技术领域
[0001] 本
发明涉及动
力系统领域，尤其涉及一种增程式电动汽车的发电机系统。
背景技术
[0002] 现代汽车工业的飞速发展极大改变了人类的生产和生活方式，其不仅提升了人类的生活品质，而且成为推动经济和社会发展的非常重要的支柱行业之一。然而，由于
燃料、燃烧方式和运行工况等的制约，以
内燃机为动力核心的汽车工业也给现代社会带来了一系列严重问题，如
能源危机、
气候变暖和环境污染等。尤其是环境污染，由汽车尾气排放造成的高企的PM2.5等污染物已严重威胁人类健康，成为制约汽车工业进一步发展的重要桎梏。如何破解这一难题成为摆在政府、企业和学术机构面前的一个重要课题。
[0003] 以电动汽车为代表的新能源汽车由于兼具环保和节能特性，成为破解上述难题的一个重要技术路径。而在电动汽车技术领域，增程式电动汽车技术由于结构简单、续航里程长而备受关注，被认为是清洁能源汽车大规模商业化的首选技术。简要地说，增程式电动汽车是指在纯电动汽车的
基础上增加一增程模
块，当动力
电池的电量充足时，汽车以纯电动模式行驶；当动力电池的电量不足时，增程模块开始工作，给动力电池充电或者为车辆提供辅助动力，从而大幅提升电动汽车的续航里程。由于增程式电动汽车可使
发动机始终工作在最佳稳定区，因此可以有效降低汽车的油耗和尾气排放。
[0004] 虽然增程式电动汽车发展前景广阔，但是传统技术方案仍存在较大局限性。图1是增程式电动汽车系统结构示意图，其包括以下组件：外部充电器、第一功率转换器、动力
蓄电池、
控制器、
驱动电机、机械传动机构、发动机、发电机和第二功率转换器。其中，发动机、发电机和第二功率转换器组成了増程器单元。传统技术方案中，发动机采用
汽油发动机。虽然通过参数匹配和控制策略优化等手段可使
汽油发动机工作在稳定区，相比传统汽油发动机提供全部动力的汽车具有较低的油耗和尾气排放，但其内燃机的特性决定了其在效率、燃料适用性、可靠性和环保等方面存在不足，无法充分体现增程式电动汽车的优势。
发明内容
[0005] 本发明目的在于提供一种增程式电动汽车系统，其采用热声发电机作为
增程器单元中的发电机向动力蓄电池输出
电能，以克服
现有技术中的上述不足。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 本发明提供的采用热声发电机的增程式电动汽车系统，其由动力蓄电池系统、动力输出系统和增程器单元组成；
[0008] 所述动力蓄电池系统由依次连接于外部充电器的第一功率转换器和动力蓄
电池组成；所述动力输出系统由依次连接于所述动力蓄电池的控制器、驱动电机和机械
传动系统组成，所述机械传动系统与电动
汽车轮胎相连以驱动电动
汽车轮胎；
[0009] 所述的增程器单元由热声发电机和第二功率转换器组成；所述的热声发电机由自由
活塞斯特林发电机、
燃烧器系统和室温
散热回路组成；
[0010] 所述燃烧器系统由
燃烧室、燃料输送管道、燃料控制
阀、进气扇、进气管、排气管、逆流换热器和
燃料箱组成；所述燃料箱通过燃料
控制阀和燃料输送管道与燃烧室相连通为燃料箱提供燃料；所述进气管和排气管分别安装于所述燃烧室上端，并分别与所述逆流换热器相连通；所述进气扇安装于所述逆流换热器外侧；
[0011] 所述自由活塞斯特林发电机由自由活塞
斯特林发动机与直线振荡电机耦合而成，所述自由活塞斯特林发动机的膨胀腔、吸热端内部换热器和放热端外部换热器置于所述燃烧室之内；
[0012] 所述室温散热回路由依次相连的进
水管、水量控制阀、水
泵、
散热器和出水管，以及设于所述散热器一侧的
风机组成；所述进水管和出水管的另一端分别连接于所述自由活塞斯特林发动机的放热端换热器；
[0013] 所述第二功率转换器一端与自由活塞斯特林发电机相连，另一端与动力蓄电池相连。
[0014] 所述燃烧器系统的燃料箱内的燃料为汽油、
天然气或者
生物质燃料。所述燃料箱的体积可根据续航里程而定，如采用汽油为燃料的1.6升
排量汽车，其燃料
箱体积小于60升。
[0015] 所述自由活塞斯特林发动机属于热声
热机范畴，其内的工质为高压氦气或者高压氮气，充气压力可从几兆帕到十几兆帕不等。
[0016] 所述的自由活塞斯特林发电机由直线对置布置的两个独立的自由活塞斯特林发电机构成。
[0017] 所述的自由活塞斯特林发动机的组成如下：由依次装于发动机缸体内壁上的环状或柱状吸热端换热器、环状或柱状
回热器和环状或柱状放热端换热器，装于所述发动机缸体内壁上的环状或柱状吸热端换热器、环状或柱状回热器和环状或柱状放热端换热器构成的腔体内的由排出器主体和与排出器主体相连的排出器中心杆构成的排出器，所述排出器主体位于所述的腔体内；所述环状或柱状放热端外部换热器13裝于环状或柱状吸热端换热器对应的发动机缸体外壁上；
[0018] 所述的直线振荡电机的组成如下：裝于与所述发动机缸体相连通的电机缸体远端电机背腔之内的排出器
弹簧，所述排出器弹簧与排出器中心杆相连；依次裝于所述电机缸体之内的排出器弹簧里侧的排出器中心杆外周的动力活塞和电机动子及电机
定子，动力活塞由活塞塞体和活塞隼部，所述活塞隼部靠近排出器弹簧并与排出器弹簧相连；
[0019] 所述排出器与发动机缸体的内顶端构成膨胀腔，所述排出器与所述动力活塞之间形成压缩腔；所述排出器在所述膨胀腔和压缩腔作往复直线运动；所述动力活塞在压缩腔内作往复直线运动。
[0020] 所述的直线对置布置的两个独立的自由活塞斯特林发电机的压缩腔11之间通过一根声
导管31相连通。
[0021] 所述自由活塞斯特林发电机由一个自由活塞斯特林发动机和两个对置式直线振荡电机构成；两个直线振荡电机呈直线对称布置且相互连通，自由活塞斯特林发动机1与两个直线振荡电机之间采用一个T型三通管相连通。
[0022] 两个直线振荡电机分别接于T型三通管相对的两侧，而自由活塞斯特林发动机则接于T型三通管的第三侧。
[0024] 所述发电机缸体采用
碳纤维材质或
钛合金材质。
[0025] 本发明的散热器55可与汽车的
热泵系统相连，用于向车内人员供暖；所述的第二功率转换器用于匹配自由活塞斯特林发电机与动力蓄电池和驱动电机。
[0026] 所述的平面支撑弹簧不仅提供排出器往复运动所需的回复力，而且还起着调节回热器内声场
相位的作用；本发明的两个直线对置式布置的自由活塞斯特林发电机的压缩腔之间通过一根细长的声导管相连，用于平衡压力和减少震动；该平衡和减震作用亦可用一根细长管连接两个直线对置式布置的自由活塞斯特林发电机的背腔来实现；
[0027] 本发明的自由活塞斯特林发电机可由一个自由活塞斯特林发动机1和两个对置式直线振荡电机构成；两个直线振荡电机呈直线对称布置且相互连通，自由活塞斯特林发动机与两个直线振荡电机之间采用一个T型三通管相连；所述自由活塞斯特林发动机包括缸体、设在缸体内的排出器和固定底座，排出器与缸体第一端之间形成膨胀腔，排出器与固定底座之间形成压缩腔。排出器外侧的圆周空间中还设有吸热端内部换热器、回热器和放热端换热器。所述固定底座一般为T型结构，其边缘与缸体连接，其中心
连接杆则固定平面支撑弹簧；所述平面支撑弹簧不仅提供所述排出器往复运动所需的回复力，而且还起着调节所述回热器内声场相位的作用。
[0028] 所述直线振荡电机为动
铁式、动磁式或动圈式结构，其包括电机定子和电机动子等，电机的动子和定子由线圈、铁芯和
永磁体等结构组成；所述电机动子可采用平面板弹簧或者气浮
轴承支撑。电机动子在往复运动过程中切割
磁力线，将机械能转化为电能。
[0029] 本发明的特点在于：受益于声谐振特性，本发明的自由活塞斯特林发动机内部无机械传动机构和油润滑装置，因而具有振动小，结构简单和可靠性高等突出优点，其工作寿命可达几万小时以上，极大地降低了维护成本；采用氦气或者氮气作为工质，具有绿色环保的特点；本发明不仅可采用传统汽油作为燃料，亦可采用天然气、氢气或者生物质等作为燃料，具有燃料适用性广的优点，并且通过燃烧器方式可使燃料获得充分燃烧，有效减少污染物的排放；本发明的采用热声发电机的增程式电动汽车系统在增程式电动汽车领域具有显著的应用前景，有助于充分体现增程式电动汽车的节能、环保的突出优势。
附图说明
[0030] 图1为现有增程式电动汽车结构示意图；
[0031] 图2-1和图2-2为本发明的采用热声发电机的增程式电动汽车结构示意图；
[0032] 图3是本发明
实施例1的直线对置式布置的自由活塞斯特林发电机结构示意图；
[0033] 图4是本发明实施例2的T型布置的自由活塞斯特林发电机结构示意图；
[0034] 图5本发明实施例1的直线对置式布置的自由活塞斯特林发电机工作原理示意图；
[0035] 图6是本发明实施例2的T型布置的自由活塞斯特林发电机工作原理示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图及实施例进一步描述本发明，但所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的
权利要求，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037] 实施例1
[0038] 图2-1和图2-2是本发明的采用热声发电机的增程式电动汽车结构示意图；图3是实施例1的直线对置式布置的自由活塞斯特林发电机结构示意图；由图2-1、图2-2和图3可知，本发明的采用热声发电机的增程式电动汽车，其由动力蓄电池系统、动力输出系统和增程器单元组成；
[0039] 动力蓄电池系统由依次连接于外部充电器的第一功率转换器和动力蓄电池组成；动力输出系统由依次连接于动力蓄电池的控制器、驱动电机和机械传动系统组成，机械传动系统与电动汽车轮胎相连以驱动电动汽车轮胎；
[0040] 所述的增程器单元由热声发电机和第二功率转换器组成；热声发电机由自由活塞斯特林发电机、燃烧器系统和室温散热回路组成；
[0041] 燃烧器系统由燃烧室41、燃料输送管道42、燃料控制阀43、进气扇44、进气管45、排气管46、逆流换热器47和燃料箱48组成；所述燃料箱48通过燃料控制阀43和燃料输送管道42与燃烧室41相连通为燃料箱48提供燃料；所述进气管45和排气管46分别安装于所述燃烧室41上端，并分别与所述逆流换热器47相连通；所述进气扇44安装于所述逆流换热器47外侧；
[0042] 自由活塞斯特林发电机由自由活塞斯特林发动机1与直线振荡电机2耦合而成，所述自由活塞斯特林发动机1的膨胀腔11、吸热端内部换热器12和放热端外部换热器13置于燃烧室41之内；
[0043] 室温散热回路由依次相连的进水管51、水量控制阀53、水泵54、散热器55和出水管52，以及设于散热器55一侧的风机56组成；进水管51和出水管52的另一端分别连接于自由活塞斯特林发动机1的放热端换热器16；
[0044] 第二功率转换器一端与自由活塞斯特林发电机相连，另一端与动力蓄电池相连。
[0045] 动力蓄电池系统作为辅助手段，其动力蓄电池可通过外部充电器而采用市电充电；动力输出系统的控制器与动力蓄电池电连接，并由动力蓄电池供电；动力蓄电池通过控制器将电能输出供给驱动电机，并由与驱动电机相连的机械传动机构输出动力至汽车车轮；
[0046] 本实施例的自由活塞斯特林发动机1采用环形结构，其组成是：由依次装于发动机缸体15内壁上的环状吸热端换热器12、环状回热器14和环状放热端换热器16，装于发动机缸体内壁上的环状吸热端换热器12、环状回热器14和环状放热端换热器16构成的腔体内的由排出器主体和与排出器主体相连的排出器中心杆18a构成的排出器18，所述排出器主体位于所述的腔体内；所述环状放热端外部换热器13裝于环状吸热端换热器12对应的发动机缸体15外壁上；
[0047] 当然，本发明的自由活塞斯特林发动机1也可采用
管束结构；
[0048] 回热器14内填充多孔材料，通常为不锈
钢丝网、
不锈钢纤维毡或者随机丝绵；本实施例的回热器14内填充不锈钢丝网(当然也可充填不锈钢纤维毡或者随机丝绵)[0049] 本实施例的电机动子的支撑采用平面板弹簧(当然也可采用气浮轴承方式)。
[0050] 本实施例的两个直线对置式布置的自由活塞斯特林发电机相互独立，因此以左侧的单个发电机为例给出其基本工作过程；自由活塞斯特林发电机的工作过程由若干个循环周期构成，每一个循环周期可分为图5所示的a-b，b-c，c-d和d-a共4个过程，具体如下：
[0051] a-b过程：动力活塞23从左止点开始与排出器18同时向右运行，使气体在压缩腔17内被压缩，并通过放热端换热器16向外界放热；
[0052] b-c过程：动力活塞23继续向右运行，排出器18向左运行，气体热量从压缩腔17流经回热器14进入膨胀腔11，途中将热量释放给回热器14，气体
温度降低；
[0053] c-d过程：气体在膨胀腔11内，通过吸热端外部换热器13和吸热端内部换热器12从外界吸
热膨胀，使排出器18向左运行，并推动动力活塞23向左运行。此过程中，回热器14将
热能转换为声能(机械能)，并通过气体推动动力活塞23从而使直线振荡电机2的动子22切割磁力线向外界以电能形式输出；
[0054] d-a过程：动力活塞23继续向左运行，排出器18向右运行，气体热量从膨胀腔11流经回热器14进入压缩腔17，途中将热量释放给回热器14，回热器14温度升高，气体温度降低。
[0055] 完成上述一完整循环过程后，热能被转化为机械能，并由动力活塞23带动电机的动子22切割磁力线、向外界以电能形式输出。动力活塞23与排出器18做
简谐振动，后者相位超前于前者。
[0056] 本实施例中，当动力蓄电池容量降低到设定阀值后，由控制器向热声发电机发出启动指令；燃烧器系统首先开启，由燃料箱48出来的燃料与由进气管45进入的新鲜空气充分混合后在燃烧室41处充分燃烧，燃烧产生的大量
辐射热量和烟气热量持续加热自由活塞斯特林发电机的吸热端外部换热器13，该热量传导至吸热端内部换热器12后，随后由热端内部换热器12传递给发电机内部工质。工质在回热器14内将热量转化为声功(机械能)，无法转换的热量和漏热则被放热端换热器16带走，并通过室温散热回路最终由风机56排至外部环境中或被用于车内供热，回热器14产生声功的大部分用于推动动力活塞23和电机动子22发电，剩下的声功则经过放热端换热器16后回到回热器14内继续被放大。
另一方面，烟气在与发电机的吸热端外部换热器13换热后，经过一逆流换热器47将剩余热量传递给由进气管45进入的新鲜空气，最后低温烟气由排气管46排出。发电机工作时，其
外壳亦将产生往复振动，但由于直线对置式布置结构，该振动被完全抑制。此外，由于加工、装配、充气、受热等不一致造成的两台发电机运行的不协调被声导管31完全抑制。自由活塞斯特林发电机产生的电能通过第二功率转换器而对动力蓄电池进行充电，同时亦可根据控制器的指令而将部分电能直接供给驱动电机。
[0057] 基于上述，本发明提供的采用热声发电机的增程式电动汽车，其不仅保留了传统增程式电动汽车的基本特性，更融入了热声发电机的高效、高可靠性、燃料适用性广和绿色环保等突出优点，有利于充分体现了增程式电动汽车作为替代传统内燃机汽车的巨大优势。
[0058] 实施例2：
[0059] 图4是实施例2提供的T型布置的自由活塞斯特林发电机结构示意图。如图4所示，所述的自由活塞斯特林发电机，其由一个自由活塞斯特林发动机1和两个对置式直线振荡电机2构成；两个直线振荡电机呈直线对称布置且相互连通，自由活塞斯特林发动机1与两个直线振荡电机2之间采用一个三通管相连；两个直线振荡电机位于T型管正对的两侧，而自由活塞斯特林发动机则位于与之垂直的另一侧。自由活塞斯特林发动机包括缸体15、设在缸体内的排出器18和固定底座110，排出器18与缸体15第一端之间形成膨胀腔
11，排出器18与固定底座110之间形成压缩腔17。排出器18外侧的圆周空间中还设有吸热端内部换热器12、回热器14和放热端换热器16。所述固定底座110一般为T型结构，其边缘与缸体15连接，其中心连接杆则固定平面支撑弹簧19。所述平面支撑弹簧19不仅提供所述排出器18往复运动所需的回复力，而且还起着调节所述回热器内声场相位的作用。
[0060] 所述自由活塞斯特林发动机1正对的T型管的底部可装有主动或者被动振子以完全抵消排出器18往复运动引起的发动机壳体振动。
[0061] 所述固定底座110的底部还开有连通孔，以保证被底座隔开的腔体相互连通，材料通常为不锈钢或者
铝合金。
[0062] 所述吸热端内部换热器12、回热器14和放热端换热器16可以采用环形结构，亦可采用管束结构。
[0063] 所述回热器14内填充多孔材料，通常为不锈钢丝网、不锈钢纤维毡或者随机丝绵。
[0064] 所述直线振荡电机2主要包括电机定子21和电机动子22等。具体形式可以是动磁式电机(永磁体位于电机动子上)，动铁式电机(铁芯在动子上)，也可以是动圈式电机(线圈位于电机动子上)；所述电机动子22的支撑可采用平面板弹簧或者气浮轴承方式。
[0065] 本实施例的T型布置的自由活塞斯特林发电机的工作过程由若干个循环周期构成，每一个循环周期可分为图6所示的a-b、b-c、c-d和d-a共4个过程，具体如下：
[0066] a-b过程：左侧电机的动力活塞23从左止点开始向右侧移动，右侧电机的动力活塞从右止点开始向左移动，排出器18同时上行，使气体在压缩腔17内被压缩，并通过放热端换热器16向外界放热；
[0067] b-c过程：左侧电机的动力活塞23继续向右侧移动，右侧电机的动力活塞继续向左侧移动，排出器18同时下行，气体热量从压缩腔17流经回热器14进入膨胀腔11，途中将热量释放给回热器14，气体温度降低；
[0068] c-d过程：气体在膨胀腔11内，通过吸热端外部换热器13和吸热端内部换热器12从外界吸热膨胀，使排出器18下行，并推动左侧电机的动力活塞23向左侧移动，右侧电机的动力活塞向右侧移动。此过程中，回热器14将热能转换为声能(机械能)，并通过气体推动两个电机的动力活塞23从而使两个直线振荡电机的动子22切割磁力线向外界以电能形式输出；
[0069] d-a过程：左侧电机2的动力活塞23继续向左移动，右侧电机的动力活塞继续向右移动，排出器18上行，气体热量从膨胀腔11流经回热器14进入压缩腔17，途中将热量释放给回热器14，回热器14温度升高，气体温度降低。
[0070] 完成上述一完整循环过程后，外部热能被转化为机械能，并由动力活塞23带动电机2的动子22切割磁力线、向外界以电能形式输出。动力活塞23与排出器18做简谐振动，后者相位超前于前者。
[0071] 本实施例中，当动力蓄电池容量降低到设定阀值后，由控制器向热声发电机发出启动指令。燃烧器系统首先开启，由燃料箱48出来的燃料与由进气管45进入的新鲜空气充分混合后在燃烧室41处充分燃烧，燃烧产生的大量辐射热量和烟气热量持续加热自由活塞斯特林发电机的吸热端外部换热器13，该热量传导至吸热端内部换热器12后，随后由热端内部换热器12传递给发电机内部工质。工质在回热器14内将热量转化为声功(机械能)，无法转换的热量和漏热则被放热端换热器16带走，并通过室温散热回路最终由风机56排至外部环境中或被用于车内供热，回热器14产生声功的大部分用于推动两个对置布置的直线电机的动力活塞23和电机动子22发电，剩下的声功则经过放热端换热器16后回到回热器14内继续被放大。另一方面，烟气在与发电机的吸热端外部换热器13换热后，经过一逆流换热器47将剩余热量传递给由进气管45进入的新鲜空气，最后低温烟气由排气管46排出。发电机工作时，其外壳亦将产生往复振动，但由于直线振荡电机呈直线对置式布置结构，该振动的大部分已经被完全抑制，剩余的由自由活塞斯特林发动机产生的震动则由附加的主动或者被动振子所抵消。自由活塞斯特林发电机产生的电能通过第二功率转换器而对动力蓄电池进行充电，同时亦可根据控制器的指令而将部分电能直接供给驱动电机。
[0072] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
