一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置

本发明涉及城市轨道交通车辆再生制动，尤其涉及一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置。

背景技术：

1、城市轨道交通车辆在两站之间的行驶可分为加速、巡航和减速三个阶段，为了提升运行效率，车辆需要在短距离内快速地实现加速和减速，其最高巡航速度可达180 km/h。然而，在减速过程中，传统的摩擦制动将车辆动能转化为热能耗散，导致能量损失。为应对此问题，当前轨道车辆配置动力电池或超级电容作为储能单元，利用再生制动将动能转为电能后回馈电网或存储后再使用，这种技术显著提高了能量利用效率，降低了对电气系统依赖，并能增加10%-15%的行驶里程。但是，动力电池通过可逆化学反应储存电能，相较于能量密度，其重量和成本相对较大，更为关键的是，在极端温度环境下其使用性能不稳定，为保持电池在适宜的温度范围内运行，需要采用先进的温控系统，增加额外成本；超级电容器虽然在充放电速度、循环次数和稳定性上具有一定优势，但其缺点是能量密度低，随着功率输出，其电压会线性降低，而动力电池在放电过程中电压基本保持稳定。

2、总体而言，上述再生制动系统存在的不足之处在于：第一，轨道交通车辆所用动力电池的比能量、比功率等技术性能指标有所限制，提高能量回收率一般是通过增加动力电池的数量，但同时也导致整车质量的增加，行驶阻力增加，加速性能受到直接影响，同时为保持电池在适宜温度下运行，需使用先进的温控系统，重量、成本和温度敏感性是主要挑战；（飞轮的使用）第二，轨道交通车辆在加速运行工况时，若动力电池是车辆的唯一能量源时，动力电池将处于大电流放电状态，频繁制动工况时，动力电池也处于反复地充电和放电状态，显著降低其使用寿命；第三，配置动力电池或超级电容这两种类型储能装置的再生制动系统在低速工况下的能量回收效率不够理想，甚至无法回收。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，该装置通过飞轮来优化制动能量的回收效率，并利用伺服电机调整差速机构的传动比，从而在全工况下保持恒定的驱动扭矩。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：

3、一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，包括初级差速机构、次级差速机构和飞轮储能机构，所述初级差速机构和次级差速机构之间设置有初级离合器，所述次级差速机构一侧还设置有次级离合器；

4、所述初级差速机构包括第一太阳轮、第一齿圈、第一行星架、第一行星轮、齿圈制动锁、初级动力齿轮和电机动力齿轮，所述第一太阳轮、第一齿圈、第一行星架和齿圈制动锁同轴安装，所述第一行星轮连接在第一行星架上，所述第一太阳轮和第一齿圈均与第一行星轮啮合；所述初级动力齿轮与第一齿圈同轴制为一体，所述初级动力齿轮与电机动力齿轮均采用斜齿轮，并保持常啮合态，以提高传递效率，所述电机动力齿轮一端设置有用于驱动电机动力齿轮转动的驱动机；

5、所述次级差速机构包括由第二太阳轮、第二齿圈、第二行星架、第二行星轮、行星架制动锁和次级动力齿轮，所述第二太阳轮、第二行星架和行星架制动锁同轴安装，所述第二行星轮连接在第二行星架上，所述第二太阳轮和第二齿圈均与第二行星轮啮合；所述次级动力齿轮一侧设置有伺服电机，所述次级离合器位于伺服电机和次级动力齿轮之间；

6、所述初级离合器包括初级离合器主动盘和初级离合器从动盘，所述次级离合器包括次级离合器主动盘和次级离合器从动盘，所述初级离合器主动盘和第一太阳轮同轴连接，所述第二齿圈和初级离合器从动盘同轴连接；所述次级离合器主动盘和第二太阳轮同轴连接，所述次级离合器从动盘与伺服电机的输出轴连接；

7、所述飞轮储能机构包括真空舱、飞轮、轴承和飞轮动力齿轮，所述飞轮动力齿轮与次级动力齿轮啮合，所述飞轮和轴承均与飞轮动力齿轮同轴连接；所述飞轮和轴承连接在真空舱内，所述飞轮动力齿轮连接在真空舱外。

8、第一行星架一侧连接有初级行星架轴，初级行星架轴与第一行星架同轴制为一体，作为车辆动力的输入或输出端；车辆制动器同轴固定安装在初级行星架轴上；初级太阳轮轴是与第一太阳轮同轴制为一体的齿轮轴，贯通于第一齿圈的轴孔后利用轴承进行支承，初级太阳轮轴的另一端与初级离合器主动盘同轴固定连接。

9、进一步的，所述电机动力齿轮上开设有花键孔，所述驱动机的输出轴上设置花键，与花键孔配合与电机动力齿轮连接。

10、进一步的，所述驱动机一侧设置有电机控制器，所述电机控制器一侧连接有直流电压变换器，所述直流电压变换器一侧连接有直流正极母线和直流负极母线；驱动机依次通过电机控制器、直流电压变换器、直流正极母线和直流负极母线与电网进行电气连接。

11、进一步的，所述初级太阳轮轴与初级离合器主动盘之间同轴固定安装有太阳轮制动锁。

12、进一步的，所述飞轮储能机构至少为两个。

13、进一步的，所述轴承采用陶瓷轴承。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、1.采用飞轮作为城市轨道交通车辆的储能单元，其使用性能不受温度影响，系统稳定性比动力电池更高，能量密度比超级电容器更大，且充放电循环次数不受限制。

16、2.通过机械动能的方式完成再生制动，动能输入-动能输出的能量传递避免了能量形式的二次转换，可有效提高能量回收效率，同时，可消除电机再生制动引起的电压波动，增加电网电压稳定性。

17、3.伺服电机和行星机构组成连续可变的传动系统，能够平稳调整再生制动装置的传动比，维持恒定的驱动扭矩，满足城市轨道交通车辆全工况下的能量回收，使飞轮的能量利用过程获得最佳的状态。

技术特征：

1.一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，包括初级差速机构(4)、次级差速机构(14)和飞轮储能机构，所述初级差速机构(4)和次级差速机构(14)之间设置有初级离合器，所述次级差速机构(14)一侧还设置有次级离合器；

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，所述电机动力齿轮(36)上开设有花键孔，所述电机的输出轴上设置花键，与花键孔配合与电机动力齿轮(36)连接。

3.根据权利要求1所述的城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，所述电机一侧设置有电机控制器(34)，所述电机控制器(34)一侧连接有直流电压变换器(33)，所述直流电压变换器(33)一侧连接有直流正极母线(31)和直流负极母线(32)。

4.根据权利要求1所述的城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，所述初级太阳轮轴(30)与初级离合器主动盘(12)之间同轴固定安装有太阳轮制动锁(11)。

5.根据权利要求1所述的城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，所述飞轮储能机构至少为两个。

6.根据权利要求1所述的城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，其特征在于，所述轴承(21)采用陶瓷材质。

技术总结
本发明提供了一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，属于城市轨道交通车辆再生制动技术领域。解决了现有车辆的再生制动系统能量回收效率不理想的技术问题。其技术方案为：一种城市轨道交通车辆全工况再生制动装置，包括车辆制动器，初级差速机构，太阳轮制动锁，电机，电机控制器，初级离合器，次级差速机构，次级离合器，飞轮储能机构，伺服电机，伺服电机控制器；初级差速机构和次级差速机构均为行星机构，通过控制太阳轮、齿圈和行星架的运动状态实现本发明的城市轨道交通车辆全工况再生制动装置各种运行模式的切换。本发明的有益效果为：提高车辆的能量回收效率。

技术研发人员：李洪亮,邱将杰,刘俊,李承炜,田广东,王钰明,张晓晖,吕先洋
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29