CN102019842A - 一种液压混合电动车辆传动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液压混合驱动电动车辆的传动系统，属于车辆节能减排技术领域。该车辆传动系统无需离合器和变速箱，应用电动机、液压泵/马达的无级调速特性，使其直接与主减和差速器相连驱动车辆行驶，减轻了驾驶员的操作强度，其中蓄电池-电动机为车辆的主动力源，而液压蓄能器-变量泵/马达只用于回收和再利用车辆的制动能量，在加速过程中由液压泵/马达提供额外动力，特别是在起步过程中，单独由液压泵/马达驱动车辆起步行驶，使电动机能经常运行在稳定工况下，降低了变工况对电路系统的冲击，极大程度上降低蓄电池的负荷，提升了蓄电池-电动机的工作性能和使用寿命，并延长了电动车辆的续航里程。

Description

一种液压混合电动车辆传动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压混合驱动电动车辆动力系统，具体为电动机、液压泵/马达混合驱动的车辆传动系统，蓄电池-电动机为主要动力源，液压蓄能器-变量泵/马达用于回收和再利用车辆的制动能量，属于车辆节能减排技术领域。

背景技术

化石燃料的不断消耗以及地球环境的污染破坏，促使人们探索新的车用能源。使用电能不会带来污染，并且电能的来源具有多样性，而与得到电能相关的排放为固定源引起的，易于控制处理。纯电动汽车、混合动力电动车能有效的实现车辆的节能减排，越来越受到人们的重视，成为当前新能源汽车最主要的研究内容。纯电动汽车以电能作为动力源，不燃烧燃油，达到了真正的车辆零排放，而纯电动汽车、插电式混合动力电动车均需要使用外界能源对蓄电池进行预充电，特别是纯电动汽车，驱动车辆行驶的单一动力源为蓄电池，其蓄电池技术成为纯电动汽车发展的关键。如何提高蓄电池的能量密度、延长使用寿命、降低使用成本是目前电动车辆迫切需要解决的难题。电动车辆一般能在制动时实现制动能量的回收，再生制动能量的回收和再利用有利于电动车辆的节能以及延长其行驶里程，但是在短时间内的制动过程中，受制于能量的转换形式，一般电动车辆只能回收10-15％的制动能量，且控制复杂，更重要的是频繁地对蓄电池充放电，增加了蓄电池和电机的负荷和冲击，降低了蓄电池的使用寿命；而在车辆起步和加速过程中，较大的输出电流增加了蓄电池的热负荷，同时很大程度上消耗了电能，缩短了电动车辆的行驶里程，也在很大程度上降低了蓄电池的使用寿命。采用液压泵/马达-液压蓄能器可以很好地实现车辆制动能量的回收和再利用，车辆在制动过程中，液压泵/马达工作在泵模式下，依靠车辆惯性把低压蓄能器中的液压油泵入高压蓄能器中，实现制动能量的回收，而在起步和加速过程中，液压泵/马达工作在马达模式下，高压蓄能器中的高压油释放到低压蓄能器中，带动液压泵/马达运转进而驱动车辆行驶。相关研究表明，因液压系统具有较大的功率密度，能在短时间内回收车辆的制动能量，最高回收比率达77％以上。

本专利提出一种综合利用相对能量密度较高的电动系统和相对功率密度较高的液压系统的车辆传动系统，应用液压系统回收和再利用车辆的制动能量，并使电动机能经常工作在稳定工况，以提高蓄电池电能的利用率，延长其使用寿命和续航里程，达到节能减排的目的。

发明内容

本发明的目的是综合利用电动系统和液压系统，有效回收和再利用车辆的制动能量，以延长蓄电池的使用寿命和续航里程，最终达到车辆节能减排的目的。

本发明的方案是以蓄电池-电动机作为车辆的主动力源驱动车辆行驶，而在车辆减速制动过程中，采用液压泵/马达-液压蓄能器回收车辆的制动能量，在车辆起步过程中，单独采用液压蓄能器-液压泵/马达提供驱动动力，在车辆加速过程中，由液压蓄能器-液压泵/马达提供辅助驱动动力，而在车辆停放时，采用外界充电设备对蓄电池进行充电。

本发明提供了一种液压混合电动车辆传动系统，主要包括：加速踏板位置传感器1、制动踏板位置传感器2、车速传感器3、系统控制单元4、外部充电接口5、蓄电池能量管理单元6、蓄电池7、低压蓄能器8、泵/马达变量机构9、液压泵/马达10、高压蓄能器11、压力传感器12、电动机13、电动机控制单元14、主减和差速器15、驱动轮16、来自加速踏板位置传感器1的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器2的制动踏板位置信号b、来自车速传感器3的车速信号c、来自蓄电池能量管理单元6的蓄电池状态信号d、液压泵/马达10的排量控制信号e、来自压力传感器12的高压蓄能器压力信号f、电动机控制信号g。其中蓄电池7和电动机13分别由蓄电池能量管理单元6和电动机控制单元14进行监测与控制，系统控制单元4则用于实现各部件的协调工作；电动机13的输出轴直接与主减和差速器15相连，为车辆的主动力源，用于实现车辆的常规驱动行驶，其中电动机13的电能输入端经电动机控制单元14与蓄电池5相连；液压泵/马达10与电动机13同轴相连，而液压泵/马达10的进排口分别与高压蓄能器12和低压蓄能器8相连，用于回收和再利用车辆的制动能量，其中液压泵/马达10的排量由泵/马达变量机构9进行实时调整，以适应车辆的行驶需求；在车辆停放时，采用外界充电设备经外部充电接口5给蓄电池7充电。

利用上述液压混合电动车辆传动系统，实现其控制方法的步骤如下：

状态一：车辆在起步过程中，系统控制单元4通过接收加速踏板位置信号a、制动踏板位置信号b、车速信号c判定车辆处于起步过程，并根据高压蓄能器压力信号f和加速踏板位置信号a，发出指令e，使泵/马达变量机构9调整液压泵/马达10工作为马达模式，并精确控制其排量大小，以符合驾驶员的起步行驶需求，此时系统控制单元还发出指令g，使电动机控制单元14控制电动机13处于空转状态，车辆单独由液压系统驱动起步。当高压蓄能器11的压力下降到工作下限时，系统控制单元4发出指令e、g，使泵/马达变量机构9调节液压泵/马达10的排量为零，液压泵/马达10空转，同时电动机控制单元14根据指令g控制电动机13输出合适的功率驱动车辆行驶。

状态二：车辆正常行驶过程中，泵/马达变量机构9调节液压泵/马达10的排量为零，液压泵/马达10空转，电动机控制单元14控制电动机13输出合适的功率驱动车辆行驶，该过程与纯电动汽车相似。

状态三：车辆在制动过程中，系统控制单元4通过接收加速踏板位置信号a、制动踏板位置信号b、车速信号c，发出指令e、g，使电动机控制单元14控制电动机13处于空转状态，泵/马达变量机构9根据信号e使液压泵/马达10工作在泵模式下，并调整液压泵/马达10至合适排量，此时车辆的惯性经差速器和主减15带动液压泵/马达10工作，把低压蓄能器8中的液压油泵入高压蓄能器11中，实现车辆制动能量的液压能回收。

状态四：车辆在加速过程中，当高压蓄能器11的压力处于下限以上水平时，系统控制单元4根据加速踏板位置信号a、车速信号c、高压蓄能器11压力信号f，发出指令e、g，使电动机控制单元14控制电动机13保持原有输出功率，泵/马达变量机构9根据信号e使液压泵/马达10工作在马达模式下，并调整液压泵/马达10至合适排量，使液压泵/马达10提供额外的加速功率。当高压蓄能器的压力下降到下限以下水平时，泵/马达变量机构9根据信号e调节液压泵/马达10的排量至零，使液压泵/马达10空转，车辆单独由电动机13驱动加速行驶。

状态五：车辆在长下坡时，液压系统可以充当车辆的缓速器，系统控制单元4发出指令e，使液压泵/马达10工作为马达模式，并把低压蓄能器8中的液压油泵入高压蓄能器11中，从而把重力势能储存在高压蓄能器11中，当高压蓄能器11的压力达到上限时，液压油经液压系统中所设置的溢流阀回流至低压蓄能器8。

本发明可取得如下有益效果：以电能作为车辆的主动力源，液压能用于辅助驱动行驶，实现了车辆的零排放；应用以液压泵/马达-液压蓄能器为主的液压系统，能有效地回收和再利用车辆的制动能量，从而提高了蓄电池电能的利用率，延长了电动车辆的续航里程，并且避免了采用电动机/发电机回收车辆制动能量时对蓄电池的频繁充放电，进而延长了蓄电池的使用寿命；在加速过程中由液压泵/马达10提供额外动力，特别是在起步过程中，单独由液压泵/马达10驱动车辆起步行驶，使电动机13能经常运行在稳定工况下，降低了变工况对电路系统的冲击，极大程度上降低蓄电池7的负荷，提升了蓄电池-电动机的工作性能和使用寿命；由于电动机13和液压泵/马达10均能实现无级调速，故在动力源输出端与主减和差速器15之间无需离合器和变速箱，能实现车辆动力无间断性地传递，并在一定能程度上降低了制造成本，减轻了驾驶员的操作强度。

附图说明

图1一种液压混合电动车辆传动系统原理简图

图中：1.加速踏板位置传感器、2.制动踏板位置传感器、3.车速传感器、4.系统控制单元、5.外部充电接口、6.蓄电池能量管理单元、7.蓄电池、8.低压蓄能器、9.泵/马达变量机构、10.液压泵/马达、11.高压蓄能器、12.压力传感器、13.电动机、14.电动机控制单元、15.主减和差速器、16.驱动轮、a.来自加速踏板位置传感器1的加速踏板位置信号、b.来自制动踏板位置传感器2的制动踏板位置信号、c.来自车速传感器3的车速信号、d.来自蓄电池能量管理单元6的蓄电池状态信号、e.液压泵/马达10的排量控制信号、f.来自压力传感器12的高压蓄能器压力信号、g.电动机控制信号。

具体实施方式

参照图1一种液压混合电动车辆传动系统及其控制方法，主要包括：加速踏板位置传感器1、制动踏板位置传感器2、车速传感器3、系统控制单元4、外部充电接口5、蓄电池能量管理单元6、蓄电池7、低压蓄能器8、泵/马达变量机构9、液压泵/马达10、高压蓄能器11、压力传感器12、电动机13、电动机控制单元14、主减和差速器15、驱动轮16、来自加速踏板位置传感器1的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器2的制动踏板位置信号b、来自车速传感器3的车速信号c、来自蓄电池能量管理单元6的蓄电池状态信号d、液压泵/马达10的排量控制信号e、来自压力传感器12的高压蓄能器压力信号f、电动机控制信号g。其中蓄电池7和电动机13分别由蓄电池能量管理单元6和电动机控制单元14进行监测与控制，系统控制单元4则用于实现各部件的协调工作；电动机13的输出轴直接与主减和差速器15相连，为车辆的主动力源，用于实现车辆的常规驱动行驶；液压泵/马达10与电动机13同轴相连，而液压泵/马达10的进排口分别与高压蓄能器12和低压蓄能器8相连，用于回收和再利用车辆的制动能量，其中液压泵/马达10的排量由泵/马达变量机构9进行实时调整，以适应车辆的行驶需求；在车辆停放时，采用外界充电设备经外部充电接口5给蓄电池7充电。

液压系统只用于车辆起步和车辆加速时的辅助助力，不用于单独驱动车辆正常行驶，因此，液压泵/马达10的最大排量和高压蓄能器11、低压蓄能器8的容量，以及液压系统的最高工作压力均可以较小，以降低液压系统的重量和密封强度；由于电动机13和液压泵/马达10均能实现无级调速，故在本专利所述的液压混合动力系统中，无需离合器和变速箱，电动机13和液压泵/马达10的输出轴直接与主减和差速器15相连，或者通过齿轮机构进行动力耦合，从而驱动车辆行驶。因液压系统的功率密度大，能较好的回收和再利用车辆的制动能量，故在车辆行驶过程中，应优先使用液压能驱动车辆，以便于在下一次制动时更多地回收车辆制动能量。

本专利所述的电动机13和液压泵/马达10同轴相连，之间不需要离合器，但亦可通过齿轮机构或其他动力连接机构进行动力耦合。本专利所述的液压泵/马达10空转，实质上是通过泵/马达变量机构9调整液压泵/马达10的斜盘角开度为零，使得液压泵/马达10的排量为零，从而使液压泵/马达10不消耗液压能进行动力输出，也不利用其他能源进行泵油，其输出轴仅随转动轴旋转；当电动机13空转时，实质上是通过电动机控制单元14断开电动机13的励磁电流或绕组线圈，改变电动机13的磁场，使其不消耗电能进行动力输出，也不利用其他能量进行发电，其转子部件实现动力的传递。

车辆起步时，系统首先判断高压蓄能器11压力是否处于最低工作压力下限之上：若处于下限之上，则采用液压系统单独驱动车辆起步，此时泵/马达变量机构9根据信号e调整液压泵/马达10的排量，以满足驾驶员的起步需求，该液压能驱动过程直到高压蓄能器11压力下降到最低工作压力下限之后才结束；若处于下限及以下水平，则采用电动机13驱动车辆起步。

车辆一般正常行驶时，本专利所涉及的液压混合电动车辆与纯电动车辆相似。

车辆减速制动或长下坡时，通过液压系统回收车辆的制动能量或重力势能并将其储存在高压蓄能器11中，系统根据制动踏板位置信号b、车速信号c、高压蓄能器11压力信号f，精确控制液压泵/马达10的排量，以达到驾驶员的减速制动需求，而当高压蓄能器11压力达到最高工作压力上限时，液压油通过液压系统的溢流阀流回低压蓄能器8。当车辆进行紧急制动或制动踏板位置越过某一限值时，机械摩擦式制动器参与工作，并与液压系统同时提供制动力矩，实现车辆的联合制动。

车辆加速时，系统首先判断高压蓄能器11压力是否处于最低工作压力下限之上：若处于下限之上，则采用液压系统提供加速动力，此时泵/马达变量机构9根据信号e调整液压泵马达10的排量，以满足驾驶员的加速需求，直到高压蓄能器11压力下降到最低工作压力下限之后才结束液压能助力加速；若高压蓄能器11压力处于下限及以下水平，则采用电动机13驱动车辆加速行驶。

另外，需要指出的是，本专利所涉及的液压混合电动车辆传动系统无需离合器和变速箱就能达到行驶需求，但在动力源与主减之间采用离合器和变速箱，以及包含本专利精神和范围的方案及其改进均在本专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种液压混合电动车辆传动系统，主要包括：加速踏板位置传感器(1)、制动踏板位置传感器(2)、车速传感器(3)、系统控制单元(4)、外部充电接口(5)、蓄电池能量管理单元(6)、蓄电池(7)、低压蓄能器(8)、泵/马达变量机构(9)、液压泵/马达(10)、高压蓄能器(11)、压力传感器(12)、电动机(13)、电动机控制单元(14)、主减和差速器(15)、驱动轮(16)，其特征在于蓄电池(7)和电动机(13)分别由蓄电池能量管理单元(6)和电动机控制单元(14)进行监测与控制，系统控制单元(4)则用于实现各部件的协调工作；电动机(13)的输出轴直接与主减和差速器(15)相连，为车辆的主动力源，其中电动机(13)的电能输入端经电动机控制单元(14)与蓄电池(5)相连；液压泵/马达(10)与电动机(13)同轴相连，而液压泵/马达(10)的进排口分别与高压蓄能器(11)和低压蓄能器(8)相连，其中液压泵/马达(10)的排量由泵/马达变量机构(9)进行实时调整；在车辆停放时，采用外界充电设备经外部充电接口(5)给蓄电池(7)充电。

2.利用权利要求1所述的液压混合电动车辆传动系统进行控制的方法，其特征在于在车辆处于下述五种不同的工作状态时，分别按照如下的步骤进行控制：

状态一：车辆在起步过程中，系统控制单元(4)通过接收加速踏板位置信号(a)、制动踏板位置信号(b)、车速信号(c)判定车辆处于起步过程，并根据高压蓄能器压力信号(f)和加速踏板位置信号(a)，发出指令(e)，使泵/马达变量机构(9)调整液压泵/马达(10)工作为马达模式，并精确控制其排量大小，以符合驾驶员的起步行驶需求，此时系统控制单元还发出指令(g)，使电动机控制单元(14)控制电动机(13)处于空转状态，车辆单独由液压系统驱动起步；当高压蓄能器(11)的压力下降到工作下限时，系统控制单元(4)发出指令(e)、(g)，使泵/马达变量机构(9)调节液压泵/马达(10)的排量为零，液压泵/马达(10)空转，同时电动机控制单元(14)根据指令(g)控制电动机(13)输出合适的功率驱动车辆行驶；

状态二：车辆正常行驶过程中，泵/马达变量机构(9)调节液压泵/马达(10)的排量为零，液压泵/马达(10)空转，电动机控制单元(14)控制电动机(13)输出合适的功率驱动车辆行驶，该过程与纯电动汽车相似；

状态三：车辆在制动过程中，系统控制单元(4)通过接收加速踏板位置信号(a)、制动踏板位置信号(b)、车速信号(c)，发出指令(e)、(g)，使电动机控制单元(14)控制电动机(13)处于空转状态，泵/马达变量机构(9)根据信号(e)使液压泵/马达(10)工作在泵模式下，并调整液压泵/马达(10)至合适排量，此时车辆的惯性经差速器和主减(15)带动液压泵/马达(10)工作，把低压蓄能器(8)中的液压油泵入高压蓄能器(11)中，实现车辆制动能量的液压能回收；

状态四：车辆在加速过程中，当高压蓄能器(11)的压力处于下限以上水平时，系统控制单元(4)根据加速踏板位置信号(a)、车速信号(c)、高压蓄能器(11)压力信号(f)，发出指令(e)、(g)，使电动机控制单元(14)控制电动机(13)保持原有输出功率，泵/马达变量机构(9)根据信号(e)使液压泵/马达(10)工作在马达模式下，并调整液压泵/马达(10)至合适排量，使液压泵/马达(10)提供额外的加速功率；当高压蓄能器的压力下降到下限以下水平时，泵/马达变量机构(9)根据信号(e)调节液压泵/马达(10)的排量至零，使液压泵/马达(10)空转，车辆单独由电动机(13)驱动加速行驶；

状态五：车辆在长下坡时，液压系统充当车辆的缓速器，系统控制单元(4)发出指令(e)，使液压泵/马达(10)工作为马达模式，并把低压蓄能器(8)中的液压油泵入高压蓄能器(11)中，从而把重力势能储存在高压蓄能器(11)中，当高压蓄能器(11)的压力达到上限时，液压油经液压系统中所设置的溢流阀回流至低压蓄能器(8)。

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