CN215204392U - 纯电动重型商用车的动力总成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及纯电动重型商用车动力系统技术领域，尤其是一种纯电动重型商用车的动力总成系统，包括整车控制器、飞轮动力总成、飞轮电机控制器、主驱动电机、主驱动电机控制器、飞轮系统控制器及动力电池系统，其采用主驱动电机与飞轮动力总成实现对转向驱动桥的集中驱动，后轮则采用轮边电机进行独立驱动，构成集中驱动与轮边分布驱动的组合式动力总成系统，从而实现具备低速大扭矩的能力，频繁启停时能够对车辆实现高效的制动能量回收，增加了动力总成系统的可靠性和冗余度，达到增强动力、降低系统能耗和成本的效果，并且采用轮边电机驱动另一个优势可以在像城市公交车、机场摆渡车一些特殊车辆中满足后轮低地板的要求。

Description

纯电动重型商用车的动力总成系统

技术领域

本实用新型涉及纯电动重型商用车动力系统技术领域，尤其是一种纯电动重型商用车的动力总成系统。

背景技术

随着新能源商用车的电动化发展，以及国家补贴的逐步退坡乃至取消的影响，重型商用车的三电系统的成本高的问题进一步凸显；三电系统的成本主要分别与电机、电控、电池的扭矩、功率和容量成正比，扭矩、功率、容量越大成本越高。目前市面上乘用车和轻型商用车多数还是采用直驱方式，而在纯电动重型商用车上，一般采用多电机或多档变速箱的方案，多档变速箱只能解决低速扭矩问题，无法解决大功率问题；增加多电机会导致系统电功率增加，电池功率和装载容量也会进一步加大，降低成本十分困难。

动力系统是纯电动车辆最重要的耗能因素，动力系统效率的提升是增加续航里程、降低电池成本的关键，根据相关资料，传动系统效率提升1％，整车的电耗就可以降低2.5％，而目前电机和电机控制器的综合效率最高已经可达95％以上，变速箱传动效率也高达97％，单各部件效率可提升空间不大。也有重型商用车采用轮毂电机方案，但由于轮毂电机簧下质量高、成本高、可靠性、防护、耐振动等工程问题需要解决和持续攻关，仍处于研发和小批量试验阶段。

尤其在城市公交、机场、码头、矿山、城市渣土运输的纯电动重型商用车辆：车速要求低、重载大扭矩、启停频繁、功率要求高、电池装载容量多、工作时间长、多车轴动力输出等特点，动力系统的性能、能耗、效率、成本都很难达到预期效果。

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纯电动重型商用车的动力系统其性能、能耗、效率、成本都很难达到预期效果的问题，现提供一种纯电动重型商用车的动力总成系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纯电动重型商用车的动力总成系统，所述纯电动重型商用车包括设置于车架上的转向驱动桥、分别设置在转向驱动桥两端的两个前轮及设置于车架上的后轮，该动力总成系统包括整车控制器、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、主驱动电机、主驱动电机控制器、飞轮系统控制器及动力电池系统，所述后轮上均对应传动设置有一轮边电机，轮边电机上均电连接有一轮边电机控制器；

所述飞轮动力总成的输出端和主驱动电机的输出轴均与转向驱动桥的输入端传动连接，所述轮边电机的输出轴和其所对应的后轮传动连接；

所述飞轮系统控制器、轮边电机控制器及动力电池系统均与整车控制器信号连接，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；

所述飞轮电机控制器、主驱动电机控制器及轮边电机控制器均与动力电池系统电连接，所述主驱动电机和主驱动电机控制器电连接，所述飞轮动力总成和飞轮电机控制器电连接。

本方案中采用主驱动电机与飞轮动力总成实现对转向驱动桥的集中驱动，后轮则采用轮边电机进行独立驱动，构成集中驱动与轮边分布驱动的组合式动力总成系统，从而实现具备低速大扭矩的能力，频繁启停时能够对车辆实现高效的制动能量回收，增加了动力总成系统的可靠性和冗余度，达到增强动力、降低系统能耗和成本的效果，并且采用轮边电机驱动另一个优势可以在像城市公交车、机场摆渡车一些特殊车辆中满足后轮低地板的要求。

进一步地，所述动力电池系统上电连接有高压控制盒，所述飞轮电机控制器、主驱动电机控制器及轮边电机控制器均与高压控制盒电连接。

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传动连接，所述行星架的输出端和转向驱动桥的输入端传动连接；

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，所述飞轮有多个，多个所述飞轮均与齿圈传动连接。

进一步地，所述行星架的输出端和转向驱动桥中主减速器的输入端传动连接；或者，所述行星架的输出端和变速器的输入端传动连接，变速器的输出端和转向驱动桥中主减速器的输入端传动连接。

进一步地，所述轮边电动与其所对应的后轮之间设有轮边减速器，所述轮边电机的输出轴和轮边减速器的输入端传动连接，轮边减速器的输出端和后轮传动连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型纯电动重型商用车的动力总成系统采用主驱动电机与飞轮动力总成实现对转向驱动桥的集中驱动，后轮则采用轮边电机进行独立驱动，构成集中驱动与轮边分布驱动的组合式动力总成系统，从而实现具备低速大扭矩的能力，频繁启停时能够对车辆实现高效的制动能量回收，增加了动力总成系统的可靠性和冗余度，达到增强动力、降低系统能耗和成本的效果，并且采用轮边电机驱动另一个优势可以在像城市公交车、机场摆渡车一些特殊车辆中满足后轮低地板的要求。

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是本实用新型纯电动重型商用车的动力总成系统的示意图；

图2是本实用新型纯电动重型商用车的动力总成系统中飞轮动力总成的示意图；

图3是本实用新型纯电动重型商用车的动力总成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5是本实用新型中功率特性图。

图中：1、转向驱动桥，2、前轮，3、后轮，4、整车控制器；

5、飞轮动力总成，501、齿圈，502、行星齿轮，503、行星架，504、太阳轮，505、电动机/发电机，506、飞轮，507、单向离合器；

6、飞轮电机控制器，7、主驱动电机，8、主驱动电机控制器，9、飞轮系统控制器，10、动力电池系统，11、轮边电机，12、轮边电机控制器，13、高压控制盒，14、轮边减速器。

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，一种纯电动重型商用车的动力总成系统，所述纯电动重型商用车包括设置于车架上的转向驱动桥1、分别设置在转向驱动桥1两端的两个前轮2及设置于车架上的后轮3，该动力总成系统包括整车控制器4、能够将车辆制动的动能转化为飞轮506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5、飞轮电机控制器6、主驱动电机7、主驱动电机控制器8、飞轮系统控制器9及动力电池系统10，所述后轮3上均对应传动设置有一轮边电机11，轮边电机11上均电连接有一轮边电机控制器12；

所述飞轮动力总成5的输出端和主驱动电机7的输出轴均与转向驱动桥1的输入端传动连接，所述轮边电机11的输出轴和其所对应的后轮3传动连接；

所述飞轮系统控制器9、轮边电机控制器12及动力电池系统10均与整车控制器4信号连接，所述主驱动电机控制器8及飞轮电机控制器6均与飞轮系统控制器9信号连接；

所述飞轮电机控制器6、主驱动电机控制器8及轮边电机控制器12均与动力电池系统10电连接，所述主驱动电机7和主驱动电机控制器8电连接，所述飞轮动力总成5和飞轮电机控制器6电连接。

所述动力电池系统10上电连接有高压控制盒13，所述飞轮电机控制器6、主驱动电机控制器8及轮边电机控制器12均与高压控制盒13电连接；由高压控制盒统一为飞轮电机控制器6、主驱动电机控制器8及轮边电机控制器12分配电能。

本实施例中飞轮动力总成5包括：

行星齿轮机构，包括齿圈501、行星齿轮502、行星架503和太阳轮504，所述主驱动电机7的输出轴和行星架503传动连接，所述行星架503的输出端和转向驱动桥1的输入端传动连接；

飞轮506，与齿圈501传动连接；

电动机/发电机505，所述电动机/发电机505的动力输出轴与太阳轮504传动连接；

以及单向离合器507，所述单向离合器507设置在齿圈501与飞轮506的传动路径上。

采用单向离合器507代替原有飞轮动力总成5中的飞轮制动器可以自动实现飞轮506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与飞轮动力总成5中的电动机/发电机505电连接。

如图3所示，所述飞轮506有多个，多个所述飞轮506均与齿圈501传动连接；飞轮动力总成5中采用多个飞轮506并联结构可增大储能容量。

本实施例中飞轮动力总成5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505。

所述行星架503的输出端和转向驱动桥1中主减速器的输入端传动连接；或者，所述行星架503的输出端和变速器的输入端传动连接，变速器的输出端和转向驱动桥1中主减速器的输入端传动连接。

所述轮边电动与其所对应的后轮3之间设有轮边减速器14，所述轮边电机11的输出轴和轮边减速器14的输入端传动连接，轮边减速器14的输出端和后轮3传动连接。

本实施例中飞轮506动力通过行星齿轮机构将行星架503并联到主驱主动电机7的输出轴上，并与转向驱动桥1的主减速器的传动连接，将动力传递到前轮2。在车辆起步前，整车控制器4接受到油门/刹车信号后，发送信号给飞轮系统控制器9进行单独控制，在车辆静止启动时从动力电池系统10获取能量，通过飞轮电机控制器6负扭矩控制电动机/发电机505，让飞轮506充能，随后通过飞轮电机控制器6正扭矩控制电动机/发电机505，释放飞轮506动能，让车辆在起步加速时作为辅助动力帮助车辆起步加速，在车辆制动时，飞轮动力总成5，大功率回收制动能量，通过飞轮电机控制器6负扭矩控制飞轮506吸收功率和转速。由于在纯电动重型车辆中，为了降低电能消耗，优先在控制上对车辆加速和制动时，尽可能多的采用飞轮动力总成5的机械功率输入、输出，减小主驱动电机7的电能消耗，来达到降低能耗的作用。

本实施例中主驱动电机7：传统在纯电动重型商用车上，主驱动电机7作为车辆主要动力驱动单元，由于起步扭矩大，多数采用两个或者多个大功率电机并联输出，或者采用大功率电机+变速箱的结构输出，提高低速大扭矩，但功率没法下降；而本实施例中采用飞轮动力总成5，在车辆起步时释放能量，机械能输出直接以扭矩的形式输出，可以完全替代过去中的一个大功率电机和多档变速器，同时对主驱动电机7以及主驱动电机控制器8的功率也大大降低。

由于纯电动重型商用车功率大，需要装载更大容量动力电池系统10，对于重型车辆的载重是不利的，同时对充电时间要求也过长，在实际运营中运力受到影响，在纯电动重型商用车上动力电池的成本占比一直较高，对于重载车辆主要能量消耗在于低速频繁启停，能效也较低；对此，本实施例中配合飞轮动力总成5，实现在低速起步时，通过飞轮506在上一制动循环中回收的刹车动能，直接以机械能形式输出，大大降低了主驱动电机7从动力电池系统10中的取电量；同时在制动能回收过程中减少了大功率大电流回充动力电池系统10，动力电池系统10的充放电倍率降低，对动力电池系统10寿命可以大大提高，动力总成系统能耗大幅降低，可以减少动力电池系统10装机容量，降低动力电池系统10成本。

由于轮边电机11结合减速器构成轮边驱动系统是目前大巴、公交车或商用车一种独立驱动方案，目前在12米(车重15-20吨)左右的大巴或者公交车型有应用，采用后轮3轮边驱动，再往更重的车型，像港口运输，矿车这样的更重载的车型，电子差速的控制，受到单轮承载扭矩和轮胎抓地力的限制以及轮端空间的限制，轮边驱动的电机功率提高和降低都有限。电子差速控制的精准度要求较高，当出现一端车轮上的电机出现故障，另一端车轮上的电机无法独立驱动车辆以及转向，所以在重型商用车大功率、高可靠性的系统中，系统容错性和冗余度不够；对此，本实施例中采用主驱动电机7与飞轮动力总成5实现对转向驱动桥1的集中驱动，以此实现前轮2的驱动，主驱动电机7和飞轮动力总成5中的电动机/发电机505都可以单独驱动前轮2，即使轮边电机11、转向驱动桥1的主驱动电机7或飞轮动力总成5的电动机/发电机505中任一出现故障问题，车辆可以继续行驶，提高了动力总成系统的冗余度和容错性，也提高了纯电动重型商用车的动力提升，可以兼容更大吨位的纯电动重型商用车车辆；

本实施例中的前桥采用转向驱动桥1作为前桥驱动的输入，同时满足车辆转向的功能，当后轮3的轮边电机11出现故障，无法进行电子差速控制，转向驱动桥1继续还有驱动和转向功能，不会影响车辆行驶。

本实施例中整车控制器4：根据动力电池系统10能量，进行动力总成系统控制，实现扭矩动力分配，还可以对轮边电机11进行电子差速控制。

本实施例飞轮系统控制器9：主要控制主驱动电机控制器8和飞轮电机控制器6，来进行主驱动电机7和飞轮动力总成5的扭矩分配。

本实施例的优点如下：

第一、相同动力性能，主驱动电机7功率降低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本实施例中的采用130KW主驱动电机7结合飞轮动力总成5共同驱动转向驱动桥1时的输出扭矩特性，曲线b为现有技术中采用260KW驱动电机单独驱动转向驱动桥1的输出扭矩特性，曲线c为本实施例中130KW主驱动电机7的输出扭矩特性，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260KW驱动电机单独驱动的方案，其主驱动电机7功率降低50％，结合飞轮动力总成5，输出总扭矩超出原260KW主驱动电机7扭矩输出性能，尤其在中段加速，动力性能提升明显。

第二、相同动力性能，动力总成系统总电功率下降30％，整车的能耗/电耗随之同比例下降；参见图5中的功率特性图，图中具有三条曲线，曲线a为本实施例中260KW系统总功率特性，曲线b为130KW主驱动电机7功率特性，曲线c为50KW飞轮动力总成5中的电动机/发电机505功率特性，从图5中可以看出动力总成系统总电功率下降30％。

第三、通过飞轮进行机械能回收、释放，因此制动能量回收效率高，功率大(对于重型商用车这块尤其重要，频繁启停，动能损失大，起步和制动时功率需求大)。

第四、在不增加电功率的同时额外增加了动力和扭矩，性能提升，可以用于更大质量和重型的商用车。

第五、飞轮动力总成5可以替代传统直驱+多档变速箱方案中的多档变速箱。

第六、采用了驱动转向桥，降低了轮边电机11电子差速控制的难度和精准度。

第七、多动力控制，动力系统安全性、可靠性、冗余度、容错性得到大幅提高，前后桥动力分配更加灵活。

第八、能效提升，三电系统功率和容量减小，三电成本降低(三电系统的成本主要分别与电机、电控、电池的扭矩、功率和容量成正比)；同时商用车货物的载重量提升、充电时间缩短，运营电费减少。

本实施例中纯电动重型商用车的动力总成系统的工作原理如下：

起步加速：初始启动状态时，飞轮506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4给飞轮系统控制器9发出信号，飞轮系统控制器9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5中的电动机/发电机505先负扭矩驱动行星齿轮机构让静止的飞轮506加速到预设转速，实现飞轮506能量预充；充能完成后车辆开始起步，通过飞轮系统控制器9控制扭矩和功率分配，主驱动电机7和电动机/发电机505同时正扭矩功率输出，将飞轮506、电动机/发电机505和主驱动电机7的三个动力同时耦合在行星架503输出轴上同时驱动转向驱动桥1，飞轮506释放，同时整车控制器4给各轮边电机控制器12发送信号，轮边电机控制器12驱动轮边电机11，使后轮3主动旋转，作为辅助动力驱动，完成低速大扭矩起步。

匀速续航：

飞轮动力总成5中的飞轮506能量释放完，齿圈501会被单向离合器507固定锁住，此时行星齿轮机构等同于一个行星齿轮减速器，主驱动电机7和飞轮动力总成5中的电动机/发电机505可以继续驱动车辆，两轮边电机11也作为辅助动力驱动，前轮2和后轮3实现四轮驱动，实现车辆分布式驱动控制，优化系统效率。

减速制动：重型商用车辆在制动时，同样制动功率很大，飞轮系统控制器9通过优先控制电动机/发电机505负扭矩，让飞轮506以电动机/发电机505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506旋转的动能尽可能多的回收制动能量，同时整车控制器4让后轮3的轮边电机11制动回收的电能回充动力电池系统10，飞轮系统控制器9也减少主驱动电机7制动回收的电能回充动力电池系统10，以降低电制动功率，对动力电池系统10来说起到了削峰填谷的作用。

再加速：

车辆制动后，飞轮506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9会根据动力电池系统10实时电量反馈和飞轮506的能量状态，实现对主驱动电机7和飞轮动力总成5的的功率和扭矩分配，在车辆加速时，通过控制电动机/发电机505优先使用飞轮动力总成5中飞轮506机械能以电动机/发电机505的2-3倍的机械功率输出，来减少主驱动电机7的功率输出，从而降低对动力电池系统10电能的消耗和输出功率，起到节能和辅助动力的作用；且由于飞轮506输出扭矩和功率主要在车辆起步加速阶段，可以完全取代了原先多档变速箱作用。

熄火停车：当车辆在最后一次制动停车，车辆处于静止状态，而飞轮506在车辆减速过程中会回收动能，整车控制器4给飞轮系统控制器9发出信号，飞轮系统控制器9让飞轮电机控制器6和动力电池系统10延迟断电，把飞轮506最后回收的动能通过电动机/发电机505发电回充到动力电池系统10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 (6)

1.一种纯电动重型商用车的动力总成系统，所述纯电动重型商用车包括设置于车架上的转向驱动桥(1)、分别设置在转向驱动桥(1)两端的两个前轮(2)及设置于车架上的后轮(3)，其特征在于：该动力总成系统包括整车控制器(4)、能够将车辆制动的动能转化为飞轮(506)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(5)、飞轮电机控制器(6)、主驱动电机(7)、主驱动电机控制器(8)、飞轮系统控制器(9)及动力电池系统(10)，所述后轮(3)上均对应传动设置有一轮边电机(11)，轮边电机(11)上均电连接有一轮边电机控制器(12)；

所述飞轮动力总成(5)的输出端和主驱动电机(7)的输出轴均与转向驱动桥(1)的输入端传动连接，所述轮边电机(11)的输出轴和其所对应的后轮(3)传动连接；

所述飞轮系统控制器(9)、轮边电机控制器(12)及动力电池系统(10)均与整车控制器(4)信号连接，所述主驱动电机控制器(8)及飞轮电机控制器(6)均与飞轮系统控制器(9)信号连接；

所述飞轮电机控制器(6)、主驱动电机控制器(8)及轮边电机控制器(12)均与动力电池系统(10)电连接，所述主驱动电机(7)和主驱动电机控制器(8)电连接，所述飞轮动力总成(5)和飞轮电机控制器(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的纯电动重型商用车的动力总成系统，其特征在于：所述动力电池系统(10)上电连接有高压控制盒(13)，所述飞轮电机控制器(6)、主驱动电机控制器(8)及轮边电机控制器(12)均与高压控制盒(13)电连接。

3.根据权利要求1所述的纯电动重型商用车的动力总成系统，其特征在于：所述飞轮动力总成(5)包括：

行星齿轮机构，包括齿圈(501)、行星齿轮(502)、行星架(503)和太阳轮(504)，所述主驱动电机(7)的输出轴和行星架(503)传动连接，所述行星架(503)的输出端和转向驱动桥(1)的输入端传动连接；

飞轮(506)，与齿圈(501)传动连接；

电动机/发电机(505)，所述电动机/发电机(505)的动力输出轴与太阳轮(504)传动连接；

以及单向离合器(507)，所述单向离合器(507)设置在齿圈(501)与飞轮(506)的传动路径上。

4.根据权利要求3所述的纯电动重型商用车的动力总成系统，其特征在于：所述飞轮(506)有多个，多个所述飞轮(506)均与齿圈(501)传动连接。

5.根据权利要求3所述的纯电动重型商用车的动力总成系统，其特征在于：所述行星架(503)的输出端和转向驱动桥(1)中主减速器的输入端传动连接；或者，所述行星架(503)的输出端和变速器的输入端传动连接，变速器的输出端和转向驱动桥(1)中主减速器的输入端传动连接。

6.根据权利要求3所述的纯电动重型商用车的动力总成系统，其特征在于：所述轮边电动与其所对应的后轮(3)之间设有轮边减速器(14)，所述轮边电机(11)的输出轴和轮边减速器(14)的输入端传动连接，轮边减速器(14)的输出端和后轮(3)传动连接。

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