增强电动车辆运行的系统及方法

交叉引用

本申请要求于2019年1月9日提交的澳大利亚临时专利申请第2019900068号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种增强电动车辆运行的系统及方法，特别是用于增强此类车辆的最大行驶里程。

为了便于描述，本发明将结合增强电动陆地车辆(例如，客运或商用道路车辆)的运行的系统和方法来描述，但是应当理解，本发明不是仅限于该用途。相反，本发明的系统和方法可用于增强任何合适的电动车辆的运行，包括但不限于：卡车、拖拉机、公交车、飞机和/或船只。因此，除非另有说明，在整个随后的描述中，术语“车辆”或“电动车辆”旨在指代任何人可以通过使用一台或多台电动机或者与一台或多台电动机结合使用的方式旅行或携带或运送某物的任何合适的方式。

背景技术

本说明书中包括对文件、装置、行为或知识的任何讨论来解释本发明的上下文。不应被视为承认在本文公开的优先权日或之前，任何材料构成澳大利亚或其他地方相关技术的现有技术基础或公知常识的一部分。

用于为电动车辆供电的电池的开发正在取得快速进展。电池容量越来越大的电池有望改善连续电池充电停止之间的最大行驶里程的前景，同时缩短充电时间可以最大限度地减少所涉及的延迟。然而，在可预见的未来，相对较短的最大行驶里程可能会阻碍完全接受全电动车辆。

车辆车身，包括电动车辆的车身，旨在最大限度地减少向前行驶过程中车身上方和下方气流阻力的不利影响。然而，车身也被设计为吸入受控气流，例如用于制动器冷却和内部空气调节以及用于加热或冷却的控制。正如在Pena的美国专利第5,680,032号(以下简称“US 5,680,032”)的提案中，还提出了利用风力为电动车辆的电池充电。

在专利US 5,680,032中，提出在电动车辆前进运动期间，空气在车辆前部被捕获并被引导至一个或多个涡轮机。来自涡轮机的空气在车辆侧面和/或后部的低压区域排出。空气的原动力使涡轮机旋转，涡轮机与发电机可旋转地接合以产生电能，该电能用于直接对为车辆供电的电池充电。发电机与飞轮可旋转地接合，用于在车辆前进运动时储存机械能。当车辆减速或停止时，飞轮将其储存的能量释放给发电机，从而使发电机能够继续直接为电池再充电。飞轮使发电机能够为电池再充电提供更稳定和连续的电流。

本发明寻求提供一种布置的替代方案，该布置至少在本发明的优选形式中能够相对于US 5,680,032的提议进一步增强电动车辆的电池的再充电。

发明内容

因此，一方面，本发明提供一种增强电动车辆运行的系统，所述电动车辆具有一个或多个主电池，用于为电驱动马达供电，所述车辆能通过所述电驱动马达驱动，其中所述系统包括至少一个进气装置，所述进气装置设计成可操作以在车辆前进运动或静止时，捕获空气并引导空气从所述进气装置的入口端流至出口端；至少一个涡轮机，定位成与所述进气装置的出口端邻近，使得涡轮机由来自进气装置的出口端的空气流驱动，从而产生第一能级的第一级电能输出；辅助电池组，电连接到涡轮机的电能出口，用于接收和储存由涡轮机产生的第一级电能；第一辅助电动机，所述第一辅助电动机通过电连接到辅助电池组而可驱动以使所述第一辅助电动机的输出轴旋转；第二辅助电动机，具有与第一辅助电动机的输出轴驱动连接的输入轴和能连接到车辆的主电池的输出端子；以及传动装置，将所述输出轴与所述输入轴连接，且用于提供从第一辅助电动机到第二辅助电动机的转速提升，由此第二辅助电动机能被驱动以产生第二能级的第二级直流或交流电能，所述第二能级高于所述第一能级，第二级电能从第二辅助电动机的输出端子提供给车辆的主电池和/或驱动马达。

关于本发明的系统以及贯穿本说明书和权利要求书，应当理解，最便利地，第一级电能是直流电。第二级电能也可以是直流电，在这种情况下，各个能级可以反映各个电压等级。然而，如果需要三相交流电，第二级电能可以包括交流电。此外，该系统提供从第一级电能产生到第二级电能产生的功率提升，并且该提升通过电子或机械控制，优选地，该功率提升不超过容量的95％。因此，第一级和第二级之间的传输能够防止第二级超过其容量的95％。为此，可使用高达1:50的传动比，具体取决于第二级的最大转速。

因此，另一方面，本发明还提供一种增强电动车辆运行的方法，该电动车辆具有一个或多个主电池，用于为电驱动马达供电，电动车辆能通过所述电驱动马达驱动，其中该方法包括以下步骤：在电动车辆处于前进运动或静止时，通过至少一个进气装置捕获空气的进给，并引导空气从进气装置的入口端流至出口端；将至少一个涡轮机设置在进气装置的出口端附近，以使涡轮机被来自进气装置的出口端的空气流驱动，从而使涡轮机产生第一能级的第一级电能，和/或电动车辆的一个或多个车身部件集成或邻近放置一个或多个光伏太阳能电池板，并通过一个或多个光伏太阳能电池板捕获太阳光，从而使一个或多个光伏太阳能电池板产生处于第一能级的第一级电能；通过设置通过电连接到涡轮机的电能出口和/或一个或多个光伏太阳能电池板的辅助电池组，接收和储存由涡轮机和/或一个或多个光伏太阳能电池板产生的第一级电能；利用来自辅助电池组的电力来使第一辅助电动机运转；通过传动装置，利用第一辅助电动机驱动第二辅助电动机，所述传动装置将第一辅助电动机的输出轴与第二辅助电动机的输入轴联接；所述传动装置联接提供从第一辅助电动机到第二辅助电动机的转速提升，由此第二辅助电动机被驱动以产生第二能级的直流或交流第二级电能，所述第二能级高于所述第一能级；以及将第二能级的电能从第二辅助电动机的输出端子供应给所述电动车辆的主电池和/或所述电动车辆的驱动马达。

在本说明书中，对一个或多个电池或电池组的引用旨在包括对任何能量储存装置的引用，包括机械或电气、电容器、化学成分或任何其他合适的能量存储模块或装置。

至少进气装置和涡轮机彼此相邻地放置在电动车辆中适合捕获适当气流的位置。该位置可以且优选地在车辆车身的前隔间内并且定位成便于空气通过涡轮机后排出。由于进气装置和涡轮机位于前隔间内，排出的空气能够从前隔间向下或侧向通过。然而，优选地，空气由进气装置和相关涡轮机在电动车辆的前后方向上引导，优选地在电动车辆的前后方向上基本水平。所述辅助电池组、所述第一辅助电动机和所述第二辅助电动机还可以位于所述进气装置和所述涡轮机附近，但是，所述涡轮机和所述辅助电池组之间的电连接，或辅助电池组和第一辅助电动机之间的电连接的长度可允许其他位置布置。

虽然本发明的系统可以利用单个进气装置，但该系统优选地具有至少两个这样的装置。该进气装置或每个进气装置可将相应的气流传送至至少两个涡轮机，尽管优选地，存在用于从每个进气装置接收单个气流的单个相应的涡轮机。利用两个或更多个涡轮机，每个涡轮机可操作以产生相应的第一级电能输出，每个这样的输出基本处于公共的第一能级。所述辅助电池组可以电连接到每个涡轮机的相应电能出口，用于接收和存储由各个涡轮机产生的第一级总电能。

本发明的系统可以利用与所述涡轮机替代或结合的一个或多个光伏电池板，所述一个或多个光伏电池板与所述电动车辆的一个或多个车身部件集成或以其他方式与一个或多个车身部件邻近设置，用于收集太阳光，一个或多个光伏电池板中的每一个可操作以产生基本上处于公共的第一能级的第一级电能输出，诸如涡轮机产生的电能输出。辅助电池组可以电连接到每个光伏电池板的各自的能量出口，以接收和储存由相应的光伏电池板结合任何相应的涡轮机或替代任何相应的涡轮机产生的第一级的总电能。

传动装置将第一辅助电动机的输出轴与第二辅助电动机的输入轴联接，所述传动装置可以且优选地确实包括齿轮系统，该齿轮系统提供从第一辅助电动机到第二辅助电动机的所需的转速提升。齿轮系统可以包括正齿轮系统，至少当以这样的优选布置设置时：其中第一辅助电动机的输出轴和第二辅助电动机的输入轴彼此平行。正齿轮系统的设置在输出轴上的较大齿轮的齿可以与输入轴上的较小齿轮的齿啮合，各齿轮的齿与轴的轴线平行。然而，斜齿轮布置也是可能的，各齿轮的齿相对于轴倾斜。或者，在适当或方便的情况下，输出轴和输入轴不是平行的，例如相互垂直，可以采用直锥齿轮系统，可以使用几种更复杂的齿轮系统中的一种，但通常不需要。

所述齿轮系统被选择以提供从第一能级的第一级电能到第二能级的第二级电能的所需的转速提升，使得第二能级基本上与主电池的输出能级对应，并且该输出能级是车辆的驱动马达所需的能级。齿轮系统提供的升档传动比可以随本发明系统的其他参数而变化。然而，传动比是实现第二辅助电动机的输入轴的转速与第一辅助电动机的输出轴的转速之比。在不同情况下，比率可以从1:10到1:25或更高，例如从1:15到1:25。

本发明的系统为了增强电动车辆运行，可以包括电路或适于与电路结合使用，所述电路用于将第二能级的第二级电能转换为与电动车辆的电驱动马达兼容的形式或适合向马达供电以补充从主电池向马达供给的电力的形式。因此，所述电路包括充电装置，通过所述充电装置将处于第二能级的第二级电能的直流电和来自车辆主电池的直流电转换成适合供应给电动车辆的主电池的三相交流电，以维持主电池的电能容量，为电动车辆供电。

通过下面的描述，本发明的这些和其他基本和/或优选方面和特征将是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地理解本发明并将其付诸实施，现在应详细描述根据本发明的增强电动车辆运行的系统及方法的优选构造。本说明书仅以非限制性示例的方式给出，并参考附图，其中：

图1为现有技术布置的示意图；

图2为根据本发明的用于增强电动车辆运行的系统的示意图；

图3为电动车辆的平面示意图，该电动车辆结合了图2增强车辆运行的系统；

图4为电动车辆和图3的系统的侧视图；

图5为电动车辆和图3的系统的正视立面图；

图6为包含根据本发明的增强车辆运行的替代系统的电动车辆的前端透视图，该系统可以是图2的系统；

图7显示了根据图3或图6的电动车辆，示出了气流通过车辆的替代布置；并且

图8为与图7相对应，但对通过电动车辆的气流进行了进一步的替代布置。

具体实施方式

以下是参照附图中所示的优选实施例对本发明的详细描述。在详细描述和附图中，相同的附图标记始终指相同的元件。这些元件旨在通过图示的方式示出可实施本发明的具体实施例。应当理解，可以使用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行程序和/或结构改变。

图1的现有技术布置包括一个布置A(1)，该布置A(1)旨在辅助给电动车辆(未示出)供电，电动车辆的电动马达M主要由主电池B供电。布置A(1)包括一个进气级10，该进气级10包括一个进气管(未示出)，该进气管产生气流12，该气流12被引导至通常大型的涡轮机14。进气级10通常是漏斗(未示出)的形式，能够确保气流12足以强力地旋转涡轮机14的叶片(未示出)，从而使涡轮机14产生电能输出，例如，在足以维持主电池B的能量容量的直流电压电平下，或协助为马达M供电。从涡轮机14的输出端子输出的电能可从涡轮机14传递到充电装置16。来自涡轮机14的直流电可由充电装置16转换为适用于为马达M供电的三相交流电。因此，可以从充电装置16的转换器直接向车辆马达M供应交流电，以补充经由充电装置16从主电池B向马达M供应的能量。

图2示意性地示出了根据本发明优选的实施例得到的用于增强电动车辆(未示出)运行的系统20。系统20的布置还旨在帮助为电动车辆(未示出)供电，该电动车辆具有主要由主电池或电池B供电的电动马达M。然而，与图1的现有技术布置A(1)不同，本发明的系统20的布置包括进气级10，进气级10包括多个进气管(未示出)，每个进气管产生各自的气流12，该气流12被引导到多个涡轮机24中的相应涡轮机。进气级10的每个进气管(未示出)通常呈漏斗状(未示出)，能够确保各气流12足以强烈旋转各涡轮机24的叶片(未示出)，从而使涡轮机24产生第一级电能级的电能输出，例如在第一能级的直流电能输出。优选地，系统20的布置还可以包括与涡轮机结合或替代涡轮机的至少一个光伏电池板25，其与至少一个车身部件25a相邻或集成。例如，如图3至8所示的车身部件25a，捕获太阳光(未示出)以产生第一级电能级的电能输出，例如在第一电能级的直流电能输出。第一级电能输出的电流被提供给辅助电池Ba，以将电池Ba的能量容量维持在提供动力来驱动第一辅助电动机Ma的水平。利用来自辅助电池Ba的电力，第一辅助电动机Ma可通过传动联轴器操作以驱动第二辅助电动机Mb，该第二辅助电动机Mb随后在第二能级下产生第二级电能水平的电能输出(例如直流或交流电能输出)，第二能级高于第一能级，并且足以用于维持主电池B的能量容量或为马达M供电，例如在高于第一级电压电平的第二级电压电平下。尽管未示出，但是从第二辅助电动机Mb的输出端子输出的电能可被传递到充电装置28(参见例如图6)。例如，来自第二辅助电动机Mb的直流电可以被供应给车辆主电池B以维持主电池B的能量容量水平，或者由优选的充电装置28转换成适合于为马达M供电的三相交流电。因此，可以从优选的充电装置28直接向主电池B供应直流电，或者可以通过充电装置28的转换器将直流电转换为直接向车辆马达M提供的交流电，以补充从主电池B向马达M供应的能量。

图3至图6说明了如何将图2的系统20并入电动车辆V中的实施例。如上所述，系统20能够增强电动车辆V的运行，该电动车辆V具有主电池或电池组B，用于为电驱动马达M供电，可通过该电驱动马达M驱动车辆V。系统20包括至少一个进气装置22，其设计为在车辆V前进运动或静止时可以捕获空气并引导空气从进气装置22的入口端22a流至出口端22b。系统20还包括至少一个或相应的涡轮机24，涡轮机24位于该进气装置22或每个进气装置22的出口端22b附近，以便该涡轮机24或每个涡轮机24的叶片由来自进气装置22的出口端22b的气流和/或与至少一个车身面板25a邻近或集成以捕获太阳光(未示出)的至少一个光伏电池板25驱动，并由此在第一能级下产生第一级电能输出，优选地为直流电能输出。系统20的辅助电池组Ba电连接到每个涡轮机24的电能输出端子，用于接收和储存涡轮机24产生的第一级电能。此外，第一辅助电动机Ma通过电连接到辅助电池组Ba而可驱动以使第一辅助电动机Ma的输出轴Sa旋转。系统20还包括与第一辅助电动机Ma相邻的第二辅助电动机Mb，其具有连接到第一辅助电动机Ma的输出轴Sa的输入轴Sb和可连接到电动车辆V的主电池B的输出端子。传动装置T将(第一辅助电动机Ma的)输出轴Sa与(第二辅助电动机Mb的)输入轴Sb联接，并且可提供从第一辅助电动机Ma到第二辅助电动机Mb的转速提升。该布置使得所述第二辅助电动机Mb可被驱动以产生高于所述第一能级的第二能级的第二级电能，第二级电能能够从第二辅助电动机Mb的输出端子供应给电动车辆V的主电池B和/或驱动马达M，例如以高于第一级电压电平的第二级电压电平。

因此，本发明提供了一种增强电动车辆V运行的方法。该方法包括以下步骤：

(i)当电动车辆V前进运动或静止时，通过至少一个进气装置22捕获空气的进给；

(i i)引导空气从进气装置22的入口端22a流至靠近进气装置22的出口端22b定位的至少一个涡轮机24，以使涡轮机24由来自进气装置22的出口端22b的空气流驱动，从而使涡轮机24产生第一能级的第一级电能，第一级电能优选为直流电电能；

(i i i)并且可选地或结合步骤(i i)，通过至少一个与至少一个车身面板25a邻近或集成的光伏电池板25捕获太阳光(未示出)，以产生第一能级的第一级电能，第一级电能优选为直流电电能；

(i v)通过设置与涡轮机24和/或至少一个光伏电池板25的电能出口电连接的辅助电池组Ba，接收和存储第一级电能，该电能由涡轮机24和/或由与至少一个车身面板25a邻近或集成的至少一个光伏电池板25产生；

(v)利用来自辅助电池组Ba的电力来使第一辅助电动机Ma运转；

(v i)通过传动装置T将第一辅助电动机Ma的输出轴Sa与第二辅助电动机Mb的输入轴Sb联接，利用第一辅助电动机驱动第二辅助电动机Mb，由此传动装置T提供从第一辅助电动机Ma到第二辅助电动机Mb的转速提升，以驱动第二辅助电动机Mb以产生高于第一能级的第二能级的第二级电能；以及

(v i i)从第二辅助电动机Mb的输出端子向电动车辆V的主电池B和/或电动车辆V的驱动马达M提供第二能级的电能。

至少该进气装置22或每个进气装置22和至少该涡轮机24或每个涡轮机24彼此相邻，位于电动车辆V中适合捕捉适当气流的位置。如图所示，优选地，该位置在车体的前舱内，并安装在便于排放通过涡轮机24后的空气的位置。由于进气装置22和涡轮机24位于前舱中，排放空气可从前舱向下通过，如图4和图6所示，或从前舱向下和/或侧向通过，如图7所示(例如，侧向排放到前车轮舱的空气，有助于冷却车辆V制动系统(未显示)，等等)；尽管其他布置如图8所示(例如，侧向进气和侧向排放空气等)。无论如何，如图3至图8中所示，优选地，通过电动车辆V的前端接收空气，并且由进气装置22和相关涡轮机24在车辆V的前后方向上引导，优选地，车辆V的大致水平的前后方向。辅助电池组Ba以及第一辅助电动机Ma和第二辅助电动机Mb也可位于进气装置22和涡轮机24附近，尽管如图3和图6所示，涡轮机24和电池组Ba之间电气连接或者电池组Ba和第一辅助电动机Ma之间的电气连接的长度允许其他位置布置。

虽然本发明的系统20可以使用单个进气装置22，但是系统20优选地具有至少两个这样的装置22，如图所示。该进气装置22或每个进气装置22可将气流分别传递到至少两个涡轮机24，尽管优选地，存在用于从每个进气装置22接收单个气流的单个相应的涡轮机24。对于两个或更多个涡轮机24，每个涡轮机可操作以产生各自的第一级电能输出，最优选地，每个这样的输出基本上处于公共能级，例如在公共第一电压电平下。辅助电池组Ba可以电连接到每个涡轮机24的相应电能出口，用于接收和存储由相应涡轮机24产生的第一级的总电能。

传动装置T将第一辅助电动机Ma的输出轴Sa与第二辅助电动机Mb的输入轴Sb联接，传动装置T可以且优选地确实包括齿轮系统G，其提供从第一辅助电动机Ma到第二辅助电动机Mb的所需的转速提升。至少当以第一辅助电动机Ma的输出轴Sa和第二辅助电动机Mb的输入轴Sb彼此平行的优选布置设置时，齿轮系统G可以包括正齿轮系统，如图所示。在(第一辅助电动机Ma的)输出轴Sa上设置的齿轮系统G的大齿轮Ga的齿与(第二辅助电动机Mb的)输入轴Sb上的小齿轮Gb的齿啮合，相应的齿轮Ga和Gb的齿平行于轴Sa和Sb的轴线。然而，斜齿轮布置也是可能的，各齿轮的齿相对于轴Sa和Sb倾斜。或者，如果使输出轴Sa和输入轴Sb不平行(例如相互垂直)是合适的或便利的，则可以采用直锥齿轮系统。也可以使用几种更复杂的齿轮系统中的一种，但通常不需要。

选择传动装置T的齿轮系统G提供从第一能级的第一级电能到第二能级的第二级电能的所需的转速提升，使得第二能级基本上与电动车辆V的驱动马达M所需的、主电池B的输出能级的能级对应。齿轮系统G提供的升档传动比可以随本发明的系统20的其他参数而变化。然而，传动比是第二辅助电动机Mb的输入轴Sb的转速与第一辅助电动机Ma的输出轴Sa的转速的比率。在不同情况下，比率可以从1:10到1:25或更高变化，例如从1:15到1:25。

利用本发明的系统20和方法，电动车辆V的增强运行可涉及与电路相结合使用，将处于第二能级的第二级电能和车辆主电池B的直流电转换为适合为电动车辆V的电驱动马达M供电的形式。因此，电路可包括充电装置28(例如，见图6)，通过该充电装置，第二能级的第二级电能的直流电以及来自主电池B的直流电被转换为适合为电动车辆V供电的三相交流电。因此，通过充电装置28，交流电可被提供给车辆马达M。例如，车辆马达M包括永磁同步交流电机M，则充电装置28将包括逆变器，以将各自的直流电源转换为马达M所需的三相交流电。

因此，本发明提供了一种用于增强电动车辆V的运行的新的且有用的系统20和方法。本发明的系统20和方法不使用一个或多个大型涡轮机24和/或光伏电池板25直接为车辆V主电池B充电和/或直接为车辆V的驱动马达M供电，而是使用辅助电池Ba和电动机Ma、Mb，它们设置在一个或多个涡轮机24和/或光伏电池板25和车辆V主电池B和/或驱动马达M的中间，这有助于使用较小的涡轮机24和/或光伏电池板25，并使系统20的组件能够根据需要分布在车辆V中。

虽然本发明已经结合其特定实施例进行了描述，但应当理解，它能够进行进一步的修改。本发明旨在涵盖大体上遵循本发明原理并且包括在本发明所属领域内的已知或惯例实践范围内的与本公开内容的偏离以及如可应用于上文所述的基本特征的本发明的任何变化、用途或修改。

由于本发明可以在不脱离本发明的本质特征的精神的情况下以多种形式实施，因此应当理解，除非另有说明，否则上述实施例不限制本发明，而应被广义地解释为在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围内。各种修改和等效布置旨在包括在本发明的精神和范围内。因此，具体实施例应被理解为是对可以实践本发明的原理的多种方式的说明。

在本说明书中使用术语“包括”、“包含”、“包括有”或“包含有”时，它们应被解释为指定所提及的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加与其组合的一个或多个其他特征、整数、步骤、组件。