CN100406289C - 串并联混联式混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车技术领域的串并联混联式混合动力系统。本发明其特点在于双电机双离合器混动结构，次电机主要用于快速起动发动机，主电机与次电机任何时刻均可按电动模式或发电模式工作。次电机与发动机输出端连接，次电机与主电机之间设置了次离合器，变速箱与主电机之间设置了主离合器。该混合动力总成沿用了现有内燃机汽车的发动机与变速箱技术及其机械结构，结构简单、布置紧凑、制造成本低，与现有内燃机汽车具有良好技术继承性，降低了系统成本，极大地优化了发动机、主电机、次电机运行效率和再生制动能量回馈效率，显著降低整车油耗和有害排放，并保持良好的动力性与驾驶平顺性。

Description

串并联混联式混合动力系统

技术领域

本发明涉及的是一种汽车技术领域的系统，特别是一种串并联混联式混合动力系统。

背景技术

随着世界石油资源面临的枯竭，随着汽车保有量的快速增加，不仅进一步加剧了石油资源的消耗，而且对人类耐以生存的环境污染也可能日益严重，发展节能环保的混合动力汽车成为全球汽车工业发展的重点之一。混合动力总成是一种将汽车发动机动力总成进行混合化的汽车动力总成，由一套发动机动力总成系统与一套电驱动动力系统混合而成，是混合动力汽车的动力总成系统。为了增强混合动力系统的通用性和平台化，混合动力系统总成化成为混合动力系统结构形式的发展趋势。

混合动力汽车动力系统的结构形式有串联式、并联式和混联式，具体的结构型式有多种变型。非常具有代表性的是日本丰田汽车公司的Prius THS混合动力系统及其THS2混合动力系统、日本本田公司的IMA混合动力系统、通用汽车公司的EP混合动力系统及其AHS2混合动力系统。IMA混合动力形式将电机布置在发动机与离合器之间，这种混合动力形式一般存在能量回馈过程中由于须倒拖发动机造成能量回馈效率低的缺点。Prius THS混合动力形式通过行星齿轮机构连接发动机、起动/发电机(MG1)、电动/发电机(MG2)，MG2按电动模式工作可按纯电动方式驱动车辆、也可按发电模式回收制动能量，属混联式的强混全混方式，发动机输出动力中总有一部分能量MG1发电给蓄电池充电或供MG2电动使用，这部分能量经过多次能量转换后造成了较大损失，同时动力合成机构结构复杂、制造成本高、体积大。THS2混合动力形式是通过2排行星齿轮机构实现动力耦合的，由于MG2通过后排行星齿轮结构减速后与类似Prius THS系统的输出耦合动力，克服了在Prius THS系统中MG2体积大的不足，THS2混合动力形式同样存在前述Prius THS混合动力形式的能量损失的缺点，而且结构动力耦合机构结构更加复杂，制造成本也更高。EP系统是通过3排行星齿轮结构连接发动机、两个电机，AHS2系统通过2排行星齿轮机构连接发动机、两个电机，并通过对离合器控制实现了多模式的转换，属强混全混的混合动力系统形式，但结构复杂、体积大、制造成本高。

发明内容

本发明的目的是克服目前混合动力系统结构复杂、制造成本高、体积大，或不具备纯电动模式、或能量回馈效率低的缺点，提供一种串并联混联式混合动力系统，使其结构简单、布置紧凑、制造成本低，具有良好的整车动力性、燃油经济性和低排放的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，所述的串并联混联式混合动力系统，包括发动机、次电机、次离合器、主电机、主离合器、变速箱、电机驱动控制器、高压电安全控制器、动力电池、动力电池管理器、辅助电池、直流变换器、整车控制器、混动总成输出轴、发动机控制器。其中混动总成输出轴通过传动轴、主减速器与车轮相连。其中发动机的输出端与次电机转子相连，次电机转子与次离合器的输入端相连，次离合器的输出轴与主电机转子相连，主电机转子与主离合器输入端相连，主离合器输出轴与变速箱输入轴相连，动力电池通过动力电池管理器和高压电安全控制器通过电机驱动控制器与主电机和次电机相连，动力电池还通过电池管理器、高压电安全控制器、直流变换器与辅助电池相连，整车控制器通过通讯系统与发动机控制器、电机驱动控制器、动力电池管理器、高压电安全控制器、直流变换器相连。

本发明的工作过程与工作原理为：混动总成输出轴通过传动轴、主减速器进而与车轮进行动力传递。发动机由次电机起动，发动机与混动总成输出轴之间通过次电机、次离合器、主电机、主离合器、变速箱进行动力传递。次电机与混动总成输出轴之间通过次电机离合器、主电机、主离合器、变速箱进行动力传递，亦与发动机之间通过发动机输出端进行动力传递。主电机与混动总成输出轴之间通过次电机离合器、主电机、主离合器和变速箱进行动力传递，亦可与发动机之间通过次离合器、次电机、发动机输出端进行动力传递。

次电机、主电机按电动方式工作时需要的电能通过电机驱动控制器由动力电池提供，按发电方式工作时发出的电能亦通过电机驱动控制器返回到动力电池。次电机和主电机的其中之一按发电方式工作、另一电机按电动方式工作，二电机间还可通过电机驱动控制器、动力电池进行电能传递。

发动机由发动机控制器实施控制，次电机和主电机由电机驱动控制器实施控制，动力电池与电机驱动控制器的通断控制由高压电安全控制器实施，动力电池的状态监测与控制由动力电池管理器实施，辅助电池的状态监控与向辅助电池充电、向车载电气系统供电由直流变换器实施。整车控制器通过总线通讯系统向发动机控制器、电机驱动控制器、动力电池管理器、高压电安全控制器、直流变换器发送控制指令并接收各控制器反馈的信息，进而实现对所述各部件的控制。在整车控制器的控制下，发动机可按停机、运行等2种方式工作，次电机可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作，主电机也可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作，次离合器和主离合器也均有结合、分离等2种工作状态，具有怠速停机/发动机快速起动、纯电驱动、纯发动机驱动、并联混合驱动、再生制动能量回馈、串联混合驱动、混合式行车充电混合驱动、停车充电等运行模式。

在车辆停止过程中，可通过使发动机停机实现车辆怠速停机，避免了现有内燃机汽车此时怠速运行的油耗和尾气排放。如此时动力电池电量低，根据动力电池充电要求，结合使从发动机到动力电池效率最高的目标，亦可通过使发动机输出动力，次离合器处于分离状态、次电机按发电方式工作向动力电池充电实现第一种停车充电方式，或主离合器处于分离状态、次电机和主电机均按发电方式工作向动力电池充电实现第二种停车充电方式。

在车辆起步过程中，可使次离合器处于分离状态、主电机单独提供车辆起步加速的动力，次电机按电动方式工作同时拖转发动机。在车辆需要起步时，也可使次离合器结合，由次电机和主电机共同提供车辆起步加速的动力，并拖转发动机。发动机被拖转到一定转速后开始喷油工作，避免现有车辆发动机起动过程造成的燃油消耗与尾气有害排放。

在车辆驱动过程中，驱动车辆的动力可由发动机单独全部提供实现纯发动机驱动方式，使发动机工作在高效率区，获得较高的整车燃油经济性和较低的尾气有害排放，且可确保将通过制动回馈能量和行车发电优化发动机效率而对动力电池的充电电能充分高效的利用。也可由发动机提供驱动车辆的部分动力，由次电机提供其中的部分动力实现第一种并联混合驱动方式，或由主电机提供其中的部分动力实现第二种并联混合驱动方式，或由次电机和主电机共同提供其中的部分动力实现第三种并联混合驱动方式，避免发动机瞬态工况引起的燃油经济性损失与尾气有害排放的增加，且提高整车加速动力性。驱动车辆的动力亦可由次电机、主电机单独或共同全部提供实现纯电驱动方式，实现零排放，避免发动机低负荷、低效率运行，此时次离合器处于分离状态，避免倒拖发动机引起的能量损失。在驱动车辆的过程中，还可使次电机或主电机中的一个电机按发电方式工作向另一电机或动力电池提供电能，另一电机按电动方式工作与发动机共同提供驱动车辆的动力，实现混合式行车充电驱动方式，优化发动机运行点使整车驱动的综合效率最高，实现动力电池电量的平衡控制。对于一些对排放要求特别高的场合，还可通过使次离合器处于分离状态，发动机输出动力，次电机按发电方式工作，主电机按电动方式工作，实现串联混合驱动方式，实现超低排放。

在车辆需要制动的过程中，通过使发动机和次电机处于停机状态、次离合器处于分离状态以避免倒拖发动机引起的制动回馈能量的损失，主电机按发电方式工作实现高效的能量回馈再生制动。

与现有混合动力系统相比，本发明具有以下显著效果：

本发明沿用了现有内燃机汽车的发动机与变速箱技术及其机械结构，不需要复杂的动力耦合结构以及复杂的动力耦合控制装置，布置紧凑，对现内燃机车辆的改动小，具有良好的技术继承性，降低了系统成本。可以实现串联系统、并联系统与混联系统的全部功能，发动机、次电机和主电机的工作方式、工作点及各部件工作方式的优化组合控制比现有串联系统、并联系统和混联系统更加灵活，使本发明提供的系统具有更加显著的效果。统计分析表明，使用本发明的混合动力汽车，节油效果可达到35％以上，尾气有害排放能满足现有各种排放法规的要求，动力性、驾驶平顺性和舒适性优于现有车辆。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明串并联混联式混合动力系统19，包括发动机1、次电机2、次离合器3、主电机4、主离合器5、变速箱6、电机驱动控制器7、高压电安全控制器8、动力电池9、动力电池管理器10、辅助电池11、直流变换器12、整车控制器13、混动总成输出轴14、发动机控制器18。

其中所述混动总成输出轴14通过车辆的传动轴、主减速器16与车轮15、车轮17相连。其中发动机1的输出端与次电机2的转子相连，次电机2的转子与次离合器3的输入端相连，次离合器3的输出轴与主电机4的转子相连，主电机4的转子与主离合器5的输入端相连，主离合器5的输出轴与变速箱6的输入轴相连，动力电池9通过动力电池管理器10和高压电安全控制器8通过电机驱动控制器7与主电机4和次电机2相连，动力电池9还通过电池管理器12、高压电安全控制器8、直流变换器12与辅助电池11相连，整车控制器13通过通讯系统与发动机控制器18、电机驱动控制器7、动力电池管理器10、高压电安全控制器8、直流变换器12相连。

其中：

所述发动机1是车辆行驶的主要动力源。

所述次电机2用于快速起动发动机，并用于车辆行驶过程中的辅助动力源，也用于发电对所述动力电池9提供部分充电电能、所述主电机4提供部分电能、所述直流变换器12提供部分输入电能。

所述次离合器3为单向离合器或自动控制离合器，用于传递发动机的动力并同时进行动力传递接通与断开的切换。

所述主电机4提供车辆行驶过程中的主要辅助动力源，也可用于发电对动力电池9提供部分充电电能、所述主电机4提供部分电能、所述直流变换器12提供部分输入电能，也是制动过程中的再生能量回馈制动源。

所述主离合器5传递动力，便于换档防止换档困难。

所述变速箱6将动力传递到传动装置。

所述电机驱动控制器7对主电机1与次电机2进行驱动控制。

所述高压电安全控制器8对高压电系统的安全进行控制。

所述动力电池9提供车辆行驶需要的部分动力，并将多余动力进行存储。

所述动力电池管理器10对动力电池9进行管理。

所述辅助电池11为传统低压电路电源。

所述直流变换器12用于直流变换，向辅助电池充电或提供车辆低压电气系统电能。

所述整车控制器13用于整车控制与多能源系统管理。

所述混动总成输出轴14为动力总成的输出轴。

本发明上述的串并联混联式混合动力系统，工作时，有以下几种运动模式：

1)怠速停机/发动机快速起动模式

在遇红灯或堵车或其它情况而停车时，通过本发明所述整车控制器13使发动机1停机，避免了现有内燃机汽车此时怠速运行的油耗和尾气排放，是提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放的重要策略之一。在本发明所述整车控制器13监测到需起步车辆时，本发明所述次离合器2和所述主离合器5中至少有一个离合器处于分离状态，通过本发明所述整车控制器13使次电机2或主电机4快速拖动发动机1到某一较高转速后，通过所述整车控制器13使发动机1供油运转，避免了现有车辆发动机起动过程造成的燃油消耗与尾气有害排放，提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放。

2)纯电驱动模式

在车辆起步阶段或所述发动机处于低负荷工况，发动机1热效率低且尾气排放不佳。因此在车辆起步或低速运行可能使发动机1低负荷运行时，发动机1不工作，所述主电机4提供全部整车驱动扭矩。此时，次离合器3分离，主离合器5结合，避免了倒拖发动机1的能量消耗。

3)纯发动机驱动模式

在车辆的驱动扭矩达到设定范围时，由本发明所述整车控制器13控制，起动发动机1进入纯发动机驱动模式。在所述纯发动机驱动模式，次电机2与主电机4都停止工作而空转。在所述纯发动机驱动模式中，发动机1工作在高效率区，可获得较高的整车燃油经济性和较低的尾气有害排放，避免了所述主电机4驱动车辆高速行驶引起的动力电池9电量的快速损失，延长了动力电池9使用寿命，且可确保将通过制动回馈能量和行车发电优化发动机效率而对动力电池9的充电电能充分高效的利用。在所述动力电池9电量太低或电驱动系统不能完成车辆驱动时，也将起动发动机1进入纯发动机驱动模式。

4)并联混合驱动模式

当车辆急加速或爬坡等需要较大车辆驱动扭矩或所需车辆驱动扭矩快速增大时，由本发明所述整车控制器13控制，电机提供助力扭矩与发动机共同驱动车辆，避免发动机1瞬态工况引起的燃油经济性损失与尾气有害排放的增加，且提高整车加速动力性。在混合驱动模式，通过所述整车控制器的控制，除发动机1驱动外，所述次电机2、所述主电机4可其中任何一个单独或共同提供助力扭矩，使电机工作在高效率区，通过高效地利用动力电池9电能，进一步提高整车燃油经济性。在车辆驱动扭矩超过设定值，发动机1不足以提供时，也将进入混合驱动模式。

5)再生制动能量回馈模式

在车辆制动或减速过程中，由本发明所述整车控制器13控制，发动机1停油且所述主电机4按发电机工作，进入再生制动能量回馈模式。由于所述次离合器3的分离，可避免对发动机1的倒拖引起的能量回馈效率损失。

6)串联混合驱动模式

在所述主电机4驱动能力满足车辆驱动扭矩要求，且车辆运行环境要求(如穿越闹市区)时，由本发明所述整车控制器13控制，发动机1工作在高效率点或一个极高效率区间，所述次电机2按发电机工作，所述次离合器3分离，所述主电机4按电动机工作驱动车辆。在此模式，由于发动机1工作可被控制在最佳状态，因此尾气有害排放极低。

7)混合式行车充电混合驱动模式

在车辆行驶过程中，如果所述动力电池9的电量低于设定值，由本发明所述整车控制器13控制，所述次电机2、所述主电机4可其中任何一个按发电机工作，另一个按电动机工作或停机空转或也按发电机工作，使发动机1、所述次电机2、所述主电机4、所述动力电池9等组成的多能源系统在此模式下的综合效率最高，且可根据需要一边行车充电一边进行混合驱动或纯发动机驱动或同时进行再生制动能量回馈。

8)停车充电模式

在停车状态，如所述动力电池9的电量太低，可以进行停车充电模式。在停车充电模式，所述次离合器3、所述主离合器4中至少一个处于分离状态，由本发明所述整车控制器13控制，由与发动机1输出端连为一体的电机按发电机工作给所述动力电池9充电。当所述动力电池9电量超过一个设定值后，停车充电模式结束。

本发明采用所述双电机双离合器结构，采用所述怠速停机/发动机快速起动模式，所述次电机可在任何时刻单独快速起动发动机，避免了发动机怠速、减速、起动过程中燃油消耗与尾气有害排放，提高整车燃油经济性，且保证整车动力性与驾驶性。

本发明采用所述双电机双离合器结构，在混合驱动过程中、在制动能量回馈过程中，可以根据车辆行驶所需电助力要求、可回馈能量等，控制选择本发明所述次电机、主电机等二个电机中的一个电机或二个电机单独或共同运行，提高电机运行效率，且避免了能量回馈过程中倒拖发动机引起的能量回馈效率损失的问题，提高整车燃油经济性。

采用所述混合式行车充电模式，可方便地将动力电池的剩余电量控制在优化范围内。所述次电机是按电动模式、发电模式工作，可完全根据需要柔性控制，避免了前述行星齿轮动力耦合形式中，在纯发动机驱动、混合驱动等发动机有动力输出情况下总有一部分发动机机械能转化为电能并在需要时再转化为机械能的能量损失，进一步提高了整车经济性。

本发明采用所述双电机双离合器结构，采用所述串联驱动模式，可使发动机根据车辆运行环境需要，工作在最佳的工作范围内甚至最佳工作点上，显著降低整车有害排放。

Claims (4)

1.一种串并联混联式混合动力系统，包括发动机(1)、次电机(2)、次离合器(3)、主电机(4)、主离合器(5)、变速箱(6)、电机驱动控制器(7)、高压电安全控制器(8)、动力电池(9)、动力电池管理器(10)、辅助电池(11)、直流变换器(12)，整车控制器(13)、混动总成输出轴(14)、发动机控制器(18)，其特征在于：发动机(1)的输出端与次电机(2)的转子相连，次电机(2)的转子与次离合器(3)的输入端相连，次离合器(3)的输出轴与主电机(4)的转子相连，主电机(4)的转子与主离合器(5)的输入端相连，主离合器(5)的输出轴与变速箱(6)的输入轴相连，变速箱(6)的输入轴通过变速箱(6)与混动总成输出轴(14)相连，混动总成输出轴(14)通过传动轴、主减速器(16)与车轮(15)相连，动力电池(9)通过动力电池管理器(10)和高压电安全控制器(8)通过电机驱动控制器(7)与主电机(4)和次电机(2)相连，动力电池(9)还通过动力电池管理器(10)、高压电安全控制器(8)、直流变换器(12)与辅助电池(11)相连，整车控制器(13)通过通讯系统与发动机控制器(18)、电机驱动控制器(7)、动力电池管理器(10)、高压电安全控制器(8)、直流变换器(12)相连。

2.根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：混动总成输出轴(14)通过传动轴、主减速器(16)进而与车轮(15，17)进行动力传递，发动机(1)由次电机(2)起动，发动机(1)与混动总成输出轴(14)之间通过次电机(2)、次离合器(3)、主电机(4)、主离合器(5)、变速箱(6)进行动力传递，次电机(2)与混动总成输出轴(14)之间通过次离合器(3)、主电机(4)、主离合器(5)、变速箱(6)进行动力传递，亦与发动机(1)之间通过发动机(1)的输出端进行动力传递，主电机(4)与混动总成输出轴(14)之间通过主离合器(5)和变速箱(6)进行动力传递，亦可与发动机(1)之间通过次离合器(3)、次电机(2)、发动机(1)输出端进行动力传递。

3.根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：动力电池(9)与电机驱动控制器(7)的通断控制由高压电安全控制器(8)实施，高压电安全控制器(8)同时负责整车高压电系统的高压电安全状态监测与控制，整车控制器(13)通过总线通讯系统向高压电安全控制器(8)、电机驱动控制器(7)、动力电池管理器(10)、直流变换器(12)、发动机控制器(18)发送控制指令并接收各控制器反馈的信息，进而实现对所述各部件的控制。

4.根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：其运动模式包括：怠速停机/发动机快速起动模式、纯电驱动模式、纯发动机驱动模式、混合驱动模式、再生制动能量回馈模式、串联混合驱动模式、混合式行车充电混合驱动模式、停车充电模式。

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