CN115195461A - 用于车辆的动力输出装置的驱动系统、相应的车辆和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的动力输出装置的驱动系统(10)，所述驱动系统至少包括：电池单元(1)，与所述电池单元(1)电连接的电机(2)，与所述电机(2)传动连接的主轴(5)，其中，所述电机(2)配置成，在所述电池单元(1)的荷电状态低于预定值时能够在由所述主轴(5)驱动的情况下作为发电机给所述电池单元(1)供电，并且在所述电池单元(1)的荷电状态高于所述预定值时能够作为电动机通过所述主轴(5)驱动所述动力输出装置(6)。本发明还涉及一种相应的车辆和相应的方法。能够减小车辆的油耗和排放。

Description

用于车辆的动力输出装置的驱动系统、相应的车辆和方法

技术领域

本发明涉及一种用于车辆、尤其是特种车辆的动力输出装置的驱动系统。此外，本发明还涉及包括这种驱动系统的车辆和一种相应的用于驱动车辆的动力输出装置的方法。

背景技术

目前，许多特种车辆需要在停车状态下运行动力输出装置来驱动特定设备，如搅拌器、自卸机构、起重机构等。为此，需要特种车辆的发动机保持运行来驱动动力输出装置。然而，这极大地增加了发动机的油耗和废气排放，引起较大噪音，并且对发动机本身造成持续损耗。

此外，由于特种车辆通常具有较大的自重并且需要在低速行驶时运行动力输出装置，仅通过发动机来同时驱动包括车辆的车轮在内的行驶系和动力输出装置会导致发动机的输出扭矩过大，使得发动机不能在最佳工作条件中运行，这同样会提高发动机的油耗和废气排放，甚至可能影响车辆的正常行驶和使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种改进的用于车辆、尤其是特种车辆的动力输出装置的驱动系统，所述驱动系统能够在不改变车辆的传动系的情况下显著地改善发动机的油耗和排放性能，并且有效地补偿发动机的输出扭矩，从而改善发动机的运行状态并且使发动机在高效率和低排放区域中工作。此外，本发明的目的还在于提出一种相应的车辆、、尤其是特种车辆。此外，本发明的目的还在于提出一种用于驱动车辆的动力输出装置的方法。

根据本发明的第一方面，提出一种用于车辆、尤其是特种车辆的动力输出装置的驱动系统，所述驱动系统至少包括：

-电池单元，

-与所述电池单元电连接的电机，

-与所述电机传动连接的主轴，

其中，所述动力输出装置通过所述主轴驱动，

其中，所述电机配置成适于，在所述电池单元的荷电状态低于预定值且所述主轴能够从所述车辆的发动机接收动力时在由所述主轴驱动的情况下作为发电机给所述电池单元供电，并且在所述电池单元的荷电状态高于所述预定值时能够作为电动机通过所述主轴驱动所述动力输出装置。

根据本发明，针对车辆的动力输出装置设置具有电机的驱动系统。通过所述驱动系统与车辆的发动机的共同作用，能够在不同情况下以不同的方式驱动动力输出装置，使得发动机始终在最佳的运行条件下工作，从而提升发动机的油耗和排放性能并且降低发动机的输出扭矩。例如，当车辆停止不动并且动力输出装置运行时，在驱动系统的电池单元的荷电状态高于预定值的情况下，将电池单元的电能供应给电机，所述电机作为电动机通过主轴驱动所述动力输出装置。在此，仅需要运行电机，而不需要起动发动机，从而明显减少发动机的油耗和排放。当车辆行驶并且动力输出装置运行时，在驱动系统的电池单元的荷电状态高于预定值的情况下，发动机和电机可以同时驱动动力输出装置，或者电机单独地驱动动力输出装置，所述电机在这些情况下作为电动机工作并且补偿发动机的输出扭矩，从而避免出现发动机的输出扭矩过高的问题。

在本发明的框架下，“特种车辆”应理解为在外廓尺寸、重量等方面超过用于载运乘客或货物的乘用车限界并且具有特殊用途的车辆，所述车辆配备有特定的动力输出装置并且主要用途不是用于载人或运货。示例性地，特种车辆选自以下车辆中的任一种：自卸载重车、清扫车、混凝土泵车、高空作业车、搅拌车等。在本发明的框架下，“动力输出装置”相应地理解为，除了车辆的行驶系之外的、需要大的动力源来驱动的装置，所述装置通过根据本发明的驱动系统的主轴来驱动，所述装置包括具有特定功能的专用设备，例如自卸机构、清扫机构、搅拌器、起重机构等。在此，特种车辆具有相对应的动力输出装置来执行特定功能。

在本发明的框架下，“电池单元”应理解为可重复充放电的蓄电池单元。在本发明的框架下，“荷电状态”应理解为电池单元在使用一段时间后剩余电量与完全充电状态的容量的比值，通常以百分比表示，当荷电状态为0％时表示电池单元完全放电，当荷电状态为100％时表示电池单元完全充满。

本发明的第二方面提出一种车辆、尤其是特种车辆，包括根据本发明的驱动系统。

本发明的第三方面提出一种用于驱动根据本发明的车辆的动力输出装置的方法，所述方法包括以下步骤：

-在驱动系统的电池单元的荷电状态低于预定值且所述主轴能够从所述车辆的发动机接收动力时，由所述车辆的发动机通过所述驱动系统的主轴驱动所述动力输出装置并且同时通过所述主轴驱动所述驱动系统的电机给所述电池单元供电；

-在所述电池单元的荷电状态高于所述预定值时，所述发动机和所述电机通过所述主轴共同地驱动所述动力输出装置，或者，所述电机通过所述主轴单独地驱动所述动力输出装置。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力输出装置的驱动系统的示意图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的车辆的示意图；以及

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于驱动车辆的动力输出装置的方法的框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在此，出于简要性的原因，具有相同附图标记的元件在附图中仅标出一次。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于车辆的动力输出装置6的驱动系统10的示意图。

如图1所示，驱动系统10包括电池单元1、与电池单元1电连接的电机2、与电机2传动连接的主轴5以及动力输出装置6。在此，电池单元1是可重复充放电的蓄电池并且配置成用于将储存的电能供应给电机2或者接收由电机2产生的电能并且储存起来。在此，动力输出装置6通过主轴5驱动。

在此，电机2具有两个运行模式，即发电模式和驱动模式，其中，在发电模式中，电机2在由主轴5驱动的情况下作为发电机产生电能并且将电能传输给电池单元1；在驱动模式下，电机2借助由电池单元1供给的电能作为电动机通过主轴5驱动动力输出装置6。在此，主要根据电池单元1的荷电状态或者说剩余电量水平来选择电机2的运行模式，此外还需要考虑车辆发动机的运行状态。当电池单元1的荷电状态低于预定值且主轴5能够从所述车辆的发动机接收动力时，电机2在发电模式中运行、即作为发电机产生电能，而当电池单元1的荷电状态高于预定值时，电机2在驱动模式中运行、即作为电动机驱动动力输出装置6。在此，在车辆的发动机的输出扭矩达到峰值扭矩时，主轴5不再能从车辆的发动机接收动力并且电机2从发电模式切换成驱动模式。在此，电池单元1的荷电状态的预定值是预先设定的百分比、例如10％，根据经验数据或实验数据确定所述预定值。当然也可以考虑其它本领域技术人员认为有意义的数值。

示例性地，电池单元1构造为高压电池包，所述高压电池包由多个高压电池串联组成。由此能够实现体积小和功率高的电池单元1。

示例性地，电机2构造为直流电机。由此能够实现电机2的良好的起动特性和调速特性并且能够实现相对较大的扭矩。此外也可以考虑，电机2构造为交流电机。由此能够实现电机2的成本有利和结构简单的优点。

示例性地，在电池单元1和电机2之间连接有换流器3，所述换流器配置成用于改变电池电源1和电机2之间的电压、频率等方面的电特性。根据所使用的电池电源1和电机2的类型，换流器3例如构造为电压转换器或者逆变整流器。

示例性地，在车辆正常运行时，电机2还能够以“零扭矩”模式运行，也就是说既没有扭矩输入也没有扭矩输出。在这种情况下，电机2既不作为发电机运行，也不作为电动机运行。

如图1所示，电机2和主轴5传动连接，所述主轴与车辆的发动机连接(详细参见图2)。示例性地，电机2和主轴5通过齿轮变速器4相互连接。由于发动机的转速通常小于电机转速，通过齿轮变速器4可以实现电机2和发动机以及主轴5的转速匹配。当然，也可以考虑电机2和主轴5之间的另外的连接方式，例如皮带连接。

如图1所示，主轴5与动力输出装置6连接，所示动力输出装置包括用于实施特定功能的专用设备，并且所述动力输出装置示例性地通过齿轮装置实现向专用设备的动力传递。在动力输出装置6运行时，车辆的发动机或驱动系统10的电机2通过主轴5驱动动力输出装置6。

示例性地，驱动系统10还包括布置在主轴5的背离动力输出装置6的端部处的第一离合器7，所述第一离合器配置成用于使主轴5与车辆的发动机耦合或解耦。例如在停车时，在电池单元1的荷电状态高于预设值的情况下，仅需要通过电机2来驱动动力输出装置6，在这种情况下断开第一离合器7并且使主轴5与发动机解耦。在需要运行发动机来驱动动力输出装置6或给电池单元1充电时，接通第一离合器7并且使主轴5与发动机耦合。由此能够有针对性地避免电机2的运行对车辆发动机的不利影响。

示例性地，驱动系统10还包括布置在主轴5的面向动力输出装置6的端部处的第二离合器8，所述第二离合器配置成用于使主轴5与动力输出装置6耦合或解耦。在动力输出装置6不运行的情况下，断开第二离合器8并且使动力输出装置6与主轴5解耦，从而能够通过主轴5单独地给电池单元1充电，由此避免能量浪费。当然，在一些情况下也可以省去第二离合器8，例如当动力输出装置6构造为液压泵时。

示例性地，在主轴5中布置有万向联轴器9。万向联轴器9配置成用于在存在轴线夹角的情况下实现所连接的轴的连续回转并且可靠地传递转矩。通过万向联轴器9的设置能够避免驱动系统10与车辆的传动系或行驶系布置在一条线上，从而实现各个部件的灵活布置并且使车辆的结构空间紧凑地构型。在此，第一离合器7尤其在万向联轴器9和变速器4之间靠近变速器4地布置，由此能够实现整个驱动系统10的更紧凑的集成。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的车辆100的示意图。

如图2所示，车辆100包括图1中的根据本发明的一个示例性实施例的驱动系统10和发动机20以及具有车轮23的行驶系。在此，车辆100尤其构造为特种车辆，所述特种车辆配置成用于执行特定任务并且选自以下车辆中的任一种：自卸载重车、清扫车、混凝土泵车、高空作业车、搅拌车。当然也可以考虑本领域技术人员认为有意义的其它特种车辆。根据车辆100要执行的特定任务，车辆100具有相对应的动力输出装置以及用于实施特定功能的专用设备，例如自卸机构、清扫机构、搅拌器、起重机构等。

如图2所示，发动机20通过离合器21与变速箱22连接，将扭矩通过传动系传递给车辆100的包括车轮23在内的行驶系。关于这些部件的构造和连接方式均是本领域的公知常识，在此不再详细讨论。

如图2所示，发动机20示例性地在输出端处与驱动系统10的主轴5连接，其中，在发动机20和主轴5之间布置有第一离合器7。换言之，驱动系统10直接连接在车辆100的发动机20的输出端处。此外，也可以考虑将驱动系统10连接在车辆100的离合器21和变速箱22的输入端之间，或者将驱动系统10连接在车辆100的变速箱22的输出端处。在发动机20和变速器22之间设置有多个变速器的情况下，驱动系统10还可以连接在多个变速器之间。

如图2所示，发动机20既可以通过主轴5驱动动力输出装置6，也可以通过主轴5驱动电机2以产生电能。因此，发动机20可以视具体情况驱动车轮23、动力输出装置6和电机2中的任一个、任两个或全部三个。在此，电机2可以在电池单元1的荷电状态高于预设值时通过主轴5驱动动力输出装置6，由此补偿或者说分担发动机20的扭矩负载，以便改善发动机20的工作条件。

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于驱动车辆100的动力输出装置6的方法的框图。

如图3所示，为了驱动力输出装置6，根据电池单元1的荷电状态和车辆100的行驶状态，存在以下方法步骤：

S1：当检测到驱动系统10的电池单元1的荷电状态低于预设值且主轴5能够从车辆100的发动机20接收动力时，

S11：在车辆100处于行驶状态中时，

S111：接通第一离合器7和第二离合器8，发动机20通过主轴5驱动动力输出装置6并且同时通过主轴5驱动电机2给电池单元1供电，并且发动机20还驱动车辆的包括车轮23在内的行驶系，也就是说，发动机20在这种情况下同时驱动车轮23、电机2和动力输出装置6，电机2在此作为发电机产生电能；

S12：在车辆100处于停止状态时，

S121：接通第一离合器7和第二离合器8，发动机20通过主轴5驱动动力输出装置6并且同时通过主轴5驱动电机2给电池单元1供电，发动机20同时驱动电机2和动力输出装置6，电机2在此作为发电机产生电能；

S2：当检测到驱动系统10的电池单元1的荷电状态高于预设值时，

S21：在车辆100处于行驶状态中时，

S211：断开第一离合器7并且接通第二离合器8，发动机20仅驱动车辆100的包括车轮23在内的行驶系，电机2通过主轴5驱动动力输出装置6，电机2在此借助电池单元1的电能作为电动机运行；或者

S212：接通第一离合器7和第二离合器8，发动机20驱动车辆100的包括车轮23在内的行驶系并且通过主轴5驱动动力输出装置6，电机2同样通过主轴5驱动动力输出装置6，电机2在此同样作为电动机运行，在这种情况下通过电机2作为电动机的运行补偿发动机20的扭矩，从而避免出现峰值扭矩；

S22：在车辆100处于停止状态中时，

S221：断开第一离合器7并且接通第二离合器8，发动机20停止，仅电机2通过主轴5驱动动力输出装置6，由此避免发动机20在这种情况下的起动并且明显减少了发动机的油耗和废气排放。

此外，尤其在步骤S111中，在发动机20的输出扭矩过大并且达到峰值扭矩时，主轴5不再能从车辆100的发动机20接收动力并且电机2从发电模式切换成驱动模式并且利用电池单元1中的剩余电量驱动动力输出装置6，从而在一定程度上补偿发动机20的输出扭矩并且避免发动机20在极限状态下工作。这种情况例如在车辆爬坡或载重过大时可能出现。

此外，在不需要运行动力输出装置6时，可以选择断开第二离合器8，从而使主轴5与动力输出装置6解耦。在电池单元1的荷电状态低于预设值的情况下，在车辆100行驶时通过发动机20经由电机2给电池单元1充电，在车辆100停止时同样可以选择通过起动发动机20经由电机2给电池单元1充电。此外，还可以考虑通过借助外部电网给电池单元1充电。

通过根据本发明的方法能够针对不同情况选择相应的方法步骤来驱动动力输出装置6，从而尽可能地降低发动机20的油耗和排放并且使发动机20始终处于高效率的工作区间中。

前面对于实施方式的阐释仅在所述示例的框架下描述本发明。当然，只要在技术上有意义，实施方式的各个特征能够自由地相互组合，而不偏离本发明的框架。

对于本领域的技术人员而言，本发明的其它优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本发明就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施例。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。

Claims (10)

1.一种用于车辆(100)、尤其是特种车辆的动力输出装置(6)的驱动系统(10)，所述驱动系统至少包括：

-电池单元(1)；

-与所述电池单元(1)电连接的电机(2)；

-与所述电机(2)传动连接的主轴(5)，

其中，所述动力输出装置(6)通过所述主轴(5)驱动，

其中，所述电机(2)配置成适于：在所述电池单元(1)的荷电状态低于预定值且所述主轴(5)能够从所述车辆(100)的发动机接收动力时在由所述主轴(5)驱动的情况下作为发电机给所述电池单元(1)供电，并且在所述电池单元(1)的荷电状态高于所述预定值时能够作为电动机通过所述主轴(5)驱动所述动力输出装置(6)。

2.根据权利要求1所述的驱动系统(10)，其中，

所述特种车辆选自以下车辆中的任一种：自卸载重车、清扫车、混凝土泵车、高空作业车、搅拌车；

所述动力输出装置(6)选自以下装置中的任一种：自卸机构、清扫机构、搅拌器、起重机构；

所述电池单元(1)构造为高压电池包；

所述电机(2)构造为交流电机或直流电机；

在所述电池单元(1)和所述电机(2)之间连接有换流器(3)；

所述电机(2)还能够以零扭矩模式运行。

3.根据权利要求1或2所述的驱动系统(10)，其中，所述驱动系统(10)包括布置在所述主轴(5)的背离所述动力输出装置(6)的端部处的第一离合器(7)，所述第一离合器配置成用于使所述主轴(5)与所述车辆(100)的发动机(20)耦合或解耦。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动系统(10)，其中，所述驱动系统(10)包括布置在所述主轴(5)的面向所述动力输出装置(6)的端部处的第二离合器(8)，所述第二离合器配置成用于使所述主轴(5)与所述动力输出装置(6)耦合或解耦。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动系统(10)，其中，所述电机(2)通过变速器(4)、尤其是齿轮变速器与所述主轴(5)传动连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的驱动系统(10)，其中，在所述主轴(5)中布置有万向联轴器(9)，所述第一离合器(7)尤其在所述万向联轴器和所述变速器(4)之间靠近所述变速器地布置。

7.一种车辆(100)、尤其是特种车辆，包括根据权利要求1至6中任一项所述的驱动系统(10)、发动机(20)和行驶系，其中，在所述发动机(20)和所述行驶系之间布置有离合器(21)和变速箱(22)，其中，所述驱动系统(10)与所述发动机(20)的输出端直接或间接地连接。

8.根据权利要求7所述的车辆(100)，其中，

所述驱动系统(10)直接连接在所述车辆(100)的发动机(20)的输出端处；

所述驱动系统(10)连接在所述车辆(100)的离合器(21)和变速箱(22)的输入端之间；

所述驱动系统(10)连接在所述车辆(100)的变速箱(22)的输出端处。

9.一种用于驱动根据权利要求7或8所述的车辆(100)的动力输出装置(6)的方法，所述方法包括以下步骤：

-在驱动系统(10)的电池单元(1)的荷电状态低于预定值且主轴(5)能够从所述车辆(100)的发动机(20)接收动力时，由所述车辆(100)的所述发动机(20)通过所述驱动系统(10)的主轴(5)驱动所述动力输出装置(6)并且同时通过所述主轴(5)驱动所述驱动系统(10)的电机(2)给所述电池单元(1)供电；

-在所述电池单元(1)的荷电状态高于所述预定值时，所述发动机(20)和所述电机(2)通过所述主轴(5)共同地驱动所述动力输出装置(6)，或者，所述电机(2)通过所述主轴(5)单独地驱动所述动力输出装置(6)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述发动机(20)的输出扭矩达到峰值扭矩时，所述主轴(5)不再能从所述车辆(100)的所述发动机(20)接收动力并且所述电机(2)从发电模式切换成驱动模式。

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