不用電池的混合能源電動汽車的制作方法
【專利摘要】一款新能源汽車，從電動汽車的定義講，它是完全由電動機驅動，可定義為純電動汽車。但無須裝載動力電池，解決續航問題。電力由車載發電機提供，發電機的動力由汽柴油發動機和風力發電風輪巧妙地結合提供，詳細介紹了如何把風阻再吸收利用并如何將風能最大化利用，不單單能應用于家用電動轎車上，更適宜于大型客車、卡車，乃至于高鐵及地鐵上，車速越快車輛油耗越小，達到節能減排、緩解全球能源危機及減少霧霾的目的。
【專利說明】不用電池的混合能源電動汽車
[0001]1、發明的名稱:不用電池的混合能源電動汽車。
[0002]2、所屬技術領域:汽車制造；新能源汽車；風力發電；電機制造。
[0003]3、【背景技術】:電動汽車的瓶頸在于動力電池，電池貴、重、大、充電時間長、壽命短、電力損耗率高等因素使得電動汽車無法與傳統汽車相抗衡。需要特別強調的是，電動汽車不應只限于小客車，更應包含大客車、大小貨車等各種形式的車輛。現在連輕型的電動汽車都難以普及，實在無法期待電動汽車能擔負起未來運輸的重任。業界只能等待石油逐漸耗竭，汽油價格飆升，迫使消費者購買電動汽車。
[0004]就目前的情況來說，新能源汽車的研究主要集中在混合動力汽車、純電動汽車(BEV，包括太陽能汽車)、燃料電池電動汽車(FCEV)、氫發動機汽車、其他新能源(如高效儲能器、二甲醚)汽車等各類別產品。而相對于其他新能源汽車，只有純電動汽車能夠做到零污染、零排放，低噪聲。它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關技術。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力、風力、光、熱等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔心，無疑是最為理想的新能源汽車。但是純電動汽車也存在些缺陷，對于純電動汽車而言，目前最大的障礙就是基礎設施建設以及價格影響了產業化的進程，與混合動力相比，電動車更需要基礎設施的配套，而這不是一家企業能解決的，需要各企業聯合起來與當地政府部門一起建設，才會有大規模推廣的機會。其另外一個制約的瓶頸是，目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，續航里程受到很大限制，還因電動車的電池較貴，盡管單次充電價格與汽柴油相比很小，但折算原裝電池價格及幾年后更換電池價格也不一定比燃油經濟，再說數年后廢舊電池的回收處理，其二次污染也是個不小的問題。
[0005]能否設計一款不用車載電池提供能源的靠電動機驅動的新能源電動汽車呢？
[0006]對于車輛來說，風阻是車輛行駛時來自空氣的阻力。主要表現在三種形式，第一是氣流撞擊車輛正面所產生的阻力，就像拿一塊木板頂風而行，所受到的阻力幾乎都是氣流撞擊所產生的阻力。第二是摩擦阻力，空氣與劃過車身一樣會產生摩擦力，然而以一般車輛能行駛的最快速度來說，摩擦阻力小到幾乎可以忽略。第三則是外型阻力。一般來說，車輛高速行駛時，外型阻力是最主要的空氣阻力來源。外型所造成的阻力來自車后方的真空區，真空區越大，阻力就越大。一般來說，三廂式的房車之外型阻力會比掀背式休旅車小。車輛在行駛時，所要克服的阻力有機件損耗阻力、輪胎產生的滾動阻力(一般也稱做路阻)及空氣阻力。隨著車輛行駛速度的增加，空氣阻力也逐漸成為最主要的行車阻力，在時速200km/h以上時，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。
[0007]垂直平面體風阻系數大約1.0，球體風阻系數大約0.5，一般轎車風阻系數
0.28—0.4。
[0008]談到風阻系數，不得不涉及到另外一個概念叫做壓差阻力，它的產生是由于運動著的物體前后所形成的壓強差所形成的。壓強差所產生的阻力、就是“壓差阻力”。壓差阻力同物體的迎風面積、形狀和在氣流中的位置都有很大的關系。
[0009]用刀把一個物體從當中剖開，正對著迎風吹來的氣流的那塊面積就叫做“迎風面積”。如果這塊面積是從物體最粗的地方剖開的，這就是最大迎風面積。從經驗和實驗都不難證明:形狀相同的物體的最大迎風面積愈加大，壓差阻力也就愈加大。
[0010]物體形狀對壓差阻力也有很大的作用。把一塊圓形的平板，垂直地放在氣流中。它的前后會形成很大的壓差阻力。平板后面會產生大量的渦流，而造成氣流分離現象。如果在圓形平板的前面加上一個圓錐體，它的迎風面積并沒有改變，但形狀卻變了。平板前面的高壓區，這時被圓錐體填滿了。氣流可以平滑地流過，壓強不會急劇升高，顯然這時平板后面仍有氣流分離，低壓區仍然存在，但是前后的壓強差卻大為減少，因而壓差阻力必然會降低到原來平板壓差阻力的大約五分之一。假設在圓形平板的前面加上一個可旋轉的葉輪呢？壓差阻力減小的同時，葉輪從風能中獲得了旋轉動能。
[0011]如果在平板后面再加上一個細長的圓錐體，把充滿旋渦的低壓區也填滿，使得物體后面只出現很少的旋渦，那么實驗證明壓差阻力將會進一步降低到原來平板的大約二十到二十五分之一。象這樣前端圓純、后面尖細，象水滴或雨點似的物體，叫做“流線形物體”，簡稱“流線體”。在迎風面積相同的條件下，它的壓差阻力最小。這時阻力的大部分是摩擦阻力。除了物體的迎風面積和形狀外，物體在氣流中的位置也影響到壓差阻力的大小。
[0012]風能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡、用之不竭，分布廣泛。隨著人類對生態環境的要求和能源的需求，風能的開發日益受到重視，風力發電將成為21世紀大規模開發的一種可再生清潔能源。
[0013]關于風力發電機，按風輪軸向一般分為水平軸式和垂直軸式風力發電機兩類，早期水平軸式風力發電機占據了主流位置，隨著電子計算機技術的發展，H型垂直軸風輪功率的計算得以解決，垂直軸式風力發電機正以勢不可擋的態勢在迅猛發展。盡管啟動轉矩稍大，但由于葉片在旋轉過程中，隨著轉速的增加阻力急劇減小，匹配無鐵心盤式稀土永磁發電機，其優勢凸顯。
[0014]現今的螺旋槳式風力機的尖速比(Tip Speed Rat1)大約在4、5左右，這意味著風力機葉片尖端的線速度是風速的4、5倍，大型的螺旋槳式風力機的葉片回轉直徑有40米以上，而風能有利用價值的風速通常都在10米/秒以上，單張葉片重達數百公斤甚至一噸以上，物理直覺也能想象，葉片將會受到巨大的離心力的作用，更何況螺旋槳式風力機的葉片的受力模型是一種叫懸臂梁的結構，這是一種內力狀況比較差的受力模型，因此對于葉片的材質有非常苛刻的要求。事實上一些先進國家進口的風力機葉片都是碳纖維增強樹脂在非常嚴格的條件下制造出來的，自然價格就極昂貴了，非但如此，葉片還是一種易損品，這一切都要打到發出電的單價成本中去。這個特點一方面限制了螺旋槳式風力機的普及應用，另一方面也表明了再要擴大螺旋槳式風力機的單機裝機容量是非常困難的。由于發出的交流電有頻率限制，因此要采用恒速運行。我們知道旋轉式風力機都有一個最隹的尖速比，離開了這個尖速比，風能利用系數就會大打折扣，因此，不能調槳距的螺旋槳式風力機的效率將不可避免地很低，因為它不得不眼睜睜地看著風能從身邊溜走而無法加以利用。對于可調槳距的螺旋槳式風力機，風力機的效率自然是要高一些了，但也有限，因為調槳距需要消耗功率，特別是反應越靈敏，功率消耗越大；反應遲鈍則又重蹈不可調槳距之覆轍。
[0015]垂直軸式風力機的葉片(長軸方向)與回轉軸都是垂直設置的，這意味著轉子在將風能轉變成機械能以后，在將機械能轉變為電能的過程可以在地面上進行，這就為使將動能轉變為電能的過程中間插入一個軟調節環節創造可能，所謂的“軟調節環節”這里是指緩沖、儲能、轉變能量形式的操作。由于“軟調節環節”的存在，我們就不必再顧忌因為電力的工頻輸出而努力使風力機的轉子保持恒轉速的運行了，也就是說我們可以力圖使轉子保持恒尖速比運行，恒尖速比運行與恒轉速運行是不可同日而語的。人們搞風力發電為的就是最大限度地變風能為電能，如果我們能夠做到最大限度地變風能為電能，有什么理由不去做呢？
[0016]世界風能總量約為世界總能耗的三倍，風力發電技術日臻成熟，風能的優點:取之不盡、用之不竭且無污染。缺陷:隨機性、間隙性、波動性大。業界普遍認為“直接利用”是困難的。風輪獲取風能貝茨極限0.593。如何充分利用風能？業內專家離不開專業的框框，首先考慮的是自然風場選址，增加塔架高度和風葉的直徑，在功率損耗上做文章，隨著電子計算機技術的發展，H型垂直軸風輪功率的計算得以解決，垂直軸風力發電機將逐步取代水平軸風力發電機的主流位置。能否跳開現有行業的思路更好地吸取風能？能否摒棄自然風的隨機性、間隙性、波動性大的缺陷，人為制造一個高速相對恒穩的風場？所發的電能否被直接利用？能否打破貝茨極限0.593 ?
[0017]發電機高速體積小，低速體積大，而且隨著轉速的降低成本會增加，但效率也會增加，低速發電機是通過合理的磁能分布，合理的電磁布線而達到超低速旋轉發電。故適應自然風速的低速發電機應運而生，許多廠商都能按用戶需求生產額定電壓、額定轉速的不同功率的發電機。但是，如果有持續的30米/秒以上風速(自然風不可能)的話，發電機的體積、重量、成本也會下降，且在額定工況下，變轉速運行、變負載工況下輸出電壓保持穩定的問題也不是難題。
[0018]這個高速恒穩的風場從何而來？空氣的流動形成了風，車輛高速行駛產生，前面已經說到，發動機耗能驅動車輛運行產生并克服風阻，無須再增加耗能來制造風，這個風阻是不可避免的副作用，但是，我們要將這個副作用吸收再利用。電機鐵芯渦流發熱的副作用被利用，自1957年德國誕生了第一臺電磁爐來，電磁爐已廣泛運用到千家萬戶，能否把車輛高速行駛產生的風能再利用？如何利用、如何巧妙地利用且如何直接利用還要談到另外一個名詞。
[0019]飛輪，具有適當轉動慣量、起貯存和釋放動能作用的轉動構件，常見于機器、汽車、自行車等，具有較大轉動慣量的輪狀蓄能器。
[0020]飛輪效應指為了使靜止的飛輪轉動起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復地推，每轉一圈都很費力，但是每一圈的努力都不會白費，飛輪會轉動得越來越快。達到某一臨界點后，飛輪的重力和沖力會成為推動力的一部分。這時，你無須再費更大的力氣，飛輪依舊會快速轉動，而且不停地轉動。這就是“飛輪效應”！飛輪可以用來減少機械運轉過程的速度波動。
[0021]阿基米德說過:給我一個支點我將撬起整個地球，我國有這么一句話與之類似，就是四兩撥千斤，原理就是力矩等于力乘力臂。我們可以將風能聚集到最遠作用點形成的一個狹小的面上。
[0022]在水力發電中(水與空氣一樣都是流體)，有一種水輪機叫“幅向軸流式水輪機”，這種水輪機現在仍被大量地在使用，它的構造與垂直軸式風力機極其相似，所不同的是它通過蝸殼向“幅向軸流式水輪機”徑向供水。這種“幅向軸流式水輪機”的最高效率可以達到 90%，無疑，90% > 59.3%o
[0023]到此問題就好解決了，發電機的電壓與功率按車型需要設計，發電機的額定轉速按車輛120km/h高速限速形成的風速33.33m/s能帶動葉輪的轉速設計，軸按安裝要求設計為單軸或雙軸，接兩個飛輪，一個飛輪安裝風力發電風葉，另一個飛輪由汽(柴)油發動機驅動，轉速由齒速比調節能很好地控制在不大于風力發電風輪轉速，車輛初始運行由發動機帶動發電機發電來供電動機驅動車輛，這時風輪沒轉動，油耗與普通汽車相當，當車速達到風輪啟動風速后，風輪轉動，發電機原動力由二者共同提供，發動機可減少動力，亦即減少油耗，速度越快車輛油耗越小，達到節能減排的目的。
[0024]4、
【發明內容】
:本發明是基于風力發電、水力發電原理，利用車輛高速行駛時克服的阻力，將浪費的風能再吸收利用，并將幅向軸流式水輪機葉輪原理運用到風力發電葉片上，突破風能利用率的貝茨極限0.593，發動機和風輪分別通過飛輪共同接在同一發電機上，有機結合共同為發電機提供動力，所發電為車輛實時利用，來實現無須安裝動力電池的最終為電力驅動的新型電動汽車。不單單能應用于家用電動轎車上，更適宜于大型客車、卡車，乃至于高鐵及地鐵上。
[0025]5、【具體實施方式】:據現有風力發電理論，輸出功率隨風力機的掃掠面積及風速的增加而增加，具體到與風輪直徑的平方及風速的立方成正比。葉片的成本隨其長度增加而逐步上升，垂直軸H型風力發電系統，在徑高比β = R/H = 0.994 ^ I時，性價比最高。火車標準軌距1435mm，車廂寬度3000?3200mm，目前運營時速可達300km/h，設計時速更高。機車牽引功率5000kw上下。家用轎車、客運大巴、卡車車寬有一定的設計范圍，高速限速120km/ho查表格風力機的平均輸出功率，垂直軸轉子直徑2m時，風速為10m/S時平均輸出功率為1.17kw，風速為30m/s時平均輸出功率為31.59kw，風速為50m/s時平均輸出功率為146.25kw。當轉子直徑為3.2m時，風速為10m/s時平均輸出功率為2.92kw，風速為30m/s時平均輸出功率為78.84kw，風速為83.33m/s時平均輸出功率為1687kw。以上數據是現有H型風輪在自然風場中一側葉片受到推力而另一側同時受到阻力的情況下得到。按本發明設計，只要將匹配的發電機按額定的高風速配置，根本不需要塔架，即可發出高品質電，因風速為人為創造，范圍穩定可靠，所發電穩定，控制系統設計相對更簡單。本發明將風輪葉片設計在渦輪軸流罩殼內，3-5片垂直葉片(葉片少轉速快)與空心圓筒成銳角整體澆注形成葉輪，軸向進風，減少擾流，排風口可直接引向車尾，減少車尾真空區降低風阻，風輪所獲風能遠大于貝茨極限0.593。
[0026]實際應用中，不僅可應用于家用電動汽車，更適宜于大型車輛乃至于高鐵、地鐵，因為風力發電風輪所獲風能與風速的立方成正比并與風輪直徑的平方成正比，所以說車速越快、迎風面積越大所獲風能越多，相對來說就越省油。
[0027]大型客車及卡車，大多平頭，車寬2500mm、高3000mm左右，風阻系數較高，按國內駕駛規則，駕駛艙仍在左側，左半向前方圓弧形延伸，中線處向右后方順勢平滑過渡，右邊緣留進風口，按目前設計水平的H型垂直軸風力發電機風輪功率因數0.4算，直徑2.5m的風力發電機在風速達到30m/s時所獲電能達到50kw，如果風輪葉片采用本發明設計結構，或者就用H型翼型葉片，按該進風方式，風輪功率因數即可突破貝茨極限0.593，所獲電能遠遠超過50kw，圓筒形葉輪內的空間足夠安裝發動機。
[0028]應用于小型家轎上，發電機可設計安裝在車尾，發動機仍在車頭，靠傳動軸驅動發電機，也可后置，風輪排風排向車尾，使得車體后面只出現很少的旋渦，那么壓差阻力將會進一步降低，風輪的安裝可垂直安裝，也可仍利用垂直軸原理水平安裝。
[0029]同樣的原理應用，也可以用于油電混合動力汽車上，只不過發電機不是由發動機與風輪同時驅動，而是單由風輪驅動發電，發動機驅動車輛，風力發電代替動力電池，來實現油電混合驅動。
【主權項】
1.一款不用電池的混合新能源汽車，完全由電動機驅動，電動機的電力由汽柴油發動機和風力發電風輪巧妙地結合提供，該發電系統不僅僅可應用于小型家用汽車上，而且可應用于客車、卡車、高鐵、地鐵等任何高速運行的載體上。2.汽或柴油發動機帶動發電機通過飛輪與發電機銜接，轉速控制在不大于風輪轉速。3.發電機可用按車輛電動機要求設計額定功率、轉速、電壓的低速永磁直驅發電機，同樣可用其他類型的發電機通過增速齒輪來代替。4.根據權利要求1所述的風力發電風輪，通過飛輪與發電機銜接。5.根據權利要求1所述的風力發電風輪，其葉片為設計在渦輪軸流罩殼內，數片垂直葉片與空心圓筒成銳角整體澆注形成葉輪，同樣也可用現有的截面為翼型的H型垂直軸風輪。6.根據權利要求1所述的風力發電系統，其進風方式巧妙地由車身設計導流。7.根據權利要求1所述的風力發電系統，可安裝在車頭或車尾，可垂直安裝也可水平安裝。8.根據權利要求1所述的風力發電系統，同樣可應用于油電混合汽車上。
【文檔編號】B60K6/26GK105882378SQ201410765962
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月29日
【發明人】張文祥
【申請人】張文祥