一种串联式混合动力驱动系统及单发洗扫车的制作方法

1.本发明属于车辆技术领域，具体涉及一种串联式混合动力驱动系统及单发洗扫车。


背景技术：

2.洗扫车兼具有扫地和高、低压水冲洗功能，具有路面清洁质量高、不产生扬尘等优点，能够有效降低环卫工人的劳动强度，在城市和高速公路道路保洁领域得到广泛的应用。
3.通常情况下，洗扫车产品采用双发动机驱动，底盘主发动机只提供行驶系统动力，驱动车辆行走，而副发动机只负责为上装的作业系统提供动力。当洗扫车正常清扫作业时，由于底盘发动机提供的行走功率只占发动机总功率发15％～30％，发动机并没有工作在最佳燃油经济区，造成油耗增加。
4.为解决上述问题，现有技术中公开了一种混合动力驱动系统的并联混合动力方案，发动机上并联了发电机和启动发电一体机，发动机与发电机之间设置了全功率取力器，发电机通过电机控制器与高压水泵电机和风机油泵电机电连接，以控制上装作业系统实现道路清洁，启动发电一体机驱动车辆行驶。电池的输入端与电池管理系统电连接，输出端通过电机控制器分别与上装作业系统和启动发电一体机电连接，以控制上装作业系统实现道路清洁或是驱动车辆行驶。该技术方案可以实现上装作业系统的动力与驱动桥的动力解耦，发动机和启动发电一体机可以共同为驱动桥提供动力，混合动力驱动系统对发动机功率和启动发电一体机的功率要求低，可配置小功率发动机和启动发电一体机，可有效减小启动发电一体机的功率和体积。但是发动机、发电机与驱动桥未实现解耦，导致车辆在不同行驶车速下，发动机、发电机无法高效输出车辆行驶及上装作业所需的功率；特别是在洗扫车辆作业时，车速只有5～15km，发动机、发电机无法实现高效的动力输出。而且全功率取力器是安装于发动机输出端之外的部件，结构复杂，安装实现难度较大，如何与发动机安装连接不明确，具体如何实现也不明确。此外，电池仅仅起到辅助发动机的作用，而且需要依赖充电设施进行充电。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、环保性好、工作效率高的串联式混合动力驱动系统。
6.本发明进一步提供一种包含上述串联式混合动力驱动系统的单发洗扫车。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
8.一种串联式混合动力驱动系统，包括：发动机、联轴器、发电机、驱动电机、整车行驶机构、储能单元和第一作业系统，所述发电机通过联轴器与发动机连接；所述发电机的输出端通过电气连接分别与驱动电机和储能单元的输入端连接，驱动电机的输出端通过机械连接与整车行驶机构连接；所述储能单元的输出端通过电气连接分别与驱动电机的输入端和第一作业系统连接。
9.作为本发明的进一步改进，所述发电机的输出端设有发电机控制器，所述驱动电机的输入端设有驱动电机控制器，所述储能单元连接于发电机控制器与驱动电机控制器之间。
10.作为本发明的进一步改进，所述第一作业系统包括分别与储能单元的输出端独立连接的风机组件、高压洒水组件和扫地组件。
11.作为本发明的进一步改进，所述风机组件包括依次连接的风机电机控制器、风机电机和风机，所述风机电机控制器与储能单元的输出端连接；所述高压洒水组件包括依次连接的高压水泵电机控制器、水泵电机和高压水泵，所述高压水泵电机控制器与储能单元的输出端连接；所述扫地组件包括依次连接的油泵电机控制器、油泵电机和液压油泵，所述油泵电机控制器与储能单元的输出端连接，所述液压油泵的输出端设有用于完成垃圾收集和倾倒的部件。
12.作为本发明的进一步改进，所述液压油泵的输出端分别设有扫盘液压马达、第一油缸、第二油缸和第三油缸，所述扫盘液压马达用于驱动扫盘转动以完成扫地动作，所述第一油缸用于驱动后门的开关动作，所述第二油缸用于驱动吸盘动作，所述第三油缸用于驱动垃圾箱进行倾倒动作
13.作为本发明的进一步改进，所述串联式混合动力驱动系统还包括第二作业系统，所述第二作业系统与驱动电机连接。
14.作为本发明的进一步改进，串联式混合动力驱动系统还包括变速器和取力器，所述变速器与驱动电机连接，所述整车行驶机构与变速器连接，所述第二作业系统通过取力器与驱动电机连接。
15.作为本发明的进一步改进，第二作业系统包括低压水泵，所述低压水泵与取力器连接。
16.作为本发明的进一步改进，整车行驶机构包括传动轴，所述传动轴的一端与变速器连接，另一端与差速器连接，所述差速器与车轮连接。
17.作为一个总的技术构思，本发明还公开了一种单发洗扫车，所述单发洗扫车上安装有上述的串联式混合动力驱动系统。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.1、本发明的串联式混合动力驱动系统，通过联轴器实现发电机与发动机的连接，发电机的输出端分别与驱动电机和储能单元的输入端连接，发电机的输出端设有发电机控制器，驱动电机的输入端设有驱动电机控制器，储能单元连接于发电机控制器与驱动电机控制器之间。驱动电机的输出端与整车行驶机构连接，储能单元的输出端分别与驱动电机的输入端和上装作业系统连接，实现了发动机与整车行驶工况、上装作业工况的解耦，不论车辆行驶工况如何，由发动机、联轴器、发电机和发电机控制器构成的apu(auxiliary power unit)系统能够始终工作在最高热效率工作点。同时，由于具备apu系统，在储能单元电量不足时，能够以混合动力模式作业，降低了动力系统对充电设施的依赖。
20.2、本发明的串联式混合动力驱动系统，上装作业系统(即第一作业系统)采用了集成的电动化动力源，相比传统的副发动机动力源的热效率仅为30％～50％，本发明中电动化动力源的效率可高达90％以上。同时动力部件的重量、体积更小，且采用了风冷的方式，省去了副发动机及其排气水冷系统，从而有效降低了整个动力系统尾气排放、改善了尾气
排放的问题，并且有效降低了动力系统的整体重量、节约了成本。此外，上装作业系统中的风机、水泵和油泵均可独立按需工作，灵活实现了多种洗扫工作模式，如，扫地模式、洗扫模式、洒水模式等等，具有更强的实用性和广泛的适用性。
21.3、本发明的串联式混合动力驱动系统，整车行驶动力系统采用了电机、变速器组成的amt(automatic mechanical transmission机械自动变速器)动力系统，有效保障了整车动力性能、爬坡性能和最高车速的同时，使得电驱动系统更充分的工作在高效区间，有效降低了整车驱动能耗，环保性能好。
22.4、本发明的单发洗扫车，通过设置上述的串联式混合动力驱动系统，仅采用一个发动机作为动力源，作为第一作业系统的洗扫上装部件采用了电动化部件。利用电机作为单发洗扫车上装部件的动力源，首先通过发电机将发动机的机械能转换为电能，再根据整车行驶状态及上装部件工作状态将电能输出至第一、第二作业系统或储能单元中，实现了单发洗扫车辆单发动机动力源，从而有效降低了整车重量、降低成本，同时提升了整车的工作效率。
23.5、本发明的单发洗扫车，采用了电动化独立的上装部件，可灵活实现多种洗扫作业模式如：节能模式、强力模式、高效模式等，各洗扫作业部件可根据作业路面状况实现无级变速，依据路面污染物状态实现高效的洗扫作业。
附图说明
24.图1为本发明串联式混合动力驱动系统的结构原理示意图。
25.图2为本发明串联式混合动力驱动系统进行纯电动行驶时的工作原理示意图。
26.图3为本发明串联式混合动力驱动系统进行纯电动扫地时的工作原理示意图。
27.图4为本发明串联式混合动力驱动系统进行纯电动洗扫时的工作原理示意图。
28.图5为本发明串联式混合动力驱动系统进行纯电动洒水时的工作原理示意图。
29.图6为本发明串联式混合动力驱动系统进行混合动力行驶时的工作原理示意图。
30.图7为本发明串联式混合动力驱动系统进行混合动力扫地时的工作原理示意图。
31.图8为本发明串联式混合动力驱动系统进行混合动力洒水时的工作原理示意图。
32.图9为本发明串联式混合动力驱动系统进行混合动力洗扫时的工作原理示意图。
33.图例说明：1、发动机；2、联轴器；3、发电机；4、发电机控制器；5、驱动电机；6、驱动电机控制器；7、变速器；8、传动轴；9、车轮；10、差速器；11、储能单元；12、风机电机控制器；13、风机电机；14、高压水泵电机控制器；15、油泵电机控制器；16、油泵电机；17、液压油泵；18、扫盘液压马达；19、第一油缸；20、第二油缸；21、第三油缸；22、水泵电机；23、高压水泵；24、风机；25、低压水泵；26、取力器。
具体实施方式
34.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
35.实施例
36.如图1所示，本发明的串联式混合动力驱动系统，包括：发动机1、联轴器2、发电机3、驱动电机5、整车行驶机构、储能单元11和第一作业系统。发电机3通过联轴器2与发动机1
连接；发电机3的输出端通过电气连接分别与驱动电机5和储能单元11的输入端连接，驱动电机5的输出端通过机械连接与整车行驶机构连接；储能单元11的输出端通过电气连接分别与驱动电机5的输入端和第一作业系统连接。进一步地，发电机3的输出端设有发电机控制器4，驱动电机5的输入端设有驱动电机控制器6，储能单元11连接于发电机控制器4与驱动电机控制器6之间。本实施例中，储能单元11串联在发动机1和驱动电机5之间，能够实现发动机1与整车行驶机构、第一作业系统的完全解耦，实现纯电动行驶工况和纯电动洗扫作业工况。可以理解，本实施例中，储能单元11具体可以是储能电池。
37.本实施例中，发动机1、联轴器2、发电机3和发电机控制器4构成了apu(auxiliary power unit)系统，apu系统将汽油、柴油或者其他内燃机发动机可用的化学能源转换为电能。具体而言，发动机1将汽油、柴油等化石能源转换为机械能后，通过联轴器2传递至发电机3转换为电能，发电机3输出的电能经发电机控制器4进行逆变整流后输出直流电能，以驱动整车行驶或是驱动第一作业系统进行洗扫动作或是给储能单元11充电。可以理解，本实施例中，联轴器2具体可以采用扭转减振联轴器。扭转减振联轴器直接安装于发动机1输出端的飞轮，实现发动机1与发电机3的机械连接。且发动机1输出动力存在扭矩波动，当发动机1输出动力的扭矩波动较大时，可通过扭转减振联轴器吸收冲击载荷，保护机械部件。
38.本实施例中，通过联轴器2实现发电机3与发动机1的连接，发电机3的输出端分别与驱动电机5和储能单元11的输入端连接，发电机3的输出端设有发电机控制器4，驱动电机5的输入端设有驱动电机控制器6，储能单元11连接于发电机控制器4与驱动电机控制器6之间。驱动电机5的输出端与整车行驶机构连接，储能单元11的输出端分别与驱动电机5的输入端和上装作业系统连接，实现了发动机1与整车行驶工况、上装作业工况的解耦，不论车辆行驶工况如何，apu系统能够始终工作在最高热效率工作点。同时，由于具备apu系统，在储能单元11电量不足时，能够以混合动力模式作业，降低了动力系统对充电设施的依赖。
39.如图1所示，本实施例中，第一作业系统包括分别与储能单元11的输出端独立连接的风机组件、高压洒水组件和扫地组件。具体地，风机组件包括依次连接的风机电机控制器12、风机电机13和风机24，风机电机控制器12与储能单元11的输出端连接。高压洒水组件包括依次连接的高压水泵电机控制器14、水泵电机22和高压水泵23，高压水泵电机控制器14与储能单元11的输出端连接。扫地组件包括依次连接的油泵电机控制器15、油泵电机16和液压油泵17，油泵电机控制器15与储能单元11的输出端连接，液压油泵17的输出端设有用于完成垃圾收集和倾倒的部件。通过上述电机及相应的电机控制器实现上装部件的电动化控制。由于采用了独立的电机及控制器，各功能部件之间工作完全独立，可实现单一部件工作、两个部件同时工作或是所有部件同时工作等多种模式，具有更强的实用性和广泛的适用性。
40.进一步地，本实施例中，液压油泵17的输出端分别设有扫盘液压马达18、第一油缸19、第二油缸20和第三油缸21。扫盘液压马达18用于驱动扫盘转动以完成扫地动作；第一油缸19用于驱动单发洗扫车后门的开关动作，以打开垃圾箱；第二油缸20用于驱动吸盘动作，风机24产生的负压通过风道连接到吸盘，吸盘接近作业路面，通过第二油缸20控制吸盘动作以利用风机24产生的负压吸附地面垃圾；第三油缸21用于驱动垃圾箱进行倾倒动作。
41.本实施例中，上装部件系统(即第一作业系统)采用了集成的电动化动力源，相比传统的副发动机动力源的热效率仅为30％～50％，本发明中电动化动力源的效率可高达
90％以上。同时动力部件的重量、体积更小，且采用了风冷的方式，省去了副发动机及其排气水冷系统，从而有效降低了整个动力系统尾气排放、改善了尾气排放的问题，并且有效降低了动力系统的整体重量、节约了成本。
42.本实施例中，串联式混合动力驱动系统还包括第二作业系统，第二作业系统与驱动电机5连接。串联式混合动力驱动系统还包括变速器7和取力器26，变速器7与驱动电机5连接，整车行驶机构与变速器7连接，第二作业系统通过取力器26与驱动电机5连接。本实施例中，第二作业系统包括低压水泵25，低压水泵25与取力器26连接。整车行驶机构包括传动轴8，传动轴8的一端与变速器7连接，另一端与差速器10连接，差速器10与车轮9连接。变速器7的动力一部分传递给整车行驶机构驱动车辆行驶，另一部分经取力器26驱动第二作业系统的低压水泵25工作，实现整车低压水路供水。低压水泵25通过取力器26与变速器7连接，可以在取力器26不从变速器7取力时实现低压水泵25的停止操作。
43.本实施例还提供了一种单发洗扫车，通过设置上述的串联式混合动力驱动系统，仅采用一个发动机1作为动力源，作为第一作业系统的洗扫上装部件采用了电动化部件，利用电机作为单发洗扫车上装部件的动力源，首先通过发电机3将发动机1的机械能转换为电能，再根据整车行驶状态及上装部件工作状态将电能输出至第一、第二作业系统或储能单元中，实现了单发洗扫车辆单发动机动力源，从而有效降低了整车重量、降低成本，同时提升了整车的工作效率。此外，采用了电动化的上装部件，可实现单发洗扫车辆纯电驱动工作模式或是混合动力工作模式，有效降低了整车车辆在工作时的噪音、尾气排放，从而保障单发洗扫车辆在城市的某些零排放区域能够进行洗扫作业。
44.如图2所示，本实施例的串联式混合动力驱动系统进行纯电动行驶时，整车行驶能量来自于储能单元11，通过驱动电机5将储能单元11提供的电能转换为机械能以驱动整车行驶，此工作模式用于单发洗扫车辆赶往工作场地，或从工作场地返回车辆存放区域。与此同时，在整车车辆行驶过程中，当车辆需要减速制动时，通过驱动电机5提供整车制动力，回收整车制动能量，并将整车行驶动能转化为电能，存储于储能单元11。
45.如图3至图5所示，本实施例的串联式混合动力驱动系统进行纯电动作业时，整车行驶及洗扫作业能量均来自于储能单元11，通过驱动电机5及第一作业系统中的各个电机，将电能转换为机械能驱动整车行驶并进行相应的洗扫作业。由于采用电动化的上装部件，且各个功能部件之间都是独立控制的，可以灵活实现多种作业模式。如图3所示，进入纯电动扫地工作模式时，储能单元11的一部分电能输送至驱动电机5以驱动整车行驶，一部分电能输送至风机电机13以驱动风机24运转，实现扫地功能。如图4所示，进入纯电动洗扫工作模式时，储能单元11的一部分电能输送至驱动电机5以驱动整车行驶，一部分电能输送至上装部件进行洗扫动作。如图5所示，进入纯电动洒水工作模式时，储能单元11的一部分电能输送至驱动电机5以驱动整车行驶，一部分电能输送至水泵电机22以驱动高压水泵23运转，实现洒水功能。可以理解，本实施例的串联式混合动力驱动系统包括但不限于图3至图5所示的工作模式。
46.如图6所示，本实施例的串联式混合动力驱动系统进行混合动力行驶时，整车行驶能量来自于apu系统或者储能单元11，通过apu系统将汽油、柴油或其他发动机可用的化学能源转换为电能，并根据整车控制策略驱动整车行驶。在混合动力行驶模式下又具备以下不同的模式：
47.(1)储能单元11能量平衡工作模式：整车行驶能量来自于apu系统，储能单元11处于电量平衡模式，即仅进行车辆工作工程中的削峰填谷，但储能单元11整体电量平衡于某一soc(state of charge，指电池的荷电状态)状态值。可以理解，储能单元11的soc状态值可以取30％～90％之间，依据储能单元11的特性，平衡于储能单元11高效工作且寿命最优的soc值可优选为60％。
48.(2)储能单元11充电工作模式：apu系统转换的电能高出整车行驶的能量需求，多余的电能经过发电机控制器4提供给储能单元11进行充电，储能单元11的soc值逐步升高。
49.(3)储能单元11放电工作模式：apu系统转换的电能低于整车行驶的能量需求，不足的电能由储能单元11进行补充，储能单元11的soc值逐步降低。
50.如图7至图9所示，本实施例的串联式混合动力驱动系统进行混合驱动作业时，整车行驶及作业能量来自于apu系统或者储能单元11，通过apu系统将汽油、柴油或其他发动机可用的化学能源转换为电能，并根据整车控制策略驱动整车行驶的同时驱动上装部件工作作业。在混合动力作业模式下又具备以下不同的模式：
51.(1)储能单元11能量平衡工作模式：整车行驶及作业的能量来自于apu系统，储能单元11处于电量平衡模式，即仅进行车辆工作过程中的削峰填谷，但储能单元11整体电量平衡于某一soc状态值。可以理解，储能单元11的soc状态值可以取30％～90％之间，依据储能单元11的特性，平衡于储能单元11高效工作且寿命最优的soc值可优选为60％。
52.(2)储能单元11充电工作模式：apu系统转换的电能高出整车行驶及作业的能量需求，多余的电能经过发电机控制器4提供给储能单元11进行充电存储，储能单元11的soc值逐步升高；
53.(3)储能单元11放电工作模式：apu系统转换的电能低于整车行驶及作业的能量需求，不足的电能由储能单元11进行补充，储能单元11的soc值逐步降低。
54.本实施例中，整车行驶动力系统采用了驱动电机5和变速器7组成的amt动力系统，保障整车动力性能、爬坡性能及最高车速的同时，能够使得电驱动系统保持在高效工作区间内，降低了整车驱动能耗。相比于传统单发洗扫车辆，整车作业时能耗更低，排放、燃油经济性更优异。在单发洗扫车辆的工作过程，车辆运行车速在15km/h～20km/h时，传统单发洗扫车辆的发动机工作于低效工作点；而本实施例中，由于apu系统与整车行驶工况、作业工况解耦，不论车辆行驶工况如何，apu系统能够始终工作在最高热效率工作点。
55.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。