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CN102317098A - 为机动车辆提供能量的装置和方法 - Google Patents

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CN102317098A
CN102317098A CN2010800075830A CN201080007583A CN102317098A CN 102317098 A CN102317098 A CN 102317098A CN 2010800075830 A CN2010800075830 A CN 2010800075830A CN 201080007583 A CN201080007583 A CN 201080007583A CN 102317098 A CN102317098 A CN 102317098A
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energy
vehicle
engine
mgh
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CN2010800075830A
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沃特·拉成梅尔
蒂姆·舍费尔
安德列亚斯·古奇
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LI TEC VERMOEGENSVERWALTUNGS GmbH
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Abstract

为了给机动车辆提供能量，提供一个热力发动机(SM)来将车辆中积聚的热量(106、107、108、114)少部分地转换成车辆的动能，并且将该损耗热量的其它部分提供给蓄热器(LWS)。使用一个可选的机械储能器(MES)可以从汽车发动机(MGH)中吸收动能，存储该能量，并且在需要时再将所述能量传回汽车发动机(MGH)。

Description

为机动车辆提供能量的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种为机动车辆提供能量的装置和方法。
背景技术
对世界能量储备的保护维护和对能量的节约维护在当今是一个重要的目标，无论是对于日常生活的所有领域还是对于由于生态及经济原因的技术支持而言。由于机动车辆的大量推广，其对于我们机动性及与之相联系的显著的能量转换而言的巨大重要性，是对能量的经济节省的使用，对于机动车辆尤为重要。
这点在电动汽车中尤其能显示出来。用于存储电能的当前可用电池的特定充电容量尚小，可能会限制电动汽车的行程，也是这种汽车较少推广的一个原因。电驱动的车辆中的空调设备和供暖设备可能被限制，因为与此相联系的是行程进一步受到限制。电动汽车并未呈现出乘客舒适性，电动汽车市场现今仍不占重要地位。发动机燃料的价格在近几年不断上升，鉴于此实际情况，为使得电动汽车在接下来的十年中已占有一个值得重视的市场份额，提出一个对于空调设备和供暖设备以及相关的更实用的乘客舒适度方面的可行解决方案。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于为机动车辆提供能量的装置和方法，其通过进步的、技术上的设计实现设定目标。该目的是通过如独立权利要求之任一项所述的装置和方法来实现的。
本发明提供了一种用于为机动车辆提供能量的装置和方法，其中具有一个热力发电机，其将车辆中积聚的热量至少部分地转换成车辆的动能，将该热量中的其它部分输出给蓄热器。
与本发明说明书相联系使用的概念将在下面被定义和解释。
在本发明意义上的机动车辆，应理解成所有类型的车辆，其动能至少部分地来自一个发动机，该发动机从一个(所谓的)能源(由于能量守恒定律，其物理上正确地应该称之为储能器)中提取能量，该能量至少部分地转化成车辆的动能。这种类型的机动车辆的典型例子包括用于道路交通的机动车、火车机车、船和飞机。作为发动机的尤其是但不局限于是内燃机、电动机、以及这样的传动设备的组合，即所谓的混合动力驱动。
本发明意义上的热力发电机被理解为是一个用来至少部分地将热量，也即微观动能，转化为宏观动能或者势能的装置。该能量亦可以反方向来转换，转换势能或宏观动能，来使得在低的温度水准上产生的热量在较高温度水准下可支配。由于一般公知的热力学定律仅仅可以在第一方向上部分地达到预定目的；在另一方向上使用的是宏观能量，例如在冷凝器中存储的车辆的电势能或者动能的一部分，以产生较高温度水准的热量。
本发明利用这样的热力发动机，但并不局限这样的热力发动机的特定类型。这样的热力发动机的一个重要的例子就是所谓的斯蒂林发动机。这种机器的优点在于其不依赖于特定的热量生产方法的选择，因此可以通过不同技术的热存储和热源来实现。本发明不局限于斯蒂林发动机或其他公知的热力发动机；其原则上也可以通过发展中的热力发动机来实现。
本发明意义上的在车辆中积累的热量，应理解为是每种热量，其在车辆内或车辆上产生。从而尤其涉及损耗的热量，车辆中能量消耗或能量转换的每个方式中的余热，但也涉及通过产生的辐射热量化(Thermalisierung)而生成的热量，以及通过车辆内部空间的加热出现的、通过车辆表面的加热出现的、通过在表面上安装的集电器的加热而出现的。
本发明意义上的蓄热器应理解为每一个可以吸收、存储及在需要时重新输出热能的设备。其尤其可以是所谓的隐藏式(latent)蓄热器，其建立在相变、通常为一级相变的潜在热量基础原则上。一个类似的原则导致了晗可逆化学反应的使用，例如以化学吸着为基础的吸附过程和解吸附过程。这在所谓的热化学蓄热器中存在，其可能具有更高的能量密度。
本发明意义上的车辆的动能应被理解为每一种类型的车辆可以提取出来的宏观动能。其中，车辆的动能在狭义意义上属于所有形式的分配给车辆在空间中运动的动能，在广义意义上，这样的动能也列入其中，即与车辆部件(发动机、齿轮等)的运动相互联系的。所谓宏观能量是每一种形式的不与微观(尤其是分子的)自由度的激励(Anregung)相联系的能量，其原则上—在不破坏热力学基本定律的前提下—可以等价转换为其他宏观的能量形式。
本发明意义上的机械储能器是每一种形式的能量在其中可以以机械形式被存储的储能器，其中是通过宏观自由度的激发推动，例如尤其是转动、振动或宏观体的可逆(例如弹性的)形变能够被可逆地存储。这种储能器的一个重要的例子是惯性轮或者扭转弹簧存储器。所有的机械储能器都可以可逆地存储宏观动能，以势能或宏观动能的形式，而不转换成其他形式例如化学能或电能。
本发明意义上的电化学储能器应理解为所有形式的所谓的原电池。其在日常口语化中被称为电池或蓄电池；其以化学形式存储电能，在需要时将其返还成电能。一个重要的例子是锂离子电池。其和一些其他电化学储能器具有高度可逆性的特征。
通过从属权利要求构成了本发明的优选的、进一步的方案。
附图说明
下面，本发明将采用优选的实施例并借助于附图来做进一步的详细说明。其中：
图1是依照发明的优选的第一实施例的装置的示意图；
图2是依照发明的优选的第二实施例的装置的示意图；
图3是依照发明的优选的第三实施例的装置的示意图；
图4是依照发明的优选的第四实施例的装置的示意图；
图5是依照发明的优选的第五实施例的装置的示意图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的用于给机动车辆提供能量的装置中预设一个热力发动机SM，其将在车辆中产生的热量106、107、108、114至少部分地转换成汽车的动能并将该热量的剩余部分输给蓄热器LWS。热力发动机是这样一种机械，其将热能(短暂热量(kurz auch
Figure BPA00001421873500041
))在一个循环周期中转换成机械能。于是力求充分利用从较高温度区域流向较低温度区域的热量。在机械能的作用下将热能从低温水平传输到高温水平的机器，被称之为热力发动机、热泵或者制冷机。
热力发动机使用“右旋”循环，在该循环中，在T-S或者p-v图中的封闭曲线是沿着“上到右、底到左”的方向运行。热泵使用“左旋”循环。对于热力发动机的一个重要的例子是除了在道路交通工具中应用很广泛的内燃机外的被称为斯蒂林发动机的斯蒂林机械。
斯蒂林发动机是一种热力发动机，在该发动机中，来自外部的空气、氦气等封闭工作气体在两个不同的工作区域上被交替变换地加热和冷却。该斯蒂林发动机依照封闭循环的原则来工作，是一个从难以使用的能量形式(由热形成的能量、热能、微观动能)转换到较易使用的机械能的能量形式的能量转换的例子。斯蒂林发动机可以通过任意的外部热源(或冷源)来启动。其模式为，在被握住时通过人手的热量而启动。
在一些斯蒂林发动机中，使用氦作为工作介质。其在一个热的位置(加热器)和一个冷的位置(冷却器)之间在两个活塞(工作活塞和换气活塞)的封闭循环中循环地来回移动。加热冷却收缩的气体而膨胀，以提高加热介质氦的压力。气体压力通过工作活塞作用到曲柄连杆机构上。机械能可以通过发电机转换成电能。发电机也可以作为电动机工作，在该工作状态中，启动可以作为热泵来工作的斯蒂林发动机。
在加热端和制冷器之间具有一回收器，其可以在气体从热处到冷处的路径中抽取热量并在回流中进一步供给。
根据图1所示的本发明的实施例，本发明的装置还这样设置，车辆至少还可以通过一个电动机NGH驱动，热力发动机SM驱动一个发电机EG，其中该发电机产生的电能109至少部分地被用于汽车的电驱动。
在图1中所示的本发明的实施例的装置进一步地预设一个机械储能器LWS，其被布置安排成可以从汽车发动机MGH中吸取动能，存储该能量并且在需要时将其进一步地返还给汽车发动机MGH。最后，本发明的图1所示实施例的装置中还预设有一个电化学储能器EES，其被设置成可以从汽车发动机MGH或者从热力发动机SM中吸取电能109、112，存储该能量，且在需要时将该能量进一步返还给汽车发动机MGH或者热力发动机SM。
在所有附图中，通过带有虚线101、102、103、104、105、106、107、108、113、114、115、201、202、203、204、205、206、207、208、213、214、215、301、302、303、304、305、306、307、308、313、314、315、401、402、403、404、406、407、408、414、415、501、502、504、505、506、507、508、513、515的箭头来标识热量的交换，而通过带有实线的箭头来标识宏观(“机械”)动能或电能的交换。其中，带有细实线的箭头109、209、309、409、509、112、212、312、412、512是标识电能的交换，而带有粗实线的箭头110、116、210、216、217、310、410、510是标识机械能的交换。因此，例如图1中的双箭头116标识了热力发动机SM和发电机EG之间的机械能的交换。
发电机EG可以直接地或者通过传动装置机械地与热力发动机SM耦合。以类似的方式，图1中的双箭头110就标识了汽车发动机MGH与机械储能器MES之间的机械耦合，这可以直接地通过一个共同的轴(Welle)或者间接地通过传动装置来实现。与之相反，图1中的双箭头或箭头109、111和112则表示电化学储能器EES与发电机EG或者汽车发动机MGH之间的电能传输，或是电能111从缓冲器SD到电化学储能器EES中的传输。
热力发动机SM和蓄热器LBS之间的热交换102、104优选地通过一热交换器WT来实现。优选地用于促成加热器或者空调器HK之间的热转化103或者气体燃烧器GB和蓄热器LWS之间的热转化113。可以将热量从外面供给优选由隐藏式蓄热器构成的蓄热器LWS或从中抽取热量101。热力发动机SM也可以从气体燃烧器GB直接接收热量105或者从外部输送给热力发动机SM热量106或者从中抽取热量。
缓冲器SD可以将余热107提供给热力发动机SM，如同电储能器EES的余热可以供热力发动机SM使用一样。优选的是向热力发动机SM输送汽车发动机MGH的余热115。优选地，将加热器或者空调器HK的余热提供给热力发动机SM 114，或者说，热力发动机SM的余热输送给加热器或者空调器HK 114。
图2显示的是本发明的装置的进一步的实施例，其与图1所示的实施例主要不同点在于，机械储能器MES通过能量转换路径217机械地与热力发动机SM耦合。本发明的该实施例具有进一步的优点，即，热力发动机SM的剩余动能可以直接传输给机械储能器MES，或在需要时可以通过能量转换路径217被进一步地取出，而不需要为此而首先通过能量转换路径209、212、216借助于发电机EG来从动能转换成电能或者借助于汽车发动机MGH转换成机械能。图2所示的本实施例的能量转换路径217、216具有各自的优点，根据机械储能器MES或电能储能器EES这两个储能器中哪一个还具有吸收能力或者被充好能够使得在需要时可以取出能量。依据以上描述，专业人员可以清楚，在消耗能量时发电机是作为电动机来工作的，如同汽车发动机MGH依赖于能量流动方向210，212来作为发动机或者马达来工作。
图3、4、5是本发明的优选实施例，它们说明的是借助本发明的装置进行的能量管理在不同的车辆工作状态运行模式中的应用。
图3显示的是本发明的在一种工作模式下的能量管理情况，其是在冬季行车时采用的。热力发动机SM被输入热能306，该热量例如是从车顶上的吸收器吸收进来的。同样，“电池”EES的余热308也被输送给热力发动机SM。从蓄热器LWS中取出能量302，输送给加热器H 303。
在本发明的装置的另一个类似的工作模式下，如图4所示，一般是用于夏季行车，从空调器K的制冷设备取出热量403，以将热量输送给热力发动机SM 404、414。如同在图中所示的那样，该热传输优选地通过一热交换器WT来实现，热交换也可以直接地设置在热源或者说热出口与热力发动机SM之间。在根据图4的实施例中，从蓄热器LWS或者热力发动机SM中剩余的热能401、406被释放到环境中去。由此专业人员可知，在图3、4、5中显示的实施例与图1、2中显示的实施例组合。
图5示出了本发明的一个实施例或者是根据发明优选实施例的本发明装置的一种工作模式和附属的能量管理情况，在其中车辆借助于热力发动机SM来驱动。在该工作模式中能量主要是从蓄热器LWS中输入热力发动机SM。在该工作模式下，基本上不使用加热器和空调器(制冷设备HK)，因为这会严重消耗在蓄热器LWS中存储的热量。
根据本发明的装置的所选实施例和该装置的所选工作模式，该装置的各种部件—特别是缓冲装置SD、电能热能器EES或者主驱动MGH的损耗热量—尤其是余热107、108或115，被广泛地使用因而未被丢弃。这种可使用的热量的例子是在充电时和在电化学储能器EES(电池)工作时以及在驱动马达或者发电机MGH工作时。但也可以从缓冲器SD中例如在行驶时取出热能507或者电能511。为了这个目的，缓冲器可以例如配备一个线性发电机，在其作用下车辆的动能(这种情况下主要是振动能)可以至少部分地被转换成电能并被输送利用111、211、311、411、511。能量转换的这种模式和利用可以可替换地或者补充地用于缓冲器的损耗热量。为了利用这种损耗热量，缓冲器可以配备一个独立的制冷系统。
此外，本发明的一个优选实施例使得在日照时通过车身的加热产生的热量的利用成为可能。车体的较大的表面—特别是车顶—是本发明会优选的作为轻质装配结构来实施的。在与外表面的接触中存在着例如流动着冷却液的管道。在本发明的该实施例中，冷却液依照太阳能收集器的原理来带走通过日照产生的热量106、206、306、406、506并且将其输送给热力发动机。
本发明的优选的实施例采用蓄热器LWS，优选地采用车辆中的隐藏式蓄热器，其在启动前可以通过来自供电网的电流或者在行驶时可以通过所属损耗热量流加热101、201、301、401、501。
隐藏式蓄热器是这样一个装置，其“藏匿”热能(latent来自拉丁文latere＝被隐藏，因此也称为隐藏热量)，损失少地通过多个重复循环和经长的时间来存储。可以使用例如所谓的相变材料(PCM，“相转变材料”)，其隐藏的熔化热量、溶解热或者吸收热基本上都大于一个不具有相变的物质相同量时的特定热容。例如是热垫、冷蓄电池(Kühlakkus)或者太阳能装置的燃料箱中填充有石蜡烷烃的存储元件。隐藏式蓄热器通过使用存储介质的热力状态变化的可逆热函来起作用，例如如同固态-液态的相变(熔化/凝固)。固态-液态相变的使用是最经常使用的形式。在商业隐藏式蓄热器的容量充载时，大部分是熔化特定食盐或者石蜡作为存储介质，其吸取很多热能，是熔化热。这种过程是可逆的，存储介质在凝结时给出足够多的热量。
在存储器LWS中的热传输102、203、302、402、502可以在行驶时借助于热力发动机SM优选地由斯蒂林发动机来产生，该发动机是通过一个发电机EG来驱动的。该工作状态被优选地选择，当所提供的热量比所需要的大时，或者当另一种能量存在可被使用且并不需要时，该能量例如是在车辆下坡行驶时—来自车辆动能的回收—例如是通过制动能的转换—可利用且不需要。存储的热能可以(在不使用斯蒂林发动机时)直接被用于车辆的加热103、203、303、403，或者在斯蒂林发动机中部分地被转换成机械的轴的工作104、204、304、404、504。从而驱动现在作为发电机工作的电动机EG。
在需要时可以使用产生的电流来给电池EES充电。斯蒂林发动机的一个特别的优点在于，它不仅可以用于加热器H也可以用作车辆或车辆部件的冷却器K，还可以用于驱动目的116、216、217，或者用于对电池充电109、209、309、409、509。
本发明的一个优选的实施例使用了机械储能器MES，优选轻质结构方式的传动扭转-弹簧存储器，其优选地通过耦合-系统直接与发电机MGH的工作轴相连110、210、310、410、510。
基于效率链(Wirkungsgradkette)，借助于作为发电机工作的驱动马达MGH对“制动能”的回收在数量级上是与损耗的35％相关。机械储能器几乎是零损耗地工作。其优选地通过离合器系统直接与工作轴相连。离合器系统优选地设置成可以使得在相同的旋转方向上产生功率消耗和功率输出。这样的弹簧系统是合适的，例如吸收和进一步输出1000kg总质量的车辆的动能，该车辆以50km/h的速度行驶。带有离合器系统的弹簧存储器优选被构造成轻质结构的构造。这种系统的一个用于所称的设计参数的典型总质量是大约40kg。
本发明一个优选的实施例包括一个热绝缘的隐藏式蓄热器LWS，其工作温度是大约500℃，具有一个电驱动加热设备用来在行驶启动前加热蓄热器101、201、301、401、501。优选地，用于热传递热量103、203、303、403的可控的热交换器WT用于车辆的制冷介质循环/热介质循环。
优选具有车辆的中央冷介质循环/热介质循环HK，其以合适的方式进行调节。热力发动机优选工作区域在大约5℃(“冷端”)和500℃(“热端”)之间的斯蒂林发动机。
优选斯蒂林发动机的热力发动机SM可以在行驶时或者在静止状态时用于车辆的空调设备K或者用作加热器H。机器的端头如下方式设置：
“冷端”优选设置成一个调节的用于从冷/热介质中吸取热量103、203、403的热交换器。“热端”优选具有两个调节的热交换器。第一个作为车辆在大约100℃的冷介质/热介质的热量输出所用，第二个用作对合适的液体的热量输出102、202、302、402、502，该液体在隐藏式蓄热器中被加热至500℃。第一和第二热交换器优选地通过一个马达驱动的三通阀来转换。
根据本发明的实施例，马达/发动机EG或MGH通过轴216、210、217与热力发动机SM相连，优选地与一个斯蒂林发动机相连。当其作为用于加热器H的热泵或者车辆的空调设备K工作时，热力发动机SM吸收机械功率；当它在蓄热器WS的温度水平和环境温度之间工作时，输出机械功率。
本发明的若干优选实施例中，气体燃烧器GB可选地用作热力发动机SM的附加热源，该气体燃烧器优选为带外壳的小孔燃烧器或者其他合适的、例如液化石油气驱动的燃烧器。该液态气体在放电总体系统中可以作为“最后的储备”。通过热力发动机SM和发电机EG可以产生电流用于电池EES的充电109、209。通过这个功能可以用于混合系统。
本发明的若干优选实施例使用一个具有线性发动机的缓冲装置SD。例如通过一个变压器产生等效电流111、211、311、411、511，其用于电池的充电。可替换地或者补充地，缓冲器SD可以连接入车辆的加热/制冷循环HK，从而可以直接使用损耗热量。
本发明的若干优选的实施例为机械储能器MES，优选是无驱动扭转弹簧存储器，通过离合系统直接连接到电动机的工作轴110、210、310、410、510。
本发明系统的所有或若干组件的理想的共同工作优选是通过合适的控制调节装置来保证的。
发电机EG产生的电流可以借助于电阻器转换成热量，用于加热目的或输送给蓄热器。

Claims (8)

1.一种用于给机动车辆提供能量的装置，其特征在于，
-提供热力发动机(SM)，其将车辆中积累的热量(106、107、108、114)至少部分地转换成车辆的动能，并且将所述热量的其它部分提供给蓄热器(LWS)。
2.如权利要求1所述的装置，其中，车辆至少也通过一电动机(MGH)驱动，且其中所述热力发动机(SM)驱动一发电机(EG)，该发电机产生的电能(109)至少部分地用于车辆的电驱动。
3.如前述权利要求之一所述的装置，其中，设置机械储能器(MES)，其配置以从汽车发动机(MGH)接收动能，存储该能量，并且能够在需要时再将所述能量传回汽车发动机(MGH)。
4.如前述权利要求之一所述的装置，其具有一电化学储能器(EES)，该电化学储能器配置以从汽车发动机(MGH)或从热力发动机(SM)接收电能，存储该能量，并且能够在需要时再将所述能量传回汽车发动机(MGH)或者热力发动机(SM)。
5.一种用于给机动车辆提供能量的方法，其特征在于，
-热力发动机(SM)将车辆中积累的热量(106、107、108、114)至少部分地转换成车辆的动能，并且将所述热量的其它部分提供给蓄热器(LWS)。
6.如权利要求1所述的方法，其中，车辆至少也通过一电动机(MGH)驱动，且其中所述热力发动机(SM)驱动一发电机(EG)，该发电机产生的电能(109)至少部分地用于车辆的电驱动。
7.如前述权利要求之一所述的方法，其中，机械储能器(MES)用于从汽车发动机(MGH)接收动能，存储该能量，并且在需要时将所述能量传输回汽车发动机(MGH)。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其具有一电化学储能器(EES)，该电化学储能器从汽车发动机(MGH)或从热力发动机(SM)接收电能，存储该能量，并且能够在需要时将所述能量传回汽车发动机(MGH)或者热力发动机(SM)。
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