CN216733877U - 一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统。本实用新型基于机电液三种动力在工程车辆中固定输出以及转换效率低的问题，其特征在于可以实现车辆在不同工况下，机电液三种动力有效转化。系统包括动力电池、功率转换器、主驱电机、控制电机、动力耦合机构、锁止装置、离合制动器、减速齿轮、液压泵/马达、低压蓄能器、高压蓄能器等组成件。本实用新型主要采用行星排的形式，将能量进行分流和耦合，并依据需求输出机械能、液压能、电能；主驱电机与蓄能器的兼并工作，实现电液同步助力；控制电机辅助主驱电机，实现其高效运行；液压与电动力能够高效回收制动能和势能；本实用新型将有效提高车辆的动力性和经济性。

Description

一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统

技术领域

本实用新型属车辆动力传动领域，涉及一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统，通过机电液动力协同与耦合实现车辆行进和液压负载的工作，并提高车辆的动力性、经济性。

背景技术

由于我国石油资源短缺，石油进口量每年都在增长，未来能源缺口也呈加大趋势，与此同时我们所处的环境形势严峻，新能源产业是我国战略兴国发展的产业组成部分，新能源汽车的应用和发展越来越受到人们的关注，并且新能源汽车产业链也日渐成熟，以纯电动汽车的整车技术创新链已经快速推进，特别是工程机械领域的纯电动化已经逐渐普及。

虽然纯电动汽车拥有着巨大发展优势，但是它也存在很多发展瓶颈：(1)由于动力电池的能量密度低，导致了纯电动汽车的电池质量及所占空间大，续航里程短；(2)汽车制动工况下产生的制动能量回收效率低；(3)工程车辆工作环境复杂多变，负载的变化对车辆动力电池造成不可修复的冲击，减少使用寿命；(4)纯电动汽车单一动力源无法满足液压负载和机械负载的动力需求。

液压动力具有功率密度高、充放能快，传递运动平稳，能量回收率高等优点。将液压动力作为辅助动力源，将有效解决纯电动工程车辆制动能量回收效率低、加速或爬坡工况动力不足、续航里程短、液压工况不稳定等问题。在能源危机与气候变暖的双重压力下，多源动力车辆将成为发展趋势，能够克服传统纯电动车辆自身弊端，提供多源动力需求。尤其对于一些具有特殊用途需求的车辆，如工程机械、农业机械、重型车辆、军事越野车等。但目前纯电动工程车辆机-电-液能量转换及动力耦合技术及产品尚处于起步阶段。本实用新型在传统纯电动工程车辆基础上，引入双电机(控制电机和主驱电机)、行星排和蓄能器解决现有问题，形成了一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统。

发明内容

本实用新型目的是提出一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统，通过机电液动力协同耦合，依据不同工况输出机械能或液压能，采用高压蓄能器作为辅助动力源，有效提高纯电动工程车辆的动力，缩短车辆启动时间；机械负载、液压负载协同工作，满足工程车辆不同工况复杂工作要求；实现制动能量以及液压装置惯性能量高效回收，大幅提升工程车辆的续驶里程，提高车辆经济性。

本实用新型主要包括动力电池1、功率转换器2、用电设备3、主驱电机4、输入轴 5、控制电机6、动力耦合机构7、锁止装置8、输出轴9、离合制动器A10、驱动桥11、驱动轮12、液压动力直联减速齿轮13、离合制动器B14、液压泵/马达15、低压蓄能器16、液压缸17、液压油路18、油箱19、四位四通阀20、高压蓄能器21、整车控制器22；其中动力耦合机构7包括行星架701、齿圈702、行星轮703、太阳轮704。

本实用新型的动力电池1与功率转换器2相连，电能经功率转换器2进行分配，分别驱动主驱电机4、控制电机6、用电设备3，主驱电机4与动力耦合机构7的行星架701 相连，控制电机6与动力耦合机构7的太阳轮704相连，动力耦合机构7的输出轴9通过离合器A10、驱动桥11与驱动轮12相连；动力耦合机构7的齿圈702经液压动力直联减速齿轮13、离合制动器B14与液压泵/马达15连接；齿圈702、行星轮703、太阳轮704三者相互啮合；液压泵/马达15一端与低压蓄能器16连接，另一端与四位四通阀20相连，四位四通阀20的四个工作位置分别对应着高压蓄能器21、液压缸17、液压泵/马达15和油箱 19，液压缸17通过液压油路18与四位四通阀20连接。

主驱电机4和控制电机6分别带动输入轴5、太阳轮704转动，在行星架701处进行动力耦合，可使齿圈702转动，或由制动能带动行星架701、齿圈702转动，齿圈702通过液压动力直联减速齿轮13、离合制动器B14带动液压泵/马达15转动，实现高压蓄能器21 充能或驱动液压缸17工作；锁止装置8控制齿圈702的锁止；液压泵/马达15经液压动力直联减速齿轮13、齿圈702，在行星轮703处，与主驱电机4、控制电机6进行动力耦合，共同驱动驱动桥11，实现电液同步助力；车辆制动能通过输出轴9和行星架701，或液压缸 17势能通过四位四通阀20，驱动液压泵/马达15，经液压动力直联减速齿轮13、齿圈702、行星架701，经输入轴5带动主驱电机4转动，使其工作在发电机状态，实现电能的回收；车辆制动能经驱动桥11、离合制动器A10、行星架701、齿圈702、液压动力直联减速齿轮 13、带动液压泵/马达15转动，实现高压蓄能器21充能，或液压缸17的势能通过液压油路 18、四位四通阀20直接进入高压蓄能器21，实现高压蓄能器21充能。

本实用新型的目的在于通过机-电-液动力协同耦合，动力电池1驱动主驱电机4、控制电机6旋转与高压蓄能器21驱动液压泵/马达15旋转产生的机械能经动力耦合机构7耦合，共同驱动车辆启动、加速、爬坡等，将有效地提高纯电动工程车辆动力以及缩短车辆启动时间、降低主驱电机4峰值功率；控制电机6稳定主驱电机4运行在高效区，提高整车经济性；动力电池1驱动主驱电机4、控制电机6产生的机械能经动力耦合机构7耦合，经液压动力直联减速齿轮13、液压泵/马达15驱动液压缸17，或由动力电池1同时驱动驱动轮12、液压缸17，满足工程车辆不同工况复杂工作要求；车辆制动能量、液压工作装置惯性能量和液压负载制动能量通过动力耦合系统回收到电池或蓄能器中，将大幅度提升车辆克服负载能力，提高整车经济性。

附图说明

图1：纯电动工程车辆机-电-液动力协同耦合系统的结构原理图。

图2：动力耦合机构原理图。

图中标记含义为：1-动力电池；2-功率转换器；3-用电设备；4-主驱电机；5-输入轴；6-控制电机；7-动力耦合机构；8-锁止装置；9-输出轴；10-离合制动器A；11-驱动桥；12-驱动轮；13-液压动力直联减速齿轮；14-离合制动器B；15-液压泵/马达；16-低压蓄能器；17-液压缸；18-液压油路；19-油箱；20-四位四通阀；21-高压蓄能器；22-整车控制器；701-行星架；702-齿圈；703-行星轮；704-太阳轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案作进一步清晰、完整的描述。

如图1所示，一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统，该系统包括：1-动力电池；2-功率转换器；3-用电设备；4-主驱电机；5-输入轴；6-控制电机；7-动力耦合机构；8-锁止装置；9-输出轴；10-离合制动器A；11-驱动桥；12-驱动轮；13-液压动力直联减速齿轮；14-离合制动器B；15-液压泵/马达；16-低压蓄能器；17-液压缸；18-液压油路；19-油箱；20-四位四通阀；21-高压蓄能器；22-整车控制器。

如图2所示，动力耦合机构原理图，动力耦合机构7包括：701-行星架；702-齿圈；703-行星轮；704-太阳轮。

所述功率转换器2与所述动力电池1、所述用电设备3、所述主驱电机4、所述控制电机6连接。

所述功率转换器2将所述动力电池1传递的电能分配到所述用电设备3、所述主驱电机4、所述控制电机6。

所述整车控制器22分别与所述动力电池1、所述主驱电机4、所述控制电机6、所述功率转换器2、所述液压泵/马达15、所述离合器制动器A10、离合制动器B14、四位四通阀20、高压蓄能器21以及所述锁止装置8进行信号传递。

所述整车控制器22的作用是进行信号传递，并判断当前车辆状态，发出控制指令。可接收动力电池1状态信号、主驱电机4和控制电机6的转矩与转速信号、动力耦合机构7 的状态信号、液压泵/马达15的斜盘倾角开度信号、功率转换器2的功率分配信号、高压蓄能器21的压力信号、汽车的加速踏板和制动踏板信号，并发送功率转换器2的功率分配信号、主驱电机4和控制电机6的需求转矩和转速信号、液压泵/马达15的斜盘倾角开度信号，及四位四通阀20的换向信号。

所述用电设备3包括：照明系统、鸣笛系统、电器附件。

所述主驱电机4通过输入轴5与行星架701连接；所述控制电机6与太阳轮704连接；所述控制电机6通过控制所述太阳轮704的转速、转矩，控制所述主驱电机4的工作状态，保证主驱电机4在高效区稳定工作；调节机械与液压动力功率的输出比例，实现纯电动工程车辆机电液动力协同耦合。

所述输出轴9通过所述离合制动器A10、所述驱动桥11与所述驱动轮12连接，所述输出轴9与所述输入轴5同轴连接，所述离合制动器A10有分离、接合与制动三种状态。

所述齿圈702与所述液压动力直联减速齿轮13连接，并安装所述锁止装置8。

所述齿圈702、所述行星轮703、所述太阳轮704三者相互啮合。

所述动力耦合机构7一端由行星架701、太阳轮704分别与主驱电机4和控制电机6连接，一端由输出轴9通过离合制动器A10与驱动桥11连接，一端由齿圈702通过液压动力直联减速齿轮13、离合制动器B14与液压泵/马达15相连。

所述液压泵/马达15通过所述离合制动器B14、液压动力直联减速齿轮13与齿圈702 连接，所述液压泵/马达15的轴与所述液压动力直联减速齿轮13之间设有离合制动器B14，所述离合制动器B14有分离、接合与制动三种状态。

所述液压泵/马达15一端与所述低压蓄能器16连接，另一端与所述四位四通阀20连接。

所述四位四通阀20的四个工作位置分别对应着所述高压蓄能器21、所述液压缸17、所述液压泵/马达15和所述油箱19，所述液压缸17通过所述液压油路18与所述四位四通阀20连接。

下面结合附图从动力耦合系统工作状态的四种工况详细介绍本实用新型动力协同耦合系统工作原理。

一、车辆行驶工况。

(1)冷车启动工况(液压辅助)，当利用液压动力辅助车辆启动时，四位四通阀20切换阀位使高压蓄能器21与液压泵/马达15连通，液压回路切断。主驱电机4随输入轴5 转动，控制电机6锁止。高压蓄能器21能量充足，高压油从高压蓄能器21进入液压泵/马达15，此时液压泵/马达15作为马达使用，低压油从出口进入低压蓄能器16。离合制动器B14处于接合状态，动力从液压泵/马达15通过液压动力直联减速齿轮13驱动齿圈702，通过行星轮703带动行星架701转动，此时太阳轮704锁止，主驱电机4与输出轴9同轴，随转，离合制动器A10接合，动力进入驱动桥11驱动驱动轮12，车辆起步加速。

(2)车辆主行进工况。当车速达到一定值，动力电池1经功率转换器2给用电设备3、主驱电机4和控制电机6供电，此时液压系统断开，主驱电机4与控制电机6作为电动机使用，主驱电机4驱动行星架701，控制电机驱动太阳轮704，锁止装置8将齿圈702锁死，离合制动器B14处于分离状态，动力在液压泵/马达15与齿圈702之间断开，动力通过动力耦合机构7进行耦合，离合制动器A10处于接合状态，动力进入驱动桥11驱动驱动轮12，车辆前进。

(3)加速、爬坡工况。当车辆处于加速或爬坡状态时，动力电池1经功率转换器2 给用电设备3、主驱电机4、控制电机6供电，液压动力辅助驱动。高压油从高压蓄能器21 进入液压泵/马达15，此时液压泵/马达15作为马达使用，低压油从出口进入低压蓄能器 16。离合制动器B14处于接合状态，动力从液压泵/马达15通过离合制动器B14、液压动力直联减速齿轮13驱动齿圈702、行星轮703、行星架701。主驱电机4与控制电机6作为电动机使用，主驱电机4驱动行星架701，控制电机6驱动太阳轮704、行星轮703、行星架 701。三者动力在动力耦合机构7的行星架701处进行耦合，离合制动器A10处于接合状态，动力经输出轴9传递给驱动桥11、驱动轮12，驱动车辆加速或爬坡。

(4)匀速、怠速工况。当车辆处于匀速、怠速状态时，动力电池1经功率转换器2 给用电设备3、主驱电机4、控制电机6供电。主驱电机4与控制电机6作为电动机使用，主驱电机4驱动行星架701、控制电机6驱动太阳轮704。离合制动器A10和离合制动器 B14均处于接合状态，动力通过动力耦合机构7进行耦合，一路通过离合制动器A10传递给驱动桥11，带动驱动轮12转动，驱动车辆加速或爬坡，另一路驱动齿圈702、液压动力直联减速齿轮13，经离合制动器B14驱动液压泵/马达15，此时液压泵/马达15作为液压泵使用，四位四通阀切换阀位使液压泵/马达15和高压蓄能器21连通，低压油从低压蓄能器16 进入高压蓄能器21，实现在驱动车辆的同时进行高压蓄能器21充能。

二、液压负载工况。

(1)液压工况(主驱电机4+控制电机6工作)。动力电池1经功率转换器2给用电设备3、主驱电机4、控制电机6供电。此时，离合制动器A10分离，切断与驱动桥11的连接，离合制动器B14接合。主驱电机4与控制电机6作为电动机使用，主驱电机4驱动行星架701、控制电机6驱动太阳轮704。动力在行星架701处进行耦合，共同驱动齿圈702，动力经液压动力直联减速齿轮13、离合制动器B14驱动液压泵/马达15，四位四通阀 20切换阀位使低压蓄能器16与液压缸17连通，液压油从低压蓄能器16进入液压油路18，驱动液压缸17工作。

(2)液压工况(主驱电机4、控制电机6工作+高压蓄能器21充能)。动力电池1 经功率转换器2给用电设备3、主驱电机4、控制电机6供电。此时，离合制动器A10分离，切断与驱动桥11的连接，离合制动器B14接合。主驱电机4与控制电机6作为电动机使用，主驱电机4驱动行星架701、控制电机6驱动太阳轮704。动力在行星架701处进行耦合，共同驱动齿圈702，动力经液压动力直联减速齿轮13、离合制动器B14驱动液压泵/ 马达15，四位四通阀20作四通阀，一路低压油从低压蓄能器16到高压蓄能器22进行充能，另一路进入液压油路18，驱动液压缸17工作。

三、机械-液压负载同时工作工况。

机械+液压工况(动力分流)。动力电池1经功率转换器2给用电设备3、主驱电机 4、控制电机6供电。主驱电机4与控制电机6作为电动机使用，主驱电机4驱动行星架 701、控制电机6驱动太阳轮704。动力通过动力耦合机构7进行耦合，一路经行星架701、输出轴9传递给驱动桥11，驱动轮12，驱动车辆行驶。另一路经行星轮703、齿圈702、液压动力直联减速齿轮13，带动液压泵/马达15转动，低压油从低压蓄能器16进入液压泵/马达15，此时液压泵/马达15作为液压泵使用，低压油从出口进入液压油路18，驱动液压缸 17工作。

四、能量回收工况。

(1)制动能量回收工况(无液压负载)。该工况通过机械负载进行制动能量回收。又细分为两种情况。第一种，此时离合制动器A10接合，制动力由驱动轮12经驱动桥11、离合制动器A10、输出轴9传递给动力耦合机构7，通过动力耦合机构7、输入轴5直接传递给主驱电机4，太阳轮704由控制电机6锁住，此时主驱电机4作为发电机，发出的电能储存在动力电池1中。第二种，制动力由驱动轮12传递给驱动桥11，经动力耦合机构7的齿圈702，传递给液压动力直联减速齿轮13，离合制动器B14接合，驱动液压泵/马达15，四位四通阀20改变阀位使高压蓄能器21与液压泵/马达15连通，低压油从低压蓄能器16 流向高压蓄能器21，给高压蓄能器21充能。

(2)制动能量回收工况(无机械负载)。该工况通过液压缸17进行能量回收。又细分为两种情况。第一种，液压能通过液压缸17传入，四位四通阀20改变阀位，使液压缸 17与液压泵/马达15连通，液压油经液压泵/马达15进入低压蓄能器16，此时液压泵/马达15作为马达使用，动力经液压动力直联减速齿轮13、齿圈702、行星架701，传递给主驱电机4，此时主驱电机4作为发电机，发出的电能储存在动力电池1中。第二种，液压能通过液压缸17传入，四位四通阀20改变阀位，使液压缸17与高压蓄能器21连通，液压能直接储存在高压蓄能器21中。

(3)制动能量回收工况(液压与机械负载同时制动)。该工况分为三种情况。第一种，动力电池1和高压蓄能器21同时回收，此时离合制动器B14断开，太阳轮704锁止，车辆行驶的制动能通过动力耦合机构7、输入轴5直接传入主驱电机4，此时主驱电机4作为发电机，电能储存在动力电池1中，四位四通阀20改变阀位，使液压缸17与高压蓄能器 21连通，液压制动能通过四位四通阀20直接回收至高压蓄能器21中。第二种，回收到动力电池1中，此时，离合制动器A10、离合制动器B14均处于接合状态，太阳轮704锁止，车辆行驶的制动能由驱动轮12传递给驱动桥11，通过动力耦合机构7直接传递给主驱电机 4，液压制动能通过液压缸17传入，四位四通阀20改变阀位，使液压缸17与液压泵/马达 15连通，液压油经液压泵/马达15进入低压蓄能器16，液压泵/马达15作马达使用，驱动液压动力直联齿轮13、齿圈702，带动行星架701转动，同车辆行驶制动力共同驱动主驱电机 4，此时主驱电机4作为发电机，电能储存在动力电池1中。第三种，回收到高压蓄能器21 中，此时，离合制动器A10、离合制动器B14均处于接合状态，太阳轮704锁止，车辆制动力由驱动轮12传递给驱动桥11、离合制动器A10、输入轴9、行星架701、行星轮703、齿圈702，齿圈702驱动液压动力直联齿轮13、液压泵/马达15，此时液压泵/马达15作液压泵使用，四位四通阀20改变阀位，低压油从低压蓄能器16流向高压蓄能器21，给高压蓄能器21充能，液压制动能通过液压缸17传入，经四位四通阀20直接储存在高压蓄能器21 中。

(4)制动能量回收工况(一制动一工作)。分三种情况。第一种，液压制动+机械工作(高压蓄能器21低压)，动力电池1经功率转换器2给用电设备3、主驱电机4、控制电机6供电，通过动力耦合机构7耦合(齿圈702由锁止装置8锁死不作转动)，驱动车辆行驶，同时液压制动能通过液压缸17传入，四位四通阀20改变阀位，使液压缸17与高压蓄能器21相连，液压能直接储存在高压蓄能器21中。第二种，液压制动+机械工作(高压蓄能器21能量充足)，动力电池1经功率转换器2给用电设备3、主驱电机4、控制电机6 供电，通过动力耦合机构7耦合(齿圈702不作转动)，驱动车辆行驶，同时四位四通阀 20关闭，油液仅在液压油路18中流动。第三种，液压工作+机械制动，动力电池1经功率转换器2给用电设备3、主驱电机4、控制电机6供电，动力经动力耦合机构7耦合传递给齿圈702，但不驱动车辆行驶，动力传递给液压动力直联减速齿轮13，离合制动器B14接合，驱动液压泵/马达15，四位四通阀20改变阀位，使液压泵/马达15与液压缸17连通，低压油从低压蓄能器16经液压泵/马达15进入液压油路18，驱动液压缸17工作。

本实用新型通过机-电-液动力协同耦合系统，实现机-电-液同步助力，将有效地提高纯电动工程车辆动力，缩短工程车辆启动和制动时间，合理分配机械和液压动力；实现高效回收制动能和液压负载势能的作用，提高车辆经济性；有效降低主驱电机峰值功率、减小了因负载波动产生的电流冲击；可稳定主驱电机运行在高效区，各种动力转换在系统内通过结构参数实现最优匹配，使整个动力系统简短、紧凑、高效。

以上描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点，并非是对本实用新型作其他形式的限制。任何熟悉本专业的技术人员应该了解，上述实施例和说明书只是描述了本实用新型的原理，凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统，其特征在于：

该纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统包括动力电池、功率转换器、用电设备、主驱电机、输入轴、控制电机、动力耦合机构、锁止装置、输出轴、离合制动器A、驱动桥、驱动轮、液压动力直联减速齿轮、离合制动器B、液压泵/马达、低压蓄能器、液压缸、液压油路、油箱、四位四通阀、高压蓄能器、以及整车控制器；功率转换器与动力电池、主驱电机、控制电机、用电设备通过导线连接；动力耦合机构的行星架与输入轴固定连接，输入轴与驱动电机连接，输出轴通过离合制动器A与驱动桥连接，驱动桥两端分别连接驱动轮；动力耦合机构的太阳轮外缘一端与控制电机啮合连接，另一端与行星架相连的行星轮啮合；动力耦合机构的齿圈与行星轮齿轮啮合，齿圈外缘与液压动力直联减速齿轮啮合，液压动力直联减速齿轮通过离合制动器B与液压泵/马达的轴连接，液压泵/马达低压油口通过液压管路与低压蓄能器连接，高压油口与四位四通阀连接；四位四通阀的四个工作位置分别通过液压管路与高压蓄能器、液压缸、液压泵/马达和油箱连接，其中四通阀和液压缸之间设有液压油路连接。

2.根据权利要求1所述的一种纯电动工程车辆机电液动力协同耦合系统，其特征在于，所述动力耦合机构包括行星架、行星轮、太阳轮、齿圈，行星架与齿圈同轴心设置，动力耦合机构的输入轴与输出轴同轴连接，行星架通过固定连接的输入轴与主驱电机相连，行星架固定连接的行星轮一端与控制电机相啮合的太阳轮啮合，另一端与齿圈内缘齿轮啮合，齿圈外缘设置有锁止装置。

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