机动车辆转化储能应用设计新方法

本发明属于机动车辆构造设计领域，主要是指机动车辆(汽车、拖拉机、农用车、摩托车等)能量利用方面的转化储能应用设计新方法。

现代机动车辆浪费的主要能量是制动抵消的位能①，其次是惯性动能②和空闲发动机能量③。这样，在车辆能量充分利用及经济、安全、结构合理性等方面长期以来有一种要求，即如何充分转化储存利用车辆浪费能量或外加能量④，在车辆能源消耗量得到大力降低的同时，其运输经济性、安全合理性、动力性、实用性等同步得到大力加强或改善。

公知的机动车辆动力结构中一般有：动力源——发动机、动力传递及操纵机构、动力执行机构，无将上述浪费能量进行充分转化储存再利用的有效转化储能机构，更无利用储能进行牵引或助力的动力源装置。虽然现代机动车辆上普遍存在将发动机的机械能转化成电能应用或储存应用的电气设备，部分汽车上有将发动机的机械能转化成气压能的压缩空气机构，但都没有合理地将车辆上应该转化储存的能量——空闲发动机能量、制动抵消的位能和动能进行充分转化储存再利用，相反地增大了发动机自身运转负荷，增大了耗油量并加速了发动机和刹车机件磨损。部分汽车上的发动机排气制动和压缩制动装置虽然能够达到安全制动限速的目的，但没有对制动抵消的位能或动能转化储存，相反地增加了发动机的磨损。目前发展中的电动车虽然能够进行转化储能，但一般都是通过发电机发电进行电力驱动，或外接电源将电能转化充电应用或直接转化成机械能应用，亦无将上述能量进行充分转化备用的机构，其技术未在机动车辆上普遍实施。

本发明所提供的设计方法目的是使机动车辆浪费能量充分转化应用和储存备用，也可外输电能转化储存备用，并可向外供应电能或气压能，并通过灵活操作，利用储能牵阻进行制动限速、利用储能帮助或代替发动机进行牵引工作或其它工作，使车辆经济性、动力性、安全性、实用性等增强。

为达到上述目的，本发明从车辆传动系人手，联系制动，主要将车辆应该转化储存的能量转化成电能或气压能储存备用，再将储备的电能(蓄电池的化学能)或气压能转化成机械能进行应用(主要进行牵引或助力)。应该转化储存备用的能量有：空闲发动机能量、制动抵消的动能或位能以及外输电能，其中主要是制动抵消的位能或动能，其次是空闲发动机能量，再其次是外输电能。本发明按照转化储存的能量类别分为电转化储能应用方法和气转化储能应用方法以及电、气综合转化储能应用方法；按照取力传动方式又分为I、II、III型。

电转化储能应用方法即：在发动机与传动机构之间设计储能取力传动机构，配套装配发电机③、整流调节机构、多用插接器、储能电池、助力电机等，通过取力传动机构灵活充分地取得空闲发动机能量及制动抵消的位能和动能，传动发电机运转，发电机发出的电能通过整流调节机构整流调节后，一少部分供应用电设备用电，大部分由储能电池转化成化学能储存起来(即充电)。也可以插接外线向外供电或给储能电池充电备用。储能电池的电能主要利用起来进行牵引助力，即向助力电机供电，其次是在发电机不发电或发电弱时向其它用电设备供电，如照明、起动、鸣号等。车辆的牵引力主要是靠发动机供给，电动机选择性地进行牵引或助力。

气转化储能应用方法即：通过储能取力器将储能动力充分取得，传动储能压缩机⑥运转，将应该进行转化贮存的机械能充分转化成气压能，通过储能贮气机构贮存，贮存的气压能一部分供应制动、起动、气喇叭等用气设备用气，大部分供应气压牵引助力器用气，进行牵引助力工作，将通向助力器的高压气流通过发动机散发的热量进行加热增压，并在柴油车上设计出对气压牵引助力器的排气进行再利用的压缩空气进气增压装置。

一般在轻型机动车辆上只进行电转化储能应用设计，在大型车辆上(有气压制动的)既有电转化储能应用设计，也有气转化储能应用设计，即电、气综合转化储能的应用设计，取力传动机构取得上述能量既传动发电机运转，也传动压缩机运转，但主要转化储能机件只选择其中一件，而另一件只作为一小附件被取力传动，例如：将发电机作为主要转化储能机件时，则发电机为大功率储能发电机，压缩机只是一般车辆上的低气压(压力不超过8atm)小型压缩机；将压缩机作为主要转化储能机件时，则发电机为一般车辆上的小型小功率电源发电机。

I型即：储能取力器和助力器作为一整体，可独立设计安装于发动机离合器和变速器之间；II型即：将储能取力器、助力器安装于变速器右侧，与变速器连为一体；III型即：将取力器独力设置于发动机离合器和发电机之间，将助力器设制于变速器右侧。

无论哪种设计类型，机动车辆转化储能应用的设计都由取力传动系统、转化储能系统、储能应用系统三大模块组成。

一、取力传动系统包括上述I、II、III型取力传动机构，关于三型的具体设计在本人专利申请“汽车储能取力传动新装置”(0010)说明书中有详细说明。

二、转化储能系统包括电转化储能机构和气转化储能机构。

电转化储能机构由发电机、整流调节机构、插接器、导线、蓄电池等构成，其中电源发电机或储能发电机的传动方式，以及储能发电机和储能电池组的增设情况及其发电量、容电量等技术参数的确定以及储能电池组就车充电设计属于本发明新颖范畴，其它结构构造方面不属于本发明范畴。即：在本发明中，电源发电机以及部分汽车上的转向油泵、真空助力泵等附件都是通过储能取力器取力传动的，这样便于节油、储能，并不是象以前安装在发动机上传动，增加发动机自身负荷，且不便在运行中停机节能；从前在汽车上根本不存在储能发电机和储能电池组，而汽车在运用中确实存在大量浪费能量需要进行转化储存再利用，这就必须设置储能发电机和储能电池组。储能发电机通过储能取力器取力传动，将应该进行转化储存的机械能(空闲发动机能量、制动抵消的位能和动能)充分转化成电能，电能通过整流调节电路输入储能电池组，转化成化学能储存起来(充电)；储能发电机与电源发电机的主要区别是发电功率不同，即在同一辆车上，储能发电机发电功率比电源发电机功率要大得多；电源发电机一般将外壳通过螺栓螺母(或螺钉)固定在储能取力器壳体上适当位置，通过花键套合或齿轮啮合传动；储能发电机一般被固定在车架上适当位置，与储能取力器通过万向轴连接传动或通过万向接盘连接传动。储能发电机可以是交流发电机，也可以是直流发电机，输出电压一般为220V或380V，功率一般在1000瓦以上，额定电流一般高于40安。在同一辆车上，储能电池组的容量比电源蓄电池的容量大；储能电池组一般由多人蓄电池通过串、并联构成；在储能发电机至储能电池组之间设计整流调节电路，使储能发电机发电时向储能电池组充电，也可以通过就车插接日常照明和工业用电向储能电池组充电。进行电转化储能应用设计的车辆上可以取消原结构中的电源发电机和电源蓄电池，而将储能发电机和储能蓄电池作为汽车电气设备中的电源，在进行电路设计时，要保证低压用电电压(24伏的起动电机除外、助力电机除外)为6伏或12伏，用电电流不能超过各电器设备中的额定电流。

气压转化储能机构由储能压缩机和储能贮气机构构成。储能压缩机是大中型汽车上进行储能工作和牵阻工作的主要执行机件之一，是根据汽车本身提供的技术参数确定出被传动扭矩、吸气量、终压、功率等后设制的，一般为多缸、多级空气压缩机，它能将汽车上应该进行转化储存再利用的机械能尽量充分地转化成压缩空气的气压能以便储存备用。终级排气压力在20atm以上。储能贮气机构是根据汽车本身所提供的一些技术参数确定出终压和最大贮存容量后设置的，它主要由输气管道、贮气筒以及对压缩空气进行降温、油水分离、检测、调控等机件组成，它能将储能压缩机排出的压缩空气进行安全合理地应变贮存备用，它的主要存气机件是高压贮气筒，大、中型汽车上还设置有低压贮气筒，低压贮气筒的压缩空气是由高压贮气筒补充的。

关于气转化储能机构的具体设计在“汽车气压储能新装置”(991165373)公开说明书中有详细说明，下面主要补充说明电转化储能机构的设计。

为了充分转化能量，本发明中所述储能发电机是专门转化车辆机械能的发电机，故应比现代机动车辆上装配的电源发电机功率大、电压高、电流强，多为三项交流发电机，少数微型车辆(如轻便摩托车、助力车等)可以为单相交流或直流发电机。储能发电机由取力传动机构灵活取力传动，既可通过发动机传动，也可通过车辆行驶的反传动力传动；功率及转速应与对应发动机匹配，功率匹配比一般为1∶1.6，转速匹配比一般为1∶1，转速不一致时可通过取力器中齿轮变速传动。为达到一车多用和就车接线充电目的，储能发电机输出电流多为三相交流，输出电压一般为380伏或220伏。发电机励磁方式多为谐波励磁和直流励磁，少数可为相复励磁、晶闸管励磁。

为了将储能发电机发出的高压交流电转变为低压直流电，便于通过储能电池转化储存和用电设备应用，在储能发电机到储能电池之间必须设计完好的整流调节机构，整流调节机构一般由励磁调节器、变压器、整流器等构成。励调节器即通过调节励磁电流，在一定转速范围内，将发电机输出电压限定在规定值范围内，规定值约为380伏或220伏。励磁调节器一般有触点式调节器、半导体式调节器、可变电阻调节器等。不论哪一种调节器，其基本原理都是以发电机转速为基础，通过调整发电机的励磁电流，以保持发电机的输出电压恒定。变压器即借助电磁感应作用，将发电机发出的电压降低，以便整流充电及用电设备元件承受。整流器是利用硅二极管的单向导电性，将交流转换为直流，以便充电和应用。

为方便车辆向外供电和利用日常用电给车辆充电，发电机与整流调节机构之间应设置多用插接器，插接器上有发电机插孔、外线插孔、整流变压插孔，可根据具体情况灵活插接。另外通过直流励磁的发电机还应有励磁开关或插接器。

储能电池是专门转化储存电能的装置，一般由多个6伏或12伏蓄电池通过串并联构成。蓄电池多为起动型铅蓄电池，也可以是碱性电池。

三、应用储能系统包括应用储电机构和应用储气机构。

应用储电机构中储电牵引助力装置属于本发明，其它不属于本发明范畴，应用储气机构中高压(压力在10kgf/cm2以上)用气属于本人发明范畴，低压(压力在10kgf/cm2以下)用气不属于人发明范畴。但关于高压用气本人在“汽车高压用气新装置”(991165845)的公开说明书中有详细说明。下面主要说明储电牵引助力装置。

电牵引助力装置由电动机、传动机构、操纵机构三部分组成。进行助力的电动机称为助力电机，其为直流电动机，工作时供电电源是储能电池，工作时的电压、电流应与储能电池供给的电压、电流配对，转速应与车辆传动系配对。这样，根据具体车辆的设计参数，可以选配合型号的直流电动机。助力电机主要机件基本上和起动机相似，它与起动机的主要区别是：助力电机能较长时间运转做功，而起动电机不能长时间运转做功。具体技术数据和技术参数由具体车型而定；励磁方式多为串励或复励，少数为并励。其控制机构一般只要求有起动控制、调速控制和制励控制，也可有正反转控制(变速器有倒档的可以不需要)；起动控制一般采用串电阻控制，制动控制一般采用耗能制动控制，调速控制一般采用电枢回路串电阻调速或改变励磁磁通调速或安装无极机械变速机调速，正反转控制多采用磁场反接法实现。储电总开关与助力按钮都安装在驾驶室中，结构与电源开关、起动按钮相同，助力按钮可以安装在加速踏板附近某一位置，便于与加速踏板一起操作。传动机构包括传动连接件及齿轮啮合机构、离合器等。传动连接件即从电动机电枢轴动力输出端到齿轮啮合机构之间的连接轴件，一般为万向传动轴或万向接盘；齿轮啮合机构及离合器合称为电动助力器，其一般安装在取力器或变速器的取力窗孔上，由单向离合器和传动拨叉及主、从动齿轮等以及相应操作机构构成。传动拨叉、齿轮等的结构及工作情况都比较简单。驱动齿轮安装在助力轴上，助力从动齿轮安装在取力器二轴或附加中间轴上，驱动齿轮与从动齿轮的啮合方式也可与起动啮合一样进行电磁操作强制啮合，离合器的作用是传递电动机转矩进行牵引助力或牵引，而在解除助力或牵引后自动打滑，以免影响传动效率和保护电机，其结构型式可采用汽车起动机上的滚柱式、弹簧式等，也可采用其它形式的结构。操纵机构即开关，有机械操纵式和电磁操纵式两类，其作用是用来连通和切断电动机与储能电池之间的电路，其结构也与车用起动机操纵机构基本相同。电牵引助力装置不仅可以对车辆进行牵引助力，还可以在发动机上的电起动装置工作不良或不能工作时，作为起动装置使用。在脱离发动机的储能变速换挡时，还可配合副离合器或储能制动操作，实现“空加速”(与“加空油”相似)以方便挂档，避免齿轮撞击。

本发明与现有机动车辆设计技术相比所具有的优点在于能克服现代机动车辆普遍存在的十二大弊病：1、改空闲发动机能量白浪费情况为有效转化储存再利用情况，达到节约能源目的；2、改制动消能为制动储能，主要将下坡运动中的大量递减位能转化储存备用，其次是制动抵消的动能，这样既经济又安全；3、将附设传动件(发电机、压缩机、转向油泵等)从发动机上迁移到传动机构传动，能降低发动机自身运转负荷，便于节约能源和储能，且传动效果好，故障率低；4、改无储能制动装置为有储能制动装置，减轻发动机和刹车机件磨损，延长使用寿命，改善机件磨损经济性；5、改下坡运行中固有的不安全制动为安全制动，即改以发动机牵阻配合刹车制动的制动方法为以储能制动⑦为主的制动方法，能减少刹车使用情况、减轻刹车负荷、减少刹车机件磨损、预防并保险刹车失灵情况，从而使车辆运行安全性得到大力加强和改善，降低山区交通事故发生率；6、改无辅助牵引装置为有辅助牵引装置，既能转化储存能量充分发挥有利作用，又能降低发动机使用负荷、节约燃料、延长使用寿命，并增大牵引力，加强动力性，提高平均运行速度，缩短运输工作时间，解决起步难、爬坡难、引机出现故障不能自救等问题；

7、改无副起动装置为有副起动装置，解决一些起动难问题；8、改柴油发动机上无压缩空气增压装置为有压缩空气增压装置，使柴油车在进行气压辅助牵引时(主要是爬坡)一同改善柴油发动机的动力性、经济性和排烟度，解决柴油车大负荷工作时污染性严重的问题；9、改一车一用为一车二用，使车辆向多用化方向发展；10、改电气设备中无备用电源为有备用电源，实行电源故障自救；11、改无发动机散发热能转化为机械能的装置为有发动机散发热能转化为机械能的装置，即使发动机在较大负荷工作时，其温度得到大力降低，工作性能得到增强，又能使通向气压牵引助力器的高压气流得到增压进行更有效的牵引助力工作；12、改不经济、不合理结构为经济合理结构，即：取消原结构中电源——发电机、蓄电池，而以储能发电机和储能蓄电池所代替；取消部分车辆上的原装压缩机而以储能压缩机所代替；增设储能取力传动机构和电动助力装置代替原传动结构；取消部分山区汽车增设的制动鼓淋水冷却装置，取消发动机排气制动和压缩制动等等。

名词注释：位能①——也叫重力势能，是车辆运行中与相对位置高度有关的能，位置高度指相对海拔高度差。车辆的位能等于车辆所受重力跟相对位置高度乘积，它是现代车辆上消费最多的一种能量。

动能②——车辆由于运动而具有的与速度有关的能，其大小等于车辆总质量跟速度平方乘积的一半，它是车辆制动时消费的一种能量。

空闲发动机能量③——发动机在无负荷时输出的能量或负荷较小时输出的多余能量。

外加能量④——通过车外电源设备供应的能量。

发电机⑤——包括机动车辆上原配为电源的电源发电机和增设的专门进行转化储能的储能发电机。

储能压缩机⑥——机动车辆上增设的专门进行转化储能工作和储能牵阻工作的压缩机。其功率及终压比现代车辆上安装的压缩机大得多。

储能制动⑦——车辆在制动过程中，将其本身所具有的动能或位能产生的反传动力通过储能取力装置取得传递给转化储能机构，通过转化储能机构的运转阻力达到制动效果的制动方法。

下面根据附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明总设计示意图。

图2、3为本发明中储能电池联接方法示意图。

图4为本发明中一种电路设计示意图。

图1至4中：1.发动机2.附件(电源发电机、压缩机、转向油泵、空调压缩机等)3I、3II、3III.取力器4.变速器5.气助力器6、6III.电助力器7.助力电机8.储能发电机9.储能电池组10.其它用电设备(照明、起动、点火、鸣号等)11.储能压缩机12.储能贮气机构13.其它用气设备(制动、鸣号等)14.驱动轮15.其它传动机件(传动轴、减速器、分动器等)16.限流器17、21.熔断器18.低压用电设备19.电流表20.控制器22.调节器23.插接器24.变压器25.插座26.整流器K1、K2、K3.开关  SB1、SB2、SB3.按扭  U高.高电压  U低.低电压。

图1中：

表示两装置或部件相连接，并可单向传递动力；

表示两装置或部件相连接并可相互传递动力；

表示电能供应方向；

表示压缩空气供应方向。

图1为本发明中各种设计方法示意图：即电、气、电气综合以及I、II、III型转化储能应用设计方法，在I、II型取力传动设计中可以进行电转化储能应用设计，也可以进行气转化储能应用设计；III型取力传动设计只能进行电转化储能应用设计。

I型设计中，取力器3I设计在发动机1和变速器4之间，其可取得发动机动力以及车辆行驶的反传动力，传动储能发电机8或储能压缩机11以及必要附件2。储能发电机8发出的电能向储能电池组9供应，由9转化成化学能储存。储能电池蓄存的电能主要向助力电机7供电，使7产生动力通过电助力器6进行牵引助力工作，其次向其它用电设备10供电。电助力器6设计在取力器3I上，其可将助力电机7的动力取得，通过取力器3传递给变速器4进行牵引助力工作。储能压缩机11产生的高压空气由储能贮气机构12储存，大部分供应气压牵引助力器5用气进行牵引助力工作，少部分用于其它用气设备13进行其它工作(如制动、鸣号、起动、自卸等)。并将通向助力器5的高压气流通过发动机1散发热量进行加热增压，将助力器5排出的尾气对发动机1(只适用于柴油机)进行进气增压。

II型设计中，取力器3II设计在变速器4侧面取力窗孔上，其同样可以取力传动上述各机件运转。其它设计与I型是同样的。

III型设计中，取力器3III设计在储能发电机8的前端，与储能发电机8连为一体安装于发动机1和变速器4之间，其可将发动机1的动力取得直接传动变速器4进行牵引工作，也可传动储能发电机8进行转化储能工作，还可使发动机1与其后面的传动机件传动路线切断，使车辆的反传动力传动储能发电机8运转进行转化储能或储能制动。电助力器6III设计在变速器4侧面取力窗孔上，其可将电动机7的动力取得传递给变速器进行牵引助力工作，上面还可安装传动必要附件2。电能供应情况同I型所述。

如图1所示，发动机的动力可以经传动机构正向传递驱动轮14进行牵引，但汽车利用惯性动能或位能运行时，驱动轮14将产生动力，经传动机构逆向传递给发动机。因此，车辆下坡运行时可以利用发动机1牵阻，本发明正是利用这一原理而设计的。即本发明的主要目的是将车辆下坡运行时由驱动轮14产生的反传动力取得进行转化储能备用和制动工作。

图2和图3表示电转化储能应用中的储能电池两种联接方法。图2是将每两个12V(或6V)蓄电池并联后再串联，称作H型；图6是将整个电池串联，称作串联型。将两种联接方法相比较可以看出：H型联接储电较多，总容量大，放电时间长，如其中有个别电池损坏断路，对整个电池的充、供电影响不大，但蓄电池数量太多，整个电池占车辆灌注容量大，供电电流太强；串联型联接储电较少，总容量较小，放电时间较短，如有个别电池损坏断路，将影响整个电池的充、供电情况，但这种联接方法能减少车辆上蓄电池数量，缩小其灌注容量，减轻车辆自重，且供电电流适当。在机动车辆上既可选择H型联接，也可选择串联型联接，也可根据具体情况自由选定或者改用其它联接方法。

图4为车辆电转化储能应用设计的一种电路设计实施示意图。在电转化储能应用设计的车辆上，储能电池9和发电机8输出的电压一般都高于起动、照明、信号等用电设备额定电压，称为高电压U高，此电压只适于助力电机7用电，在汽车上U高＞24V；其它用电设备承受的额定电压称为低电压U低，U高＞U低，相应用电设备称为低压用电设备18，一般U低＝6或U低＝12V或U低＝24V。如图4所示，一般取靠储能电池组11负极尾端一至二节电池作为低压用电设备18的电源，为了防止相应电池出现故障断路或其它原因造成低压电路出现高电流、电压烧毁低压用电设备18，一般要求在低压总电路中装配开关K1或K2、限流器16、熔断器17。

如图4所示，将储能电池9与发电机电路、电动机电路并联，在储能电池9到发电机电路、电动机电路的总干路上设置开关K3、电流表19，开关K3用以断开或接通储能电池9与发电机8、电动机7之间的电路；电流表19用以显示储能电池9充、放电情况，在发电机电路和电动机电路的支干路上装配熔断器21，用以防止电流过大烧毁部分电器，起保险作用；在发电机励磁电路上并联装配调节器22，调节器22可选用晶体管调节器和集成电路调节器或可变电阻调节器，用以调节发电机8的励磁电流，从而调节发电机输出电压，保持恒定；发电机8开始发电时采取储能电池9励磁，即他励，当发电机8电压达到储能电池9的电压时转为自励；发电机8发出的电多为三相交流电，将其三线插接在插接器23上，向变压器24供电，还可以向外供电；通过插接外线可以利用日常三相电向变压器24供三相交流电，供电时应将发电机三线插头抽开；变压器24可使输入的三相交流电电压降低，便于整流器26和储能电池9、电动机7承受；整流器26为硅管桥式整流器，其作用是将变压器输出的交流电变为直流电，以便向储能电池9充电和向电动机7及其它用电设备18供电；电动机电路必须并联控制器20，控制器20上有多个控制按钮，一般有起动按钮SB1、停止按钮SB2、调速按钮SB3，还可设置反转按钮SB4。通过操作，可以对电动机6进行起动、调速、停止、反转等。