CN212243329U - 一种基于48v轻混系统的车辆能量集成管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，涉及轻混汽车系统管理的领域，解决了轻混汽车上的各系统独立工作导致单个系统性能受限、能量利用率较低的问题的技术问题。通过安装在发动机、48V轻混系统、余热回收系统、空调系统之间的两个齿轮系以及三个离合装置，实现各系统间的独立或相互协同工作。本实用新型实现了各系统间相互协同工作，充分利用了各系统的现有资源，大大的提高了发动机的余热能量利用效率，达到了进一步降低汽车油耗的目的。

Description

一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统

技术领域

本实用新型涉及轻混汽车系统管理，更具体地说，它涉及一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统。

背景技术

目前的混合动力汽车上的混动系统、余热回收系统以及空调系统是独立工作的，其没有实现系统间相互协同工作，导致单个系统性能受限，或在一些工况下发动机余热能量利用率较低的问题。

其中，混动系统和余热回收系统是为提升传统内燃机的燃油利用率最有效的两种手段。强混系统可以降低车辆15％-80％的综合油耗(与运行工况及不同混动方案相关)，效果非常明显。而发动机余热能量回收是目前提升内燃机热效率的最有效手段，一般可提升内燃机3％-5％的热效率。这对于内燃机来说是一个非常大的提升。

当然，由于强混系统结构复杂，安全性要求高，所以其成本昂贵，普及困难。而集成度高、安全性门槛较低的48V轻混系统越来越被行业所认可，并逐步得到推广。一般的48V轻混系统由一个48V电机、一块容量较低的48V电池，一个48V转12或24V的DC-DC模块、其他电动附件及相应的控制系统组成。由于48V的电压相对安全，因此48V轻混系统无需考虑高电压的安全问题。并且其电池容量相对小、体积紧促、集成度高，使得其成本得到有效的控制。所以48V轻混系统可以认为用强混系统约30％的成本实现强混系统约70％的节油率。这就表明了其是一种性价比非常高的技术方案。48V轻混系统还可以在车辆加速时进行辅助助力、车辆减速时制动能量的回收、发动机运行工况的调节、快速起停、对其它电动附件能量的供给等功能。

但48V轻混系统由于电机功率的限制以及电池容量较小，导致其回收存储能量有限。在车辆对电机助力需求较多，或其它电动附件需要电池持续供电时，电池存储能量通常不足，导致电机助力效果受限，或者需要发动机频繁驱动电机发电。这样的限制影响系统的节油效果，并且由于能量不平衡电动附件的应用也无法进一步拓展，使48V轻混系统无法达到理想的效果。

对于发动机余热回收这种能有效提升发动机热效率、降低油耗的技术也越来越被关注。常用的余热回收方式包含朗肯循环、动力涡轮、热电转换等。其中效率最高的为朗肯循环。朗肯循环预热回收系统一般由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质箱、工质泵、相应的控制系统及其他附件组成。通过蒸发器吸收发动机废气热量并加热工质，加热气化后的高温高压工质在膨胀机内做工输出动力；接着工质在冷凝器内被冷却降温，冷凝的工质被工质泵再次泵到蒸发器加热实现循环，不断将废气的热量转化为动力输出。余热回收的动力涡轮方案，相对结构要简单，只需要将涡轮机串在增压器后，实现废气的能量转化为动能，并通过齿轮系统耦合到发动机动力输出轴上。对于热电转换的余热回收方案，由于目前其效率太低可靠性较差，关注相对较少，但是其结构非常简单。

但朗肯循环的余热回收系统，除结构复杂、成本昂贵外，其在车用发动机上的应用还因发动机的工况变化频繁、排气温度及流量大幅变化，导致系统响应慢、控制困难。并且其输出的动力还需要耦合到发动机的曲轴上，而发动机曲轴转速又是变化量，这样一个慢响应系统输出的动力要耦合到一个快速变化的曲轴上，系统很难达到较高的效率。

动力涡轮的余热回收系统同样因发动机的工况变化大，在低负荷工况时，排气能量不足，导致涡轮效率低，涡轮难以有效输出动力，这样导致动力涡轮余热回收系统在车用发动机上综合效率很不理想。

综上，目前的48V轻混系统和发动机的余热回收系统均存在着能量回收不理想的情况。

并且，随着时代的发展，人们对车辆的舒适性要求也越来越高，特别是卡车在等待装卸货或夜间休息时，驾驶员对空调的需求非常迫切，这样就催生了汽车驻车空调的发展。车辆的驻车空调目前也有多种实现方案，一般分为改装的单独的内燃机驱动的驻车空调、单独的电力驱动空调、电力驱动原车压缩机的驻车空调。其中由电力驱动原车压缩机的驻车空调，因其集成度高、相对可靠，属于较理想的方案，系统一般由一个低电压电机、共用的车辆启动电池、其他的附件组成即可。

但单独改装的内燃机驱动的驻车空调，效率不高、噪声大，使用体验较差，而且涉及非法改装的法规问题。传统的电力驱动的驻车空调，由于其电力供应共用的是车辆的起动电瓶，其本身有效容量有限，而且一般车辆的起动电瓶都没有电源管理系统，无法准确预测剩余电量，这样在使用驻车空调时用户一直处在一种不安心的焦虑中，担心电瓶剩余电量不足以保证发动机起动。

因此，针对目前的48V轻混系统、余热回收系统以及空调系统各自存在的问题，本申请提出了一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，实现了各系统间相互协同工作，提高了汽车能量的利用效率。

本实用新型的方案在于：一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，包括发动机、48V轻混系统、余热回收系统和空调系统，还包括第一齿轮系和第二齿轮系；所述第一齿轮系安装在发动机的动力输出轴上，所述第二齿轮系安装在48V轻混系统的48V电机的转轴上，所述第一齿轮系通过第一离合装置与第二齿轮系连接；所述第二齿轮系通过第二离合装置与余热回收系统的动力转换装置连接，所述第二齿轮系还通过第三离合装置与空调系统的压缩机连接；所述动力转换装置的电力输出端和48V电机的电力输出端与48V轻混系统的48V电池电性连接。

作进一步的改进，所述第一齿轮系包括第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮安装在发动机的动力输出轴上，所述第二齿轮与第一齿轮啮合连接，所述第二齿轮安装在第一离合装置的一侧。

进一步的，所述第二齿轮系包括第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮；所述第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮依次啮合连接，所述第三齿轮安装在48V电机的转轴上；所述第四齿轮安装在第二离合装置的一侧；所述第五齿轮安装在第三离合装置的一侧。

更进一步的，所述第一离合装置、第二离合装置和第三离合装置均为离合器。

更进一步的，所述动力转换装置包括余热回收泵或动力涡轮，以及余热回收发电机；所述第二离合装置的另一侧与余热回收泵或动力涡轮的转轴连接，所述余热回收泵或动力涡轮还与余热回收发电机连接，所述余热回收发电机的电力输出端与48V电池电性连接。

有益效果

本实用新型的优点在于：通过安装在发动机、48V轻混系统、余热回收系统、空调系统之间的两个齿轮系以及三个离合装置，实现各系统间的独立或相互协同工作。相对于现有技术中各系统仅独立的工作模式，各系统独立或协同的工作模式充分利用了各系统的现有资源，大大的提高了整个车辆的能量利用效率，使用体验最优化，避免了汽车在某些工况下效率低下的问题，以达到进一步降低汽车油耗的目的。

附图说明

图1为本实用新型的48V轻混系统的车辆能量集成管理系统结构示意图；

图2为本发明的汽车加速过程发动机输出扭矩及油门扭矩的曲线变化图。

其中：1-发动机、2-48V电机、3-压缩机、4-48V电池、5-第一齿轮、6-第二齿轮、7-第一离合装置、8-第三齿轮、9-第二离合装置、10-第四齿轮、11-第五齿轮、12-第三离合装置、13-余热回收泵或动力涡轮、14-余热回收发电机。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步的描述，但不构成对本实用新型的任何限制，任何人在本实用新型权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本实用新型的权利要求范围内。

一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，包括发动机1、48V轻混系统、余热回收系统和空调系统，还包括第一齿轮系和第二齿轮系。第一齿轮系安装在发动机1的动力输出轴上，第二齿轮系安装在48V轻混系统的48V电机2的转轴上，第一齿轮系通过第一离合装置7与第二齿轮系连接；第二齿轮系通过第二离合装置9与余热回收系统的动力转换装置连接，第二齿轮系还通过第三离合装置12与空调系统的压缩机3连接；动力转换装置的电力输出端和48V电机2的电力输出端与48V轻混系统的48V电池4电性连接。

通过安装在发动机1、48V轻混系统、余热回收系统、空调系统之间的两个齿轮系以及三个离合装置，实现各系统间的独立或相互协同工作。相对于现有技术中各系统仅独立的工作模式，各系统独立或协同的工作模式充分利用了各系统的现有资源，大大的提高了整个车辆的能量利用效率，使用体验最优化，避免了汽车在某些工况下效率低下的问题，以达到进一步降低汽车油耗的目的。

具体的，第一齿轮系包括第一齿轮5和第二齿轮6；第一齿轮5安装在发动机1的动力输出轴上，第二齿轮6与第一齿轮5啮合连接，第二齿轮6安装在第一离合装置7的一侧。

第二齿轮系包括第三齿轮8、第四齿轮10和第五齿轮11；第三齿轮8、第四齿轮10和第五齿轮11依次啮合连接，第三齿轮8安装在48V电机2的转轴上；第四齿轮10安装在第二离合装置9的一侧；第五齿轮11安装在第三离合装置12的一侧。

第一离合装置7、第二离合装置9和第三离合装置12均为离合器。

动力转换装置包括余热回收泵或动力涡轮13，以及余热回收发电机14；第二离合装置9的另一侧与余热回收泵或动力涡轮13的转轴连接，余热回收泵或动力涡轮13还与余热回收发电机14连接，余热回收发电机14的电力输出端与48V电池4电性连接。

本实施例的三个离合器具体的工作模式如下：当仅第一离合装置7结合时，发动机1可有作用与48V电机2,48V电机2也可以作用与发动机1；当仅第一离合装置7和第二离合装置9结合时，余热回收泵或动力涡轮13输出动力至发动机1，但此时的48V电机2处于待机状态，即余热回收泵或动力涡轮13不直接作用于48V电机2；当仅第三离合装置12结合时，48V电机2作用于压缩机3。

需要说明的是，现有技术中的48V轻混系统，其48V电机2是一个既可输出正扭矩以辅助助力发动机1或带动压缩机3运作、也可吸收发动机1的扭矩进行发电的电机。并且，还可通过48V轻混系统对48V电机2的工作状态进行设置，48V电机2的工作模式主要包括：输出扭矩状态、吸收扭矩状态、待机状态。上述对48V电机2及其工作模式的说明，均为现有技术，是本领域的技术人员所悉知的。上述内容只是为了辅助本领域的技术人员更好的对本方案的理解，本方案并不对48V轻混系统及其48V电机2作出任何的改进。

本实用新型的工作过程如下：

当汽车的发动机1在起动的状态时，第一离合装置7结合，48V电机2输出最大正扭矩，并作用于发动机1，驱动发动机1起动，以达到发动机1快速起动，且节省油耗的目的。第二离合装置9和第三离合装置12分离，余热回收泵或动力涡轮13以及压缩机3均不动作，保证发动机1以及48V电机2的输出主要作用于汽车的启动，利于启动。

当汽车运行在加速状态下，第一离合装置7结合，48V电机2输出正扭矩，并作用于发动机1，辅助发动机1以对汽车进行加速。当踩下油门，汽车在加速初期，发动机1输出扭矩的变化与油门扭矩的变化不一致时，第二离合装置9分离，余热回收泵或动力涡轮13不工作；当油门一直被踩下，汽车在加速中后期，发动机1输出扭矩的变化与油门扭矩的变化一致时，第二离合装置9结合，余热回收泵或动力涡轮13工作，但其输出作用于发动机1，以辅助发动机1工作，以降低发动机1的油耗。第三离合装置12在汽车加速状态下，始终处于分离状态。

当司机踩下油门且汽车开始加速时，汽车在加速的前期，发动机1转速低，增压器转速低，发动机1的输出扭矩偏小，并且其输出扭矩增加缓慢，动力性偏弱。司机一直踩下油门，油门扭矩持续增加，并且待发动机1的转速提高，增压器的转速也提升之后，发动机1的输出扭矩可以即刻响应油门的扭矩。如图2所示，通过对发动机1输出扭矩的曲线变化和油门扭矩的曲线变化的监测可知，在汽车加速前期，发动机1输出扭矩的曲线变化是较油门扭矩的曲线变化低的，即发动机1输出扭矩的变化与油门扭矩的变化不一致，发动机1的输出扭矩不能即刻响应油门扭矩的增加；在汽车加速中后期，发动机1输出扭矩的曲线变化与油门扭矩的曲线变化是一致的，即发动机1的输出扭矩能即刻响应油门扭矩的增加。

汽车在加速初期，发动机1输出扭矩增加缓慢，动力性偏弱，为了追求更好的动力，司机可能会深踩油门，从而造成较高的油耗。因此，在汽车加速初期，48V轻混系统的48V电机输出正扭矩，并作用于发动机1，以辅助汽车加速；余热回收系统处于待机状态，且空调系统不动作，保证了发动机1的能量不被移作他用，有利于降低发动机1的油耗，达到省油的目的。

而在汽车加速的中后期，发动机1的排气能量充足，所以在这个时期内，余热回收系统启动，并对发动机1的排气能量进行回收，不但不会影响到汽车的运行，还可对汽车在加速时产生的大量能量进行回收，从而达到了对汽车运行的合理辅助、能量的合理回收的目的，有效地利用了发动机1产生的排气能量而不影响汽车的驾驶性。

汽车在正常负载状态下，空调系统是根据用户的需求进行开启的，并且空调系统实施例通过发动机1为其提供动力，此时的第三离合装置12均处于分离状态。但余热回收系统和48V轻混系统的协同工作，具体工作过程如下：

若48V电池4的SOC水平在30％以下，发动机1输出扭矩低于发动机1最大扭矩的60％时，第一离合装置7结合，发动机1作用于48V电机2，使其进行发电，产生的电能将存储在48V电池4中。第二离合装置9分离，但余热回收系统工作，并将回收到的能量通过余热回收泵或动力涡轮13作用于余热回收发电机14，使其进行发电，并将电能存储在48V电池4中。即通过48V轻混系统和余热回收系统同时对48V电池4进行充电，以保证48V电池4的剩余电量，避免因48V电池4过放而对其造成不可逆的损耗。

若48V电池4的SOC水平在30％-80％之间，且此时的发动机1的输出扭矩低于发动机1最大扭矩的30％时，第一离合装置7结合，发动机1作用于48V电机2，使其进行发电，并将电能存储在48V电池4中。第二离合装置9分离，余热回收系统将回收到的能量通过余热回收泵或动力涡轮13作用于余热回收发电机14，使其进行发电，并将电能存储在48V电池4中。

若48V电池4的SOC水平在30％-80％之间，且此时的发动机1的输出扭矩在发动机1最大扭矩的30％-60％之间时，48V电机2处于待机状态，此时的第一离合装置7则根据余热回收系统的输出情况作出相应的动作，具体为：

当48V电池4的SOC水平在30％-80％之间，且此时的48V轻混系统的电动附件消耗的功率高于48V电池4最大功率的60％时，第一离合装置7分离，第二离合装置9分离，余热回收系统将回收到的能量通过余热回收泵或动力涡轮13作用于余热回收发电机14，使其进行发电，并将电能存储在48V电池4中。当48V轻混系统的电动附件工作，且耗电量较大时，为了保证48V电池4的续航能力，余热回收系统将回收到的热能转换为电能，并存储在48V电池4中，保证48V电池4的电量。

当48V电池4的SOC水平在30％-80％之间，但此时的发动机1的输出扭矩高于发动机1最大扭矩的40％，且48V轻混系统的电动附件消耗的功率低于48V电池2最大功率的30％时，此时第一离合装置7结合，第二离合装置9结合，余热回收系统作用于发动机1，以辅助发动机1运行，达到降低发动机1油耗的目的。

若48V电池4的SOC水平在80％以上，48V电机2处于待机状态。此时的第一离合装置7和第二离合装置9均结合，余热回收系统直接输出扭矩作用于发动机1，以辅助发动机1运行。

当汽车运行在减速状态下，第一离合装置7结合，发动机1作用于48V电机2以对其48V电池4进行充电；第二离合装置9分离，此时的余热回收系统处于待机状态。

当汽车停止但空调系统在启用状态下，第一离合装置7和第二离合装置9均分离，第三离合装置12结合，48V电机2作用于压缩机3，使空调系统工作。

总的来说，本管理系统使汽车上的发动机1、余热回收系统、48V轻混系统、空调系统相对独立但又互相协同的工作，实现了能量的更合理的回收和输出。

主要体现在：

第一、余热回收系统或48V轻混系统可以根据需要给48V电池4充电，解决了48V轻混系统电量不足、持续放电能力弱的问题，提升了48V轻混系统的助力效果和电动附件的应用范围，改善了48V轻混系统的节油效果。

第二、余热回收系统根据汽车的工况和需要，当发动机1处于合适的转速和负荷时，发动机1的直接扭矩输出效率高，此时的余热回收系统选择直接输出扭矩，并耦合到发动机1动力输出轴；在发动机1直接扭矩输出效率低时，选择通过发电输出回收能量的方式，使余热回收系统尽可能工作在效率高的区域，以实现对发动机1能量的回收，从而解决了余热回收系统在发动机1工况变化大时效率不高的问题。

第三、在不改变空调系统的布局结构，即空调系统的压缩机3仍然沿用传统的压缩机3结构，只是动力来源可以选择由发动机1输入，也可以选择直接有48V电池4输入。具体为，在行车过程中，选择发动机1动力输入，在停车过程中选择由48V电池4通过48V电机2的输入方式，这样就可以直接利用48V电机2驱动现有的压缩机3实现可靠的驻车空调。并且驻车时空调使用的是48V电池4的能量，充分利用48V电池4完善的电源管理系统，在保证电池安全的全体下实现驻车空调驱动能力的最大化，且不影响发动机1起动能力，解决了用户的电量焦虑，同时保证了空调系统可靠性。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。

Claims (5)

1.一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，包括发动机(1)、48V轻混系统、余热回收系统和空调系统，其特征在于，还包括第一齿轮系和第二齿轮系；所述第一齿轮系安装在发动机(1)的动力输出轴上，所述第二齿轮系安装在48V轻混系统的48V电机(2)的转轴上，所述第一齿轮系通过第一离合装置(7)与第二齿轮系连接；所述第二齿轮系通过第二离合装置(9)与余热回收系统的动力转换装置连接，所述第二齿轮系还通过第三离合装置(12)与空调系统的压缩机(3)连接；所述动力转换装置的电力输出端和48V电机(2)的电力输出端与48V轻混系统的48V电池(4)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，其特征在于，所述第一齿轮系包括第一齿轮(5)和第二齿轮(6)；所述第一齿轮(5)安装在发动机(1)的动力输出轴上，所述第二齿轮(6)与第一齿轮(5)啮合连接，所述第二齿轮(6)安装在第一离合装置(7)的一侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，其特征在于，所述第二齿轮系包括第三齿轮(8)、第四齿轮(10)和第五齿轮(11)；所述第三齿轮(8)、第四齿轮(10)和第五齿轮(11)依次啮合连接，所述第三齿轮(8)安装在48V电机(2)的转轴上；所述第四齿轮(10)安装在第二离合装置(9)的一侧；所述第五齿轮(11)安装在第三离合装置(12)的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，其特征在于，所述第一离合装置(7)、第二离合装置(9)和第三离合装置(12)均为离合器。

5.根据权利要求1所述的一种基于48V轻混系统的车辆能量集成管理系统，其特征在于，所述动力转换装置包括余热回收泵或动力涡轮(13)，以及余热回收发电机(14)；所述第二离合装置(9)的另一侧与余热回收泵或动力涡轮(13)的转轴连接，所述余热回收泵或动力涡轮(13)还与余热回收发电机(14)连接，所述余热回收发电机(14)的电力输出端与48V电池(4)电性连接。

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