CN110525190B - 一种车辆混合动力蓄能驱动系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆混合动力蓄能驱动系统及其驱动方法。燃料电池普遍存在功率密度低和启动慢的问题。本发明一种车辆混合动力蓄能驱动系统，包括电动机、内燃机、主换向阀、第一单向阀、第一通断阀、第二通断阀、第三通断阀、输出变量马达、变惯量飞轮、油箱、第一变量泵、第二变量泵和双向变量泵‑马达一体机。变惯量飞轮包括飞轮中盘和飞轮调节环。飞轮调节环内设置有环状活塞腔。环状活塞腔内设置有环形活塞。环形活塞将环状活塞腔分隔为互不连通的气体调节腔和液体调节腔。飞轮调节环上的进出油口与液体调节腔连通。本发明结合液压蓄能和飞轮蓄能，提高功率密度和能量转换效率。

Description

一种车辆混合动力蓄能驱动系统及其驱动方法
技术领域
本发明属于混合动力汽车驱动系统技术领域，具体涉及一种车辆混合动力蓄能驱动系统及其驱动方法。
背景技术
随着汽车行业对绿色环保的要求提高，混合动力车辆由于其节能、低排放等特点成为研究热点。一般意义上的混合动力汽车(HEV)，是指油电混合动力汽车。在我国，混合动力公交车已投入市场使用。燃料电池普遍存在功率密度低和启动慢的问题，飞轮作为一种功率型储能部件，具有高功率密度和高能量转换效率的优势，可有效弥补燃料电池的缺陷。另外，可变转动惯量的飞轮可快速调节车轮速度，使汽车更平稳运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车辆混合动力蓄能驱动系统及其驱动方法。
本发明一种车辆混合动力蓄能驱动系统，包括电动机、内燃机、主换向阀、第一单向阀、第一通断阀、第二通断阀、第三通断阀、输出变量马达、变惯量飞轮、油箱、第一变量泵、第二变量泵和双向变量泵-马达一体机。
所述的变惯量飞轮包括飞轮中盘和飞轮调节环。飞轮中盘与飞轮调节环同轴固定。飞轮调节环内设置有环状活塞腔。环状活塞腔内设置有环形活塞。环形活塞将环状活塞腔分隔为互不连通的气体调节腔和液体调节腔。飞轮调节环上的进出油口与液体调节腔连通。
所述电动机的输出轴和第一变量泵的输入口固定。内燃机的输出轴和第二变量泵的输入口固定。第一变量泵、第二变量泵的其中一个油口均与油箱连接，另一个油口与主换向阀的第一油口、第二油口分别连通。主换向阀的第三油口与第一单向阀的输入口连接。第一单向阀的输出口与第一通断阀及第二通断阀的第一油口连接。第一通断阀的第二油口与输出变量马达的输入油口及第三通断阀的第一油口连接。输出变量马达的输出油口与油箱连接。输出变量马达的输出轴与汽车内减速箱的输入轴通过第一电磁联轴器连接。第三通断阀的第二油口与变惯量飞轮的工作油口连接。
所述第二通断阀的第二个油口与双向变量泵-马达一体机的其中一个油口连接。双向变量泵-马达一体机的另一个油口与油箱连接。双向变量泵-马达一体机的动力轴与变惯量飞轮通过第二电磁联轴器同轴连接。
作为优选，所述的所述变惯量飞轮的外圆周上绕置有绕组线圈；变惯量飞轮设置在磁场内。
作为优选，本发明一种车辆混合动力蓄能驱动系统还包括第二单向阀、第三单向阀和四个减震器。减震器采用液力减震器。四个减震器分别安装在车辆是第四个车轮处。减震器出油口与第二单向阀的输入口连接，补油口与第三单向阀的输出口连接。第二单向阀的输出口、第三单向阀的输入口、第三通断阀的第二个油口、变惯量飞轮上、液压旋转接头的固定油口通过四通接头连接。
作为优选，所述的主换向阀采用两位三通换向阀。主换向阀在第一个工作位下，第一个油口与第三个油口连通；主换向阀在第二个工作位下，第二个油口与第三个油口连通。
作为优选，所述的第一通断阀、第二通断阀及第三通断阀均采用两位两通换向阀。
作为优选，本发明一种车辆混合动力蓄能驱动系统还包括蓄电池模块。蓄电池模块包括多个电池组，蓄电池模块为电动机供电。
作为优选，所述的飞轮中盘内设置有隔板。隔板将飞轮中盘的内腔分隔为油腔和气腔。油腔、气腔与环状活塞腔的两端分别连通。飞轮中盘的油腔及飞轮调节环的液体调节腔内充满液压介质。
作为优选，所述的第一电磁联轴器及第二电磁联轴器均采用电磁式轴离合器。
该车辆混合动力蓄能驱动系统的驱动方法包括起步驱动方法、恒速驱动方法、减速驱动方法、加速驱动方法和怠速驱动方法。
起步驱动方法如下：
选择电机模式或内燃机模式；若选择电机模式，则主换向阀切换至第一工作位，电机驱动第一变量泵泵液；若选择内燃机模式，则主换向阀切换至第二工作位，内燃机驱动第二变量泵泵液。
同时，第一通断阀及第三通断阀导通，第二通断阀截止，第一电磁联轴器连结，第一变量泵或第二变量泵带动油箱中的液压介质进入输出变量马达和变惯量飞轮。输出变量马达驱动车辆起步；注入变惯量飞轮内液压介质推动变惯量飞轮内的环形活塞滑动，进行液压蓄能。
恒速驱动方法如下：
第一通断阀及第三通断阀导通，第二通断阀截止，第一电磁联轴器连结，第二电磁联轴器分离；第一变量泵或第二变量泵带动油箱中的液压介质进入输出变量马达，变量马达驱动减速箱转动；当油路内的油压发生波动时，环形活塞的受力平衡被打破，环形活塞滑动到达新的平衡点，环形活塞滑动的过程减小油压的波动。
减速驱动方法如下：
将双向变量泵-马达一体机转换成马达，第一通断阀、第二通断阀及第三通断阀均导通，第一电磁联轴器及第二电磁联轴器连结；第一变量泵或第二变量泵带动油箱中的液压介质进入双向变量泵-马达一体机；双向变量泵-马达一体机带动变惯量飞轮转动蓄能；变惯量飞轮转动过程中，环形活塞滑动，使得液压介质进入变惯量飞轮，增大变惯量飞轮的转动惯量。
加速驱动方法如下：
将双向变量泵-马达一体机转换成泵，第一通断阀及第三通断阀均导通，第二通断阀截止，第一电磁联轴器及第二电磁联轴器均连结；双向变量泵-马达一体机转换为马达。
之后，第二通断阀导通，变惯量飞轮带动双向变量泵-马达一体机从油箱中泵液到变量马达；同时，第一变量泵或第二变量泵从油箱中泵液到变量马达。变量马达既受到内燃机或电机的驱动，又受到变惯量飞轮的驱动，增大减速箱的转速。
怠速驱动方法如下：
若处于电机模式，则电机停转，降低功耗。
若处于内燃机模式下，则将双向变量泵-马达一体机转换成泵，第一通断阀、第二通断阀及第三通断阀均导通，第一电磁联轴器分离，第二电磁联轴器连结；第二变量泵带动油箱中的液压介质进入双向变量泵-马达一体机；双向变量泵-马达一体机带动变惯量飞轮转动蓄能；变惯量飞轮转动过程中，绕组线圈切割磁感线，产生电流。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明结合液压蓄能和飞轮蓄能，提高功率密度和能量转换效率。
2、本发明中变惯量飞轮通过输入输出液压介质来改变变惯量飞轮的转动惯量，使得变惯量飞轮是蓄能过程中，转速保持相对稳定。
3、本发明中的变惯量飞轮通过能够滑动的环形活塞，中和系统运行过程中的油压波动，使得本发明运行得更加稳定。
4、本发明能够在多种工况下回收能量，提高了能量利用率。
附图说明
图1是本发明实施例1的整体结构示意图；
图2是本发明实施例1及2中变惯量飞轮的结构示意图；
图3是本发明实施例1及2中变惯量飞轮的端面示意图；
图4是本发明实施例2的整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种车辆混合动力蓄能驱动系统，包括控制器、蓄电池模块1、电动机3、内燃机4、主换向阀5、第一单向阀6、第一通断阀7、第二通断阀15、第三通断阀16、输出变量马达8、变惯量飞轮9、油箱13、第一变量泵17、第二变量泵18和双向变量泵-马达一体机12。主换向阀5采用两位三通换向阀。第一通断阀7、第二通断阀15及第三通断阀16均采用两位两通换向阀。主换向阀5、第一通断阀7、第二通断阀15及第三通断阀16的控制接口均与控制器连接。蓄电池模块1包括多个电池组2，蓄电池模块1为电动机3供电。
如图2和3所示，变惯量飞轮9包括一体成型的飞轮中盘9-1和飞轮调节环9-2。飞轮调节环9-2呈圆环柱状，套置在飞轮中盘9-1的外圆周上。飞轮中盘9-1与飞轮调节环9-2同轴设置。飞轮中盘9-1支承在车辆内。飞轮中盘9-1内设置有隔板9-3。隔板9-3将飞轮中盘9-1的内腔分隔为油腔9-4和气腔9-5。飞轮调节环9-2内设置有环状活塞腔。环状活塞腔的两端与飞轮中盘9-1内的油腔9-4、气腔9-5分别连通。环状活塞腔内设置有环形活塞9-8。环形活塞9-8将环状活塞腔分隔为互不连通的气体调节腔9-6和液体调节腔9-7。气体调节腔9-6与飞轮中盘9-1内的气腔9-5连接。液体调节腔9-7与飞轮中盘9-1内的油气腔9-5连接。飞轮调节环9-2的中部设置有进出油口。飞轮调节环9-2上的进出油口与飞轮中盘9-1内的油腔9-4连通，从而连接至飞轮调节环9-2内的液体调节腔9-7。
飞轮中盘9-1的油腔9-4及飞轮调节环9-2的液体调节腔9-7内充满液压介质；当环状活塞腔移动时，飞轮调节环9-2内液体调节腔9-7的容积发生变化，使得飞轮调节环9-2的重量发生变化(液体调节腔9-7的容积直接对应液压介质的重量)，进而调节变惯量飞轮9的转动惯量。变惯量飞轮9的转动惯量J＝J0+A·x；其中，J0为飞轮调节环9-2内液体调节腔9-7的容积为零时，变惯量飞轮9的容积；A为比例参数，与液压介质密度、液体调节腔9-7内外径相关；x为飞轮调节环9-2内液体调节腔9-7端面到环形活塞9-8的距离。
变惯量飞轮蓄能分为静液压模式和流体动力学模式。
静液压模式指外界液压介质注入变惯量飞轮9中，使得环形活塞9-8正向滑动(向气体调节腔9-6滑动)，变惯量飞轮内液体调节腔9-7增大。
流体动力学模式指外界动力驱动变惯量飞轮转动蓄能，并且当变惯量飞轮9转速增大时，环形活塞9-8自动正向滑动(原理在于：转动惯量可变的飞轮具有减小转速波动的趋势)，增大变惯量飞轮9的转动惯量，从而降低变惯量飞轮9转速的变化速度。可见，变惯量飞轮转速提高，可提高能量转化密度。
当变惯量飞轮9转速减小时，环形活塞9-8自动反向滑动(向液体调节腔9-7滑动)，减小变惯量飞轮9的转动惯量，从而降低变惯量飞轮9转速的变化速度。
变惯量飞轮9的外圆周上绕置有绕组线圈；绕组线圈的两个接线端通过整流电路、滤波电路与蓄电池模块1连接，变惯量飞轮9的四周设置永磁铁，使得绕组线圈设置在磁场内。永磁铁固定在车辆内。当绕组随变惯量飞轮转动时，绕组线圈切割磁感线，产生电流，实现发电。
如图1所示，电动机3的输出轴和第一变量泵17的输入口固定。内燃机4的输出轴和第二变量泵18的输入口固定。第一变量泵17、第二变量泵18的其中一个油口均与油箱13连接，另一个油口与主换向阀5的第一油口、第二油口分别连通。主换向阀5的第三油口与第一单向阀6的输入口连接。第一单向阀6的输出口与第一通断阀7及第二通断阀15的第一油口连接。第一通断阀7的第二油口与输出变量马达8的输入油口及第三通断阀16的第一油口连接。输出变量马达8的输出油口与油箱13连接。输出变量马达8的输出轴与汽车内减速箱11的输入轴通过第一电磁联轴器连接。第三通断阀16的第二油口与变惯量飞轮9的工作油口通过液压旋转接头连接，从而实现变惯量飞轮9内液压调节腔的油量调节，而液压调节腔内的油量能够改变变惯量飞轮9的转动惯量。
第二通断阀15的第二个油口与双向变量泵-马达一体机12的其中一个油口连接。双向变量泵-马达一体机12的另一个油口与油箱13连接。双向变量泵-马达一体机12的动力轴与变惯量飞轮9通过第二电磁联轴器同轴连接。第一电磁联轴器及第二电磁联轴器均采用电磁式轴离合器(也称电磁粉离合器)。
主换向阀5在第一个工作位下，第一个油口与第三个油口连通；主换向阀5在第二个工作位下，第二个油口与第三个油口连通。
该车辆混合动力蓄能驱动系统的驱动方法包括起步驱动方法、恒速驱动方法、减速驱动方法、加速驱动方法和怠速驱动方法。
起步驱动方法如下：
使用者选择电机模式或内燃机模式；若选择电机模式，则主换向阀5切换至第一工作位，电机驱动第一变量泵17泵液；若选择内燃机模式，则主换向阀5切换至第二工作位，内燃机4驱动第二变量泵18泵液。
同时，第一通断阀7及第三通断阀16导通，第二通断阀15截止，第一电磁联轴器连结，第一变量泵17或第二变量泵18带动油箱13中的液压介质进入输出变量马达8和变惯量飞轮9。输出变量马达8驱动减速箱11转动，从而驱动车辆起步；注入变惯量飞轮9内液压介质推动变惯量飞轮9内的环形活塞9-8正向滑动，压缩变惯量飞轮9的气腔9-5和气体调节腔9-6内的气体，进行液压蓄能，直到压缩变惯量飞轮9的气体调节腔9-6内的气体对环形活塞9-8的压力等于液体调节腔9-7内液压介质对环形活塞9-8的压力时，环形活塞9-8停止运动，蓄能完成。
恒速驱动方法如下：
第一通断阀及第三通断阀16导通，第二通断阀15截止，第一电磁联轴器连结，第二电磁联轴器分离；第一变量泵17或第二变量泵18带动油箱13中的液压介质进入输出变量马达8，变量马达8驱动减速箱11转动，从而驱动车辆恒速行进；当油路内的油压发生波动时，环形活塞9-8的受力平衡被打破，环形活塞9-8滑动到达新的平衡点，环形活塞9-8滑动的过程减小油压的波动，从而达到平稳驱动的效果。具体为：油路内的油压增大时，变惯量飞轮9内的液体调节腔9-7增大，以缩小油压波动；油路内的油压减小时，变惯量飞轮9内的液体调节腔9-7减小，以缩小油压波动。
减速驱动方法如下：
将双向变量泵-马达一体机转换成马达，第一通断阀、第二通断阀15及第三通断阀16均导通，第一电磁联轴器及第二电磁联轴器连结；第一变量泵17或第二变量泵18带动油箱13中的液压介质进入双向变量泵-马达一体机；双向变量泵-马达一体机带动变惯量飞轮转动蓄能；变惯量飞轮转动过程中，环形活塞9-8滑动，使得液压介质进入变惯量飞轮，增大变惯量飞轮的转动惯量，以减小变惯量飞轮的角加速度，保持变惯量飞轮转速平稳变化。从而在车辆减速时将电机或内燃机4输出的能量存储到变惯量飞轮中。
加速驱动方法如下：
将双向变量泵-马达一体机转换成泵，第一通断阀及第三通断阀16均导通，第二通断阀15截止，第一电磁联轴器及第二电磁联轴器均连结；双向变量泵-马达一体机转换为马达。
之后，第二通断阀15导通，变惯量飞轮带动双向变量泵-马达一体机从油箱13中泵液到变量马达8；同时，第一变量泵17或第二变量泵18从油箱13中泵液到变量马达8。变量马达8既受到内燃机4或电机的驱动，又受到变惯量飞轮的驱动，功率达到最大，使得车辆能够快速加速。
变惯量飞轮转动过程中，环形活塞9-8滑动，使得变惯量飞轮内的液压介质被排出，减小变惯量飞轮的转动惯量，以减小变惯量飞轮的角加速度，保持变惯量飞轮转速平稳变化，从而使得双向变量泵-马达一体机输出的油压保持稳定。
怠速驱动方法如下：
若处于电机模式，则电机停转，降低功耗。
若处于内燃机4模式下，则将双向变量泵-马达一体机转换成泵，第一通断阀、第二通断阀15及第三通断阀16均导通，第一电磁联轴器分离，第二电磁联轴器连结；第二变量泵18带动油箱13中的液压介质进入双向变量泵-马达一体机；双向变量泵-马达一体机带动变惯量飞轮转动蓄能；变惯量飞轮转动过程中，绕组线圈切割磁感线，产生电流，为蓄电池模块1充电。从而增加能量回收率，并延长内燃机4寿命。
实施例2
如图4所示，本实施例在实施例1的基础上还包括第二单向阀14、第三单向阀19和四个减震器10。减震器10采用液力减震器。四个减震器分别安装在车辆是第四个车轮处。减震器10出油口与第二单向阀14的输入口连接，补油口与第三单向阀19的输出口连接。第二单向阀14的输出口、第三单向阀19的输入口、第三通断阀16的第二个油口、变惯量飞轮9上、液压旋转接头的固定油口通过四通接头连接。
当车辆发生颠簸时，四个减震器发生收缩，从出油口排出压力较高的液压介质到变惯量飞轮中，为系统补充压力，实现对汽车振动能量的利用；四个减震器收缩后，通过补油口从系统中补充压力较低的液压介质，用于下一次振动时挤出。

Claims (9)

1.一种车辆混合动力蓄能驱动系统，包括电动机和内燃机；其特征在于：还包括主换向阀、第一单向阀、第一通断阀、第二通断阀、第三通断阀、输出变量马达、变惯量飞轮、油箱、第一变量泵、第二变量泵和双向变量泵-马达一体机；所述的变惯量飞轮包括飞轮中盘和飞轮调节环；飞轮中盘与飞轮调节环同轴固定；飞轮调节环内设置有环状活塞腔；环状活塞腔内设置有环形活塞；环形活塞将环状活塞腔分隔为互不连通的气体调节腔和液体调节腔；飞轮调节环上的进出油口与液体调节腔连通；
所述电动机的输出轴和第一变量泵的输入口固定；内燃机的输出轴和第二变量泵的输入口固定；第一变量泵、第二变量泵的其中一个油口均与油箱连接，另一个油口与主换向阀的第一油口、第二油口分别连通；主换向阀的第三油口与第一单向阀的输入口连接；第一单向阀的输出口与第一通断阀及第二通断阀的第一油口连接；第一通断阀的第二油口与输出变量马达的输入油口及第三通断阀的第一油口连接；输出变量马达的输出油口与油箱连接；输出变量马达的输出轴与汽车内减速箱的输入轴通过第一电磁联轴器连接；第三通断阀的第二油口与变惯量飞轮的工作油口连接；
所述第二通断阀的第二个油口与双向变量泵-马达一体机的其中一个油口连接；双向变量泵-马达一体机的另一个油口与油箱连接；双向变量泵-马达一体机的动力轴与变惯量飞轮通过第二电磁联轴器同轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：所述变惯量飞轮的外圆周上绕置有绕组线圈；变惯量飞轮设置在磁场内。
3.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：还包括第二单向阀、第三单向阀和四个减震器；减震器采用液力减震器；四个减震器分别安装在车辆的四个车轮处；减震器出油口与第二单向阀的输入口连接，补油口与第三单向阀的输出口连接；第二单向阀的输出口、第三单向阀的输入口、第三通断阀的第二个油口、变惯量飞轮上的液压旋转接头的固定油口通过四通接头连接。
4.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：所述的主换向阀采用两位三通换向阀；主换向阀在第一个工作位下，第一个油口与第三个油口连通；主换向阀在第二个工作位下，第二个油口与第三个油口连通。
5.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：所述的第一通断阀、第二通断阀及第三通断阀均采用两位两通换向阀。
6.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：还包括蓄电池模块；蓄电池模块包括多个电池组，蓄电池模块为电动机供电。
7.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：所述的飞轮中盘内设置有隔板；隔板将飞轮中盘的内腔分隔为油腔和气腔；油腔、气腔与环状活塞腔的两端分别连通；飞轮中盘的油腔及飞轮调节环的液体调节腔内充满液压介质。
8.根据权利要求1所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统，其特征在于：所述的第一电磁联轴器及第二电磁联轴器均采用电磁式轴离合器。
9.如权利要求2所述的一种车辆混合动力蓄能驱动系统的驱动方法，其特征在于：包括起步驱动方法、恒速驱动方法、减速驱动方法、加速驱动方法和怠速驱动方法；
起步驱动方法如下：
选择电机模式或内燃机模式；若选择电机模式，则主换向阀切换至第一工作位，电机驱动第一变量泵泵液；若选择内燃机模式，则主换向阀切换至第二工作位，内燃机驱动第二变量泵泵液；
同时，第一通断阀及第三通断阀导通，第二通断阀截止，第一电磁联轴器连结，第一变量泵或第二变量泵带动油箱中的液压介质进入输出变量马达和变惯量飞轮；输出变量马达驱动车辆起步；注入变惯量飞轮内液压介质推动变惯量飞轮内的环形活塞滑动，进行液压蓄能；
恒速驱动方法如下：
第一通断阀及第三通断阀导通，第二通断阀截止，第一电磁联轴器连结，第二电磁联轴器分离；第一变量泵或第二变量泵带动油箱中的液压介质进入输出变量马达，变量马达驱动减速箱转动；当油路内的油压发生波动时，环形活塞的受力平衡被打破，环形活塞滑动到达新的平衡点，环形活塞滑动的过程减小油压的波动；
减速驱动方法如下：
将双向变量泵-马达一体机转换成马达，第一通断阀、第二通断阀及第三通断阀均导通，第一电磁联轴器及第二电磁联轴器连结；第一变量泵或第二变量泵带动油箱中的液压介质进入双向变量泵-马达一体机；双向变量泵-马达一体机带动变惯量飞轮转动蓄能；变惯量飞轮转动过程中，环形活塞滑动，使得液压介质进入变惯量飞轮，增大变惯量飞轮的转动惯量；
加速驱动方法如下：
将双向变量泵-马达一体机转换成泵，第一通断阀及第三通断阀均导通，第二通断阀截止，第一电磁联轴器及第二电磁联轴器均连结；
之后，第二通断阀导通，变惯量飞轮带动双向变量泵-马达一体机从油箱中泵液到变量马达；同时，第一变量泵或第二变量泵从油箱中泵液到变量马达；变量马达既受到内燃机或电机的驱动，又受到变惯量飞轮的驱动，增大减速箱的转速；
怠速驱动方法如下：
若处于电机模式，则电机停转，降低功耗；
若处于内燃机模式下，则将双向变量泵-马达一体机转换成泵，第一通断阀、第二通断阀及第三通断阀均导通，第一电磁联轴器分离，第二电磁联轴器连结；第二变量泵带动油箱中的液压介质进入双向变量泵-马达一体机；双向变量泵-马达一体机带动变惯量飞轮转动蓄能；变惯量飞轮转动过程中，绕组线圈切割磁感线，产生电流。
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