CN101186209B - 采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统 - Google Patents

采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统，其具有两套动力系统，即前舱采用发动机和ISG电机构成并联式混合动力系统，同时后轮加装两个轮毂电机构成电动轮，可以进行电动助力。这种动力系统具有多种运行模态，可以在车辆控制单元的控制下根据不同的动力需求在各运行模态间进行切换。采用这种动力系统结构，使得车辆具有良好的动力性，也大大提高了动力系统的可靠性。而且，本发明的整车发电和轮毂电机驱动可同时进行，其动力系统工作模式更加灵活多样，发动机可以长时间工作在最优工作点。

Description

采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力电动汽车领域，具体涉及一种采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统。 
背景技术
混合动力电动汽车是近年来兴起的一种技术，它可以实现节油、降低排放、环保的目的，既具有电动汽车环保的优点，又像普通汽车一样加油方便，续驶里程无限制。混合动力电动汽车的动力系统一般分为串联式、并联式和混联式。其中串联式和并联式研究的较多，技术也趋于成熟。混联式混合动力系统是很有发展前景的一种结构，一般是将动力通过机械装置进行复合，例如，传统的混联式混合动力采用行星齿轮作为功率分配部件，特点是系统兼备同时发电和电驱动的功能，并通过对发电机和电动机的单独控制，实现能量的分配，这种结构较为复杂。 
中国专利公开号为CN1817674的专利申请中提出了一种采用轮毂电机的混合动力总成，它由轮毂电机和发动机共同组成车辆的动力系统。但是它的动力系统中没有专门的发电机，轮毂电机既充当电动机为整车提供动力；又充当发电机，当电池组电量过低时，给电池组充电，可见轮毂电机要么提供动力，要么为电池组充电，只能工作在单一状态下。这样，当动力系统处于发电状态时，整车只能由发动机驱动，发动机无法保证处在最优工作点。而由于受到发动机功率限制，整车动力性能也会受到影响。所以在此基础上需要进一步的改进，使动力系统更加灵活、实现最优控制。 
发明内容
为了解决上述所提到的车辆动力结构复杂、整车动力性能受限的问题，本发明提供了一种采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统。 
本发明为采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统，所述系统包括发动机、变速器、电池组、车辆控制单元；所述系统包括并联式混合的主动力系统和用于电动助力的副动力系统，分别设置在汽车的前轮和后轮上；所述发动机采用内燃机； 
所述主动力系统包括ISG电机、自动离合器和所述发动机，所述ISG电机通过自动离合器与所述发动机同轴连接，用于为整车输出主动力，且所述ISG电机安装在变速器的输入轴上；所述主动力系统设置在汽车前舱； 
所述副动力系统包括两轮毂电机，且分别安装在车辆后轮上，所述轮毂电机采用永磁无刷直流电机，通过电缆从电池组获取能量为整车输出副动力； 
所述车辆控制单元用于协调两个动力系统的动力输出，并实时控制电池组和ISG电机的输出；所述车辆控制单元包括： 
发动机控制器，用于从整车控制器获得需求转矩指令，并驱动控制所述发动机按要求动作； 
ISG电机驱动模块，用于从所述电池组的输出母线上获得能量，并驱动所述ISG电机动作； 
调速控制器，用于根据整车控制器的需求指令控制所述ISG电机驱动模块工作，并依据当前行驶工况调节所述ISG电机运行速度； 
双向DC/DC变换模块，用于实现所述ISG电机与所述电池组之间的功率变换与传输，该模块的一端并联在所述电池组的输出母线上，该模块的另一端并联在所述ISG电机驱动模块的电压母线上； 
电池管理模块，用于实时管理所述电池组的充放电情况，并实时向整车控制器传输所述电池组的当前状况； 
轮毂电机驱动模块，用于驱动所述轮毂电机动作、并将车辆制动或下坡的能量回馈至所述电池组存储，该模块的一端并联在所述轮毂电机的输入电压母线上，该模块的另一端并联在所述双向DC/DC变换模块的电压 母线上； 
轮毂电机控制器，用于向所述轮毂电机驱动模块发送关于轮毂电机输出转矩和后轮电气制动力的需求指令； 
及整车控制器，该整车控制器包括辅助动力控制器和能量控制器；其中：所述辅助动力控制器用于向所述ISG电机的调速控制器发出关于ISG电机输出转矩需求的电流控制信号，而且还向所述发动机控制器发出关于ISG电机输出转矩的需求指令，并控制所述ISG电机和所述发动机之间的动力复合和能量转换；所述能量控制器用于实时接收来自所述轮毂电机控制器的电机运转参数信息和所述电池组的当前状况信息，并根据整车参数信息分配所有电机的能量供应；所述整车控制器实时控制混合动力系统的能量分配、以及实时控制各个车辆部件的控制单元。 
发明效果：本发明提出的采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统结构中，具有两套动力系统，即前舱采用发动机和ISG电机构成并联式混合动力系统，同时后轮加装两轮毂电机构成电动轮，可以进行电动助力。这种动力系统具有多种运行模态，可以在整车控制器的控制下根据不同的动力需求在各运行模态间进行切换。各动力部件(发动机，ISG电机，两轮毂电机)既可以同时工作以满足车辆的最大功率需求，也可以单独工作提供动力输出，使动力系统始终工作在最佳效率区。采用这种动力系统结构，使得车辆具有良好的动力性，也大大提高了动力系统的可靠性。同时由于两个后轮轮毂电机和整车动力系统是基于电气连接，整车动力通过车身进行复合，所以本车的机械连接结构与传统的并联式混合动力车相比并不复杂；而且，本发明的整车发电和轮毂电机驱动可同时进行，其动力系统工作模式更加灵活多样，发动机可以长时间工作在最优工作点。当驾驶员功率需求很大时，可以由发动机、ISG电机和两个后轮轮毂电机同时驱动整车，使得整车动力性能也大大增强。 
附图说明
图1是本发明提出的新型混联混合动力系统的整体结构示意图； 
图2是本发明混合动力系统的车辆控制单元的结构示意图。 
具体实施方式
以下参见附图详细描述本发明的具体实施方案，以下均以内燃机210作为发动机100为例说明。 
如图1所示，本发明的采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统，所述系统包括发动机100、变速器130、电池组150、车辆控制单元160；所述系统包括主动力和副动力两个动力系统，其分设在汽车前轮和后轮上；所述主动力系统包括ISG电机120、自动离合器110和发动机100，所述ISG电机120通过自动离合器110与发动机100同轴连接，用于为整车输出主动力，且所述ISG电机120安装在变速器130的输入轴上；所述副动力系统包括轮毂电机170，所述轮毂电机170通过电缆从电池组150获取能量为整车输出副动力，所述轮毂电机170通过车身与整车进行动力复合；所述车辆控制单元160用于协调两个动力系统的动力输出，并实时控制电池组150和ISG电机120的输出。如图2所示，所述轮毂电机170采用永磁无刷直流电机。并且，所述系统可以采用两个轮毂电机，其分别安装在车辆后轮上构成副动力系统。 
本发明对于没有行星齿轮的并联混合(ISG电机和发动机同轴输出)又配置了轮毂电机(驱动后轮)的混合动力系统(FIG1)，提出采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统控制结构。本发明采用前离合器耦合方式，将ISG电机120安装在变速器130的输入轴上，发动机100和ISG电机120通过离合器联接(如图1所示)。这种类型的并联式混合动力系统通过分离离合器可以实现纯电动运行工况。图中采用兼具启动和发电功能的ISG电机。 
如图2所示，所述车辆控制单元160包括：发动机控制器211、ISG电机驱动模块214、调速控制器213、双向DC/DC变换模块216、电池管理模块218、轮毂电机驱动模块215、轮毂电机控制器217和整车控制器220； 
其中，发动机控制器211(即ECU，Engine Control Unit)用于从整车 控制器220获得需求转矩指令，并驱动控制所述发动机210的按要求动作，所述发动机210即内燃机ICE； 
ISG电机驱动模块214用于从所述电池组150的输出母线上获得能量，并驱动所述ISG电机120动作，该模块的一端并联在电池组150的输出母线上，其另一端并联在ISG电机120的输入电压母线上； 
调速控制器213(即GCU，Generator Control Unit)用于根据整车控制器220的需求指令控制所述ISG电机驱动模块214工作，并依据当前行驶工况调节所述ISG电机120运行速度； 
双向DC/DC变换模块216用于实现所述ISG电机120与所述电池组150之间的功率变换与传输，该模块的一端并联在所述电池组150的输出母线上，该模块的另一端并联在所述ISG电机驱动模块214的电压母线上； 
电池管理模块218(即BMS，Battery Management System)用于实时管理所述电池组150的充放电情况，并实时向整车控制器220汇报所述电池组150的当前状况； 
轮毂电机驱动模块215用于驱动所述轮毂电机170动作、并将车辆制动或下坡的能量回馈至所述电池组150存储，该模块的一端并联在所述轮毂电机170的输入电压母线上，该模块的另一端并联在所述双向DC/DC变换模块216的电压母线上； 
轮毂电机控制器217(即MCU，Motor Controller Unit)用于向所述轮毂电机驱动模块215发送关于轮毂电机170输出转矩和后轮电气制动力的需求指令； 
整车控制器220用于发出电机输出转矩和前后轮电气制动力的需求指令，并实时控制系统的能量分配、以及实时控制上述各个车辆部件的控制单元。其中，如图2所示，双向DC/DC变换模块216、轮毂电机驱动模块215、ISG电机驱动模块214共用一个电压母线。 
其中，电池组150可以采用低电压，ISG电机120可以采用高电压；通 过双向DC/DC变换模块216可以把电池组150的能量转变为电机的输入能，也可以把车辆制动/下坡的能量经电机的回馈制动收集到电池组150。 
如图2所示，所述整车控制器220包括：辅助动力控制器212和能量控制器219；其中， 
辅助动力控制器212(即APU-control，Auxiliary Power Unit-control)，其用于向ISG电机120的调速控制器213发出关于电机输出转矩需求的电流控制信号，而且还向发动机控制器发出关于电机输出转矩的需求指令，并控制ISG电机120和发动机100(即内燃机210)之间的动力复合和能量转换； 
能量控制器219用于实时接收电机运转参数信息和所述电池组150的当前状况信息，并根据整车参数信息分配所有电机的能量供应，其中，整车参数信息包括：汽车驱动力、制动力和车速等信息，以及来自轮毂电机控制器217的轮毂电机运行状态信号；电池组150的当前状况信息包括：来自电池管理模块218的电池组SOC(State ofCharge，SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示)值信息、直接来自电池组150电压信号。 
所述车辆控制单元160作为车辆功率分配部件，通过控制策略得以充分体现。由于本发明的各主要动力部件是通过电气连接的，所以功率分配可以完全通过整车控制器220和各个驱动控制单元来完成。 
整车动力系统控制结构协调控制发动机、ISG电机、电池及轮毂电机各能源与驱动的控制单元，实时优化电池组与电机的输出。本发明可以采用有效地控制模式，以电池组允许的SOC(State ofCharge，SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示)作为约束，以最低排放与油耗为目标，对发电机的输出电流、发动机的节气门开度信号等参数进行实时控制，用以确保在典型的运行工况下，以及电池组SOC平衡条件下，发动机与发电机组工作在整体高效率区。 
基于上述混合动力系统的结构，本发明的混合动力系统存在以下几种 运行模态： 
(1)启动ICE 
由于ISG电机处于自动离合器之前，必须先挂空档(自动离合器脱开)，由车辆控制单元给ISG电机发起动指令，ISG电机运行模式为启动模式。当ISG电机转速达到900rpm左右，发动机启动，处于怠速状态。 
(2)纯发动机工作状态 
挂档，踩下加速踏板，发动机节气门角度变大，喷油量相应变大，发动机正常工作。此时，ISG电机不工作。动力系统根据档位输出扭矩。 
(3)发动机+电机混合驱动模式 
当整车需求转矩超过当前内燃机的最优工作范围时，按内燃机的标定值输出转矩，车辆控制单元可以控制ISG电机(或轮毂电机、或ISG电机与轮毂电机同时)输出转矩，动力系统根据档位输出扭矩，混合驱动车辆。 
(4)发动机+发电机工作模式 
在发动机处于工作状态，如果电池组需要充电，车辆控制单元发指令，控制ISG电机处于发电状态。 
(5)复合制动状态 
刹车踏板踩下，根据制动踏板指令，机械制动装置按制动踏板的标定值制动，车辆控制单元可以控制ISG电机输出制动转矩，动力系统输出制动扭矩，混合制动车辆。车辆控制单元也可以控制轮毂电机输出制动转矩，并将车辆的动能转换成电能储存在电池组中。 
(6)纯电动工作模式 
由于ISG电机装在离合器之前，所以纯电动方式应该采用轮毂电机方式，此时手柄处于空档或离合器脱开。这种模式用于车辆起步或低速运行。 
(7)串联工作模式 
发动机正常工作模式下，挂空档，发动机带动ISG电机给电池组充电，而轮毂电机提供驱动车辆。 
(8)混联驱动模式 
发动机正常工作模式下，手柄挂档，内燃机将部分转矩传递给前轮，同时将另一部分转矩通过ISG电机转化为电能，可以为电池充电，也可以为轮毂电机提供能量。 
本发明通过两套动力系统的相互配合使用，使得整车发电和轮毂电机驱动可同时进行，且动力系统工作模式更加灵活多样，发动机可以长时间工作在最优工作点。 
应当理解的是，对本发明技术所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或替换，而所有这些改变或替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (1)

1.采用电气系统实现混联功率分配的混合动力系统，所述系统包括发动机、变速器、电池组、车辆控制单元；其特征在于，所述系统包括并联式混合的主动力系统和用于电动助力的副动力系统，分别设置在汽车的前轮和后轮上；所述发动机采用内燃机；
所述主动力系统包括ISG电机、自动离合器和所述发动机，所述ISG电机通过自动离合器与所述发动机同轴连接，用于为整车输出主动力，且所述ISG电机安装在变速器的输入轴上；所述主动力系统设置在汽车前舱；
所述副动力系统包括两个轮毂电机，且分别安装在车辆后轮上，所述轮毂电机采用永磁无刷直流电机，通过电缆从电池组获取能量为整车输出副动力；
所述车辆控制单元用于协调两个动力系统的动力输出，并实时控制电池组和ISG电机的输出；所述车辆控制单元包括：
发动机控制器，用于从整车控制器获得需求转矩指令，并驱动控制所述发动机的按要求动作；
ISG电机驱动模块，用于从所述电池组的输出母线上获得能量，并驱动所述ISG电机动作；
调速控制器，用于根据整车控制器的需求指令控制所述ISG电机驱动模块工作，并依据当前行驶工况调节所述ISG电机运行速度；
双向DC/DC变换模块，用于实现所述ISG电机与所述电池组之间的功率变换与传输，该模块的一端并联在所述电池组的输出母线上，该模块的另一端并联在所述ISG电机驱动模块的电压母线上；
电池管理模块，用于实时管理所述电池组的充放电情况，并实时向整车控制器传输所述电池组的当前状况；
轮毂电机驱动模块，用于驱动所述轮毂电机动作、并将车辆制动或下坡的能量回馈至所述电池组存储，该模块的一端并联在所述轮毂电机的输入电压母线上，该模块的另一端并联在所述双向DC/DC变换模块的电压母线上；
轮毂电机控制器，用于向所述轮毂电机驱动模块发送关于轮毂电机输出转矩和后轮电气制动力的需求指令；
及整车控制器，该整车控制器包括辅助动力控制器和能量控制器；其中：所述辅助动力控制器用于向所述ISG电机的调速控制器发出关于ISG电机输出转矩需求的电流控制信号，而且还向所述发动机控制器发出关于ISG电机输出转矩的需求指令，并控制所述ISG电机和所述发动机之间的动力复合和能量转换；所述能量控制器用于实时接收来自所述轮毂电机控制器的电机运转参数信息和所述电池组的当前状况信息，并根据整车参数信息分配所有电机的能量供应；所述整车控制器实时控制混合动力系统的能量分配、以及实时控制各个车辆部件的控制单元。
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