CN101244687A - 混联式混合动力驱动系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混联式混合动力驱动系统及其驱动方法,该系统的发动机与ISG电机同轴连接,在ISG输出轴端连接一个手动干式离合器,在离合器后端连接手动变速箱,驱动电机通过耦合机构与变速箱输出轴进行力矩耦合。所述驱动方法包括纯电驱动模式,串联驱动模式,发动机驱动模式,并联驱动模式,行车充电模式,停车充电模式,再生制动能量回馈模式。该驱动方案最大保持了传统车辆结构,利用双电机对发动机的工作点进行优化,使发动机在高效率低排放区域稳定运行,尤其适合城市低速公交工况运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械技术领域的系统及其驱动方法,具体是一种汽车混合动力驱动系统及其驱动方法。
背景技术
混合动力汽车是一种由发动机和电机系统共同驱动的车辆。其中发动机可以是使用多种燃料的内燃机;电机既可以是永磁电机也可以是励磁电机,既可以是同步电机也可以是异步电机;离合器可以是手动离合器也可以是电控自动离合器;变速箱可以是手动变速箱也可以是自动变速箱。采用手动变速箱和手动离合器的混合动力汽车,由于发动机通过离合器和变速箱直接和驱动轴连接,车辆不能实现纯电的驱动模式和串联的驱动模式,所以,对于低速跟车工况(如城市公交工况下),就不能够最优的实现燃油消耗最小化。而且在纯电驱动工况,传统的空调、转向和制动装置由于没有动力也会无法工作。
经对现有技术的文献检索发现,美国专利US 2004/0147365 A1和CN200310119680.0披露了一种在变速箱前后采用双电机的混合动力结构,这些技术未以实现利用手动变速箱对车辆的纯电动驱动功能进行机构上的实质性改进。其它混联式混合动力系统的现有技术则大多数集中在电控连续变速系统结构上,也都存在结构和控制都较复杂的问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足,提供一种混联式混合动力驱动系统及其驱动方法,使得在传统安装手动变速箱的汽车上实现全模式的混联式驱动,在最大节约制造和改造成本的基础上实现节约燃油和保证整车动力性能的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明所述的混联式混合动力驱动系统,包括:车轮、主减速器、手动变速箱、耦合器、驱动电机、离合器、集成起动发电机(以下简称ISG)、发动机、驱动电机控制器、ISG电机控制器、电池管理系统、电池,其中车轮和主减速器相连,离合器通过变速箱和主减速器连接,驱动电机通过耦合机构和主减速器连接,发动机和ISG同轴连接,ISG和离合器主动盘连接,手动变速箱输入轴和离合器从动盘连接,电池依次通过电池管理系统、驱电机控制器和驱动电机连接,电池依次通过电池管理系统、ISG电机控制器和ISG电机连接。
本发明系统结构中的手动变速箱取消传统手动变速箱一档的耦合齿轮对,这样当变速箱在一档时,中断了发动机到车轮之间的动力传递机械路线。此时,唯一能给车辆提供驱动动力的是与变速箱输出轴连接的驱动电机,从而实现利用驱动电机实现纯电动起步和驱动。
取消一档耦合齿轮的变速箱(以五档齿轮变速箱为例说明,其他形式的变速箱依此类推)结构特征可描述如下:
此变速器由传动机构和变速机构组成,分为五个前进档和一个倒档。传动机构用齿轮啮合传动,不同档位的齿轮传动比不等,以实现不同的传动比,在一定车速下通过不同档位调节发动机转速。本变速箱将一档啮合齿轮去掉,当变速箱在一档时,由于一档主动轮和从动轮之间不能传递动力,变速箱输入轴到输出轴之间的机械连接在此被中断,发动机和ISG的动力不能够通过该手动变速箱传递至车轮。此时,发动机和ISG可以组成一个车载发电机组发电或者停止运行,驱动电机则提供动力驱动车轮。
由于驱动电机和变速箱在二轴耦合,与车轮机械连接。区别与传统的车辆结构,驱动电机输出的扭矩在任何时候都可以提供给车轮,所以该系统可以实现在换挡过程中仍然由驱动电机驱动车辆,即变速箱输出轴到车轮之间的动力传递不中断。
本发明所述的混联式混合动力驱动系统的驱动方法,包括以下多种模式:
(1)纯电驱动模式:在车辆起步或车辆低负荷工作、电池SOC值不低、手动变速箱置一档时,驱动电机单独工作,电池为驱动电机提供电能。
(2)串联驱动模式:在车辆起步或车辆低负荷工作、电池SOC值低、手动变速箱置一档时,ISG先起动发动机,然后切换进入发电模式,驱动电机驱动车辆,驱动电机的电能由ISG和电池共同提供。
(3)发动机驱动模式:在车辆功率需求在发动机效率优化区域或电池没有足够的电能提供给电机工作、手动变速箱不在空档和一档时,发动机单独驱动车辆。
(4)并联驱动模式:在车辆需求功率大于发动机效率优化功率、电池SOC值不低、手动变速箱不在空档位和一档时,发动机、驱动电机和ISG电机(2)共同驱动车辆。
(5)行车充电模式:在车辆运行时,如果车辆需求功率小于发动机效率优化功率、电池SOC值低、手动变速箱不在空档位和一档,则发动机驱动车辆,驱动电机作发电机工作吸收能量至电池。
(6)停车充电模式:在停车时,如果手动变速箱在空档位和一档、电池SOC值低,则ISG先起动发动机,然后切换进入发电模式将电能充到电池中。
(7)再生制动能量回馈模式:在减速或滑行时,驱动电机作发电机用吸收车辆动能至电池。
本发明驱动方法的创造性在于纯电驱动模式、串联驱动模式和停车充电模式中,以及各种模式的控制规则。在这三种模式中,都是变速器位于一档或空档时,发动机与输出轴之间的机械连接断开导致动力传递被中断,此时,只能由驱动电机或ISG来起动或驱动车辆,实现了完整意义上的电驱动、电起动而没有影响汽车的整体动力性,同时却提高了车辆的燃油经济性,这种模式功能的实现来源于变速器结构上的创新。而对于其他模式,当变速箱在非一档和空档档位的时候,发动机、驱动电机和车轮之间机械联接,二者动力可以通过传动系统传递到车轮,可由整车控制器根据驾驶员行为和电池SOC值确定整车的能量分配,以实现除纯电和串联驱动外的其它驱动模式。
与现有混联式混合动力汽车相比,本发明具有以下显著效果:通过对手动变速箱档位的控制,可以在一档断开发动机与驱动系统的机械联接,这样发动机和ISG电机构成一个高效的车载式发电机组,在车辆低速跟车(如城市公交工况)让发动机始终工作在一个低油耗低排放的优化工作点或者停机,整车的驱动动力由大功率的驱动电机提供。当变速箱在非一档和空档档位的时候,发动机、驱动电机和车轮之间机械联接,二者动力可以通过传动系统传递到车轮,可由整车控制器根据驾驶员行为和电池SOC值确定整车的能量分配,以实现除纯电和串联驱动外的其它驱动模式。该方案沿用了大量传统汽车的动力系统,这样可以降低大量制造成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是该手动变速箱结构示意图;
图3是一档时的行驶模式控制规则图;
图4是非一档SOC≤SOC_low时的行驶模式控制规则图;
图5是非一档SOC≥SOC_low时的行驶模式控制规则图;
图6是纯电驱动模式的能量传递路线图;
图7串联驱动模式的能量传递路线图;
图8发动机驱动模式的能量传递路线图;
图9并联驱动模式的能量传递路线图;
图10行车发电模式的能量传递路线图;
图11停车充电模式的能量传递路线图;
图12能量回馈模式的能量传递路线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例混联式混合动力驱动系统,包括发动机1、集成起动发电机(ISG)2、离合器3、手动变速箱4、耦合器5、驱动电机6、驱动电机控制器7、车轮8、电池管理系统9、电池10、集成起动发电机(ISG)控制器11、主减速器12,其中:发动机1和集成起动发电机2同轴连接,集成起动发电机2和离合器3主动盘连接,手动变速箱4输入轴和离合器3从动盘连接。离合器3通过变速箱4和主减速器12连接,驱动电机6通过耦合机构5和主减速器12连接,车轮8和主减速器12相连,电池10通过电缆与电池管理系统9连接,电池管理系统9通过电缆分别与驱动电机控制器7和集成起动发电机控制器11,驱动电机控制器7和ISG电机控制器11在电气原理上属于并联关系。图中实线表示的是机械连接,虚线表示的是电气连接。
发动机1作为动力单元,其动力可以通过机械系统直接传递给车轮8,也可以通过集成起动发电机2、ISG电机管理系统11和电池管理系统9以电能的方式给电池10充电,或直接提供给驱动机电机管理系统7用来给驱动电机6供电。集成起动发电机2主要是用来利用电池10的电能起动发动机1和吸收发动机1的能量发电。驱动电机6则用来驱动车轮8和回收车辆制动时的动能。混合动力车辆各种模式下的工作过程在图6~12中介绍。
图2所示,T1为手动变速箱第一轴,T2为第二轴。图中虚线表示的是手动变速箱中间轴一档齿轮G1,该齿轮对被取消,以实现中断一档时的齿轮箱机械传动。当然,也可以采用取消第一轴一档齿轮G2的办法,或者采用两者都取消的办法。
如图3所示,SOC_low指电池正常工作时的最低SOC值。在一档时,如果电池的SOC值低于SOC_low车辆以串联行驶模式运行,如果电池的SOC值高于SOC_low车辆以纯电动方式运行。
如图4所示,SOC_high指电池正常工作时的最高SOC值。图中以A线和B线代表两种可供选择的控制规则,下面分别以A规则和B规则表示。在非一档且SOC值小于SOC_low时,可以按照A规则和B规则工作。图4和图5中的Treq表示折算到发动机输出轴的车辆需求扭矩,Te_max表示发动机最大输出扭矩,Te_opt_high表示发动机优化效率区域最高扭矩,Te_opt_low表示发动机优化效率区域最低扭矩,ne表示发动机转速。
其中A规则为:
(1)如果Treq小于零,车辆以制动能量回馈模式运行;
(2)如果Treq在Te_opt_high和零之间,则按照行车充电模式运行;
(3)如果Treq大于Te_opt_high,则按照发动机驱动模式运行;
其中B规则为:
(1)如果Treq小于零,车辆以制动能量回馈模式运行;
(2)如果Treq在Te_opt_high和零之间,则按照行车充电模式运行;
(3)如果Treq在Te_opt_high和Te_max之间,则按照发动机驱动模式运行;
(4)如果Treq大于Te_max,则按照发动机驱动模式运行;
如图5所示,图中C线代表电池SOC处于SOC_high和SOC_low之间时的控制规则,D线表示电池SOC大于SOC_high时的控制规则。下面分别以C规则和D规则表示。在非一档且SOC值大于SOC_low时,可以按图中C规则和D规则工作。
其中C规则为:
(1)如果Treq小于零,车辆以制动能量回馈模式运行;
(2)如果Treq在Te_opt_low和零之间,则按照行车充电模式运行;
(3)如果Treq在Te_opt_high和Te_opt_low之间,则按照发动机驱动模式运行;
(4)如果Treq大于Te_opt_high,则按照并联驱动模式运行;
其中D规则是:
(5)如果Treq小于零,车辆以制动能量回馈模式运行;
(6)如果Treq在Te_opt_high和零之间,则按照发动机驱动模式运行;
(7)如果Treq大于Te_opt_high,则按照并联驱动模式运行;
如图6所示,在纯电动驱动模式时,发动机停机,电池10供给驱动电机6能量,驱动电机6的输出能量依次经过耦合机构5、驱动桥12传递给车轮8。
如图7所示,在串联驱动模式时,发动机1的输出能量经过ISG电机2的发电作用给电池10充电或不通过电池10直接提供给驱动电机6,电池10的能量提供给驱动电机6,从驱动电机6输出的能量依次经过耦合机构5、驱动桥12传递给车轮8。
如图8所示,在发动机驱动模式下,发动机1输出的能量依次经过ISG2、离合器3、变速箱4和驱动桥12传递到车轮8。在这个过程中,ISG2和驱动电机6的转子空转,二者都不做功。
如图9所示,在并联驱动模式下,第一能量传递路径为:发动机1输出的能量经过ISG2、离合器3和变速箱4;第二能量传递路径为:电池10到电池管理系统9,再到驱动电机控制器7,再到驱动电机6。两股能量通过耦合机构5耦合后,再经过驱动桥12传递至车轮8。
如图10所示,在行车发电模式下,来自发动机1的能量经过ISG2、离合器3和变速箱4后,通过耦合机构5分成两路分别通过驱动电机6发电给电池10充电和通过驱动桥12传递给车轮8。
如图11所示,在停车充电模式下,发动机1输出的能量通过ISG2发电,通过ISG控制器11和电池管理系统9充电至电池10。
如图12所示,在制动能量回馈模式下,来自车轮8的车辆动能经过驱动桥12、耦合机构5、驱动电机6、电机控制器7、电池管理系统9给电池10充电。
Claims (4)
1、一种混联式混合动力驱动系统,包括发动机(1)、集成起动发电机(2)、离合器(3)、手动变速箱(4)、耦合器(5)、驱动电机(6)、驱动电机控制器(7)、车轮(8)、电池管理系统(9)、电池(10)、主减速器(12)、集成起动发电机控制器(11),其中所述车轮(8)和主减速器(12)相连,离合器(3)通过变速箱(4)和主减速器(12)连接,其特征在于:所述手动变速箱(4)取消一档的传动齿轮,即手动变速箱一档位的传动比为零,发动机(1)和集成起动发电机(2)同轴连接,集成起动发电机(2)和离合器(3)主动盘连接,手动变速箱(4)输入轴和离合器(3)从动盘连接,离合器(3)通过变速箱(4)和主减速器(12)连接,驱动电机(6)通过耦合机构(5)和主减速器(12)连接,车轮(8)和主减速器(12)相连,电池(10)通过电缆与电池管理系统(9)连接,电池管理系统(9)通过电缆分别与驱动电机控制器(7)和集成起动发电机控制器(11)。
2、根据权利要求1所述的混联式混合动力驱动系统,其特征是,所述驱动电机控制器(7)和集成起动发电机控制器(11)并联。
3、一种混联式混合动力驱动系统的驱动方法,其特征在于:包括纯电驱动模式,串联驱动模式,发动机驱动模式,并联驱动模式,行车充电模式,停车充电模式,再生制动能量回馈模式,其中,
所述纯电驱动模式为:在车辆起步或车辆低负荷工作、电池(10)SOC值不低、手动变速箱(4)置一档时,驱动电机(6)单独工作,电池(10)为驱动电机(6)提供电能;
所述串联驱动模式为:在车辆起步或车辆低负荷工作、电池(10)SOC值低、手动变速箱(4)置一档时,集成起动发电机(2)先起动发动机(1),然后切换进入发电模式,驱动电机(6)驱动车辆,驱动电机(6)的电能由集成起动发电机(2)和电池(10)共同提供;
所述发动机驱动模式为:在车辆功率需求在发动机(1)效率优化区域或电池(10)没有足够的电能提供给电机工作、手动变速箱(4)不在空档和一档时,发动机(1)单独驱动车辆;
所述并联驱动模式为:在车辆需求功率大于发动机(1)效率优化功率、电池(10)SOC值不低、手动变速箱(4)不在空档位和一档时,发动机(1)、驱动电机(6)和集成起动发电机(2)共同驱动车辆;
所述行车充电模式为:在车辆运行时,如果车辆需求功率小于发动机(1)效率优化功率、电池(10)SOC值低、手动变速箱(4)不在空档位和一档,则发动机(1)驱动车辆,驱动电机(6)作发电机工作吸收能量至电池(10);
所述停车充电模式为:在停车时,如果手动变速箱(4)在空档位和一档、电池(10)SOC值低,则集成起动发电机(2)先起动发动机(1),然后切换进入发电模式将电能充到电池(10)中;
所述再生制动能量回馈模式为:在减速或滑行时,驱动电机(6)作发电机用吸收车辆动能至电池(10)。
4、根据权利要求2所述的混联式混合动力驱动系统的驱动方法,其特征是,在换档的过程中,驱动电机(6)输出动力,实现换档过程中的变速箱输出轴到车轮之间的动力传递不中断。
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