā)動機和聯(lián)接到齒輪元件的動力輸送機構(gòu)。控制器對APU賦能以讓環(huán)旋轉(zhuǎn)。方法包括將APU定位在車身車廂中，將繞組的外環(huán)固定到車廂壁，和將具有永磁體的可旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)徑向地定位在外環(huán)中且與外環(huán)同軸。發(fā)動機徑向地定位在內(nèi)環(huán)中。動力輸送機構(gòu)連接到內(nèi)環(huán)。
文檔編號F02B63/04GK103010038SQ201210355090
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者A.T.蒂蒙斯, K.科普魯巴希 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司