CN101380889A - 混合动力汽车电子无级调速系统 - Google Patents

Abstract

混合动力汽车电子无级调速系统，包括发动机、离合器、双定子永磁无刷电机、电功率动力模块、蓄电池动力模块、驱动电机、主减速器、驱动车轮和中央控制单元。本发明燃油经济性好，尾气排放低，运行模式多，适应性好，由于采用双定子永磁无刷电机作为功率分配装置，有效解决了原行星齿轮变速器的传输损耗和齿轮噪音等机械结构所固有的弊端；本发明结构简单，采用电气联接，可以合理的布置整车结构，有效利用空间，提高乘座舒适度；由于本发明系统由中央控制单元帮助调节整个系统的功率，不仅能充分利用发动机提供的功率，而且汽车在各种巡航模式时，发动机均能运行在高效区，有效地提高了整车效率。

Description

混合动力汽车电子无级调速系统

技术领域

本发明属于汽车动力技术领域，为一种混合动力汽车电子无级调速系统。

背景技术

近年来，原油的价格不断攀升，伴随着国民经济的快速增长，我国汽车数量正以世界上最快的速度增加。在这种汽车数量急剧增多的形势下，混合动力汽车以其燃油效率高、尾气排量低的优点受到了广泛的关注。目前，先进的混合动力汽车的电子无级调速系统多采用电子无级变速器，其核心装置为行星齿轮结构。行星齿轮结构较好地解决了发动机功率分配以及驱动转矩合成的问题。然而，和所有机械齿轮一样，行星齿轮存在着传输损耗和齿轮噪音的缺点，而且必须人为定期地给齿轮施加润滑剂加以维护。为了根本解决这种复合机械结构所产生的弊端，一些研究人员采用了电气联结的方式来克服这个问题，其关键技术是使用一个双转子电机来实现功率分配，这种方式不需要行星齿轮就能够实现引擎和电机之间的能量传送。以双转子电机为核心的电子无级调速系统虽然克服了行星齿轮所固有的弊端，同时也产生了一个新的问题：这种系统中所采用的双转子电机必须通过滑环和碳制电刷从转子中获取能量。众所周知，滑环和碳制电刷将产生额外的损耗，而且同样需要定期维护。因此，研制开发一种既不需要行星齿轮机械结构，又不采用滑环和炭制电刷，而且高效率、控制方便、运行稳定的新型电子无级调速系统成为目前混合动力汽车的电子无级调速系统领域的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有混合动力汽车的电子无级调速系统的行星齿轮存在传输损耗和齿轮噪音的缺点，而且必须定期维护；为克服复合机械结构弊端而采用的有电刷双转子电机会产生额外的损耗，而且同样需要定期维护；需要一种克服现有电子无级调速系统弊端，能够高效率、控制方便、运行稳定的电子无级调速系统。

本发明的技术方案是：混合动力汽车电子无级调速系统，包括发动机、离合器、驱动电机、主减速器和驱动车轮，还包括双定子永磁无刷电机、电功率动力模块、蓄电池动力模块和中央控制单元，发动机通过离合器连接双定子永磁无刷电机，电功率动力模块、蓄电池动力模块并联在双定子永磁无刷电机与驱动电机之间，驱动电机经主减速器连接驱动车轮，中央控制单元分别与发动机、电功率动力模块、蓄电池动力模块、驱动电机相连；其中双定子永磁无刷电机由杯形转子、内定子绕组、外定子绕组组成，发动机的功率分配到内定子绕组和外定子绕组，内定子绕组连接蓄电池动力模块，外定子绕组连接电功率动力模块。

其中，电功率动力模块向驱动电机输送外定子绕组的电功率，蓄电池模块包括电池组，向驱动电机输送化学能动力并存储输入的电功率。

本发明电功率动力模块包括整流器、第一逆变器和功率开关，整流器和第一逆变器串联，再与功率开关并联在外定子绕组与驱动电机之间，中央控制单元连接第一逆变器和功率开关。蓄电池模块由电池组、第二逆变器和第三逆变器串联组成，电池组通过第二逆变器连接内定子绕组，通过第三逆变器连接驱动电机；电池组、第二逆变器和第三逆变器分别与中央控制单元相连，电池组可经由第二逆变器和第三逆变器存储或输出电能。

本发明驱动电机可采用普通感应电机或双绕组感应电机或永磁同步电机或其它可调速电机。

工作时，发动机驱动双定子永磁无刷电机的杯形转子以角速度ω_E旋转，通过电磁耦合作用，内定子绕组和外定子绕组共同获得一个总的电功率Pe，该电功率Pe将分为二部分，一部分由内定子绕组传输到蓄电池模块，以化学功率的形式储存于电池组中，称为化学功率流；另一部分以电功率的形式，由外定子绕组、电功率动力模块传递到驱动电机，称为电功率流。将电功率Pe分配到内定子绕组和外定子绕组，可分配内定子绕组和外定子绕组功率相等或选择其它的合理比例；所述化学功率流和电功率流的分配，可根据驱动电机的需求，由中央控制单元通过与内定子绕组相连接的蓄电池动力模块的第二逆变器，以及与外定子绕组相连接的电功率动力模块来控制。其控制方法是：因为中央控制单元分别与发动机和驱动电机相连，当双定子永磁无刷电机提供的电功率Pe超过驱动电机所需要的功率时，中央控制单元控制蓄电池动力模块的电池组经由第二逆变器从内定子绕组抽取能量，电功率Pe超出的部分被分配到内定子绕组，即化学功率流，并以化学功率的形式储存于电池组中，起到能量缓冲作用；当发动机提供的电功率Pe低于驱动电机所需要的功率时，中央控制单元控制电功率动力模块将发动机提供的电功率Pe全部输送到驱动电机，电功率Pe被全部分配到外定子绕组，同时蓄电池动力模块的电池组经由第三逆变器向驱动电机提供能量，此时，驱动电机所需的能量由电池组提供的化学能以及外定子绕组提供的电功率共同组成。

本发明可以通过电功率动力模块使用发动机驱动模式或通过蓄电池模块使用纯电动模式，还有多种混合动力运行模式，设车辆可以运行在巡航基速V_B1以下、巡航基速V_B1～V_B2、巡航基速VB2以上三种状态，V_B1<V_B2，且巡航基速V_B1～V_B2状态对应发动机自然状态下的高效运行区，也就是汽车处于巡航基速V_B1～V_B2状态时，发动机不需要其它调节就处于高效运行区，各混合动力运行模式为：

(1)当车辆运行在巡航基速V_B1以下模式时，速度较低，发动机提供的功率流经过外定子绕组、整流器、第一逆变器注入驱动电机，中央控制单元通过控制第一逆变器的频率来调节驱动电机转速，使汽车以给定速度运行，同时，蓄电池动力模块在中央控制单元的管理下也可向驱动电机注入功率，实现混合动力运行；

(2)当车辆运行在巡航基速V_B1～V_B2模式时，发动机本身已处于高效运行区，为了降低电功率动力模块的整流器及第一逆变器中，功率器件的高频开关损耗和提高系统效率，在中央控制单元的控制下，发动机功率流经过外定子绕组及功率开关直接注入驱动电机，中央控制单元根据给定转速控制发动机转速，该运行模式可以使发动机功率流直接传递到驱动电机，同时，蓄电池动力模块在中央控制单元的管理下可向驱动电机注入功率，实现混合动力运行；

(3)当车辆运行在巡航基速V_B2以上模式时，速度较高，为使发动机继续运行在高效区，发动机功率流经过外定子绕组、整流器、第一逆变器注入驱动电机，中央控制单元通过控制第一逆变器的频率来调节驱动电机转速，使汽车以给定速度运行，同时，蓄电池动力模块在中央控制单元的管理下可向驱动电机注入功率，实现混合动力运行。

这里，多种混合动力模式与汽车的巡航速度有联系，为了提高调速系统的效率，不同的巡航速度对应不同的模式，主要是为保持发动机始终运行在高效区，同时减少不必要的损耗。在V_B1以下模式时，或V_B2以上模式时，发动机功率流不经过外定子绕组及功率开关直接注入驱动电机，这是因为发动机工作时，带动双定子永磁无刷电机的表面贴有永磁体的杯形转子旋转，从而在内、外定子绕组感应出具有一定频率的电压；发动机的转速越高，内、外定子绕组中电压的频率越高，发动机的转速越低，内、外定子绕组中电压的频率越低，而驱动电机的同步转速由定子绕组电压的频率决定，定子绕组电压的频率高，则驱动电机转速高，汽车速度高，反之亦然。发动机运行在高效区的转速是一定的，则对应的驱动电机转速也是一定的，想要保持发动机的高效运行同时实现不同的巡航速度，就需要加以适当的调节，本发明在电功率动力模块设计了第一逆变器，通过控制第一逆变器的频率来调节驱动电机转速，实现发动机高效运行区下不同的汽车行驶速度。而当汽车的巡航速度处于发动机高效运行区对应的速度范围时，此时不需要第一逆变器的调节，为了降低整流器及第一逆变器中功率器件的高频开关损耗和提高系统效率，让功率开关开通，第一逆变器停止工作，外定子绕组中感应的电压就会直接施加在驱动电机上，使得驱动电机旋转，带动驱动车轮旋转。因此，本发明为了保持行驶过程中发动机总是运行在高效区，当发动机运行速度低于和巡航基速V_B1对应的发动机转速，以及高于和巡航基速V_B2对应的发动机转速时，功率开关关断，能量流通路径为整流器至第一逆变器至驱动电机，通过控制第一逆变器的频率来调节汽车的速度；当发动机运行速度介于和巡航基速V_B1对应的发动机转速以及和巡航基速V_B2对应的发动机转速之间时，能量流通路径为直接经过功率开关至驱动电机，由此保持发动机始终运行在高效区，同时使得汽车运行在需要的巡航速区，而且有效降低了第一逆变器功率器件的开关损耗，从而整车效率大大气高。

本发明既取消了原行星齿轮变速器及炭质电刷、滑环等机械结构，又可以使发动机一直工作在高效区域，从而使得整车效率显著提高。使用双定子永磁无刷电机作为发动机的功率分配装置，通过协调分配内定子绕组以及外定子绕组功率，使得发动机功率被合理分配给驱动电机和电池组，从而实现双动力源的协调运行。

本发明具有燃油经济性好，尾气排放低的优点，运行模式多，适应性好，由于采用双定子永磁无刷电机作为功率分配装置，有效解决了原行星齿轮变速器的传输损耗和齿轮噪音等机械结构所固有的弊端；而且，本发明结构简单，采用电气联接，可以更为合理地布置整车结构，增加有效利用空间，提高乘座舒适度；由于本发明系统结构的独特性，由中央控制单元帮助调节整个系统的功率，不仅能通过功率分配充分利用发动机提供的功率，而且汽车在各种行驶速度时，发动机均能运行在高效区，有效地提高了整车效率。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

具体实施方式

如图1，本发明包括发动机1、离合器2、双定子永磁无刷电机16、电功率动力模块17、蓄电池动力模块18、驱动电机12、主减速器13、驱动车轮14和中央控制单元15，发动机1通过离合器2连接双定子永磁无刷电机16，电功率动力模块17、蓄电池动力模块18并联在双定子永磁无刷电机16与驱动电机12之间，驱动电机12经主减速器13连接驱动车轮14，中央控制单元15分别与发动机1、电功率动力模块17、蓄电池动力模块18、驱动电机12相连；其中双定子永磁无刷电机16由杯形转子3、内定子绕组4、外定子绕组5组成，发动机1的功率分配到内定子绕组4和外定子绕组5，内定子绕组4连接蓄电池动力模块18，外定子绕组5连接电功率动力模块17，电功率动力模块17向驱动电机12输送外定子绕组5的电功率，蓄电池模块18包括电池组10，向驱动电机12输送化学能动力并存储输入的电功率。

电功率动力模块17包括整流器6、第一逆变器7和功率开关8，整流器6和第一逆变器7串联，再与功率开关8并联在外定子绕组5与驱动电机12之间，中央控制单元15连接第一逆变器7和功率开关8。蓄电池模块18由电池组10，第二逆变器9和第三逆变器11串联组成，电池组10通过第二逆变器9连接内定子绕组4，通过第三逆变器11连接驱动电机12；电池组10、第二逆变器9和第三逆变器11分别与中央控制单元15相连，电池组10可通过第二逆变器9和第三逆变器11存储或输出电能。驱动电机12可采用感应电机或双绕组感应电机或永磁同步电机或其它可调速电机。

以一套基于双定子永磁无刷电机的混合动力汽车的电子无级调速系统为例，发动机1经离合器2与功率分配装置双定子永磁无刷电机16相连，双定子永磁无刷电机16的外定子绕组5和内定子绕组4按1.5：1配置容量，整流器6采用二极管不控整流桥，第一逆变器7、第二逆变器9、第三逆变器11均采用IGBT为功率元件，功率开关8为双向晶闸管模块，驱动电机12为三相感应电动机，中央控制单元15采用DSP微处理器。

本发明的运行模式包括：

1).启动发动机模式：

电池组10提供功率流，经过第二逆变器9传递至内定子绕组4，离合器2结合，发动机启动；

2).纯电动模式：

在启动或对排放要求严格的市区行驶时使用该模式。电池组10提供功率流，经过第三逆变器11传递至驱动电机12，经过主减速器13，驱动车轮14驱动车辆行驶；

3)发动机驱动模式：

该种模式有三种情况，设车辆可以运行在巡航基速V_B1以下、巡航基速V_B1～V_B2、巡航基速V_B2以上三种状态，V_B1<V_B2，且巡航基速V_B1～V_B2状态对应发动机自然状态下的高效运行区，也就是汽车处于巡航基速V_B1～V_B2状态时，发动机不需要其它调节就处于高效运行区，三种情况分别如下：

基速V_B1以下：发动机提供的功率流路径为：发动机1—离合器2—外定子绕组5—整流器6—第一逆变器7—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；

基速V_B1～基速V_B2：发动机提供的功率流路径为：发动机1—离合器2—外定子绕组5—功率开关8—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；

基速V_B2以上：发动机提供的功率流路径为：发动机1—离合器2—外定子绕组5—整流器6—第一逆变器7—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；

4)混合驱动模式：

在加速行驶或爬坡行驶等需要较大功率时使用混合驱动模式，该种模式有三种情况，分别如下：

基速_VB1以下：发动机提供的功率流路径有两条：一是发动机1—离合器2—外定子绕组5—整流器6—第一逆变器7—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；二是电池组10—第三逆变器11—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；

基速V_B1～基速V_B2：发动机提供的功率流路径有两条：一是发动机1—离合器2—外定子绕组5—功率开关8—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；二是电池组10—第三逆变器11—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；

基速V_B2以上：发动机提供的功率流路径有两条：一是发动机1—离合器2—外定子绕组5—整流器6—第一逆变器7—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；二是电池组10—第三逆变器11—驱动电机12—主减速器13—驱动车轮14；

5)再生制动模式：

车辆减速或制动时，车辆动能转化为电能为电池组10充电。其能量传递路径为：驱动车轮14—主减速器13—驱动电机12—第三逆变器11—电池组10；发动机1功率全部分配给电池组10充电，其能量传递路径为：发动机1—离合器2—内定子绕组4—第二逆变器9—电池组10；

6)驻车发电模式：

电池组10电量不足时，可由该种模式补充电池组能量。其功率流路径为：发动机1—离合器2—内定子绕组4—第二逆变器9—电池组10。

本发明的特征是取消了行星齿轮变速器等机械结构，采用双定子永磁电机作为功率分配装置，其优点主要体现在两个方面，一方面，在实现混合动力汽车电子无级调速的同时，能够使发动机稳定运行在高效区，而且，当车辆的行使速度在巡航基速_VB1与巡航基速V_B2之间时，还可以实现双定子永磁电机与驱动电机之间的能量直接传递，有效地降低了不同形式能量间的转换损失以及功率变换器的电损耗；另一方面，由于双定子永磁电机有内定子绕组及外定子绕组两套定子绕组，故可以将多余的发动机能量经由内定子绕组储存到电池组等储能元件里，在必要的模式条件下再释放出补充驱动电机能量的不足，因而可进一步提高整车效率。

Claims (5)

1、混合动力汽车电子无级调速系统，包括发动机(1)、离合器(2)、驱动电机(12)、主减速器(13)和驱动车轮(14)，其特征是还包括双定子永磁无刷电机(16)、电功率动力模块(17)、蓄电池动力模块(18)和中央控制单元(15)，发动机(1)通过离合器(2)连接双定子永磁无刷电机(16)，电功率动力模块(17)、蓄电池动力模块(18)并联在双定子永磁无刷电机(16)与驱动电机(12)之间，驱动电机(12)经主减速器(13)连接驱动车轮(14)，中央控制单元(15)分别与发动机(1)、电功率动力模块(17)、蓄电池动力模块(18)、驱动电机(12)相连；其中双定子永磁无刷电机(16)由杯形转子(3)、内定子绕组(4)、外定子绕组(5)组成，发动机(1)的功率分配到内定子绕组(4)和外定子绕组(5)，内定子绕组(4)连接蓄电池动力模块(18)，外定子绕组(5)连接电功率动力模块(17)。

2、根据权利要求1所述的混合动力汽车电子无级调速系统，其特征是电功率动力模块(17)包括整流器(6)、第一逆变器(7)和功率开关(8)，整流器(6)和第一逆变器(7)串联，再与功率开关(8)并联在外定子绕组(5)与驱动电机(12)之间，中央控制单元(15)连接第一逆变器(7)和功率开关(8)。

3、根据权利要求1或2所述的混合动力汽车电子无级调速系统，其特征是蓄电池模块(18)由电池组(10)、第二逆变器(9)和第三逆变器(11)串联组成，电池组(10)通过第二逆变器(9)连接内定子绕组(4)，通过第三逆变器(11)连接驱动电机(12)；电池组(10)、第二逆变器(9)和第三逆变器(11)分别与中央控制单元(15)相连，电池组(10)经由第二逆变器(9)和第三逆变器(11)存储或输出电能。

4、根据权利要求1或2所述的混合动力汽车电子无级调速系统，其特征是驱动电机(12)为普通感应电机或双绕组感应电机或永磁同步电机或其它可调速电机。

5、根据权利要求3所述的混合动力汽车电子无级调速系统，其特征是驱动电机(12)为普通感应电机或双绕组感应电机或永磁同步电机或其它可调速电机。

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