CN101148147A - 一种机动车用储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机动车用储能装置，其包括：利用车周边空气流动所产生的风力发电的风力发电组件、利用吸收太阳能发电的太阳能发电组件、开关控制电路、限压保护电路和用于机动车上的蓄电池组；所述风力发电组件的电压输出端与所述蓄电池组的电压输入端之间串接所述开关控制电路，所述太阳能发电组件的电压输出端与所述蓄电池组的电压输入端相连；所述限压保护电路的检测电压输入端连接所述蓄电池组的电压输入端，所述限压保护电路的两个控制信号输出端分别连接所述开关控制电路的控制端和所述太阳能发电组件的控制端。本发明可以应用于各种动力车辆，其制作简单易行，成本低廉，易产业化；而且本发明环保无污染，能量转换效率高，没有废品产生。

Description

一种机动车用储能装置

技术领域

本发明涉及机动车用发电装置技术，具体涉及一种机动车用储能装置。

背景技术

目前汽车日益增长，突飞猛劲，汽车已成为现代人们生活，工作，旅游等重要的组成部分，同时全球的能源紧张，电能短缺，环境的污染越来越受到人们的关注，汽车排放的尾气造成的污染不得不引起人们的思考。各种新型环保的节能汽车也纷纷上市。为了更好地、更有效地利用和节约资源，就需要改进车辆的能源供应***。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机动车用储能装置，其合理和有效地利用车辆运行过程中所产生费能源，并结合太阳能为车辆提供了动力能源或备用能源。

本发明采用以下技术方案实现上述目的。

本发明的机动车用储能装置，其包括：利用车周边空气流动所产生的风力发电的风力发电组件、利用吸收太阳能发电的太阳能发电组件、开关控制电路、限压保护电路和用于机动车上的蓄电池组；所述风力发电组件的电压输出端与所述蓄电池组的电压输入端之间串接所述开关控制电路，所述太阳能发电组件的电压输出端与所述蓄电池组的电压输入端相连；所述限压保护电路的检测电压输入端连接所述蓄电池组的电压输入端，所述限压保护电路的两个控制信号输出端分别连接所述开关控制电路的控制端和所述太阳能发电组件的控制端；当所述限压保护电路检测到所述蓄电池组的电压饱和时，该电路发出控制信号，关断所述开关控制电路用于停止所述风力发电组件向蓄电池组蓄电，并控制太阳能发电组件停止向蓄电池组蓄电。

其中，所述风力发电组件包括：风轮动力组件、发电机组件、整流电路和滤波电路；所述风轮动力组件与所述发电机组件同轴连接，所述风轮动力组件利用车周边空气流动所产生的风力带动所述发电机组件转动并产生交流电，该交流电依次通过所述整流电路、滤波电路后从所述风力发电组件的电压输出端输出。

其中，所述风轮动力组件包括含有多个叶片的风轮和聚风整流罩，所述风轮安装在所述聚风整流罩的内部，所述风轮的中心轴与发电机组件的中心轴同轴连接，所述聚风整流罩包括一进风口和一出风口，空气依次经所述进风口、所述风轮后从所述出风口输出；所述发电机组件采用永磁同步电机结构体，所述风轮的中心轴与所述永磁同步电机结构体的永磁转子同轴连接，并带动所述永磁转子转动形成旋转磁场，所述永磁同步电机结构体的定子线圈绕组相对转子切割旋转磁场获得交流电。其中，所述风轮动力组件安装在机动车顶部或车体下方。

其中，所述太阳能发电组件包括：太阳能电池组，用于吸收太阳能，感应产生电流；及直流变换电路，用于将所述电流转换为稳定的直流电，输出给所述蓄电池组蓄电。其中，所述太阳能电池组安装在机动车顶部或车体侧面。

其中，所述直流变换电路包括：电容C3、电阻R1、三极管VT1、电阻R2、变压器T1、电阻R3、电容C4、二极管D13和充电电容C5，所述电容C3跨接在所述太阳能电池组的两端，所述电容C3的正极连接所述电阻R1和电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端连接所述电阻R3的一端和所述三极管VT1的基极，所述三极管VT1的发射极接地，所述三极管VT1的集电极连接所述电阻R2的另一端；所述电阻R2的一端连接所述变压器T1初级第一线圈的同名端，所述电阻R2的另一端连接所述变压器T1初级第一线圈的非同名端；所述电阻R3的另一端与所述变压器T1初级第二线圈的同名端之间串接所述电容C4，所述变压器T1初级第二线圈的非同名端接地，所述变压器T1次级线圈的同名端连接所述充电电容C5的负极，所述充电电容C5的正极连接所述二极管D13的负极端，所述二极管D13的正极端连接所述变压器T1次级线圈的非同名端，所述充电电容C5的正极端连接所述蓄电池组的电压输入端。其中，所述限压保护电路包括：稳压二极管D14、电阻R5、电阻R6和三极管VT2，所述电阻R5和电阻R6依次串接组成分压电路，该分压电路跨接在所述蓄电池组的电压输入端与地端之间，位于下方的电阻R6上的分压使稳压二极管D14导通并为所述三极管VT2的基极提供偏置电压，所述稳压二极管D14的正极端连接所述三极管VT2的基极，所述稳压二极管D14的负极端连接所述电阻R6的一端，所述三极管VT2的发射极接地，所述三极管VT2的集电极连接所述三极管VT1的基极和所述开关控制电路的控制端。其中，所述三极管VT2的集电极与所述开关控制电路的控制端之间串接一限流电阻R7。其中，所述开关控制电路由全控性开关器件构成。

发明效果：本发明通过在车辆行驶的过程中，利用空气的流动冲击风轮叶片产生动能，然后再将该动轮转换成电能，并存储起来，为车辆提供了动力能源或备用能源；而且本发明还将太阳能结合起来，使本发明蓄电方式多样化，选择性更多，而且应用更广泛，发电更稳定。本发明可以应用于各种动力车辆，其制作简单易行，成本低廉，易产业化；而且本发明环保无污染，能量转换效率高，没有费品产生。本发明非常适用于新型小汽车、汽油动力汽车与电瓶电动汽车的结合体，包括太阳能汽车等。本发明的应用广泛，且可以扩充到高速列车，飞机、航海船等等领域。

附图说明

图1是本发明风力发电组件的机械结构示意图；

图2是本发明装置各组成部分的结构框图；

图3是本发明的并联风力发电组件的结构示意图；

图4是本发明的电路结构示意图。

具体实施方式

以下将详细描述本发明的各较佳实施例。

如图2所示，本发明的机动车用储能装置包括：利用车周边空气流动所产生的风力发电的风力发电组件401、利用吸收太阳能发电的太阳能发电组件403、开关控制电路402、限压保护电路423和用于机动车上的蓄电池组404；风力发电组件401的电压输出端与蓄电池组404的电压输入端之间串接开关控制电路402，太阳能发电组件403的电压输出端与蓄电池组404的电压输入端相连；限压保护电路423的检测电压输入端连接蓄电池组404的电压输入端，限压保护电路423的两个控制信号输出端分别连接开关控制电路402的控制端和太阳能发电组件403的控制端；当限压保护电路423检测到蓄电池组404的电压饱和时，该电路发出控制信号，关断开关控制电路402用于停止风力发电组件401向蓄电池组404蓄电，并控制太阳能发电组件403停止向蓄电池组404蓄电。

如图1所示，上述风力发电组件401包括：风轮动力组件100、发电机组件200、整流电路和滤波电路；风轮动力组件100与发电机组件200同轴连接，该风轮动力组件100利用车周边空气流动所产生的风力带动发电机组件200工作产生交流电，该交流电依次通过所述整流电路、滤波电路后送入所述蓄电池组404存储。其中，如图1所示，上述风轮动力组件100包括含有多个叶片105的风轮102和聚风整流罩106，风轮102安装在聚风整流罩106的内部，风轮102的中心轴101与发电机组件200的中心轴201同轴连接，聚风整流罩106包括一进风口104和一出风口103，空气依次经进风口104、风轮102后从出风口103输出。上述发电机组件200采用永磁同步电机结构体(其结构与具体的设计方法均属于现有技术，在此不作详细说明)，风轮102的中心轴101与永磁同步电机结构体的永磁转子202的中心轴201同轴连接，并带动永磁转子202转动形成旋转磁场，永磁同步电机结构体的定子线圈绕组203相对永磁转子202切割旋转磁场获得交流电。

如图1所示，其结构的工作原理如下所述：当汽车向前行驶时，汽车会带动周边的空气流动，如图1，上述风轮102采用卧式涡风轮，其特点是：卧式架构，扁平状，有利于减少空气对行驶中汽车的阻力，叶片用料轻，只要有微量的空气流动就能使叶轮转动，在风轮102上由诺干个个体叶片105组成，与普通风扇叶片不同。  它的特点是噪音小，动能大，转速均匀，没有震动感，此叶片轻，启动快速。上述聚风整流罩106箱体，有两个特点：一是将迎面的空气聚集在一起形成一股强大的冲击力推动卧式涡风轮；二是将迎面空气整流，减少空去阻力。空气通过聚风整流罩106箱体入口端的气流直接打在叶片105上，推动卧式涡风轮的高速旋转。为了减少聚风整流罩106箱体在汽车行驶中空气对自身的阻力，在聚风整流罩106箱体尾开有空气整流输出口，即出风口103，它能将入口的空气通过卧式涡风轮叶片后，快速整流出去，以免对汽车造成阻力，减少料涡流的产生，提高了汽车安全运行速度。在聚风整流罩106的出风口103上还设置有输出口空气整流片107，该叶片可制作成活动的，有利于空气分流，而发电机组件100可以固定在汽车顶部上。其中，风轮102的转动连同中心轴101一起转动，其转轴中心轴101的末端上可以钳有一块永久磁铁，永久磁铁作为转子磁极而产生旋转磁场，旋转磁场强度是不变的、不可调的，在中心轴101外套有一个定子线圈绕组202，定子线圈绕组202固定不动，当转子运动时连同转子磁极一齐切割磁力线，在定子线圈绕组202上就得到了输出电压，由此可见上述结构属于永磁同步电机结构体。

如图4所示，上述定子线圈绕组203采用三相星形联结方式，同时还可以增加一组接线头，即每一相线圈绕组增加一线圈绕组并引出接线头作为一组三相交流电的输出端。线圈绕组的具体联结方式如图4所示，L1、L2、L3为定子绕组线圈，且星形联结，在转子磁极的作用下，线圈L1、L2、L3与二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6构成的整流电路连接，通过滤波电容C1、C2去除纹波，对蓄电池组电瓶BT1进行充电，形成电量储存。其中，L1-1、L2-2、L3-3在L1、L2、L3为定子绕组线圈绕组基础上，增加绕组匝数并引出接线头，同时增加一套由二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12构成的桥式整流器，线圈L1-1、L2-2、L3-3的输出也对蓄电池组电瓶BT1进行充电。

为了保证充电的进行，风轮102低速时由绕组线圈L1、L2、L3和增加的绕组L1-1、L2-2、L3-3串联输出，提高了发电机的输出电压，使发电机低速充电性能大大提高。而在风轮102具有较高转速时，仅由原L1、L2、L3绕组输出，随着发电机组件200转速的增大，串接的绕组线圈L1-1、L2-2、L3-3绕组的感抗增大，内压降增大，再加上电枢反应加强，使输出电压下降，这时，原绕组线圈L1、L2、L3绕组因内压降较小，产生的感应电流相对较大，确保了高速下的功率输出，工作中高低速供电电路的变换可自动调节，不用增设任何控制装置。

如图4所示，上述整流电路可采用三相可控式整流电路和三相不可控桥式整流电路中的一种。图2中具有两组整流电路，其均采用六个二极管构成的三相不可控桥式整流电路，此两组整流电路分别与上述两组三相交流电输出端相连，且上述滤波电路由滤波电容C1、C2构成，该滤波电容C1、C2并联在整流电路的输出端。

从发电效率来看，可将上述风轮电机做成诺干个小体积的并联发电***，根据不同的需求来增减体积的大小，以保证其灵活运用。如图3所示，发电机组件100包括一变速箱和多个永磁同步电机结构体构成，风轮动力组件100与变速箱同轴连接，多个永磁同步电机结构体分别从变速箱获得动力并实现并联发电。其中，变速箱由一个大齿轮301和多个小齿轮302构成，多个小齿轮301与大齿轮301啮合，每个小齿轮302的中心轴与一个永磁同步电机结构体的永磁转子202同轴连接。

如图4所示，上述太阳能发电组件403主要包括以下几个部分：太阳能电池组SB1，用于吸收太阳能，感应产生电流；和直流变换电路413，用于将上述电流转换为稳定的直流电，输出给所述蓄电池组404(即图4中的电瓶BT1)蓄电。

以下结合图4说明本发明的一优选实施例，具体说明上述电压转换的具体电路。

如图4所示，上述直流变换电路413包括：电容C3、电阻R1、三极管VT1、电阻R2、变压器T1、电阻R3、电容C4、二极管D13和充电电容C5，电容C3作为滤波电容跨接在太阳能电池组SB1的两端，电容C3的正极连接所述电阻R1和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接电阻R3的一端和三极管VT1的基极，三极管VT1的发射极接地，三极管VT1的集电极连接电阻R2的另一端；电阻R2的一端连接变压器T1初级第一线圈的同名端(即图4中变压器T1的1端)，电阻R2的另一端连接变压器T1初级第一线圈的非同名端(即图4中变压器T1的2端)；电阻R3的另一端与变压器T1初级第二线圈的同名端(即图4中变压器T1的3端)之间串接电容C4，变压器T1初级第二线圈的非同名端(即图4中变压器T1的4端)接地，变压器T1次级线圈的同名端(即图4中变压器T1的5端)连接充电电容C5的负极，充电电容C5的正极连接二极管D13的负极端，所述二极管D13的正极端连接所述变压器T1次级线圈的非同名端(即图4中变压器T1的6端)，充电电容C5的正极端连接电瓶BT1的电压输入端。

如图4所示，上述限压保护电路423包括：稳压二极管D14、电阻R5、电阻R6和三极管VT2，电阻R5和电阻R6依次串接组成分压电路，该分压电路跨接在所述电瓶BT1的电压输入端与地端之间，位于下方的电阻R6上的分压使稳压二极管D14导通并为三极管VT2的基极提供偏置电压，稳压二极管D14的正极端连接三极管VT2的基极，稳压二极管D14的负极端连接电阻R6的一端，三极管VT2的发射极接地，三极管VT2的集电极连接三极管VT1的基极和开关控制电路的控制端。三极管VT2的集电极与开关控制电路402的控制端之间串接一限流电阻R7，用于限制输入到开关控制电路402的电流。图4中，开关控制电路402由全控性开关器件构成，其可以包括门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力晶体管、电力场效应管和绝缘栅双极晶体管。上述电路的工作原理如下所述：

太阳能电池SB1在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较偏高，因此输出电压不稳定，这就需要用一个直流变换电路413变换电压后给BT1电瓶充电，直流变换电路413见图4。当三极管VT1导通时，高频变压器T1初级线圈1、2端的感应电压为1正2负，次级线圈5、6端为5正6负，整流二极管D13处于截止状态，这时高频变压器T1通过初级线圈1，2储存能量；当开关管VT1截止时，次级线圈5、6端为5负6正，高频变压器T1中存储的能量通过D13整流和电容C5滤波后向BT1充电。三极管VT1可为开关电源管，它和T1、R1、R2、R3、C4等组成自激式振荡电路。当太阳能电池SB1输出电源后，电流经启动电阻R1流向三极管VT1的基极，使VT1导通。三极管VT1导通后，变压器T1初级线圈就加上输入直流电压，其集电极电流在变压器T1的初级线圈1、2端中成线性增长，初级线圈3、4端作为反馈线圈产生3正4负的感应电压，使三极管VT1得到基极为正、发射极为负的正反馈电压，此电压经C4、R3向三极管VT1注入基极电流使三极管VT1的集电极电流进一步增大，正反馈产生雪崩过程，使三极管VT1饱和导通。在三极管VT1饱和导通期间，变压器T1通过初级线圈1、2端储存磁能。与此同时，感应电压给C4充电，随着C4充电电压的增高，三极管VT1基极电位逐渐变低，当三极管VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，三极管VT1退出饱和区进入放大区。三极管VT1进入放大状态后，其集电极电流由放大状态前的最大值下降，在初级线圈3、4端作为反馈线圈产生3负4正的感应电压，使三极管VT1基极电流减小，其集电极电流随之减小，正反馈再一次出现雪崩过程，三极管VT1迅速截止。三极管VT1截止后，变压器T1储存的能量提供给负载，次级线圈5、6端产生的5负6正的电压经二极管D13整流滤波后，在C5上得到直流电压给蓄电池组BT1电瓶充电。在VT1截止时，直流供电输入电压和初级线圈3、4端感应的3负4正的电压又经R1、R3给C4反向充电，逐渐提高三极管VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

图4中，电阻R5、电阻R6、二极管D14、三极管VT2等组成限压保护电路423，以保护电瓶，这里以12V电瓶为例，其充电限制电压为14V。在电瓶BT1的充电过程中，电瓶BT1电压逐渐上升，当充电电压大于14V时，经R5、R6分压后稳压二极管D14开始导通，使三极管VT2导通，三极管VT2的分流作用减小了三极管VT1的基极电流，从而减小了三极管VT1的集电极电流Ic，达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电瓶BT1的大电流充电，用小电流将电瓶的电压维持在14V。另一方面，由于三极管VT2的导通，使得三极管VT2集电极的电位变低，通过电阻R7使开关管VT3的栅极为低，开关管VT3为N沟道MOS管，其实现开关控制电路的功能，当开关管VT3的栅极为低电平时，开关管VT3关闭，风力发电组件401就停止给电瓶BT1充电。当开关管VT3的栅极为高电平时，开关管VT3被打开，风力发电组件401给BT1充电，平时当电瓶BT1没充满时，风力发电组件401与太阳能电池一齐对电瓶BT1充电，当电瓶BT1充到14V时，由于加了电瓶检测电路，两者都能自动关闭充电电路，以延长电瓶BT1的使用寿命。

综上所述，本发明提供的电路结构简单，而且均采用分离元件、能自动对电瓶的充放电进行控制，不需要额外增加昂贵的控制芯片，所以成本低、实用性强、器件损坏后方便维修和更换。本发明的装置可独立为汽车的主电瓶瓶或备用电瓶充电工作，尤其是新型汽车电瓶车与燃油车的混合体机车，其风轮动力组件可安装在机动车顶部或车体下方，其太阳能电池组可安装在机动车顶部或车体侧面。当燃油耗尽或燃油车***损坏时，  电能量取决定性的作用，可做到一边行驶一边利用风轮和太阳能来进行充电，真正做到无循环使用，也可在汽车发电机坏了得情况下，保证汽车电瓶的正常，给机车各负载提供供电工作。如车载通信呼叫***，车载网络***。另外，汽车不行驶使用时还可将汽车风轮朝向有风方向，形成一个能移动的风轮发电***。本发明还能运用于高速列车上，其安装也即为方便。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种机动车用储能装置，其特征在于，所述装置包括：利用车周边空气流动所产生的风力发电的风力发电组件、利用吸收太阳能发电的太阳能发电组件、开关控制电路、限压保护电路和用于机动车上的蓄电池组；

所述风力发电组件的电压输出端与所述蓄电池组的电压输入端之间串接所述开关控制电路，所述太阳能发电组件的电压输出端与所述蓄电池组的电压输入端相连；所述限压保护电路的检测电压输入端连接所述蓄电池组的电压输入端，所述限压保护电路的两个控制信号输出端分别连接所述开关控制电路的控制端和所述太阳能发电组件的控制端；当所述限压保护电路检测到所述蓄电池组的电压饱和时，该电路发出控制信号，关断所述开关控制电路用于停止所述风力发电组件向所述蓄电池组蓄电，并控制太阳能发电组件停止向所述蓄电池组蓄电。

2.根据权利要求1所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述风力发电组件包括：风轮动力组件、发电机组件、整流电路和滤波电路；

所述风轮动力组件与所述发电机组件同轴连接，所述风轮动力组件利用车周边空气流动所产生的风力带动所述发电机组件转动并产生交流电，该交流电依次通过所述整流电路、滤波电路后从所述风力发电组件的电压输出端输出。

3.根据权利要求2所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述风轮动力组件包括含有多个叶片的风轮和聚风整流罩，所述风轮安装在所述聚风整流罩的内部，所述风轮的中心轴与发电机组件的中心轴同轴连接，所述聚风整流罩包括一进风口和一出风口，空气依次经所述进风口、所述风轮后从所述出风口输出；所述发电机组件采用永磁同步电机结构体，所述风轮的中心轴与所述永磁同步电机结构体的永磁转子同轴连接，并带动所述永磁转子转动形成旋转磁场，所述永磁同步电机结构体的定子线圈绕组相对转子切割旋转磁场获得交流电。

4.根据权利要求1所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述风轮动力组件安装在机动车顶部或车体下方。

5.根据权利要求1所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述太阳能发电组件包括：

太阳能电池组，用于吸收太阳能，感应产生电流；及

直流变换电路，用于将所述电流转换为稳定的直流电，输出给所述蓄电池组蓄电。

6.根据权利要求5所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述太阳能电池组安装在机动车顶部或车体侧面。

7.根据权利要求5所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述直流变换电路包括：电容C3、电阻R1、三极管VT1、电阻R2、变压器T1、电阻R3、电容C4、二极管D13和充电电容C5，

所述电容C3跨接在所述太阳能电池组的两端，所述电容C3的正极连接所述电阻R1和电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端连接所述电阻R3的一端和所述三极管VT1的基极，所述三极管VT1的发射极接地，所述三极管VT1的集电极连接所述电阻R2的另一端；所述电阻R2的一端连接所述变压器T1初级第一线圈的同名端，所述电阻R2的另一端连接所述变压器T1初级第一线圈的非同名端；所述电阻R3的另一端与所述变压器T1初级第二线圈的同名端之间串接所述电容C4，所述变压器T1初级第二线圈的非同名端接地，所述变压器T1次级线圈的同名端连接所述充电电容C5的负极，所述充电电容C5的正极连接所述二极管D13的负极端，所述二极管D13的正极端连接所述变压器T1次级线圈的非同名端，所述充电电容C5的正极端连接所述蓄电池组的电压输入端。

8.根据权利要求7所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述限压保护电路包括：稳压二极管D14、电阻R5、电阻R6和三极管VT2，所述电阻R5和电阻R6依次串接组成分压电路，该分压电路跨接在所述蓄电池组的电压输入端与地端之间，位于下方的电阻R6上的分压使稳压二极管D14导通并为所述三极管VT2的基极提供偏置电压，所述稳压二极管D14的正极端连接所述三极管VT2的基极，所述稳压二极管D14的负极端连接所述电阻R6的一端，所述三极管VT2的发射极接地，所述三极管VT2的集电极连接所述三极管VT1的基极和所述开关控制电路的控制端。

9.根据权利要求8所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述三极管VT2的集电极与所述开关控制电路的控制端之间串接一限流电阻R7。

10.根据权利要求1所述的机动车用储能装置，其特征在于，所述开关控制电路由全控性开关器件构成。

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