CN210852031U - 一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，包括传统汽车传动系统模块，传统汽车传动系统模块由发动机、离合器、变速器和差速器顺次连接形成，传统汽车传动系统模块为汽车的提供支持和保障，传统汽车传动系统模块又分别与温差发电模块和系统控制模块连接，温差发电模块和系统控制模块相互连通，温差发电模块和系统控制模块之间还设置有电源控制模块，电源控制模块还与电机驱动模块连接，电机驱动模块又与系统控制模块连接；本实用新型解决了现有混合动力汽车传动系统机械连接方式结构复杂、发动机热效率利用率低、废热排放污染比较严重等问题。

Description

一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统

技术领域

本实用新型属于混合动力汽车传动技术领域，具体涉及一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统。

背景技术

随着汽车传动系统的不断创新与发展，汽车的灵魂不仅在于其轰鸣的发动机，非纯机械化的传动布置对于提升汽车的综合性能、提高能源利用率和降低环境污染存在着创新性的突破。传统汽车传动形式大多为机械式传动系统，需要一根较长的传动轴，在增加整车质量的同时，很大程度上影响汽车传动系统的效率；要想保证使用者有舒适的体验，在机械部件的加工精度、误差等方面都需配备高水平的人力、物力资源，缺乏良好的动力性和经济性。为了解决以上问题，满足人类可持续发展的要求，现有的油电混合动力汽车作为传统燃油汽车的改进车型是由发动机和电动机组成，发动机通过消耗燃油牵引电动机消耗动力电池，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。但由于混合动力汽车涉及到传统发动机驱动以及电动机驱动，结构往往比较复杂、占用空间大、布置困难，在长距离高速行驶时并没有达到节省能源的效果，且其昂贵的成本只是为了把发动机工作时产生的不能用于做功的热量以废热形式排放出去，且排放出来的废气对环境造成污染，反而给环境治理带来压力。美国通用汽车研究公司表明，燃油汽车中燃料发出来的能量只有40％左右的利用率，其余能量都以废热形式被排放到大气中。因此，对现有混合动力汽车的传动系统进行改进，创新一种以实现结构简单、降低废气排放、提高能源利用率和提升混合动力汽车的整体经济性和动力性的汽车传动系统设计方案，不但有积极的现实意义也有很强的必要性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，解决了现有混合动力汽车传动系统机械连接方式结构复杂、发动机热效率利用率低、废热排放污染比较严重等问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，包括传统汽车传动系统模块，传统汽车传动系统模块由发动机、离合器、变速器和差速器顺次连接形成，传统汽车传动系统模块为汽车的提供支持和保障，传统汽车传动系统模块又分别与温差发电模块和系统控制模块连接，温差发电模块和系统控制模块相互连通，温差发电模块和系统控制模块之间还设置有电源控制模块，电源控制模块还与电机驱动模块连接，电机驱动模块也与系统控制模块连接；

温差发电模块包括设置于发动机水箱与车体新增设的冷水箱之间多层分布的温差发电片，相邻两片温差发电片之间设置有导热材料层，温差发电片外侧还设置有热水导向管和冷水导向管，热水导向管环绕分布于靠近发动机水箱的温差发电片层状结构侧，且热水导向管两端分别连接发动机水箱的进水口和出水口，热水导向管与发动机水箱之间设置有热端水泵，热水导向管还通过并联的方式盘绕于安装在排气管上的螺旋吸热装置上，冷水导向管环绕分布于靠近冷水箱的温差发电片层状结构侧，且冷水导向管两端分别连接冷水箱的进水口和出水口，冷水导向管与冷水箱之间设置有冷端水泵，温差发电片还与电源控制模块连接。

电源控制模块包括蓄电池，蓄电池与温差发电模块中的温差发电片之间设置有整流调压模块，电源控制模块的作用是将温差发电片产生的电能经过整流调压模块处理后储存于蓄电池，同时在电动机工作时，又将蓄电池的电能转换为满足电动机实际需求的电流和电压用于驱动电动机运行。电机驱动模块包括电动机C，电动机C连接差速器B，通过差速器B控制两个汽车后轮，即两个汽车后轮采用一个电动机C，差速器B在两个后轮之间起到调节转速大小分配、匹配驱动轮C、驱动轮D时速的作用，发动机、离合器、变速器通过差速器A与汽车的驱动轮C、驱动轮D相连，驱动轮C和驱动轮 D由差速器A自动调节其左右车轮的转速匹配。

电机驱动模块包括两个独立的电动机A和电动机B，汽车后桥的左右车轮由电动机A和电动机B分别驱动，电动机A放置在左侧后轮处，电动机 B放置在右侧后轮处，车体设有系统控制模块控制同轴的双电机速度匹配，发动机、离合器、变速器通过差速器A与驱动轮A、驱动轮B相连，驱动轮A和驱动轮B由差速器A自动调节其左右车轮的转速匹配。

系统控制模块完成由发动机驱动的前轴两个车轮和由电动机驱动的两个后轴车轮的速度匹配，如果该传动系统布置方案适用于多轴汽车时，其各轴不同驱动车轮的转速匹配也由系统控制模块完成，系统控制模块包括车辆底盘和车桥之间的连接处布置的M18位移传感器，通过位移传感器位移数据的变化获知车辆的负载状况，HCNJ-101动态扭矩传感器用于测量驱动轮扭矩及转速大小，JD6A电磁调速电动机控制装置用于控制电动机驱动时电动机的转速，M18位移传感器、HCNJ-101动态扭矩传感器、JD6A电磁调速电动机控制装置均由单片机MCS-51系列的控制型80C51单片机车载终端控制，进而系统控制模块决定采用何种驱动方式，同时该系统控制模块与车辆的中控台连接，可直接提取车辆水温传感温度，若是发动机启动时间较短，水温较低，则不启动温差发电模块，表示两个水泵不工作，确保发动机正常运转；等到水温较高时，温差发电模块正常工作，表示两个水泵也开始工作。

本实用新型的特点还在于，

温差发电模块布置于车辆的后备箱、座椅下面以及车门中间和引擎盖处。

本实用新型的有益效果是,一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，利用温差发电片将发动机工作时产生的废热加以利用，使其转化为电能，储存于蓄电池中为电动机驱动提供汽车提供电力保障；对发动机废弃热量的二次利用，以及通过发动机单独驱动、电动机单独驱动和发动机与电动机混合驱动这三种工作方式的合理选取，可有效降低发动机的油耗，极大的减少发动机尾气排放，节能减排，减少汽车对于环境的影响。双电动机(多轴) 实现后轮的独立电动机驱动的方案布置，将现有混合动力汽车的动力传动系统结构大大简化，省去了常用于双轴和多轴汽车动力传动中的分动器、差速器等机械连接环节，使其动力传动系统结构紧凑，布置方式更加简单，由于减少了机械零件数目，降低了机械传动中的零件磨损，提高了车辆动力和功率的传递效率，同时由于对废热资源的利用间接的提高了车辆的储备功率，增加了车辆对于复杂工况的适应能力。

附图说明

图1是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统(单电动机驱动)的设计方案示意图；

图2是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统(双电动机驱动)的设计方案示意图；

图3是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统(单电动机驱动)的结构布局示意图；

图4是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统(双电动机驱动)的结构布局示意图。

图中，1.发动机，2.离合器，3.变速器，4.HCNJ-101动态扭矩传感器， 5.驱动轮A，6.80C51单片机，7.JD6A电磁调速电动机控制装置，8.电动机A，9.冷水箱，10.冷水导向管，11.温差发电片，12热水导向管，13.螺旋吸热装置，14.排气管，15电动机B，16.蓄电池，17.整流调压模块，18.M18 位移传感器，19.差速器A，20.驱动轮B，21.驱动轮C，22.差速器B，23.冷端水泵，24.温差发电模块，25.热端水泵，26.电动机C，27.驱动轮D。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，如图1～图4 所示，其中，图1是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统 (单电动机驱动)的设计方案示意图，图2是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统(双电动机驱动)的设计方案示意图，图3是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统(单电动机驱动)的结构布局示意图，图4是本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统 (双电动机驱动)的结构布局示意图，本实用新型包括传统汽车传动系统模块，传统汽车传动系统模块由发动机1、离合器2、变速器3和差速器顺次连接形成，传统汽车传动系统模块为汽车的提供支持和保障，传统汽车传动系统模块又分别与温差发电模块24和系统控制模块连接，温差发电模块24 和系统控制模块相互连通，温差发电模块24和系统控制模块之间还设置有电源控制模块，电源控制模块还与电机驱动模块连接，电机驱动模块又与系统控制模块连接；

温差发电模块24包括设置于发动机水箱与车体新增设的冷水箱9之间多层分布的温差发电片11，相邻两片温差发电片11之间设置有导热材料层，温差发电片11外侧还设置有热水导向管12和冷水导向管10，热水导向管 12环绕分布于靠近发动机水箱的温差发电片层状结构侧，且热水导向管12 两端分别连接发动机水箱的进水口和出水口，热水导向管12与发动机水箱之间设置有热端水泵25，热水导向管12还通过并联的方式盘绕于安装在排气管14上的螺旋吸热装置13上，冷水导向管10环绕分布于靠近冷水箱9 的温差发电片层状结构侧，且冷水导向管10两端分别连接冷水箱9的进水口和出水口，冷水导向管10与冷水箱9之间设置有冷端水泵23，温差发电片11还与电源控制模块连接。

系统控制模块包括车辆底盘和车桥之间的连接处布置的M18位移传感器18，通过M18位移传感器18位移数据的变化获知车辆的负载状况，HCNJ-101动态扭矩传感器4用于测量驱动轮扭矩及转速大小，JD6A电磁调速电动机控制装置7用于控制电动机驱动时电动机的转速，M18位移传感器 18、HCNJ-101动态扭矩传感器4、JD6A电磁调速电动机控制装置7均由单片机MCS-51系列的控制型80C51单片机6车载终端控制。

电源控制模块包括蓄电池16，蓄电池16与温差发电模块24中的温差发电片11之间设置有整流调压模块17，电源控制模块的作用是将温差发电片 11产生的电能经过整流调压模块17处理后储存于蓄电池16，同时在电动机工作时，将蓄电池的电能转换为满足电动机实际需求的电流和电压用于驱动电动机运行。由于本实用新型对于汽车废弃热源的利用采用的是半导体模块的热电效应将废热转化为电能。基于温差发电的原理，温差发电片的热端和冷端需要尽可能的具有温度差以保证和提高发电效率；由于在本实用新型方案中温差发电片的热端通过水管等和发动机水循环系统连接，热端温度主要取决于发动机工作温度，不受制于外界因素，因而其温度是不能改变的。对于冷端在没有强制冷却措施的情况下应该使其尽可能的接近环境温度，这样就能保证温差发电片冷端和热端之间具有尽可能大的温度差。为此在本实用新型的温差发电模块的设计方案中，创造性的将现有汽车的冷凝器与冷端水箱连接，这样就能在不改变现有汽车结构，却能尽可能的保证温差发电片冷端的温度与环境温度的一致，从结构形式上保证了温差发电的效率。

本实用新型提供的汽车传动系统传递方案以家用前置前驱轿车为主要传动系统布置方式进行说明，对于其他布置形式的汽车可在本传递方案思想的基础上进行调整而实现，且本实用新型提供的汽车电力驱动方式有两种形式，一是采用一个电动机，二是采用两个电动机。

如图3所示，当为单电动机驱动时，电机驱动模块包括电动机C26，电动机C26连接差速器B22，通过差速器B22控制两个汽车后轮，即两个汽车后轮采用一个电动机C26，差速器B22在两个后轮之间起到调节转速大小分配、匹配驱动轮C21、驱动轮D27时速的作用。发动机1、离合器2、变速器3通过差速器A19与汽车的驱动轮C21、驱动轮D27相连，驱动轮C21和驱动轮D27由差速器A19自动调节其左右车轮的转速匹配。

如图4所示，当为双电动机驱动时，电机驱动模块包括两个独立的电动机A8和电动机B15，汽车后桥的左右车轮由电动机A8和电动机B15分别驱动，电动机A8放置在左侧后轮处，电动机B15放置在右侧后轮处，车体设有系统控制模块控制同轴的双电机速度匹配。发动机1、离合器2、变速器3通过差速器A19与汽车的驱动轮A5、驱动轮B20相连，驱动轮A5和驱动轮B20由差速器A19自动调节其左右车轮的转速匹配。

系统控制模块包括车辆底盘和车桥之间的连接处布置的M18位移传感器18，通过M18位移传感器18位移数据的变化获知车辆的负载状况， HCNJ-101动态扭矩传感器4用于测量驱动轮扭矩及转速大小，其中JD6A 电磁调速电动机控制装置7用于控制电动机驱动时电动机的转速，M18位移传感器18、HCNJ-101动态扭矩传感器4、JD6A电磁调速电动机控制装置7 均由单片机MCS-51系列的控制型80C51单片机6车载终端控制，进而系统控制模块决定采用何种驱动方式，同时该系统控制模块与车辆的中控台连接，可直接提取车辆水温传感温度，若是发动机启动时间较短，水温较低，则不启动温差发电模块24，表示冷端水泵23和热端水泵25不工作，确保发动机正常运转；等到水温较高时，温差发电模块24正常工作，表示两个冷端水泵23和热端水泵25也开始工作。

在图3和图4的设计方案中，由发动机驱动的前轴两个车轮和由电动机驱动的两个后轴车轮的速度匹配由系统控制模块完成。如果该传动系统布置方案适用于多轴汽车时，其各轴不同驱动车轮的转速匹配也由系统控制模块完成。

温差发电模块24布置于车辆的后备箱、座椅下面以及车门中间和引擎盖处。

本实用新型一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，可在现有的汽车结构不做重大改变，尤其是可在不改变现有汽车传动系统的基础上，通过增设温差发电模块24，调整多轮驱动汽车驱动轮悬架的支撑方式，将汽车所有车轮都设置为驱动轮，除发动机驱动车轮(前桥)外，车辆上其他车轮(后桥)都由电力驱动，即是说在其他车轮上都布置电机驱动模块；全车电力来源主要依靠车载发电机和温差发电模块24，发电机和温差发电产生的电力经过电源控制模块处理后储存于蓄电池16，电机驱动模块通过电源控制模块从蓄电池16取电，然后驱动电动机工作，驱动车辆运动；系统控制模块通过检测车辆运行状态参数，车辆运行状态参数主要包括车辆负载、发动机驱动车轮扭矩，通过检测车辆运行状态决定车辆采用何种工作方式，车辆工作方式主要包括以下几种形式：①发动机单独驱动方式；②电动机单独驱动方式；③发动机和电动机混合驱动方式。同时系统控制器也检测发动机1水温情况，实时控制热流导向，若是发动机1启动时间较短，发动机1温度较低，则不启动温差发电模块24，以确保发动机1的正常工作；通过温差发电利用发动机1排放的外界的废弃热源，可以有效提高发动机的热效率，提高燃油的利用率，车辆几种工作方式的混用和切换，可以充分的提高车辆工作效率，同时由于这种“分散驱动，集中控制”的新型动力混合方式，在车辆传动系统中省去了车辆上广泛应用的机械连接装置分动器、差速器等，使得汽车系统功率和能量的传递和利用效率非常高，能明显提高车辆燃油利用率，并有利于降低尾气污染物的排放。

本实用新型中的温差发电模块24工作原理如下：

温差发电片11被布置多层，同时环形水管也是由冷水导向管10、热水导向管12多层环绕，保证其有足够的发电能力。冷水从冷水箱9的一面顺着冷水导向管10出口流出，形成多层环形流动构成温差发电模块24的冷端，通过冷端水泵23形成回流，顺着该水箱同一面的入口处流入冷水箱9。发动机1水箱作为热端，热水导向管12与发动机1水箱出口一侧相接，热水导向管12采用并联式分布，一路热水流向温差发电模块24，另一路热水顺着安装在排气管14上的螺旋吸热装置13吸收尾气废热后，再通过热水导向管 12处的热端水泵25进入温差发电模块24中共同参与进行发电，随着热水导向管12(低温)水流流入发动机1进水口，则完成一次发动机冷热水的循环。经过温差发电模块24，利用塞贝克效应将废热转化为电能储存在蓄电池16 中，供电动机B15、电动机C26使用，温差发电模块24可以布置在车辆的空闲位置(车辆的后备箱、座椅下，甚至是车辆覆盖件的夹层等位置)，这里将仅将其布置在后备箱以作结构布局说明。

单电动机时汽车的工作状态为：

系统控制模块起主要控制作用，发动机1所产生的动力用于对车轮进行驱动，做功后所产生的废热由热水导向管12进入温差发电片11，利用塞贝克效应产生电能，这些电能通过电源控制模块储存于蓄电池16中，供车载电器(空调、音响等)和电动机C26使用。当汽车加速爬坡时，系统控制器控制发动机1和电动机C26同时为传动机构提供动力；当汽车车速达到巡航速度时，系统控制模块控制发动机1对整个车辆进行驱动，这时产生的废热可用于温差发电，电能储存于蓄电池16中；当汽车起步时由电动机C26驱动，可在瞬间产生强大动力，享受更强劲的起步和加速，同时还能实现较高水平的燃油经济性和传动动力性，在交通拥堵的路段也可使用电力驱动，节省燃料。

双电动机时汽车的工作状态：

与单电动机时原理相同，温差发电可收集废热产生电能，不同之处在于后桥的左右车轮分别由独立的电动机A8和电动机B15(带变速变扭装置) 驱动，设有系统控制模块来控制同轴的双电机速度匹配，省去了差速器，提高输出效率。无论在任何中情况下进行驱动，系统控制模块对其双电机差速与前驱动轮转向协调都可实现动力与功率分配的统一控制。

对于多轴汽车，也是除却发动机驱动车轮，汽车车辆电机驱动既可采用单电动机的连接方式，也可采用双电动机的连接方式。

该混合动力传动系统的设计方案可以有效改善和解决混合动力汽车所存在的技术难题，在提高混合动力汽车传动系统功率和能量传动效率的基础上也能提高车辆热油利用率，降低汽车油耗，减少汽车尾气污染物的排放。

Claims (2)

1.一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，其特征在于，包括传统汽车传动系统模块，传统汽车传动系统模块由发动机(1)、离合器(2)、变速器(3)和差速器顺次连接形成，传统汽车传动系统模块为汽车的提供支持和保障，传统汽车传动系统模块又分别与温差发电模块(24)和系统控制模块连接，温差发电模块(24)和系统控制模块相互连通，温差发电模块(24)和系统控制模块之间还设置有电源控制模块，电源控制模块还与电机驱动模块连接，电机驱动模块又与系统控制模块连接；

所述温差发电模块(24)包括设置于发动机水箱与车体新增设的冷水箱(9)之间多层分布的温差发电片(11)，相邻两片温差发电片(11)之间设置有导热材料层，温差发电片(11)外侧还设置有热水导向管(12)和冷水导向管(10)，热水导向管(12)环绕分布于靠近发动机水箱的温差发电片层状结构侧，且热水导向管(12)两端分别连接发动机水箱的进水口和出水口，热水导向管(12)与发动机水箱之间设置有热端水泵(25)，热水导向管(12)还通过并联的方式盘绕于安装在排气管(14)上的螺旋吸热装置(13)上，冷水导向管(10)环绕分布于靠近冷水箱(9)的温差发电片层状结构侧，且冷水导向管(10)两端分别连接冷水箱(9)的进水口和出水口，冷水导向管(10)与冷水箱(9)之间设置有冷端水泵(23)，温差发电片(11)还与电源控制模块连接；

所述电源控制模块包括蓄电池(16)，蓄电池(16)与温差发电模块(24)中的温差发电片(11)之间设置有整流调压模块(17)，电源控制模块的作用是将温差发电片(11)产生的电能经过整流调压模块(17)处理后储存于蓄电池(16)，同时在电动机工作时，将蓄电池的电能转换为满足电动机实际需求的电流和电压用于驱动电动机运行；

所述电机驱动模块包括电动机C(26)，电动机C(26)连接差速器B(22)，通过差速器B(22)控制两个汽车后轮，即两个汽车后轮采用一个电动机C(26)，差速器B(22)在两个后轮之间起到调节转速大小分配、匹配驱动轮C(21)、驱动轮D(27)时速的作用，发动机(1)、离合器(2)、变速器(3)通过差速器A(19)与汽车的驱动轮C(21)、驱动轮D(27)相连，驱动轮C(21)和驱动轮D(27)由差速器A(19)自动调节其左右车轮的转速匹配；

所述电机驱动模块包括两个独立的电动机A(8)和电动机B(15)，汽车后桥的左右车轮由电动机A(8)和电动机B(15)分别驱动，电动机A(8)放置在左侧后轮处，电动机B(15)放置在右侧后轮处，车体设有系统控制模块控制同轴的双电机速度匹配，发动机(1)、离合器(2)、变速器(3)通过差速器A(19)与汽车的驱动轮A(5)、驱动轮B(20)相连，驱动轮A(5)和驱动轮B(20)由差速器A(19)自动调节其左右车轮的转速匹配；

所述系统控制模块完成由发动机驱动的前轴两个车轮和由电动机驱动的两个后轴车轮的速度匹配，如果该传动系统布置方案适用于多轴汽车时，其各轴不同驱动车轮的转速匹配也由系统控制模块完成，系统控制模块包括车辆底盘和车桥之间的连接处布置的M18位移传感器，通过M18位移传感器位移数据的变化获知车辆的负载状况，HCNJ-101动态扭矩传感器(4)用于测量驱动轮扭矩及转速大小，其中JD6A电磁调速电动机控制装置(7)用于控制电动机驱动时电动机的转速，M18位移传感器(18)、HCNJ-101 动态扭矩传感器(4)、JD6A电磁调速电动机控制装置(7)均由单片机MCS-51系列的控制型80C51单片机(6)车载终端控制，进而系统控制模块决定采用何种驱动方式，同时该系统控制模块与车辆的中控台连接实现通讯，可直接提取车辆水温传感温度，若是发动机启动时间较短，水温较低，则不启动温差发电模块(24)，表示冷端水泵(23)和热端水泵(25)不工作，确保发动机正常运转；等到水温较高时，温差发电模块(24)正常工作，表示两个冷端水泵(23)和热端水泵(25)也开始工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于废热利用的混合动力汽车传动系统，其特征在于，所述温差发电模块(24)布置于车辆的后备箱、座椅下面以及车门中间和引擎盖处。

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