专利名称：混合动力系统及车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及动カ技木，尤其涉及ー种混合动カ系统及车辆。
背景技术：
目前应用于军事、航空、野外勘探等方面的大型设备车辆都是使用柴油发动机作为动力。受到结构的限制，车辆动力系统的柴油机不能充分发挥作用，大功率的为车载设备供电。即使通过采用混合动カ技术，使柴油机能够充分的发电，还受到柴油机可靠性差的特点限制。柴油机的全负荷连续工作寿命仅数千小吋，使得发动机难以长期工作在最大负荷状态，并且无故障工作间隔更短。所以很多大型设备都配有単独的电源车，作为车辆动カ的发动机一旦停车就不能发挥，使用效率低。另ー方面，微型燃气轮机发电机开始作为车辆动カ已经有很多年了。燃气轮机的燃料适应性好、重量轻、加速快、可靠性高，微型燃气轮机发电机仅全速全负荷的无故障运行间隔就达到8000小时以上。相比传统的内燃机有很大优势。但是缺点也非常突出，燃气轮机空载燃料消耗高，效率方面与柴油机有一定差距，成本比较高，作为车用动カー直无法推广。综上，现有车辆的动カ系统中，利用柴油发动机作为动カ时，需要単独配备电源车，使用效率低；而单独采用微型燃气轮机发电机时，空载消耗大，效率较低。
发明内容
本发明提供ー种混合动カ系统及车辆，可有效克服现有技术存在的问题，简化动カ系统的结构，提高动カ系统的工作效率，減少能耗。本发明提供ー种混合动カ系统，包括:至少两组动カ单元，所述动カ単元包括:微型燃气轮机发电机，以及与所述微型燃气轮机发电机连接的热声发电机或热声压缩机；所述热声发电机和热声压缩机的热端与所述微型燃气轮机发电机的排气管连接，用于利用所述排气管排出的热量工作发电或制冷；所述动カ系统还包括电源装置，所述电源装置与各动カ单元中的微型燃气轮机发电机和热声发电机连接，用于存储微型燃气轮机发电机和热声发电机工作所产生的电能。本发明提供一种车辆，包括上述本发明提供的混合动カ系统。本发明提供的混合动カ系统及车辆，通过将微型燃气轮机发电机、热声发电机以及电源装置和动カ电机组合起来，形成ー个混合式动カ系统，可利用热声发动机回收废气热量来提高微型燃气轮机发电机的能量利用率，提高工作效率；同吋，通过设置的电源装置，可将微型燃气轮机发电机产生的电能存储起来，不必根据车辆行驶状态改变燃气轮机负荷，从而可避免単一的微型燃气轮机发电机应用于车辆时空载燃料消耗较多，以及单体运行工作效率较低的问题，使得微型燃气轮机发电机可应用于车辆中，作为车辆动カ系统的核心部件，使得整个动カ系统的结构简单，运行稳定、可靠，其具有较高的工作效率。本发明提供的混合动カ系统及车辆，通过将微型燃气轮机发电机、热声发电机以及电源装置组合起来，形成ー个混合式动カ系统，可利用热声发动机来提高微型燃气轮机发电机的能耗利用率，提高工作效率；同时，通过设置的电源装置，可将微型燃气轮机发电机产生的电能存储起来，以带动车辆上的电动机工作，从而可避免单个大功率燃气轮机应用于车辆时空载燃料消耗较多，以及单独燃气轮机运行工作效率较低的问题，使得微型燃气轮机发电机可应用于车辆中，作为车辆动カ系统的核心部件，使得整个动カ系统的结构简单，运行稳定、可靠，其具有较高的工作效率。
图1为本发明实施例一提供的混合动カ系统的结构示意图；图2为本发明实施例混合动カ系统作为电源进行分布式发电的结构示意图；图3为本发明实施例中混合动カ系统作为电源进行微网发电的结构示意图；图4为本发明实施例ニ提供的混合动カ系统的结构示意图；图5为本发明实施例三提供的混合动カ系统的结构示意图。
具体实施例方式鉴于现有采用活塞式发动机为核心的动カ系统存在的缺陷，本发明提供ー种新型的混合动カ系统，采用微型燃气轮机发电机作为核心动カ源，并通过设置热声发电机或热声压缩机，来提高微型燃气轮机发电机的工作效率；同吋，通过设置电源装置，避免燃气轮机空载运行时燃料消耗较高的问题。下面将以具体实例对本发明技术方案进行说明。图1为本发明实施例一提供的混合动カ系统的结构示意图。如图1所示，本实施例混合动カ系统包括至少两组动カ单元1，每组动力単元I包括微型燃气轮机发电机11，以及与微型燃气轮机发电机11连接的热声发电机12，其中，热声发电机12的热端与微型燃气轮机发电机11的排气管连接，该热声发电机11可利用微型燃气轮机发电机11的排气管排出的热量工作并发电；该动カ系统还包括电源装置2，该电源装置2与各动カ单元I中的微型燃气轮机发电机11和热声发电机12连接,该电源装置2可将微型燃气轮机发电机11和热声发电机12产生的电能存储起来。本实施例通过设置与微型燃气轮机发电机11的排气管连接的热声发电机12，可有效提高整个系统的工作效率；同时，通过设置电源装置2，可将微型燃气轮机发电机11以及热声发电机12产生的电能存储起来，从而避免微型燃气轮机发电机11空载运行的燃料消耗，使得微型燃气轮机发电机可应用于车辆等车载动カ系统中。本实施例混合动カ系统可应用于车辆中，具体地，如图1所示，该混合动カ系统还包括电动机3，该电动机3与电源装置2连接，用于利用电源装置2存储的电能工作，以带动车辆工作。可以看出，微型燃气轮机发电机11工作时可将产生的电能转换为电能，并存储起来，提供给电动机3，以利用电动机3驱动车辆工作。为使得混合动カ系统具有更好的工作效率，本实施例还可根据车辆实际工作所需的功率，来调整各动カ单元的微型燃气轮机发电机工作。具体地，如图1所示，该混合动カ系统还可包括控制器4，该控制器4连接在电源装置2和电动机3之间，用于控制各动カ单元I中的微型燃气轮机发电机工作，具体地，该控制器4可根据电动机3的需求功率，以及电源装置2的剩余电量，控制各动カ单元中的微型燃气轮机发电机工作，这样，在电动机3的需求功率较低，且电源装置2的剰余电量可满足其功率需求时，可直接利用电源装置2存储的电能工作，而不需要开启微型燃气轮机发电机工作；当电动机3的需求功率较大时，可控制ー组动カ单元或多组动カ单元工作，以满足电动机3的实际功率需要,从而避免所有动カ单元均工作时造成的燃料浪费现象，提高整个混合动カ系统的工作效率。可以看出，通过控制器4可调整各动カ单元中微型燃气轮机发电机的工作，从而可根据需要控制各动カ単元工作，不管车辆所需功率多大，均可通过控制各动カ单元，达到车辆所需功率，同时避免混合动カ系统提供功率过大而产生的燃料浪费现象。本实施例中，如图1所示，上述的电源装置2具体可包括交流电流转换器21和电池包22,其中，交流电流转换器21用于将微型燃气轮机发电机11和热声发电机12产生的交流电转换为直流电，并传输至电池包22存储，所述的交流电流转换器21具体为交流直流转换电路模块AC-DC。本实施例中，如图1所示，上述的动カ单元I的数量可以是2 6组,实际应用中可根据车辆自身的需要，以及微型燃气轮机发电机的功率，设置合适数量的动カ单元，使得所有动カ单元I均工作时，可满足车辆的最大功率需求。本实施中，微型燃气轮机发电机的功率为30kw,动カ单元的数量为6组。本实施中，上述的微型燃气轮机发电机11为采用转子发电机一体化的结构，内部集成有交流发电机；热声发电机12的热端与微型燃气轮机发电机11的排气管相连，热声发电机12的冷端用空气进行散热，以将排气管排出的热量转换为声能，并用于推动发电机发电，其中，所述的微型燃气轮机发电机和热声发电机现有技术相同或类似，在此不再赘述。实际应用中，为微型燃气轮机发电机11提供燃料的油箱可单独设置，即每个动カ単元I均可连接有一个单独的油箱；或者各动カ单元I也可共用ー个油箱，具体地，如图1所示，本实施例中各动カ单元I的微型燃气轮机发电机11分别连接有油箱13，即每个动カ単元I均单独设置油箱13。本实施例中，动カ单元可単独集成为ー个功能単元，且可根据车辆需要设置合适数量的动カ单元，ー组动カ单元损坏后，可仅对该一组动カ单元进行维修即可，不影响其它动カ单元的正常工作，从而可在部分动カ单元损坏后，能够维持车辆继续运行，避免现有混合动カ系统一旦损坏将无法工作的问题；同时，根据实际需要可随时增加或減少动カ单元的数量，实现模块化配置，可有效简化车辆混合动カ系统的设计难度，简化混合动カ系统的结构。为便于对本发明技术方案有更好的了解，下面对本发明实施例中的微型燃气轮机发电机、热声发电机以及混合动カ系统的工作过程进行说明。相对于活塞式发动机而言，微型燃气轮机(MiCToturbine)是ー种新型的小型热カ发动机，其单机功率范围通常为25 300kW，本实施例所述的微型燃气轮机发电机就是配置有发电机的微型燃气轮机，可具有如下优点:(I)寿命长，以30kw级别微型燃气轮机发电机为例，同级别的柴油发动机使用寿命一般只有数千小时，微燃气轮机寿命长达45000小吋；(2)可靠性好，整个燃气轮机只有一个运动部件，采用空气轴承、空气冷却，不用更换机油，没有复杂的辅助系统，首次维修间隔高达8000小时；(3)重量轻体积小，一台30kw的微型燃气轮机发电机只相当于一台3kw柴油发电机组的重量；(4)噪音低，排温低。(5)排放低，排放水平远低于柴油发动机；(6)便于无人值守，远程控制。可以看出，微型燃气轮机发电机的可靠性高，具有多燃料适用性的特点，但是，微型燃气轮机发电机空载时燃料消耗高，単独使用微型燃气轮机发电机的效率较低，这限制了微型燃气轮机发电机在车辆中的应用，目前主要应用于供电应用中。热声发动机是利用热声技术的发动机，基于热声效应工作，结构极为简单，零部件很少且没有运动件，具有可靠性高、效率高的优势，其中最低起振温度达到100度以下，可以利用低品位热源，而且可以灵活的选择带动直线发电机或者热声压缩机制冷，其中，热生发电机就是热生发动机集成有直线发电机的结构，热生压缩机就是热生发动机集成有热声压缩机的结构，本实施例中的热声发电机和热声压缩机的具体结构与现有技术相同或类似，只要将热声发电机的热端与微型燃气轮机发电机的排气管连接即可。本实施例中，通过将热声发动机和微型燃气轮机发电机集成在一起，并设置电源装置，从而可有效将微型燃气轮机发电机应用在车辆中，下面对本实施例混合动カ系统在车辆中的工作过程进行说明。车辆行驶过程中，控制器可判断电动机的功率需求，根据电动机的功率需求，也即车辆工作所需的功率控制动力単元中的微型燃气轮机发电机是否工作，以及启用动カ单元的数量。具体地，当电动机所需功率低于30kw时，优先使用电源装置中电池包的电能，只有当电池包容量剩余40 %时,才启动ー组动カ单元中的微型燃气轮机发电机工作,直至将电池包电能充满，在此过程中，微型燃气轮机发电机可始終工作在满负荷的単一状态，保证有较高的工作效率，避免空载时燃料消耗较高的问题，且燃气轮机运转时热声发电机也一起工作，可充分提高能量转换率；当电动机的所需功率大于30kw小于60kw，且电池包能量高于40%时，可启动ー组动カ単元中的微型燃气轮机发电机为电动机供电，当电池包能量低于40%时再启动另ー组动カ単元中的微型燃气轮机发电机工作，为电池包充电，直至充满；当电动机所需功率大于60kw时，可直接启动两组动カ単元中的微型燃气轮机发电机工作，甚至更多组动カ単元工作，以满足车辆运行中的功率需要。由于各微型燃气轮机发电机的功率较小，因此，车辆行驶过程中可根据车辆所需功率，动态调整动カ单元的启用数量，可有效避免微型燃料汽轮机空载运行造成的燃料浪费，提高整个混合动カ系统的工作效率。本实施例中，混合动カ系统可在车辆不行驶时使用全部动カ发电为其他用电设备供电，不必为用电设备配置単独的电源车。微型燃气轮机发电机有很长的无故障运行间隔，无需冷却润滑，能够满足长时间大负荷供电要求。实际应用中，还可通过多车组合实现分布式发电或微网供电，来满足大功率用电设备或者区域供电的要求，大大提高了可靠性和灵活性。可以看出，本实施例通过将微型燃气轮机发电机、热声发电机以及电源装置组合起来，形成ー个混合式动カ系统，可利用热声发动机来提高微型燃气轮机发电机的能耗利用率，提高工作效率；同吋，通过设置的电源装置，可将微型燃气轮机发电机产生的电能存储起来，以带动车辆上的电动机工作，从而可避免单个大功率燃气轮机应用于车辆时空载燃料消耗较多，以及单独燃气轮机运行工作效率较低的问题，使得微型燃气轮机发电机可应用于车辆中，作为车辆动カ系统的核心部件，使得整个动カ系统的结构简单，运行稳定、可靠，其具有较高的工作效率。图2为本发明实施例混合动カ系统作为电源进行分布式发电的结构示意图。本实施例混合动カ系统应用于车辆时，可将车辆作为ー个供电设备，为其它用电设备提供电源，具体地，如图2所示，可将2个或2个以上的车辆中的混合动カ系统10作为用电设备的供电电源，通过分布式发电模式为用电设备提供电源，其中，各混合动カ系统10可将产生交流电直接输送至用电设备所在的供电网络20上，为供电网络20上的用电设备提供电源。由于分布式发电时，各混合动カ系统直接将产生的交流电输送至供电网络，在供电过程中，各车辆中的混合动カ系统均需同时工作，中间不能増加或減少，其可应用于用电设备较少，可靠性要求不高的场合。可以看出，采用本实施例混合动カ系统的车辆，可作为供电设备为用户设备供电，只要将几台车辆的混合动カ系统产生的交流电，通过并网设备直接为用电设备供电即可，相对于传统雷达、通讯站等移动电子设备均需要単独配置电源车而言，本发明实施例提供的混合动カ系统应用于车辆时，可利用该车辆作为这些移动电子设备的电源车，減少単独配置电源车的成本，满足这些设备的机动性。图3为本发明实施例中混合动カ系统作为电源进行微网发电的结构示意图。与上述图2所示技术方案不同的是，本实施例中，车辆中混合动カ系统10中的电源装置2内的电池包22连接有直流电流转换器5，从而利用直流电流转换器5将电池包22内存储的直流电转换为交流电后，再传输至供电网络20，实现微网方式发电。其中，所述的直流电流转换器具体可以是直流交流转换模块DC-AC。该微网方式发电时，由于各车辆的混合动カ系统是通过将电源装置的直流电转换为交流电后，再传输至供电网络，各微网，也即单个车辆的混合动カ系统中有电池包作为缓冲，从而可灵活减少或增加混合动カ系统，即车辆的数量可随时增加或減少，因此，实际应用中，可根据用电量大小，可将应用本实施例混合动カ系统的车辆临时脱网或上网，在此过程中不会对用电设备产生影响，具有较高的可靠性。该微网方式发电可适用于用电设备较多，或者可靠性要求较高的场合，例如通信设备等。图4为本发明实施例ニ提供的混合动カ系统的结构示意图。与上述图1-图3所示实施例技术方案不同的是，本实施例中动カ单元的微型燃气轮机发电机连接的是热声压缩机14，该热声压缩机14可作为车辆中的制冷的动カ源，满足车辆的制冷需要。可以看出，通过设置热声压缩机14，可充分利用燃气轮机排出的热量，对设备进行冷却，提高微型燃气轮机发电机的燃料利用率。图5为本发明实施例三提供的混合动カ系统的结构示意图。与上述图1-图3所示实施例技术方案不同的是，本实施例中，动カ单元的数量至少为2组,且至少ー组动カ单元中包括有热声发电机12，至少ー组动カ单元中包括有热声压缩机14，这样，可根据车辆需要，在需要制冷时，可启用连接有热声压缩机的动カ单元，否则，则可启用连接有热声发电机的动カ单元，从而可有效利用微型燃气轮机发电机的燃料利用率。本领域技术人员可以理解，当车辆作为供电设备时，也可将热声压缩机14提供的制冷空气提供给需冷却设备，例如需要进行制冷的通信等电子设备。上述本发明各实施例中，动カ系统可采用模块化系统结构，微型燃气轮机发电机、热声发电机或压缩机、电源装置可自成独立功能模块，并可以单独更换，灵活配置。此外该动カ系统也可脱离车辆而独立使用。此外，本发明实施例还提供一种车辆，包括上述本发明实施例提供的混合动カ系统，该混合动カ系统的具体结构可參见上述本发明实施例的说明，在此不再赘述。
本实施例提供的车辆可作为电源设备，用于为用电设备提供电源，且各车辆可以分布式方式发电为用电设备为用户提供电源，或者采用微网方式发电为用电设备提供电源，其具体实现方式可參见上述图2或图3所示，在此不再赘述。最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管參照前述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精神和范围。
权利要求
1.ー种混合动カ系统，其特征在于，包括:至少两组动カ单元(I)和电源装置(2)，其中:所述动カ単元(I)包括微型燃气轮机发电机(11)，以及与所述微型燃气轮机发电机(11)连接的热声发电机(12),所述热声发电机(12)的热端与所述微型燃气轮机发电机(11)的排气管连接； 或者，所述动カ单元(I)包括微型燃气轮机发电机(11)，以及与所述微型燃气轮机发电机(11)连接的热声压缩机(14)，所述热声压缩机(14)的热端与所述微型燃气轮机发电机(11)的排气管连接； 所述电源装置⑵与动カ单元⑴中的微型燃气轮机发电机(11)和热声发电机(12)连接，用于将微型燃气轮机发电机(11)和热声发电机(12)工作所产生的交流电转换为直流电并存储用以输出。
2.根据权利要求1所述的混合动カ系统，其特征在于，所述动カ単元(I)的数量为2-6组。
3.根据权利要求1所述的混合动カ系统，其特征在于，所述电源装置(2)包括:交流电流转换器(21)和电池包(22)； 所述交流电流转换器(21),用于将微型燃气轮机发电机(11)和热声发电机(12)产生的交流电转换为直流电，并传输至所述电池包(22)存储。
4.根据权利要求1、2或3所述的混合动カ系统，其特征在于，还包括: 电动机(3)，所述电动机(3)与所述电源装置⑵连接。
5.根据权利要求4所述的混合动カ系统，其特征在于，还包括: 控制器(4)，所述控制器(4)连接在所述电源装置(2)和电动机(3)之间，用于控制各动カ单元(I)中的微型燃气轮机发电机(11)工作。
6.根据权利要求5所述的混合动カ系统，其特征在于，所述控制器(4)，具体用于根据电动机(3)的需求功率，以及所述电源装置(2)的剩余电量，控制各动カ单元(I)中的微型燃气轮机发电机(11)工作。
7.根据权利要求1所述的混合动カ系统，其特征在于，还包括: 直流电流转换器(5)，与所述电源装置(2)连接，用于将所述电源装置(2)输出的直流电转换为交流电，并输送至用电设备。
8.根据权利要求1所述的混合动カ系统，其特征在于，至少ー个动カ单元(I)中包括热声发电机(12)。
9.一种车辆，其特征在于，包括上述权利要求1-8任一所述的混合动カ系统。
10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述车辆可作为用电设备，所述车辆中的混合动カ系统用于为用电设备提供电源。
全文摘要
本发明公开了一种混合动力系统及车辆。该系统包括至少两组动力单元(1)和电源装置(2)，其中所述动力单元(1)包括微型燃气轮机发电机(11)，以及与所述微型燃气轮机发电机(11)连接的热声发电机(12)，所述热声发电机(12)的热端与所述微型燃气轮机发电机(11)的排气管连接；所述电源装置(2)与动力单元(1)中的微型燃气轮机发电机(11)和热声发电机(12)连接，用于将微型燃气轮机发电机(11)和热声发电机(12)工作所产生的交流电转换为直流电并存储用以输出。本发明技术方案可在车辆动力系统中将微型燃气轮机发电机作为核心动力源，可有效简化车辆动力系统的结构，提高工作效率。
文档编号B60K6/26GK103121398SQ20111036972
公开日2013年5月29日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者陈瀚, 丁怀宇, 甄顺田, 高景伯, 孙宁 申请人:北汽福田汽车股份有限公司