CN101159409A - 电动储能变速器及其功能实现方法 - Google Patents

Abstract

一种电动储能变速器，其动力源的转速不再与负载转速与转矩线性对应，为提高动力源的能源利用效率提供了保证。变速器能够根据负载变化和转速要求，进行驱动力匹配无级调节变速比，实现了良好的无级调速性能，而且具有极宽的调速范围和良好转矩输出特性。变速器可在电动模式、动力源模式和混合模式多种状况下运行，能够在驱动与蓄能之间进行合理的能源分配。这种变速器极大的减小了机械传动部件，有效降低了机械传动中的摩擦损耗。这种变速器的结构简单，控制简约，使得生产成本大为降低。

Description

电动储能变速器及其功能实现方法

技术领域

一种电动储能变速器，特别是涉及用于混合动力车辆驱动系统的电动储能变速器及其功能实现方法。

背景技术

混合动力驱动技术是在提高能源利用效率和降低污染排放达到环境保护为目的背景下提出。

在日本专利2003-169898 、2003-169899公开的技术中，具有发动机和电机的混合动力车中，随着发动机速度增加，第一控制单元逐渐增加电机动力，直到发动机速度超过第一转速。在发动机速度超过第一转速时，随着发动机速度增加，第一控制单元使电机动力逐渐降低，从而作为发动机动力和电机动力之和的合成动力不超过发动机的最大动力。这种混合动力驱动系统，发动机和电动/发电机是以串连方式组合，发动机和电动/发电机始终以相同转速工作。根据理想车速和转矩关系特性曲线，随着车速降低转矩将随之增大，这种驱动机构在低转速运转状态下，发动机与电动/发电机在低速运转状态下转矩输出特性会恶化，在这种状态下不利于提高能源利用效率。

在日本专利047786/2003公开的技术中，混合动力车的电动机-发电机旋转轴被连接到一个转矩变换器的输出轴，后者连接到内燃发动机的输出轴。在转矩变换器随变速控制而产生滑差的时间段内，通过按电动机或发动机模式控制电动机-发动机来辅助车辆的加速或减速控制。这种混合动力驱动系统发电机-电动机的旋转轴上增加了转矩变换器，转矩输出性能有了一定改善。但发动机与电动/发电机在低速运转状态下转矩输出特性会恶化现象并未有效克服。

在日本专利323578/2001、323931/2001、324064/2001公开的技术中，混合动力汽车驱动方法和系统包括带有输出轴的内燃机、通过动力分配机构与内燃机的输出轴连接的第一电动/发电机、通过动力分配机构与内燃机的输出轴连接的车轮驱动轴、与车轮驱动轴连接的第二电动/发电机，以及位于车轮驱动轴和第二电动/发电机与车轮驱动轴的连接部分中，至少有一个以上的变速箱。

在日本专利2004-014316、2004-014320公开的技术中，发动机通过动力分配机构连接到第一电动发电机和输出轴，其中第二电动发动机通过其转矩容量随油压变化的变速箱连接到输出轴，并且该变速箱具有产生油压的电动泵，液压判断装置用来判断油泵建立起来的油压是否升高到比预设值高；一个电动油泵输出降低装置，在油压判断装置判断出油压升高到比预设值高的时候用来降低油泵的输出；和一个发动装置，它利用第一电动发动机执行内燃机的发动。一个故障探测装置，用来探测电动油泵的故障；和一个内燃机启动装置，在故障探测装置探测到故障的情况下，它启动内燃机。

以上技术采取了动力分配机构实现发动机和电动/发电机的混合动力驱动，并以变速器满足低车速下获得高转矩要求，而发动机和第一电动/发电机的转速不再与车速及第二电动/发电机转速线性对应，在不同车速运行状态下，使发动机尽可能保持最佳燃油效率状态成为可能。然而这种动力分配机构的混合动力驱动系统只能通过第一电动/发电机来对动力存储系统进行充电，第二电动/发电机来进行对车轮的电力驱动，第二电动/发电机需要是大型电机才能确保具有足够的驱动性能。为克服这一不足，需要在系统中增加变速机构，而有级差的变速器并不能在整个车速驱动范围内实时达到最佳转矩配合。具有电动油压泵的液压驱动无极变速机构又需增加额外能量耗费，对提高燃油效率不利。这种多种功能单元的加入的混合动力驱动系统，不但使整个系统机构增多，控制复杂度提高，而且也增加了制造成本。

发明内容

本发明力图使得动力源在保证最佳运行状态下，根据负载在不同运行状态和转速要求，通过电动储能变速器，达到具有优良驱动性能的变速驱动目的。这种电动储能变速器可以通过以下措施达到：

一种电动储能变速器及其功能实现方法，包括控制装置和储能装置等，其中动力源的输出轴与电动储能变速器通过离合器相连，电动储能变速器的输出轴为驱动轴。在电动储能变速器中鼠笼式磁极组轴向一端与离合器固定连接，鼠笼式磁极组能以离合器轴为轴心转动；鼠笼式磁极组外侧与其同轴安装有定子绕组，定子绕组通过外壳固定在机架上；鼠笼式磁极组内侧与其同轴安装有转子绕组，转子绕组延长轴为驱动轴；有角位移传感器能够分别实时检测鼠笼式磁极组和转子绕组中磁极的角位移状态及运动状态；控制装置利用储能装置中的能量，能够分别对定子绕组和转子绕组旋转励磁，提供旋转驱动转矩；在鼠笼式磁极组转动情况下，在定子绕组和转子绕组中产生的感生电流，通过控制装置能够分别对储能装置进行蓄能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、这种电动储能变速器，动力源转速不再与负载转速与转矩线性对应，在不同负载运行状况下，能够使动力源始终处于最佳运行状态，为提高动力源的能源利用效率提供了保证。

2、变速器根据负载变化和转速要求，能够良好的进行驱动力匹配，无级调节变速比，而且具有极宽的调速范围和良好输出转矩特性。

3、当动力源产生富余动力输出或负载减小、减速和制动时产生的能量，通过这种变速器可进行蓄能，进一步提高了能量利用效率。

4、变速器可在电动模式、动力源模式和混合模式多种状况下运行，能够在驱动与蓄能之间进行合理的能源分配。

5、这种变速器极大的减小了机械传动部件，有效降低了机械传动中的摩擦损耗。

6、这种变速器的结构简单，控制简约，使得生产成本大为降低。

附图说明：

1、图1为电动储能变速器及其控制方法的基本结构示意图；

2、图2为电动储能变速器及其控制方法的轴面剖视图；

3、图3为电动储能变速器及其控制方法的径面剖视图；

具体实施方式

图1展示了本发明的基本结构示意。包括控制装置(9)、储能装置(10)、动力源(1)与离合器(3)等，动力源(1)与电动储能变速器通过离合器(3)相连，变速器的输出轴为驱动轴(8)。下面结合一个具体实施例，对本发明做进一步详述：在本实施例中鼠笼式磁极组采用了永磁体四磁极结构，动力源(1)为汽油机或柴油机实现，图2、图3为这种电动储能变速器的轴面剖视图与径面剖视图。电动储能变速器中鼠笼式磁极组(5)轴向一端与离合器(3)固定连接，鼠笼式磁极组(5)能以离合器(3)轴为轴心转动。鼠笼式磁极组(5)中有四块按轴对称排布的永磁体(51)，永磁体(51)的磁极方向按径向以N-S-N-S相间方式排布，鼠笼式磁极组(5)轴向另一端通过滚动轴承(53)安装在驱动轴(8)上；鼠笼式磁极组(5)外侧与其同轴安装有定子绕组(6)，定子绕组(6)通过外壳固定在机架(11)上。定子绕组(6)具有与鼠笼式磁极组(5)相同的磁极数，定子绕组(6)中的磁极间距，以相间等差磁极距方式排布，构成A、B、C、D四个磁极，分别以A-C、B-D两对相间磁极绕组并联或串联组成为二相绕组，以N-S-N-S相间方式，分别对各相绕组进行旋转励磁；鼠笼式磁极组(5)内侧与其同轴安装有转子绕组(4)，转子绕组(4)轴向一端通过滚动轴承(52)安装在鼠笼式磁极组(5)靠近离合器(3)一侧，转子绕组(4)轴向另一端为延长的驱动轴(8)，并通过滚动轴承(43)安装在定子绕组(6)的外壳上，在延长的驱动轴(8)上还安装有连接绕组线圈，并与驱动轴之间绝缘的导电环(41)，通过电刷(42)可以给转子绕组(4)供电。转子绕组(4)也具有与鼠笼式磁极组(5)相同的磁极数，鼠笼式磁极组(5)和转子绕组(4)中的磁极间距均是以相等磁极间距方式排布。转子绕组(4)中所有绕组以并联或串联方式构成单相绕组，转子绕组(4)的励磁形式同样为N-S-N-S相间方式进行旋转励磁；在电动储能变速器中还具有角位移传感器(7)，角位移传感器(7)能够检测鼠笼式磁极组(5)中磁极相对于定子绕组(6)每相磁极的角位移位置状态及运行状态，以及鼠笼式磁极组(5)磁极与转子绕组(4)磁极相对角位移位置状态和运行状态；控制装置(9)能够利用储能装置(10)的能量，对各相磁极绕组进行独立励磁，根据角位移传感器(7)确定的各相绕组磁极的角位移位置状态和其运行状态，对绕组的励磁强度和方向进行实时切换；在鼠笼式磁极组(5)转动情况下，定子绕组(6)和转子绕组(4)中产生的感生电流，通过控制装置(9)也能够分别对储能装置(11)进行蓄能(充电)。

电动储能变速器的功能实现是通过以下方式达到：变速器中的定子绕组(6)可分别作为电动模式、混合驱动模式、动力源启动模式或储能模式功能使用。在作为电动模式功能使用时，离合器(3)处于分离状态，动力源(1)停止工作，由储能装置(10)(蓄电池)提供电能，通过控制装置(9)对定子绕组(6)中的A-C和B-D二相绕组分别进行旋转励磁实现。由于定子绕组(6)含有磁极间距等差排布的A-C和B-D二相绕组，而鼠笼式磁极组(5)中的磁极间距是以相等磁极间距方式排布，在定子绕组(6)磁极与鼠笼式磁极组(5)磁极间存在错磁极距现象，这就能为鼠笼式磁极组(5)转动提供启动电磁驱动转矩。控制装置(9)根据角位移传感器(7)分别检测的鼠笼式磁极组(5)磁极相对于定子绕组(6)A-C和B-D二相绕组磁极的角位移位置状态，鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的定子绕组(6)A-C或B-D相磁极中点及与其相邻的后一磁极中点区间内，对该相定子绕组(6)进行相反方向励磁，实现吸引驱动。鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的定子绕组(6)A-C或B-D相磁极中点及与其相邻的前一磁极中点区间内，对该相定子绕组()进行相同方向励磁，实现排斥驱动；定子绕组(6)A-C或B-D相磁极与相对鼠笼式磁极组(5)磁极中点相对或间隔一定相角处，进行励磁方向切换，使吸引和排斥驱动条件得以保持，从而实现驱动鼠笼式磁极组(5)转动目的。控制装置(9)通过调整定子绕组(6)励磁电流的大小，能够达到鼠笼式磁极组(5)转动速度和输出转矩的改变；变换定子绕组(6)中A-C和B-D二相磁极绕组的励磁切换顺序，可以实现鼠笼式磁极组(5)转动方向的改变。

在电动模式情况下，闭合离合器(3)，使电磁驱动转矩传动到动力源(1)，可进行动力源(1)的启动。

作为储能模式功能使用时，离合器(3)处于闭合状态，动力源(1)输出的动力驱动鼠笼式磁极组(5)旋转，在定子绕组(6)上产生的感生电流，通过控制装置(9)切换到充电控制状态，可实现对储能装置(10)进行蓄能。

在混合驱动模式情况下，动力源(1)运转，离合器(3)处于闭合状态。当负载过重，动力源(1)出现输出驱动力不足时，定子绕组(6)可进行辅助动力输出，提供混合驱动力。此时，对定子绕组(6)的控制方式与在作为电动模式使用方法相同，通过控制定子(6)绕组中励磁电流的大小，能够实现改变辅助驱动转矩大小目的。当负载过轻，动力源(1)出现驱动力剩余时，定子绕组(6)可进行辅助蓄能，提供混合电力输出，输出的电力可对储能装置(10)进行蓄能或对转子绕组(4)提供励磁电流。此时，对定子绕组(6)的控制方式与在作为储能模式使用方法相同，通过控制定子(6)绕组中充电电流的大小，能够实现改变辅助蓄电量大小目的。

变速器在不同运行模式之间的转换，是由控制装置(9)根据负载驱动要求和运行状况，以及储能装置(10)能量存储状况实时进行切换。从而实现驱动与蓄能之间进行合理的能源分配。

电动储能变速器中的转子绕组(4)可分别作为驱动力输出或储能功能使用。在作为驱动力输出功能使用时，由储能装置(10)(蓄电池)或由定子绕组(6)提供电能，通过控制装置(9)对转子绕组(4)进行旋转励磁完成。由于鼠笼式磁极组(5)的转动，导致鼠笼式磁极组(5)中的磁极与转子绕组(4)中磁极发生错磁极现象，由此产生电磁驱动转矩，驱动转子转动。转子绕组(4)的旋转励磁方向，由控制装置(9)根据角位移传感器(7)检测的鼠笼式磁极组(5)和转子绕组(4)中磁极相对角位移位置状态决定，鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的转子绕组(4)磁极中点及与其相邻的后一磁极中点区间内，对转子绕组(4)进行相反方向励磁，实现吸引驱动；鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的转子绕组(4)磁极中点及与其相邻的前一磁极中点区间内，对转子绕组(4)进行相同方向励磁，实现排斥驱动，转子绕组(4)磁极与相对鼠笼式磁极组(5)磁极中点相对处，进行励磁方向切换，使吸引和排斥驱动条件得以保持，从而实现驱动转子转动目的。控制装置(9)通过改变转子绕组(4)励磁电流的大小，能够达到控制转子驱动转矩和转动速度目的。

当负载处于停车状态，或负载处于减小、减速和制动状态时，转子绕组(4)可作为储能功能使用。这时由于鼠笼式磁极组(5)与转子绕组出现转速差，在转子绕组(4)上产生的感生电流，可以通过控制装置(9)可对储能装置(10)进行蓄能(充电)。

电动储能变速器变速功能的实现：由于在鼠笼式磁极组(5)与转子绕组(4)之间是在电磁驱动转矩作用下以吸引和排斥驱动方式转动，当负载加重或转子绕组(4)励磁电流较小时，在转子绕组(4)与鼠笼式磁极组(5)磁极之间将出现迟滞滑差现象，转子相对于鼠笼式磁极组(5)产生滞后转速差，而当磁极间的转差达到磁极中点时，转子绕组(4)即进行励磁方向切换，使鼠笼式磁极组(5)与转子绕组(4)之间的吸引或排斥驱动的条件得以保持，转子以与之相匹配驱动转矩作用下会与鼠笼式磁极组(5)以差速状态继续转动。随着负载减小或对转子绕组(4)励磁电流的增大，在鼠笼式磁极组(5)与转子绕组(4)之间转差现象逐步减小，转子以跟随方式与鼠笼式磁极组(5)逐步趋向同步转动。当转子与鼠笼式磁极组达到同步时，会导致转子绕组(4)励磁电流换向，在转子与鼠笼式磁极组(5)之间以超越转差方式驱动，转子以超越鼠笼式磁极组(5)转速方式继续转动。从而实现无级变速比调节负载转速目的，并且变速器具备极宽的变速比调节范围。

在以汽油机或柴油机作为动力源的驱动系统中，能源利用效率与其运转速度有关，低速运转区间内，转矩输出特性和能源利用效率低下，超高速运转时，能源利用效率也会恶化，只有在转速处于一定范围内，才能使动力源产生最佳能源利用效率。而这种结构变速器，负载转速只与负载大小和转子绕组励磁电流大小有关，而与动力源转速无关。因此，只需要控制转子绕组励磁电流的大小，就可实现改变负载转速及驱动力目的。这样就有可能使动力源只需在停车和处于最佳运转状态以额定速度转动两种状态运行，使动力源提高能源利用效率得以实现，并且使动力源的运转控制也得到简化。

当负载处于低转速大转矩运行区间内，由于鼠笼式磁极组是以额定速度转动，转子对于鼠笼式磁极组的滞后转速差增大，造成转子绕组中产生的感生电动势增大，而这一感生电动势的作用为对转子输出转矩的贡献，转子的转矩因叠加感生电动势而得到有效增大，满足了大转矩驱动要求，使负载的加速性能得到提高。随着负载转速的增大，转子转速与鼠笼式磁极组转速逐步趋于同步，感生电动势会随之减小，对转子转矩的贡献也随之减小，这就避免了转子产生额外输出转矩。而此时鼠笼式磁极组与转子绕组磁极间的错磁极现象也会减小，这样又会使电磁驱动力有效增大，使转子的跟随特性得以良好保持。此时动力源输出的富余转矩，可以将定子绕组切换到储能状态进行充电或给转子绕组供电，使动力源输出转矩通过驱动与蓄能达到平衡状态。只有当转子转速极大的超过鼠笼式磁极组转速时，感生电动势和错磁极现象才会对转子输出转矩产生明显抑制，使能源利用效率降低。通过将动力源设定在较高的额定转速区间，就可以很大限度上避免这一现象产生，使变速器在低速和中高速较大转速区间，都具备有优良的转矩输出特性和最佳能源利用效率。

由于这种变速器是以电磁驱动转矩进行负载驱动和变速比调节，不在需要齿轮或带轮进行动力传动，这就使机械传动部件达到最小化，极大的减小了机械传动带来的摩擦损耗。同时，也使得这种变速器的生产成本得到有效控制。

这一变速器还可在需要负载转速调节和载荷波动的其它领域应用。

Claims (6)

1.一种电动储能变速器及其功能实现方法，包括控制装置(9)、储能装置(10)、动力源(1)与离合器(3)等，动力源(1)的输出轴(2)与电动储能变速器通过离合器(3)相连，电动储能变速器的输出轴为驱动轴(8)。其特征在于电动储能变速器可以通过以下措施达到：在电动储能式变速器中，安装有鼠笼式磁极组(5)，鼠笼式磁极组(5)轴向一端与离合器(3)固定连接，鼠笼式磁极组(5)能以离合器(3)轴为轴心转动；鼠笼式磁极组(5)外侧与其同轴转动配合安装有定子绕组(6)，定子绕组(6)通过外壳固定在机架(11)上；鼠笼式磁极组(5)内侧与其同轴转动配合安装有转子绕组(4)，转子绕组(4)的延长轴为驱动轴(8)；安装有角位移传感器(7)，能够分别实时检测鼠笼式磁极组(5)以及转子绕组(4)磁极的角位移位置状态及运动状态；控制装置(9)能够利用储能装置(10)的能量，分别对定子绕组(6)和转子绕组(4)提供旋转励磁；定子绕组(6)和转子绕组(4)中产生的感生电流，通过控制装置(9)能够分别对储能装置(10)进行蓄能(充电)。

2.根据权利要求1所述的一种电动储能变速器及其功能实现方法，其特征在于：鼠笼式磁极组(5)的优选形式为具有两个以上按轴对称排布的永磁体组(51)，永磁体组(51)的磁极方向按径向以N-S-N-S……相间方式排布；定子绕组(6)具有与鼠笼式磁极组(5)相同的磁极数，绕组的励磁形式为N-S-N-S……相间方式；转子绕组(4)也具有与鼠笼式磁极组(5)相同的磁极数，绕组的励磁形式同样为N-S-N-S……相间方式；控制装置(9)能够对定子绕组(6)和转子绕组(4)励磁强度和方向进行实时切换。

3.根据权利要求1、2所述的一种电动储能变速器及其功能实现方法，其特征在于：电动储能变速器中的定子绕组(6)中的磁极间距，以相间等差磁极间距方式排布，分别以相间磁极绕组并联或串联组成为一相绕组，磁极以N-S-N-S……相间方式，分别对各相绕组独立进行旋转励磁；鼠笼式磁极组(5)和转子绕组(4)中的磁极间距均是以相等磁极间距方式排布，转子绕组(4)中所有绕组以并联或串联方式构成单相绕组，转子绕组(4)同样以N-S-N-S……相间方式旋转励磁。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种电动储能变速器及其功能实现方法，其特征在于：控制装置(9)根据角位移传感器(7)分别检测的鼠笼式磁极组(5)磁极相对于定子绕组(6)每相绕组磁极的角位移位置状态，鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的定子绕组(6)磁极中点及与其相邻的后一磁极中点区间内，对该相定子绕组(6)进行相反方向励磁。鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的定子绕组(6)磁极中点及与其相邻的前一磁极中点区间内，对该相定子绕组()进行相同方向励磁，实现排斥驱动；在每相定子绕组(6)磁极与相对鼠笼式磁极组(5)磁极中点相对或间隔一定相角处，进行励磁方向切换。在鼠笼式磁极组(5)磁极相对于定子绕组(6)该相磁极相对磁极与落后半磁极距区间内，对该相定子绕组(6)进行相反方向励磁。在鼠笼式磁极组(5)磁极相对于定子绕组(6)该磁极超前半磁极距与相对磁极区间内，对该相定子绕组()进行相同方向励磁；在定子绕组(6)每相磁极与相对鼠笼式磁极组(5)磁极相对磁极与半磁极距处同步或将间隔一定相角处，进行励磁方向切换；控制装置(9)能够改变定子绕组(6)励磁电流的大小和各相绕组的励磁方向及顺序。

5.根据权利要求1、2、3所述的一种电动储能变速器及其功能实现方法，其特征在于：控制装置(9)根据角位移传感器(7)检测的鼠笼式磁极组(5)和转子绕组(4)中磁极相对角位移位置状态，鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的转子绕组(4)磁极中点及与其相邻的后一磁极中点区间内，对转子绕组(4)进行相反方向励磁；鼠笼式磁极组(5)磁极中点在处于相对的转子绕组(4)磁极中点及与其相邻的前一磁极中点区间内，对转子绕组(4)进行相同方向励磁；转子绕组(4)磁极与相对鼠笼式磁极组(5)磁极中点相对处，进行励磁方向切换。控制装置(9)能够改变转子绕组(4)励磁电流的大小和改变转子绕组(4)的励磁方向。

6.根据权利要求2所述的一种电动储能变速器及其功能实现方法，其特征在于：电动储能变速器中鼠笼式磁极组(5)的磁极也允许采用励磁方向固定的磁极绕组，励磁强度固定或可调形式。

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