电动车辆及其包括的电气化动力系统的制作方法

1.本实用新型涉及电动车辆及其包括的动力系统，且更具体地涉及一种例如街道清扫车的电动车辆及其包括的电气化动力系统。


背景技术：

2.街道清扫车是一种市政车辆，用于清洁街道。街道清扫车的动力系统包括有行驶单元和作业单元。行驶单元用于通过驱动车轮推动车辆向前和向后移动，而作业单元用于通过包括有抽风机、刷子等装置的清扫设备进行清洁街道。相应地，街道清扫车具有两种基本的操作模式：行驶模式和作业模式。在行驶模式下，街道清扫车就像在街道上其它车辆一样行驶而不清洁街道，同时作业单元处于不工作状态；在作业模式中，街道清扫车以低速行驶并清洁街道,作业单元处于工作状态。
3.图1示出了现有技术中街道清扫车的常规燃油动力系统1的结构布局。如图1所示，现有技术中的街道清扫车的常规燃油动力系统1包括有燃油供给设备13以及分别与其连接的行驶单元11和作业单元12。行驶单元11包括有底盘发动机111，用于接收燃油供给设备13供给的燃油以提供输出功率；离合器112，其一端与底盘发动机111的功率输出端相连；具有变速功能的动力传输机构113，其输入端与离合器112的另一端相连；差速器114，其输入端与动力传输机构113的输出端相连；以及驱动车轮115，其与差速器114的输出端相连。作业单元12包括有辅助发动机121，用于接收燃油供给设备14供给的燃油以提供输出功率；离合器122，其一端与辅助发动机121的功率输出端相连；作业驱动系统(液压系统)123，其输入端与离合器122的另一端相连；以及清扫设备124，其与作业驱动系统(液压系统)123的输出端相连，清扫设备124包括有抽风机1241、刷子1242等装置，这些装置通过作业驱动系统(液压系统)123的输出动力被驱动而进行清洁街道的作业。
4.在行驶模式下，分别与底盘发动机111和动力传输机构113相连接的离合器112处于结合状态，以将底盘发动机111输出的功率传输至动力传输机构113，进而通过动力传输机构113(变速处理)以及与动力传输机构113相连接的差速器114(减速及差速处理)将动力传输至驱动车轮115，使得驱动车轮115被驱动，从而街道清扫车处于行驶状态。同时，在行驶模式下，作业单元12中的离合器122处于分离状态，使得辅助发动机121产生的功率无法通过离合器122而传输至作业驱动系统(液压系统)123，进而使得与作业驱动系统(液压系统)123相连接的清扫设备124不被驱动进行作业。
5.在作业模式下，离合器112和122都处于结合状态，使得底盘发动机111输出的功率传输至驱动车轮115，从而街道清扫车处于行驶状态。同时，辅助发动机121输出的功率也通过作业驱动系统(液压系统)123被传输至清扫设备124，使得清扫设备124被驱动，清扫设备124中包括的抽风机1241、刷子1242等装置处于作业状态而对街道进行清扫。
6.由于日益增长的对环境保护和节能的需求，街道清扫车的电气化动力传动系统在市场上越来越流行普遍。
7.图2示出了现有技术中街道清扫车的电气化动力系统2的结构布局。图2所示的电
气化动力系统2与图1所示的常规燃油动力系统1的结构区别在于：(1)常规燃油动力系统1中的燃油供给设备13被电气化动力系统2中的作为电能供给装置的常规可充电电池(例如锂电池或镍氢电池)23所替代；(2)常规燃油动力系统1中的行驶单元11中包括的底盘发动机111与离合器112的串联组合被电气化动力系统2中的逆变器24与行驶单元21中的底盘电动机211的串联组合所替代，逆变器24连接在常规可充电电池(例如锂电池或镍氢电池)23与底盘电动机211之间，底盘电动机211的功率输出端直接与动力传输机构113相连接；(3)常规燃油动力系统1中的作业单元12中包括的辅助发动机121与离合器122的串联组合被电气化动力系统2中的逆变器25与作业单元22中的辅助电动机221的串联组合所替代，逆变器25连接在常规可充电电池(例如锂电池或镍氢电池)23与辅助电动机221之间，辅助电动机221的功率输出端直接与作业驱动系统(液压系统)123相连接。
8.包括有图2所示的电气化动力系统2的街道清扫车处于不同的操作模式时，对底盘电动机211和辅助电动机221输出的功率需求也不同。图3a和图3b分别示出了电气化动力系统2在行驶模式和作业模式下的功率需求情况。
9.如图3a所示，在行驶模式下，街道清扫车处于行驶状态，作业单元22处于非工作状态。电池23输出的功率仅由底盘电动机211所消耗，并且街道清扫车的动力需求根据驾驶循环内的不同驾驶速度而变化。在行驶模式下，电池23的功率输出是定向的，这意味着，在行驶模式下，电池23的输出功率需要快速响应不同的底盘电动机211的功率需求而进行变化。
10.如图3b所示，在作业模式下，街道清扫车以低速行驶且作业单元22处于工作状态而通过清扫设备124清洁街道。作业单元22的作业需要被提供恒定的功率。在作业模式下，电池23输出的功率主要由辅助电动机221所消耗，并且其功率需求保持恒定，这意味着，在作业模式下，电池23的输出功率近似保持恒定。
11.由此可见，在行驶模式下底盘电动机211对于电池23的功率需求是动态变化的，而在作业模式下，辅助电动机221对于电池23的功率需求是恒定的。再者，众所周知，街道清扫车在大部分工作时间内是处于作业模式，通常作业单元22所消耗的电池能量要大于行驶单元21所消耗的电池能量。
12.所以，为了同时满足电气化动力系统2在行驶模式和作业模式下的需求，电池23需要具有非常大的能量体积。因此，电气化动力系统2需要携带大尺寸且大重量的电池23，从而不但造成电气化动力系统2的结构体积较大，而且由于携带电池的街道清扫车的整体车重也较大，从而造成不管街道清扫车在行驶模式下以较高速度行驶，还是在作业模式下以较低速度行驶，都将消耗更多的能量，使得电池23的能源使用效率不高。
13.再者，由于街道清扫车日常更多地处于功率需求保持恒定的作业模式下，换言之，街道清扫车对电池23的能量的消耗在作业模式下的占比更大，对此，由于锂电池或镍氢电池的能量密度并不是很高，从而需要使用体积较大的电池23来向作业单元22提供功率输出。
14.经过深入的研究和分析，本技术的发明人发现了现有技术的用于电动车(尤其是街道清扫车)的、包括有行驶单元和作业单元的电气化动力系统中，使用单一电池为具有不同功率需求特点(动态或恒定)的数个电动机且功率需求量不同(总体能耗不均等)的不同单元供电，造成电池的能量使用效率不理想，且电池体积和质量也较大。


技术实现要素：

15.本实用新型的目的在于提供一种电动车辆及其包括的电气化动力系统，其可以有效地提高电气化动力系统中电池的能量使用效率，减小使用电池的整体质量。
16.根据本实用新型的第一方面，提供了一种用于电动车辆的电气化动力系统，该电气化动力系统包括有用于驱动电动车辆向前和向后移动的行驶单元和用于执行各种作业的作业单元，该行驶单元包括有底盘电动机；动力传输机构，其输入端与该底盘电动机的功率输出端相连接；差速器，其输入端与该动力传输机构的输出端相连接；以及驱动车轮，其与该差速器的输出端相连接，用于驱动该电动车辆向前和向后移动，该作业单元包括有辅助电动机；作业驱动系统，其输入端与该辅助电动机的功率输出端相连接；以及作业设备，其与该作业驱动系统的输出端相连接，用于执行各种作业，其特征在于，该电气化动力系统还包括有：
17.第一供能装置，包括有第一电池，用于提供电能给该底盘电动机；以及
18.第二供能装置，包括有第二电池，用于提供电能给该辅助电动机，
19.其中，该第二电池的质量能量密度大于该第一电池的质量能量密度。
20.在一优选实施例中，该第二电池可输出的总能量大于该第一电池可输出的总能量。
21.在一优选实施例中，该第一电池为可充电锂电池、可充电镍氢电池、可充电超级电容中的任一。
22.在一优选实施例中，该第二供能装置包括燃料电池系统，该燃料电池系统包括作为该第二电池的燃料电池和辅助设备。
23.在一优选实施例中，该辅助设备包括有氢气供给系统、空气供给系统、热管理系统及电力电子系统等。
24.在一优选实施例中，该底盘电动机为交流电动机，该第一供能装置还包括有输入端与该第一电池串联的第一逆变器，该第一逆变器的输出端与该底盘电动机的输入端相连接，用于将该第一电池输出的直流电转换为三相交流电，向该底盘电动机供电。
25.在一优选实施例中，该辅助电动机为交流电动机，该第二供能装置还包括有与该燃料电池系统连接的功率电子模块，该功率电子模块包括有dc/dc变换器，其输入端与该燃料电池系统的输出端相连，用于将该燃料电池系统输出的低压直流电升压为高压直流电；以及第二逆变器，其输入端与该dc/dc变换器的输出端相连，用于将该dc/dc变换器输出的高压直流电转换为三相交流电，向该辅助电动机供电。
26.在一优选实施例中，该底盘电动机为直流电动机，该第一电池直接与该底盘电动机相连而不需要设置逆变器。
27.在一优选实施例中，该辅助电动机为直流电动机，该第二电池通过dc/dc变换器与该辅助电动机相连而不需要设置逆变器。
28.在一优选实施例中，该第一电池通过该dc/dc变换器与该燃料电池系统相连，在作业模式下，该第一电池通过该dc/dc变换器向该燃料电池系统提供启动电力，从而启动该燃料电池系统开始工作以输出电能给该辅助电动机。
29.在一优选实施例中，在该第一电池的剩余电量低于一特定阈值时，在作业模式下，该燃料电池系统在被启动后，在输出电能给该辅助电动机的同时可通过该dc/dc变换器对
该第一电池进行充电。
30.在一优选实施例中，该电动车辆为街道清扫车，该作业驱动系统为液压系统，该作业设备为包括抽风机和刷子等装置的清扫设备。
31.根据本实用新型的第二方面，提供了一种电动车辆，其包括有以上该电气化动力系统。
32.在一优选实施例中，该电动车辆为街道清扫车。
33.根据本实用新型的电动车辆及其包括的电气化动力系统，在该电动车辆为街道清扫车的情况下，该底盘电动机为底盘电动机，该辅助电动机为辅助电动机，该作业驱动设备为液压系统，该作业设备为包括抽风机和刷子等装置的清扫设备。在行驶模式下，街道清扫车就像街道上的其它车辆一样行驶，该第一电池向该第一逆变器和该底盘电动机提供电能，使得该底盘电动机输出机械动力经由通过动力传输机构(变速处理)以及与动力传输机构相连接的差速器(减速及差速处理)将动力传输至驱动车轮，最终驱动街道清扫车的车轮。
34.在作业模式下，街道清扫车以低速行驶，同时清扫街道。在该第一电池向该第一逆变器和该底盘电动机提供电能，最终驱动街道清扫车的车轮之外，该第二电池向该辅助电动机提供电能，使得该辅助电动机输出机械动力经由该液压系统(作业驱动系统)而被提供给清扫设备(作业设备)，从而驱动该清扫设备(作业设备)进行作业来清扫街道。
35.在根据本实用新型的电动车辆及其包括的电气化动力系统中，实现了以下的有益技术效果：
36.(1)第一电池仅用于向底盘电动机提供电能，因此可以采用常规可充电电池(例如锂电池或镍氢电池或超级电容)，且可被设计成具有较小的能量体积，从而相比于现有技术，减小了电池体积和质量。
37.(2)可采用燃料电池作为第二电池向作业单元中的辅助电动机提供电能，虽然燃料电池不能响应快速功率变化，然而其具有比常规可充电电池(例如锂电池或镍氢电池或超级电容)更高的能量密度，因此更适合具有恒定功率需求且较大能量消耗的作业单元，相比于常规可充电电池，采用燃料电池可使得电池整体质量更小。
38.(3)由于本实用新型所采用的可充电锂电池或镍氢电池或超级电容作为第一供能装置中的第一电池且仅用于行驶单元，适合行驶单元中的底盘电动机变化的输入功率需求；且燃料电池系统或体积较大的锂电池作为第二供能装置中的第二电池且仅用于作业单元，适合作业单元中的辅助电动机恒定的输入功率需求，因此，本实用新型第一电池和第二电池的组合相比于现有技术中使用单一可充电电池，实现了更高的能量使用效率。
39.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
40.图1为现有技术中街道清扫车的常规燃油动力系统的结构示意图。
41.图2为现有技术中街道清扫车的电气化动力系统的结构示意图。
42.图3a为说明图2所示的电气化动力系统的行驶模式的示意图。
43.图3b为说明图2所示的电气化动力系统的作业模式的示意图。
44.图4为根据本实用新型一实施例的用于街道清扫车的电气化动力系统的结构示意图。
45.图5为根据本实用新型另一实施例的用于街道清扫车的电气化动力系统的结构示意图。
46.附图标记：
47.1:现有技术的街道清扫车的常规燃油动力系统
48.2：现有技术的街道清扫车的电气化动力系统
49.3、4：本实用新型的街道清扫车的电气化动力系统
50.11、21：行驶单元
51.12、22：作业单元
52.111：底盘发动机；
53.112、122：离合器；
54.113：动力传输机构；
55.114：差速器；
56.115：驱动车轮
57.121：辅助发动机；
58.123：作业驱动系统；
59.124：清扫设备
60.1241：抽风机
61.1242：刷子
62.211：底盘电动机
63.221：辅助电动机
64.23、331、343：常规可充电电池
65.24：第一逆变器
66.25：第二逆变器
67.33：第一供能装置
68.34：第二供能装置
69.341：燃料电池系统
70.342：功率电子模块(poe)
具体实施方式
71.下面将参照附图更详细地描述本实用新型的实施例。虽然附图中显示了本实用新型的某些实施例，然而应当理解的是，本实用新型可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本实用新型。换言之，本实用新型的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本实用新型的保护范围。
72.在本技术说明书全文(包括权利要求书)中所使用的“连接”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置连接于第二装置，则应该被解释成该第一
装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。本技术的说明书以及权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语是用于命名装置的名称，或区别不同实施例或范围，或便于对应说明书及权利要求书的元件，而并非用来限制装置数量的上限或下限，亦非用来限制装置的次序。另外，凡可能之处，在附图及具体实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件/步骤可以相互参照相关说明。
73.图4示出了根据本实用新型一非限制性实施例的用于街道清扫车的电气化动力系统3。在该实施例中，电动车辆为街道清扫车。如图4所示，该电气化动力系统3包括有第一供能装置33；与第一供能装置33连接且用于推动街道清扫车向前和向后移动的行驶单元21；第二供能装置34；以及与第二供能装置34连接且用于清洁街道的作业单元22。
74.其中，行驶单元21包括有底盘电动机211(在本实施例中为交流电动机)；动力传输机构113，其输入端与底盘电动机211的功率输出端相连接；差速器114，其输入端与动力传输机构113的输出端相连接；以及驱动车轮115，其与差速器114的输出端相连接，用于驱动该街道清扫车行驶。
75.其中，该作业单元22包括有辅助电动机221(在本实施例中为交流电动机)；作为作业驱动系统的液压系统123，其输入端与辅助电动机221的功率输出端相连接；以及作为作业设备的用于清扫街道的清扫设备124，其与液压系统123的输出端相连接。
76.其中，第一供能装置33包括作为第一电池331的可充电锂电池；和第一逆变器24，用于将第一电池331输出的直流电转换为三相交流电，向作为交流电动机的底盘电动机211供电。
77.其中，第二供能装置34包括有燃料电池系统341，其包括有作为第二电池的燃料电池和与该燃料电池相连的辅助设备(未具体图示)，该辅助设备包括有氢气供给系统、空气供给系统、热管理系统及电力电子系统等；和与燃料电池系统341相连的功率电子模块(poe)342，功率电子模块342包括有用于将第二电池341输出的低压直流电升压为高压直流电的dc/dc变换器(未图示)和用于将该dc/dc变换器输出的高压直流电转换为三相交流电以提供给作为交流电动机的辅助电动机221的逆变器(未图示)组成。
78.其中，第一供能装置33中的第一电池331还与功率电子模块342相连。
79.其中，在行驶模式下，仅第一供能装置33向底盘电动机211提供电能，使得底盘电动机211输出机械动力且顺序通过动力传输机构113以及差速器114被传输至该街道清扫车的车轮115，最终驱动该街道清扫车行驶。而第二供能装置34没有被启动向辅助电动机221供电，即辅助电动机221不工作，
80.其中，在作业模式下，第一供能装置33中的第一电池331通过功率电子模块342中的该dc/dc变换器向燃料电池系统341提供启动电力，从而启动第二供能装置34中的燃料电池系统341开始工作而向辅助电动机221提供电能，使得辅助电动机221输出机械动力经由作业驱动系统123而被提供给作业设备124，从而驱动作业设备124进行作业；同时，第一供能装置33向底盘电动机211提供电能，驱动该街道清扫车行驶。
81.在该实施例中，第一电池331采用可充电锂电池，显然，根据不同的应用场景，第一电池331也可采用可充电镍氢电池或超级电容等其他可充电电池，或者可采用可充电锂电池、可充电镍氢电池、超级电容的任意组合。
82.根据不同的应用场景，燃料电池系统341可以采用现有技术中各种类型的燃料电池系统。
83.在根据本实用新型的另一非限制性实施例(未图示)中，提供了另一种用于街道清扫车的电气化动力系统，其与图4所示的实施例的电气化动力系统3的区别仅在于：底盘电动机211为直流电动机，第一电池331直接与底盘电动机211相连而不需要设置第一逆变器24。
84.在根据本实用新型的另一非限制性实施例(未图示)中，提供了另一种用于街道清扫车的电气化动力系统，其与图4所示的实施例的电气化动力系统2的区别仅在于：辅助电动机221为直流电动机，燃料电池系统341通过dc/dc变换器与辅助电动机221相连而不需要设置逆变器。
85.在根据本实用新型的另一非限制性实施例(未图示)中，提供了另一种用于街道清扫车的电气化动力系统，其与图4所示的实施例的电气化动力系统3的区别仅在于：第一供能装置33中的第一电池331通过功率电子模块(poe)342中的dc/dc变换器与第二供能装置34中的燃料电池系统341相连，在第一电池331的剩余电量低于一特定阈值(例如20％的电量)时，在作业模式下，第二供能装置34中的燃料电池系统341通过第一电池331的供电而被启动后，在输出电能给辅助电动机221的同时可通过功率电子模块342中的dc/dc变换器对第一电池331进行充电。
86.图5示出了根据本实用新型另一非限制性实施例的用于街道清扫车的电气化动力系统4。该另一实施例与图4所示的实施例的区别仅在于第二供能装置34的结构不同，换言之，图5所示的另一实施例中的第二供能装置34包括有作为第二电池343的可充电锂电池；和与第二电池343相连的第二逆变器25，用于将第二电池343输出的直流电转换为三相交流电，向作为交流电动机的辅助电动机221供电。
87.其中，作为第二电池343的可充电锂电池的体积或可输出的总能量大于作为第一电池331的可充电锂电池的体积或可输出的总能量。
88.在根据本实用新型的另一非限制性实施例(未图示)中，提供了另一种用于街道清扫车的电气化动力系统，其与图5所示的实施例的电气化动力系统4的区别仅在于：底盘电动机211为直流电动机，第一电池331可与底盘电动机211相连而不需要设置第一逆变器24。
89.在根据本实用新型的另一非限制性实施例(未图示)中，提供了另一种用于街道清扫车的电气化动力系统，其与图5所示的实施例的电气化动力系统4的区别仅在于：辅助电动机221为直流电动机，第二电池343可与辅助电动机221相连而不需要设置第二逆变器25。
90.可以理解，上述各实施例并非限制性的，本领域的技术人员根据具体应用场景，可对不同实施例中的各技术特征进行不同的组合使用，其都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
91.根据本实用新型的另一非限制性实施例(未图示)，提供了一种街道清扫车，其包括有上述本实用新型的各非限制性实施例描述的电气化动力系统。
92.以上所述实施例是针对街道清扫车描述的，显然，本实用新型的技术方案不仅限于用于街道清扫车，而可适用于包括行驶单元和作业单元的其他类型的电动车辆，包括但不限于各种市政车辆、建筑车辆或农用车辆。
93.与图2所示的现有技术的电气化动力系统相比，在根据本实用新型的电气化动力
系统中，实现了以下有益技术效果：
94.(1)第一电池仅用于向底盘电动机提供电能，因此可以采用常规可充电电池(例如锂电池或镍氢电池或超级电容)，且可被设计成具有较小的能量体积，从而相比于现有技术，减小了电池体积和质量。
95.(2)可采用燃料电池作为第二电池向作业单元中的辅助电动机提供电能，由于燃料电池具有比常规可充电电池(例如锂电池)更高的能量密度，因此更适合具有恒定功率需求且较大能量消耗的作业单元，相比于采用常规可充电电池，采用燃料电池的整体质量更小。
96.(3)由于本实用新型所采用的可充电锂电池或镍氢电池或超级电容作为第一供能装置中的第一电池且仅用于行驶单元，适合行驶单元中的底盘电动机变化的输入功率需求；和燃料电池系统或体积较大的锂电池作为第二供能装置中的第二电池且仅用于作业单元，适合作业单元中的辅助电动机恒定的输入功率需求，因此，本实用新型第一电池和第二电池的组合相比于现有技术中使用单一可充电电池，实现了更高的能量使用效率。
97.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
98.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。