CN215204406U - 基于飞轮动力的增程式动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及增程式电动车辆技术领域，尤其是一种基于飞轮动力的增程式动力系统，包括整车控制器、增程器、动力电池系统、电池管理系统、主驱动电机、主驱动电机控制器、能够将车辆制动的动能转化为飞轮的动能并在车辆起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成、飞轮电机控制器及飞轮系统控制器；主驱动电机和飞轮动力总成均与车辆的车轴传动连接，其通过飞轮动力总成高效、大功率的回收和输出机械动能，实现对主驱动电机、主驱动电机控制器、动力电池系统以及增程器的功率要求大大降低，减少动力电池系统的装机容量，提高动力电池系统的寿命，降低增程器的油耗，制动能量回收效率高，提升动力性能，节能效果显著，车辆的安全性和可靠性高。

Description

基于飞轮动力的增程式动力系统

技术领域

本实用新型涉及增程式电动车辆技术领域，尤其是一种基于飞轮动力的增程式动力系统。

背景技术

由于新能源纯电动汽车里程焦虑、过渡依赖充电设施、充电时间长、续驶里程一致性差等问题，增程式混动技术再一次得到市场的认可和应用，尤其在纯电动汽车国家补贴逐年退坡以后，市场和最新政策都开始倾向于混动车的发展过渡，尤其是在商用车领域，纯电动整车采购成本高、载货量轻、冬季低温对电池性能影响，运营回报周期长等问题尤为凸显，车辆动力系统技术优化、节能降本更为紧迫。

目前增程式混动技术路线主要以纯电动汽车驱动系统架构为基础，通过增加增程器发电功能装置，来减少搭载车辆动力电池容量。由于采用的动力电池大部分都还是采用现有的新能源纯电动汽车上用的三元锂或者磷酸铁锂能量型电池，充放电倍率较低(三元锂电池最大瞬时放电倍率3C，磷酸铁锂最大瞬时放电倍率2.5C)，在电驱动功率不变的情况下，电池包容量减少有限，电池成本降低也有限。如果采用功率型电池，成本高(是锂电池成本3-5倍)，体积大。

由于锂电池自身充放电倍率受限，目前采用锂电池的增程式车辆其电池电量SOC值需要维持在一个较高的范围，一般设计维持在50％-70％，增程器就得介入工作，因此，电池可用于纯电驱动的行驶里程短，对于电池来说是一种能量浪费。

车辆中高速循环，单电机驱动处在恒功率，没有副备功率储备，再加速性能差，尤其在电池低电量或馈电情况下电池输出功率有限，车辆动力性能降低明显，也会让增程器处于持续满功率运行，能耗/油耗偏高。

制动能量回收效率低，目前大部分新能源车辆在电制动能量回收中，主要靠机械传动装置带动驱动电机发电回冲电池的路径方案，需要经过机械能-电能-化学能多种能量转换，同时受限于电池高倍率充放电对电池寿命影响，实际动能回收效率低。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中增程式新能源车的制动能量回收效率低的问题，现提供一种基于飞轮动力的增程式动力系统，其不但打破了现有纯电动车辆的里程焦虑、成本高等问题，而且突破了目前现有增程式电动车系统方案中因电池容量减少带来电池输出功率对车辆影响的瓶颈问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于飞轮动力的增程式动力系统，包括整车控制器、增程器、动力电池系统、电池管理系统、主驱动电机、主驱动电机控制器、能够将车辆制动的动能转化为飞轮的动能并在车辆起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成、飞轮电机控制器及飞轮系统控制器；

所述主驱动电机和飞轮动力总成均与车辆的车轴传动连接；

所述增程器和动力电池系统电连接，所述主驱动电机控制器及飞轮电机控制器均与动力电池系统电连接，所述主驱动电机控制器和主驱动电机电连接，所述飞轮电机控制器和飞轮动力总成电连接；

所述增程器、电池管理系统及飞轮系统控制器均与整车控制器信号连接，所述电池管理系统和动力电池系统信号连接，所述主驱动电机控制器及飞轮电机控制器均与飞轮系统控制器信号连接。

本方案中在车辆制动和加速过程中，通过飞轮动力总成系统高效、大功率的回收和输出机械动能，实现对主驱动电机、主驱动电机控制器、动力电池系统以及增程器的功率要求大大降低，在满足原车辆动力性要求的情况下，主驱动电机的功率、主驱动电机控制器的功率以及动力电池系统的容量可降低30-50％、增程器功率下降30％，从而降低车俩的制造成本；

由于飞轮动力总成额外提供机械辅助动力，在车辆起步加速、中高速再超车加速性能得到进一步提高，而传统增程式方案单电机驱动系统无法做到，也改善了在动力电池系统在低电量和馈电情况下动力性能下降的影响，从而提升动力性能；

由于飞轮动力总成在车辆制动过程中高效回收制动能量再利用，回收效率的提高大大节约的车辆因制动带来的动能损失；同时弥补了增程式电动车辆因动力电池系统容量的减少对动力电池系统所带来的输出功率的影响。优化降低电池SOC值设定范围，进一步释放动力电池系统电能输出，增加在纯电模式下的续航里程，同时增程器的发动机功率降低和混动工作时间减少，油耗也得到进一步降低，节能效果显著；

由于增程式动力系统能耗降低，百公里电耗和油耗得到进一步降低；由于采用飞轮动力总成系统，动力电池系统搭载容量可进一步减少，充电时间、电费和油费同样也都得到进一步节省；从而降低使用成本；

由于飞轮动力总成在车辆制动和加速过程中大功率回收和释放制动能量，降低电制动和加速带来对动力电池系统高倍率充放电次数，动力电池系统使用寿命进一步得到提升；

由于采用主驱动电机结合飞轮动力总成代替原大功率单电机驱动系统，其优势在于通过控制实现分布驱动，增加系统冗余度，当主驱动电机或飞轮动力总成中的一者出现故障时，另一者可以单独驱动变速/减速机构至车轮，提高了车辆坡行回家能力，大大增加车辆的安全性和可靠性；

由于增程式飞轮动力总成系统车辆，动力电池系统容量可以大幅减少，车辆质量可以进一步减轻，提高系统能效，尤其运用在一些新能源商用车领域、城市配送的物流车上，载货重量得到进一步提升。

进一步地，所述飞轮动力总成包括：

行星齿轮机构，包括齿圈、行星齿轮、行星架和太阳轮，所述主驱动电机的输出轴和行星架的输入端传动连接，所述行星架的输出端和车轴传动连接；

飞轮，与齿圈传动连接；

电动机/发电机，所述电动机/发电机的动力输出轴与太阳轮传动连接；

以及单向离合器，所述单向离合器设置在齿圈与飞轮的传动路径上。

进一步地，所述行星架的输出端和变速/减速机构的输入端传动连接，变速/减速机构的输出端和车轴传动连接。

进一步地，所述飞轮有多个，多个所述飞轮均与齿圈传动连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于飞轮动力的增程式动力系统其在车辆制动和加速过程中，通过飞轮动力总成高效、大功率的回收和输出机械动能，实现对主驱动电机、主驱动电机控制器、动力电池系统以及增程器的功率要求大大降低，减少动力电池系统的装机容量，提高动力电池系统的寿命，降低增程器的油耗，制动能量回收效率高，提升动力性能，节能效果显著，车辆的安全性和可靠性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型基于飞轮动力的增程式动力系统的示意图；

图2是本实用新型基于飞轮动力的增程式动力系统中飞轮动力总成的示意图；

图3是本实用新型基于飞轮动力的增程式动力系统中多个飞轮同时与齿圈传动连接的示意图；

图4是本实用新型中扭矩输出特性图。

图中：1、整车控制器，2、增程器，3、动力电池系统，4、主驱动电机，5、主驱动电机控制器，6、飞轮电机控制器；

7、飞轮动力总成，701、齿圈，702、行星齿轮，703、行星架，704、太阳轮，705、电动机/发电机，706、飞轮，707、单向离合器；

8、飞轮系统控制器，9、电池管理系统，10、变速/减速机构，11、车轴，12、车轮。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1-2所示，一种基于飞轮动力的增程式动力系统，包括整车控制器1、增程器2、动力电池系统3、电池管理系统9、主驱动电机4、主驱动电机控制器5、能够将车辆制动的动能转化为飞轮706的动能并在车辆起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成7、飞轮电机控制器6及飞轮系统控制器8；

所述主驱动电机4和飞轮动力总成7均与车辆的车轴11传动连接；

所述增程器2和动力电池系统3电连接，所述主驱动电机控制器5及飞轮电机控制器6均与动力电池系统3电连接，所述主驱动电机控制器5和主驱动电机4电连接，所述飞轮电机控制器6和飞轮动力总成7电连接；

所述增程器2、电池管理系统9及飞轮系统控制器8均与整车控制器1信号连接，所述电池管理系统9和动力电池系统3信号连接，所述主驱动电机控制器5及飞轮电机控制器6均与飞轮系统控制器8信号连接。

本实施例中飞轮动力总成7包括：

行星齿轮机构，包括齿圈701、行星齿轮702、行星架703和太阳轮704，所述主驱动电机4的输出轴和行星架703的输入端传动连接，所述行星架703的输出端和车轴11传动连接；

飞轮706，与齿圈701传动连接；

电动机/发电机705，所述电动机/发电机705的动力输出轴与太阳轮704传动连接；

以及单向离合器707，所述单向离合器707设置在齿圈701与飞轮706的传动路径上。

所述行星架703的输出端和变速/减速机构10的输入端传动连接，变速/减速机构10的输出端和车轴11传动连接。

采用单向离合器707代替飞轮制动器可以自动实现飞轮706正向旋转释放和反向逆止制动的功能，无需电控系统来控制，高转速下可靠性和安全性大大提高。

本实施例中飞轮电机控制器6和电动机/发电机705电连接。

如图3所示，本实施例中飞轮706有多个，多个所述飞轮706均与齿圈701传动连接；采用多个飞轮706并联结构可增大储能容量。

本实施例中飞轮动力总成7的工作原理，可参见公告号为CN103171426B的中国专利所公开的新能源汽车的驱动装置中的增力节能驱动装置的工作原理，增力节能驱动装置中的第二电动机/发电机相当于本申请中的电动机/发电机705。

本实施例中在满足原车辆动力性要求的情况下，主驱动电机4功率降低30-50％，参见图4中的扭矩输出特性图，图中具有三条曲线，曲线为a现有技术中采用120KW驱动电机单独驱动的扭矩输出特性；曲线b为本实施例中的采用60KW主驱动电机4结合飞轮动力总成7共同驱动的扭矩输出特性，曲线c为本实施例中60KW主驱动电机7驱动的扭矩输出特性，从图4可以看出本实施例中的方案相比于现有技术中采用120KW驱动电机单独驱动的方案，其主驱动电机4功率降低50％。

本实施例中的基于飞轮动力的增程式动力系统的工作原理如下：

车辆起步：

车辆第一次起步，飞轮706属于静止状态(无能量)，可以根据驾驶员动力模式选择，实现多种动力模式起步控制：

单动力驱动：根据驾驶员意图，油门加速请求信息反馈至整车控制器1，整车控制器1控制增程器2不工作，并控制飞轮系统控制器8发出信号给飞轮电机控制器6，飞轮电机控制器6控制飞轮动力总成7不工作，与此同时，飞轮系统控制器8给主驱动电机控制器5发出信号，主驱动电机控制器5控制主驱动电机4工作，主驱动电机4通过动力电池系统3获得电能，开始工作，主驱动电机4单独驱动变速/减速机构10，并传动至车轮12，实现车辆起步加速；

双动力驱动：由于飞轮动力总成7中设置有单向离合器707，飞轮706转速为零，齿圈701转速为零，齿圈701正扭矩方向处于锁止状态，行星齿轮机构此时属于减速增扭装置，整车控制器1给飞轮系统控制器8发出信号，飞轮系统控制器8给主驱动电机控制器5及飞轮电机控制器6发出信号，飞轮电机控制器6控制电动机/发电机705工作，主驱动电机控制器5控制主驱动电机4工作，此时，电动机/发电机705与主驱动电机4同时正扭矩并联输出，共同将动力耦合传递到变速/减速机构10，并传动至车轮12，实现提高车辆起步加速性能；

三动力驱动：如果车辆第一次冷启动起步需要满功率加速或者爬坡，而此时车辆冷启动状态飞轮706转速为零，没有能量，可以通过在车辆静止状态下，整车控制器1给飞轮系统控制器8发出信号，飞轮系统控制器8给飞轮电机控制器6发出信号，飞轮电机控制器6让飞轮动力总成7中的电动机/发电机705先负扭矩驱动行星齿轮机构让静止的飞轮706加速到预设转速，实现飞轮706能量预充；充能完成后车辆开始起步，通过飞轮系统控制器8控制扭矩和功率分配，主驱动电机4和电动机/发电机705同时正扭矩满功率输出，将飞轮706、电动机/发电机705和主驱动电机4的三个动力同时耦合在行星架703输出轴上，共同输出至车轮12，实现车辆最大动力性能起步和加速。

车辆加速：

车辆制动后，飞轮706处于满能量状态，具有一半的辅助动力和机械功率输出能力，飞轮系统控制器8会根据动力电池系统3实时电量反馈和飞轮706的能量状态，实现对主驱动电机4和飞轮动力总成7的功率和扭矩分配，在车辆加速时，通过控制电动机/发电机705优先使用飞轮动力总成7中飞轮706机械能以电动机/发电机705的2-3倍的机械功率输出，来减少主驱动电机4的功率输出，从而降低对动力电池系统3电能的消耗和输出功率，起到节能和辅助动力的作用。

车辆中高速巡航以及再加速：

当车辆完成前段加速进入中高速巡航，此时车辆巡航所需的功率相比起步加速功率要求大大降低，由于此时飞轮706能量释放完，处于静止或随动状态，电动机/发电机705被飞轮系统控制器8控制在不输出扭矩状态，车辆主要动力来源于主驱动电机4，而此时增程器2介入工作，整车控制器1根据动力电池系统3的电池SOC电量值的状态和功率输出能力，发出信号增程器2的控制器，让增程器2做到功率跟随发电控制，所发出电能主要用于供给主驱动电机4，动力电池系统3可以作为辅助电能输出，来满足车辆在中高速巡航电功率需求；增程器2在满足驱动功率输出的同时，亦可以给动力电池系统3补充电能，也可以使主驱动电机4富余的功率驱动行星架703带动齿圈701，让飞轮706加速到满能量状态；当车辆在中高速需要超车或再次加速时，飞轮系统控制器8控制飞轮电机控制器6，使电动机/发电机705瞬间正扭矩控制，将飞轮706的动能以机械能形式大功率瞬间输出与主驱动电机4并联传递至车轮12，提升了车辆在中高速再加速性能。同时由于降低了对动力电池系统3的电功率输出要求，也打破了对增程式电动车辆动力电池系统3需要维持高电量SOC值的设计瓶颈，可以让动力电池系统3中更多的电能释放出去参与纯电行驶，增加车辆在纯电模式下的续航里程，减少增程器2的工作时间和降低油耗。

车辆减速：

车辆制动减速时，飞轮系统控制器8通过优先控制电动机/发电机705负扭矩，让飞轮706以电动机/发电机705的2-3倍功率高效的回收制动能量，将车辆刹车的动能转成飞轮706旋转的动能，减少电制动高倍率、大电流回充动力电池的冲击影响，从而提高回收效率和电池寿命；采用飞轮706回收制动能量效率要远高于现在电机发电回充电池系统，飞轮706是以动能形式回收再以动能形式释放，回收再利用(往返)效率高；目前新能源电驱动系统采用电机电池回收制动能量，需要动能-电能-化学能，多种类能量转换，效率损失大，同时受电池活性化学物质反应的影响，高倍率充放电效率较低，实际动能回收再利用(往返)效率较低。尤其在增程式车辆上，所搭载的动力电池容量要少于纯电动车辆动力电池容量，对电池输入输出功率要求进一步放大。而飞轮706增加的机械功率可以很好弥补了增程式车辆因动力电池容量的减少对电池倍率带来功率的影响。当飞轮706能量回收满，再通过主驱动电机4将剩余的动能发电回充至动力电池系统3，而此时回充的电流和功率大大减少，动力电池系统3充电倍率降低，效率提高。

停车熄火：

当车辆在最后一次制动停车，车辆处于静止状态，而飞轮706在车辆减速过程中会回收动能，整车控制器1给飞轮系统控制器8发出信号，飞轮系统控制器8让飞轮电机控制器6和动力电池系统3延迟断电，把飞轮706最后回收的动能通过电动机/发电机705发电回充到动力电池系统3中去。

上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种基于飞轮动力的增程式动力系统，其特征在于：包括整车控制器(1)、增程器(2)、动力电池系统(3)、电池管理系统(9)、主驱动电机(4)、主驱动电机控制器(5)、能够将车辆制动的动能转化为飞轮(706)的动能并在车辆起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成(7)、飞轮电机控制器(6)及飞轮系统控制器(8)；

所述主驱动电机(4)和飞轮动力总成(7)均与车辆的车轴(11)传动连接；

所述增程器(2)和动力电池系统(3)电连接，所述主驱动电机控制器(5)及飞轮电机控制器(6)均与动力电池系统(3)电连接，所述主驱动电机控制器(5)和主驱动电机(4)电连接，所述飞轮电机控制器(6)和飞轮动力总成(7)电连接；

所述增程器(2)、电池管理系统(9)及飞轮系统控制器(8)均与整车控制器(1)信号连接，所述电池管理系统(9)和动力电池系统(3)信号连接，所述主驱动电机控制器(5)及飞轮电机控制器(6)均与飞轮系统控制器(8)信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的增程式动力系统，其特征在于：所述飞轮动力总成(7)包括：

行星齿轮机构，包括齿圈(701)、行星齿轮(702)、行星架(703)和太阳轮(704)，所述主驱动电机(4)的输出轴和行星架(703)的输入端传动连接，所述行星架(703)的输出端和车轴(11)传动连接；

飞轮(706)，与齿圈(701)传动连接；

电动机/发电机(705)，所述电动机/发电机(705)的动力输出轴与太阳轮(704)传动连接；

以及单向离合器(707)，所述单向离合器(707)设置在齿圈(701)与飞轮(706)的传动路径上。

3.根据权利要求2所述的基于飞轮动力的增程式动力系统，其特征在于：所述行星架(703)的输出端和变速/减速机构(10)的输入端传动连接，变速/减速机构(10)的输出端和车轴(11)传动连接。

4.根据权利要求2所述的基于飞轮动力的增程式动力系统，其特征在于：所述飞轮(706)有多个，多个所述飞轮(706)均与齿圈(701)传动连接。

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