CN103950389A - 电动汽车液控泵／马达助力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车液控泵/马达助力系统，属液压传动技术领域。它包括泵/马达(5)和蓄能器(9)、(10)组成的主回路，液控比例阀(4)和助力缸(20)组成的助力控制回路及液控比例阀和制动缸(14)组成的制动控制回路。泵/马达经分动器(3)与电机(2)及驱动桥啮合。制动时车辆惯性驱动泵给蓄能器充液，泵则对车辆产生制动力矩。车辆起步时，蓄能器向马达供油，辅助电机驱动，避免动力电池过载，从而延长其使用寿命。通过制动踏板(16)和“油门”踏板(22)可控制液控比例阀输出油压，调节泵/马达的排量，从而控制液压制动和助力的强度。本发明的特点是采用全液压控制，具有环境适应性强，可靠性高的优点。

Description

电动汽车液控泵/马达助力系统

技术领域

本发明涉及一种电动汽车液控泵／马达助力系统，属液压传动技术领域。

背景技术

为了节约能源保护环境，近年来，新能源汽车已成为世界各国汽车工业发展的战略重点，其中，电动汽车作为主要技术方案而备受关注。目前发展电动汽车的主要技术障碍是动力蓄电池技术。作为汽车的动力源，容量是动力电池最为重要的性能指标。单体电池容量不是定数，它与电池的使用情况尤其是充放电倍率有关。过高的充放电倍率会明显减小电池容量和循环使用寿命，因此，实际使用中电池的充放电倍率是被严格控制的，现有动力电池还不能很好的适应车辆启动、爬坡等工况对瞬间大电流的要求。

目前，电动汽车在动力性、续驶里程等方面与燃油汽车相比仍有很大差距，只能用作城区或一些短途交通工具。城区路况的一个显著特点是车辆启停频繁，这使车辆制动能回收利用成为可能。有研究者采用车辆反拖电机发电直接给蓄电池充电的方法回收制动能。此法的优点是硬件结构简单，缺点是电池吸纳瞬间大电流的效果不好，制动能回收率不高。也有学者利用超级电容吸收车辆制动时产生的瞬时大电流。单从技术性能上看，超级电容配合蓄电池确是一种理想的能源组合形式，但目前超级电容在价格和使用成本上仍缺乏竞争力，实现产业化尚待时日。针对上述不足，有学者提出电动汽车液压助力方案。液压传动功率密度大，适合电动汽车启停阶段瞬时功率大的特点。车辆制动时可利用车辆惯性力驱动液压泵将车辆动能转化为液压能储存在液压蓄能器中。车辆起步或加速时，再用蓄能器存储的液压能驱动液压马达给电机助力。因为有液压辅助动力装置在电力驱动和负载之间起功率缓冲作用，故可减小动力电池的瞬时充放电倍率。目前，液压助力方案都是采用电液控制技术，其优点是自动化程度高，调节方便，缺点是系统复杂，故障环节多，对使用环境和维护要求较高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种电动汽车液控泵／马达液压助力方案，其功能与上述采用电液控制的液压助力系统大体相同，但没有复杂的电控器，对环境温度、湿度、灰尘及振动都不敏感，检修难度也比较低。

本发明包括泵／马达-蓄能器主回路，助力控制回路和制动控制回路。

所述泵／马达-蓄能器主回路包括液压泵／马达、高压蓄能器、低压蓄能器、溢流阀、电磁换向阀、液控比例阀、液控单向阀、固定阻尼孔、节流阀、梭阀。其中液压泵／马达的传动轴经分动器与动力电机、驱动桥连接，其进出油口分别与电磁换向阀的A、B油口连接。电磁换向阀的P、T油口分别与高压及低压蓄能器连接。溢流阀与液压泵／马达并联。液控单向阀、固定阻尼孔、节流阀串接在高压蓄能器和液压泵／马达控制油口之间。液控比例阀油口P、A分别和高压蓄能器及液压泵／马达的排量控制油口K连接，油口T与固定阻尼孔和节流阀之间的三通连接，控制油口x与梭阀出油口及液控单向阀的控制油口连接。所述助力控制回路单向顺序阀一、助力缸、位移传感器、行程开关一及“油门”踏板机构。其中梭阀的左进油口接单向顺序阀一的出油口，单向顺序阀一的进油口接助力缸的出油口，位移传感器与助力缸机械固定连接。助力缸柱塞外伸端与“油门”踏板机构铰接。所述制动控制回路包括制动踏板机构、制动主缸、单向顺序阀二及行程开关二。其中制动踏板与制动主缸柱塞外伸端铰接。制动主缸出油口与单向顺序阀二进油口及梭阀右进油口连接。单向顺序阀出油口接汽车的制动轮缸。

所述液控比例阀包括丝堵、阀体、对中弹簧、阀芯、阀套、柱塞、螺钉、调整弹簧、弹簧套筒、密封套、推杆和调节螺钉。上述阀体中设有阀孔及五道沉割槽，沉割槽经油道从左至右依次与控制油口X、进油口P、出油口A、回油口T及阀口Y连通形成五个油腔，依次为控制油腔、进油腔、出油腔、回油腔和弹簧腔。其中，出油口A还经另外一条油道与阀口Y连通。上述阀芯为两台肩结构，其中右台肩两端削边，余下完整圆柱面比相应沉割槽略宽，形成两条节流边，即P-A节流边和A-T节流边，分别控制油口P至出油口A及出油口A至回油口T的阻尼。阀芯左端位于控制油腔，右端位于回油腔。回油腔与弹簧腔之间镶有阀套，阀套中装有柱塞，柱塞左端位于回油腔且与阀芯右端面抵触，柱塞右端位于弹簧腔。阀孔左端用丝堵密封，右端有弹簧套筒密封。阀芯与阀孔，柱塞与阀套的配合间隙同普通滑阀。阀芯左端控制油腔内置弹簧，对阀芯产生右向推力。弹簧腔中的弹簧经柱塞对阀芯产生左向推力。当控制油口X无有压力时，阀芯及柱塞在两端弹簧作用下保持在零位，除了出油口A与阀口Y始终连通外，其他油口互不相通，此时出油口A没有压力油输出。当控制油口X有压力油输入时，阀芯左端控制油腔产生压力，推动阀芯右移，上述P-A节流边开启，出油腔和弹簧腔压力上升，出油口A有压力输出。因阀芯两端弹簧很软，阀芯上的液动力有限，故作用于阀芯上的液压力大体上是平衡的。若回油口T油压为零，则控制油口X油压与阀芯左端面积之乘积近似等于出油口A油压与柱塞横截面之积，即输出油压与输入油压之比近似为柱塞截面积与阀芯截面积之比。

所述助力缸包括接头、连接板、柱塞、导套、活塞、缸筒、缸盖、弹簧、密封套、推杆、调节螺钉及位移传感器等。所述缸筒的左端设有缸盖、导套，导套中装有柱塞，其结构与普通柱塞缸一样。上述缸筒中还设有活塞，它将缸筒分为左右两个油腔，左侧为柱塞腔，右侧为弹簧腔。活塞右侧设置弹簧，弹簧右侧为密封套，密封套中有推杆。缸筒、密封套及推杆同心装配，间隙配合，用密封圈密封。推杆右侧为缸盖，缸盖中心螺孔中设置调节螺钉，其左端与推杆右端面接触。位移传感器装在缸筒外侧，二者轴线平行。传感器移动杆与柱塞外伸端用连接板固定连接。缸筒上设有油口P和油口L，油口P通柱塞腔，油口L通弹簧腔。当柱塞向内移动时，柱塞腔压力油使活塞后退并压缩弹簧，柱塞腔油压缓慢上升。待活塞退至尽头，若柱塞继续向内移动，则油压将快速上升。油口L为弹簧腔的卸油口。

本发明的特点

①采用自制液控比例阀。该阀在结构上能够保证输入输出压力间的比例关系，还能对高压蓄能器的压力波动进行补偿，性能符合使用要求，结构简单成本低于电液比例阀。

②采用自制助力缸和制动主缸。其共同特点是在缸内设有压力缓冲装置，使缸的压力输出特性比较平缓。缸的压力特性还可根据控制要求或路感加以调节。

③全液压系统自动化程度不及电液系统，但没有复杂的电控器，故障环节少，系统对环境温度、湿度、灰尘及振动都不敏感，检修难度也低。

附图说明

图1为电动汽车液控泵／马达助力系统原理图

图中标记：1.变速器，2.电机，3.分动器，4.液控比例阀，5.液压泵／马达，6.溢流阀，7.电磁换向阀，8.液控单向阀，9.高压蓄能器，10.低压蓄能器，11.固定阻尼孔，12.节流阀，13.单向顺序阀二，14.制动主缸，15.行程开关二，16.制动踏板机构，17.梭阀，18.单向顺序阀一，19.位移传感器，20.助力缸，21.行程开关一，22.“油门”踏板机构

图2为液控比例阀结构示意图

图中标记：25.丝堵，26.阀体，27.对中弹簧，28.阀芯，29.阀套，30.柱塞，31.螺钉，32.调整弹簧，33.弹簧套筒，34.密封套，35.推杆，36.调节螺钉

图3为助力缸结构示意图

图中标记：40.接头，41.连接板，42.柱塞，43.防尘圈，44.密封圈，45.导套，46.缸筒，47.活塞，48.弹簧，49.密封套，50.推杆，51.调节螺钉，52.右缸盖，53.锁紧螺母，55.左端盖，19.位移传感器

图4为制动主缸结构示意图

图中标记：60.接头，62.柱塞，63.防尘圈，64.密封圈，65.导套，66.活塞，67.弹簧，68.密封套，69.推杆，70.调节螺钉，71.右缸盖，72.锁紧螺母，73.左端盖，

图5液控泵／马达斜盘零位示意图

图中标记：90.缸体，91斜盘，92.活塞，93.调压弹簧，94柱塞

图6液控泵／马达斜盘最大摆角示意图

具体实施方式

本发明包括泵／马达-蓄能器主回路，助力控制回路和制动控制回路。

如图1，所述泵／马达-蓄能器主回路包括液压泵／马达5、高压蓄能器9、低压蓄能器10、溢流阀6、电磁换向阀7、液控比例阀4、液控单向阀8、固定阻尼孔11、节流阀12、梭阀17。其中液压泵／马达5的传动轴经分动器3与电机2、驱动桥连接，其进出油口分别与电磁换向阀7的A、B油口连接。电磁换向阀7的P、T油口分别与高压蓄能器9及低压蓄能器10连接。溢流阀6与液压泵／马达5并联。液控单向阀8、固定阻尼孔11、节流阀12串接在高压蓄能器9和液压泵／马达5的控制油口之间。液控比例阀4的油口P、A分别和高压蓄能器9及液压泵／马达5的排量控制油口K连接，油口T与固定阻尼孔11和节流阀12之间的三通连接，控制油口x与梭阀17出油口及液控单向阀8的控制油口连接。所述助力控制回路包括单向顺序阀一18、助力缸20、位移传感器19、行程开关一21及“油门”踏板机构22。其中梭阀17的左进油口接单向顺序阀一18的出油口，单向顺序阀一18的进油口接助力缸20的出油口，位移传感器19与助力缸20机械固定连接。助力缸柱塞42外伸端与“油门”踏板机构22铰接。所述制动控制回路包括制动踏板机构16、制动主缸14、单向顺序阀二13及行程开关二15。其中制动踏板机构16与制动主缸柱塞外伸端铰接。制动主缸14出油口与单向顺序阀二13进油口及梭阀17右进油口连接。单向顺序阀二13出油口接汽车的制动轮缸。

所述液控比例阀如图2，包括丝堵25、阀体26、对中弹簧27、阀芯28、阀套29、柱塞30、螺钉31、调整弹簧32、弹簧套筒33、密封套34、推杆35和调节螺钉36。上述阀体中设有阀孔及五道沉割槽，沉割槽经油道从左至右依次与控制油口X、进油口P、出油口A、回油口T及阀口Y连通形成五个油腔，依次为控制油腔、进油腔、出油腔、回油腔和弹簧腔。其中，出油口A还经另外一条油道与阀口Y连通。上述阀芯28为两台肩结构，其中右台肩两端削边，余下完整圆柱面比相应沉割槽略宽，形成两条节流边，即P-A节流边和A-T节流边，分别控制油口P至出油口A及出油口A至回油口T的阻尼。阀芯28左端位于控制油腔，右端位于回油腔。回油腔与弹簧腔之间镶有阀套29，阀套中装有柱塞30，其左端位于回油腔且与阀芯28右端面抵触，柱塞30右端位于弹簧腔。阀孔左端用丝堵25密封，右端有弹簧套筒33密封。阀芯28与阀孔，柱塞30与阀套29的配合间隙同普通滑阀。阀芯28左端控制油腔内置弹簧27，对阀芯28产生右向推力。弹簧腔中的弹簧32经柱塞30对阀芯28产生左向推力。当控制油口X无有压力时，阀芯28及柱塞30在两端弹簧作用下保持在零位，除了出油口A与阀口Y始终连通外，其他油口互不相通，此时出油口A没有压力油输出。当控制油口X有压力油输入时，阀芯28左端控制油腔产生压力，推动阀芯28右移，上述P-A节流边开启，出油腔和弹簧腔压力上升，出油口A有压力输出。因阀芯28两端弹簧很软，阀芯上的液动力有限，故作用于阀芯28上的液压力大体上是平衡的。若回油口T油压为零，则控制油口X输入油压与阀芯28左端面积之乘积近似等于出油口A输出油压与柱塞30横截面之积，即输出油压与输入油压之比近似为柱塞30截面积与阀芯28截面积之比。

所述助力缸如图3，包括接头40、连接板41、柱塞42、防尘圈43、密封圈44、导套45、缸筒46、活塞47、弹簧48、密封套49、推杆50、调节螺钉51、右缸盖52、锁紧螺母53、左端盖55、位移传感器19。所述缸筒46的左端设有柱塞42，导套45、左缸盖55及密封件43、44，其结构与普通柱塞缸一样。上述缸筒中还设有活塞47，它将缸筒分为左右两个油腔，左侧为柱塞腔，右侧为弹簧腔。活塞右侧设置弹簧48，弹簧右侧为密封套49，密封套49中有推杆50。缸筒46、密封套49及推杆50同心装配，间隙配合，用密封圈密封。推杆50右侧为右缸盖52，右缸盖52中心螺孔中设置调节螺钉51，其左端与推杆50右端面接触。位移传感器19装在缸筒46外侧，二者轴线平行。传感器移动杆与柱塞42外伸端用连接板41固定连接。缸筒46上设有油口P和油口L，油口P通柱塞腔，油口L通弹簧腔。当柱塞42向内移动时，柱塞腔压力油使活塞47后退并压缩弹簧48，柱塞腔油压缓慢上升。待活塞47退至尽头，若柱塞42继续向内移动，则油压将快速上升。油口L为弹簧腔的卸油口。

所述液压泵／马达5可采用国产MYCY-14系列产品，但要对其变量机构进行改造。图5和图6为改造后原产品在变量机构控制压力为零时排量处于最大位置，排量随控制压力升高而减小。变量机构改造后，当控制压力为零时，排量亦为零，排量随控制压力升高而升高。

工作原理

待机工况

车辆静止或正常运行时液压助力系统不参与工作，处于待机状态。此时，助力缸20压力较低，制动主缸14没有压力，单向顺序阀一18和单向顺序阀二13都未开启，液控比例阀4的输出压力为零，液压泵／马达5控制油压为零，斜盘91倾角为零，排量为零，如图5。此时，电磁换向阀7处于中位，液压泵／马达5由分动器3带动空运转。液控单向阀8将高压蓄能器9封闭。

●制动工况

车辆制动时踩下制动踏板16，制动主缸柱塞62向右移动，行程开关二15发出位移信号，经继电器使电磁铁DT3得电，如图4。电磁换向阀7换向，液压泵／马达5的I油口、0油口分别与低压蓄能器10、高压蓄能器9连接，液压泵／马达5处于泵工况，如图1。踏板16带动制动主缸柱塞62向右移动，缸内油压上升，压力油推动活塞66右移压缩弹簧67，缸内油压平缓上升。压力油经梭阀17到达液控比例阀4的控制油口x，在阀芯28左端产生压力。制动主缸输出压力油也使液控单向阀8导通，高压蓄能器9中的压力油经液控单向阀8、固定阻尼孔11、节流阀12流向低压蓄能器10，在节流阀12上产生压降，该压降对液控比例阀4油口T形成背压，并在阀芯28右端产生压力，如图2。阀芯28在左右两端压力作用下向右移动，P-A阀口开启，油口A压力升高，并经阀中油道传导至弹簧腔，作用于柱塞30上。柱塞30向左推动阀芯，使阀口关小，油口A压力随之减小。阀芯28在左右两端压力及柱塞30的作用下趋于平衡。若不考虑油口T背压的补偿作用，油口A的压力与控制油口x的压力比约等于阀芯28的端面积与柱塞横截面积之比，故液控比例阀4输出压力与制动主缸14输出压力成比例，即与制动主缸柱塞62的位移成比例。如图5，液压泵／马达5排量控制活塞92的位移与液控比例阀4输出压力成比例，故液压泵／马达5排量与制动主缸柱塞62位移成比例，即与制动踏板16行程成比例。液压泵／马达5排量增大使其输入扭矩增大，因其转轴经分动器3与驱动桥啮合，故使汽车的行驶阻力增加。

液压泵／马达5从低压蓄能器10吸入低压油泵入高压蓄能器9，就是把车辆的动能转化为液压能存储在液压蓄能器中。

若遇紧急情况用力深踩制动踏板，则制动主缸14的压力会急剧升高。当压力达到单向顺序阀13的调定压力时，顺序阀开启，压力油进入制动轮缸。此时，由液压泵／马达5产生的制动力和制动轮缸制动力同时作用形成复合制动。制动过程结束，松开制动踏板，制动主缸柱塞62复位，制动轮缸释放，液控比例阀4、电磁换向阀7均复位，液压泵／马达5排量回零，制动力消失，液控单向阀8关闭。

液压泵／马达5的扭矩与其排量和工作压力成正比，在其排量一定时，若高压蓄能器9的压力降低，则液压泵／马达5的扭矩便会减小。前述液控比例阀4油口T的背压随高压蓄能器9压力降低而减小，液控比例阀4的出口压力则随其油口T背压的减小而增大，见图1、图2，故由前述可知，当高压蓄能器9压力降低时，液压泵／马达5的排量会增加，这样便可补偿高压蓄能器9压力降低所引起的制动扭矩下降。通过节流阀12可调节压力补偿的强度。

●助力工况

车辆正常行驶时只需轻踏“油门”踏板，此时与助力缸柱塞42固联的位移传感器发出信号使动力电机2运转。车辆启动加速时，需用力深踩“油门”踏板，当柱塞42达到一定行程时，动力电机2电流接近限定值，踏板机构触发行程开关21动作，使继电器切换，电磁铁DT2得电，电磁换向阀7换向，液压泵／马达5的O油口、I油口分别与低压蓄能器10、高压蓄能器9连接，液压泵／马达5变为马达工况。因用力深踩油门，助力缸20压力迅速上升，当压力达到单向顺序阀18设定压力时，单向顺序阀18开启，其输出压力油经梭阀17使液控比例阀4开启，液压泵／马达5排量从零开始增加。液压泵／马达5排量和液控比例阀4出口压力成比例，因而与助力缸20压力成比例即与“油门”踏板行程成比例。马达排量增加使其输出扭矩增加，车辆动力增加，电机2负荷因此减小，驱动电流减小。启动过程结束，放松“油门”，助力缸压20压力下降，单向顺序阀18关闭，液控比例阀4复位，液压泵／马达5排量回零，车辆由电机单独驱动。液压马达驱动车辆过程中，储存在高压蓄能器9中的高压油返回低压蓄能器，车辆制动时回收的能量被释放，高压蓄能器9排空，为下一次制动蓄能做准备。

Claims (2)

1.一种电动汽车液控泵／马达液压助力系统，其特征在于：

包括泵／马达-蓄能器主回路，助力控制回路和制动控制回路。

所述泵／马达-蓄能器主回路包括液压泵／马达(5)、高压蓄能器(9)、低压蓄能器(10)、溢流阀(6)、电磁换向阀(7)、液控比例阀(4)、液控单向阀(8)、固定阻尼孔(11)、节流阀(12)、梭阀(17)。其中液压泵／马达(5)的传动轴经分动器(3)与电机(2)、驱动桥连接，其进出油口分别与电磁换向阀(7)的A、B油口连接。电磁换向阀(7)的P、T油口分别与高压蓄能器(9)及低压蓄能器(10)连接。溢流阀(6)与液压泵／马达(5)并联。液控单向阀(8)、固定阻尼孔(11)、节流阀(12)串接在高压蓄能器(9)和液压泵／马达(5)的控制油口之间。液控比例阀(4)的油口P、A分别和高压蓄能器(9)及液压泵／马达(5)的排量控制油口K连接，油口T与固定阻尼孔(11)和节流阀(12)之间的三通连接，控制油口x与梭阀(17)出油口及液控单向阀(8)的控制油口连接。所述助力控制回路包括单向顺序阀一(18)、助力缸(20)、位移传感器(19)、行程开关一(21)及“油门”踏板机构(22)。其中梭阀(17)的左进油口接单向顺序阀一(18)的出油口，单向顺序阀一(18)的进油口接助力缸(20)的出油口，位移传感器(19)与助力缸(20)机械固定连接。助力缸柱塞(42)外伸端与“油门”踏板机构(22)铰接。所述制动控制回路包括制动踏板机构(16)、制动主缸(14)、单向顺序阀二(13)及行程开关二(15)。其中制动踏板机构(16)与制动主缸柱塞外伸端铰接。制动主缸(14)出油口与单向顺序阀二(13)进油口及梭阀(17)右进油口连接。单向顺序阀二(13)出油口接汽车的制动轮缸。

2.根据权利要求1所述电动汽车液压助力系统，其特征在于：所述液控泵／马达(5)为经过改造的定级变量泵／马达，它与液控比例阀(4)配合使用能实现无级变量；其特点在于当控制压力为零时，泵／马达的排量为零，当控制压力增加时排量随控制压力增大而增大；普通泵／马达的排量随控制压力增大而减小。