CN101982332B - 一种起动发电机的混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种起动发电机混合动力系统，包括发动机(1)、飞轮盘(2)、换挡变速机构(3)、起动发电机(5)和控制器(4)。起动发电机(5)由电机，一组行星齿轮(10)，位于太阳轮(54)与行星架(53)之间的超越离合器(56)，位于外齿圈(52)和起动发电机壳体(59)之间的单向离合器(55)，升速齿轮(51)组成。起动发电机(5)通过升速齿轮(51)与飞轮盘(2)啮合；飞轮盘(2)的一端和发动机(1)连接，另一端与换挡变速机构(3)连接，换挡变速机构内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构(3)通过输出轴(6)将动力传递到车轮。控制器(4)检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，并控制电机运行。

Description

一种起动发电机的混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种基于起动发电机的混合动力系统，特别涉及一种带传动和齿轮传动的起动发电机轻度混合动力系统。

背景技术

基于带传动起动发电机混合动力系统又称BSG(Belt Starter-Generator)，BSG技术取代了传统的起动机、发电机。BSG电机结构紧凑，它可以直接装在原来的发电机(或者起动机)的位置，对原车的改动非常小，易于实现，是现阶段产业化比较现实的技术。在BSG驱动单元的控制下，起动发动机时作电动机用；发动机高于点火速后，发动机能自行工作，电机则由电动机状态转为发电状态，作发电机用，实现了内燃机启动及替代原发电机的功能；BSG系统融合了电机、现代电力电子、数字信号处理、现代控制等技术，集传统汽车的起动和发电功能于一体，具有突出的起/停控制快、能量再生利用好、动力辅助性强等优点，尤其在提高车辆机动性能、节约燃油、减少排放方面效果明显，是国际公认的传统汽车、混合动力汽车的发动机部件必然发展方向。而BSG存在的问题在于起动时为了得到低速大转矩，电机通过降速齿轮与飞轮盘相连，从而转矩增加，但在发动机高速运行时，电机速度将会非常高，因此BSG混合动力系统对电机的弱磁倍率要求很高，常常超过10，难以实现全范围的高效运行。为了解决这个问题，很多厂家采用混合励磁电机，通过调节励磁实现全速范围内的高效运行，但是大多混合励磁电机需要电刷提供励磁电流，电机的可靠性和维护性较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有起动发电机混合动力系统中电机调速范围宽，设计困难，成本高的问题，同时提高电机全速范围内的系统效率，提出一种新型的起动发电机混合动力系统。

本发明起动发电机混合动力系统由发动机、飞轮盘、换挡变速机构、起动发电机和控制器构成。起动发电机由一个电机，一组行星齿轮，以及位于太阳轮与行星架之间的超越离合器，位于外齿圈和起动发电机壳体之间的单向离合器，位于飞轮盘和行星齿轮之间的升速齿轮组成。起动发电机的行星齿轮太阳轮通过升速齿轮与飞轮盘啮合，飞轮盘的一端和发动机连接，另一端与换挡变速机构连接，换挡变速机构内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构通过输出轴将动力传递到车轮。行星齿轮的外齿圈通过单向离合器与起动发电机壳体相连，使得外齿圈仅可单向旋转。行星齿轮的行星架与起动发电机转子相连。行星齿轮的行星架与太阳轮之间安装有超越离合器，当太阳轮的转速低于行星轮的转速时，超越离合器结合，使得太阳轮的转速不能低于行星轮的转速。控制器通过电机控制线与电机的定子绕组相连，向起动发电机提供交流电，驱动电机电动或发电，同时起动发电机的电流位置等信号通过线缆传递到起动发电机的控制器；另一方面，控制器通过采样线与换挡变速机构相连，检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，根据档位信号和离合器状态，确定起动发电机的工作状态，并控制电机的运行。

本发明的工作原理和工作过程描述如下：

假定发动机的旋转方向为顺时针方向，则发动机只能顺时针方向旋转，转速为nice。则行星齿轮太阳轮只能逆时针方向旋转，转速ns＞0，定义逆时针方向为正方向。所安装的单向离合器保证外齿圈正方向旋转(逆时针)，转速nr＞0，行星架既可正向旋转，也可反向旋转，转速为nc，与电机的转速nm相等，行星架与太阳轮之间的超越离合器使得太阳轮的转速ns总是大于或者等于行星架的转速nc。发动机的飞轮盘与变速齿轮之间的速比为N1，即nice/ns＝N1＜1；行星齿轮当外齿圈固定时，太阳轮与行星架之间的速比为N2，即ns/nc＝N2＞1。

控制器每隔固定的时间检测档位信息和离合器信息，采样间隔一般为10us，并存储每个采样周期的档位信息和离合器状态信息。汽车由停止起步时，首先离合分离，再进行换挡，因此如果检测到换挡变速机构由空档切换到非空档状态且离合器抬起时发出起动信号，起动发电机逆时针旋转，作为电动机运行，由于此时发动机转速为零或者接近于零(必然小于点火转速)，因此将使电机的转速nm＞太阳轮的转速ns，此时超越离合器结合，保证nm＝ns，即nc＝ns，行星架与太阳轮同速旋转，根据行星齿轮的理论可知，外齿圈转速nr＝nc＝ns。发动机飞轮盘得到的起动转矩Tice＝Ts*ns/nice＝Ts/N1。汽车停止时，首先离合分离，再换为空挡，因此如果检测到换挡变速机构由非空档切换到空档状态且离合器抬起时发出停止信号，起动发电机关闭，发动机在阻力作用下减速，直到停止。

如果检测到的发动机转速nice大于发动机怠速，且档位为非空档，则说明发动机正常工作，起动发电机应工作在发电状态，控制起动发电机转矩为顺时针方向，nm＞0，电机处于发电状态，根据nice/N1＞＝nm*N2，nr＜0，单向离合器结合，保证nr＝0。此时电机转速为nm＝nice/N1/N2。如果N1＝N2，则发动机转速和电机转速相同。

通过上述分析可见，本发明的装置实现了起动时，电动机降速增矩起动发动机，发电时以接近于1的速比进行发电，保证电机的转速较低。

由此可见，本发明提出的集成起动发电机混合动力系统具有如下明显的技术优势：

1.系统结构简单，在原有的起动发电机上增加一套行星齿轮系统和一个单向离合器，一个超越离合器；

2.行星齿轮系统根据不同的状态自动切换齿比，无需人为控制，降低了控制难度；

3.电机所需的转速降低，弱磁倍率降低，设计难度减小，成本降低。

附图说明

图1是本发明起动发电机混合动力系统，图中：1发动机，2飞轮盘，3换挡变速机构，4起动发电机控制器，5起动发电机，6输出轴，7电机控制线，8采样线，9电机，10行星齿轮，51升速齿轮，52外齿圈，53行星架，54太阳轮，55单向离合器，56超越离合器，57电机转子，58电机定子，59起动发电机壳体；

图2是本发明起动发电机的一种具体实现方式；图中：5起动发电机，9电机，10行星齿轮，51升速齿轮，52外齿圈，53行星架，54太阳轮，55单向离合器，56超越离合器，57电机转子，58电机定子，59起动发电机壳体；

图3是本发明起动发电机起动工况连接关系；

图4是本发明起动发电机发电工况连接关系。

具体实施方式

如图1所示，本发明起动发电机混合动力系统由发动机1、飞轮盘2、换挡变速机构3、起动发电机5和控制器4构成，起动发电机5由一个电机9，一组行星齿轮10，以及位于太阳轮54与行星架53之间的超越离合器56，位于外齿圈52和起动发电机壳体59之间的单向离合器55，以及位于飞轮盘2和行星齿轮10之间的升速齿轮51组成。起动发电机5的行星齿轮太阳轮54通过升速齿轮51与飞轮盘2啮合，飞轮盘2的一端和发动机1连接，另一端与换挡变速机构连接，换挡变速机构内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构通过输出轴6将动力传递到车轮。行星齿轮10的外齿圈52通过单向离合器55与起动发电机壳体59相连，使得外齿圈52仅可单向旋转；行星齿轮10的行星架53与起动发电机5的电机转子57相连，行星架53与太阳轮54之间安装有超越离合器56，当太阳轮54的转速低于行星架53的转速时，超越离合器56结合，使得太阳轮54的转速不能低于行星架53的转速。控制器4通过电机控制线7与电机9的定子绕组相连，向电机9提供交流电，驱动电机9电动或发电，同时起动发电机5的电流和位置信号通过电机控制线7传递到起动发电机5的控制器4。另一方面，控制器4通过采样线8与换挡变速机构3相连，检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，根据档位信号和离合器状态，确定起动发电机5的工作状态，并控制电机9的运行。

假定发动机1的旋转方向为顺时针方向，则发动机1只能顺时针方向旋转，转速为nice。则行星齿轮10的太阳轮54只能逆时针方向旋转，转速ns＞0，定义逆时针方向为正方向。所安装的单向离合器55保证外齿圈52正方向旋转(逆时针)，转速nr＞0，行星架53即可正向旋转，也可反向旋转，转速为nc，与电机9的转速相等nm，行星架53与太阳轮54之间的超越离合器56使得ns总是大于或者等于nc。发动机1的飞轮盘2与升速齿轮51之间的速比为N1，即nice/ns＝N1＜1；行星齿轮10的外齿圈52固定时，太阳轮54与行星架53之间的速比为N2，即ns/nc＝N2＞1。

控制器4每隔固定的时间(通常为10us)检测换挡变速机构3的档位信息和离合器信息，存储每个采样周期的档位信息和离合器状态信息。汽车由停止起步时，首先离合器分离，起动发动机，再进行换挡，结合离合器。因此如果控制器4检测到换挡变速机构3由空档切换到非空档状态且离合器分离时发出起动信号，控制电机9逆时针旋转，电动运行，由于此时发动机1转速为零或者接近于零(必然小于点火转速)，因此将使nm＞ns，此时超越离合器56结合，保证nm＝ns，即nc＝ns，行星架53与太阳轮54同速旋转，根据行星齿轮的理论可知，外齿圈52转速nr＝nc＝ns。此时简化的电机9和发动机1的连接关系为图3所示。发动机1的飞轮盘2得到的起动转矩Tice＝Ts*ns/nice＝Ts/N1，由于N1是小于1的，因此电机9的转矩通过升速齿轮51的降速而增加，发动机1得到较大的起动转矩。汽车停止时，首先离合器分离，再换为空挡，离合器结合，因此如果控制器4检测到换挡变速机构3由非空档切换到空档状态且离合器抬起时发出停止信号，起动发电机5关闭，发动机1在阻力作用下减速，直到停止。

如果控制器4检测到的发动机1转速nice大于发动机怠速，且档位为非空档，则说明发动机1正常工作，起动发电机5应工作在发电状态，控制电机9转矩为顺时针方向，nm＞0，电机9处于发电状态，根据nice/N1＞＝nm*N2，nr＜0，单向离合器55结合，保证nr＝0。此时简化的电机9和发动机1的连接关系为图4所示。此时电机9转速为nm＝nice/N1/N2。如果N1＝N2，则发动机1转速和电机9转速相同。

通过上述分析可见，本发明的装置实现了起动时，电动机9降速增矩起动发动机1，发电时以接近于1的速比进行发电，保证电机9的转速较低。

Claims (2)

1.一种起动发电机混合动力系统，其特征在于：所述的混合动力系统由发动机（1）、飞轮盘（2）、换挡变速机构（3）、起动发电机（5）和控制器（4）构成；起动发电机（5）由一个电机，一组行星齿轮（10），以及位于太阳轮（54）与行星架（53）之间的超越离合器（56），位于外齿圈（52）和起动发电机壳体（59）之间的单向离合器（55）和升速齿轮（51）组成；行星齿轮（10）的外齿圈（52）通过单向离合器（55）与起动发电机壳体相连（59），使得外齿圈（52）仅可单向旋转；行星齿轮（10）的行星架（53）与起动发电机转子（57）相连；行星齿轮（10）的行星架（53）与太阳轮（54）之间安装有超越离合器（56），当太阳轮（54）的转速低于行星轮（53）的转速时，超越离合器（56）结合，使得太阳轮（54）的转速不低于行星轮（53）的转速；起动发电机(5)通过升速齿轮(51)与飞轮盘(2)啮合；飞轮盘（2）的一端和发动机（1）连接，另一端与换挡变速机构（3）连接，换挡变速机构（3）内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构（3）通过输出轴（6）将动力传递到车轮 ，控制器（4）通过电机控制线（7）与电机的定子绕组相连，通过采样线（8）与换挡变速机构（3）相连，检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，并控制电机运行。 

2.按照权利要求1所述的起动发电机混合动力系统，其特征在于：当所述的控制器（4）检测到换挡变速机构（3）处于空档且离合器抬起时，发出起动信号，起动时超越离合器（56）自动结合，太阳轮（54）与行星架（53）同速旋转，将电机转矩传递到升速齿轮（51），起动发动机；当控制器（4）检测到换挡变速机构（3）档位由非空档变为空档，发动机（1）停止工作；其他工况下起动发电机（5）发电，发电时，单向离合器（55）结合，发动机（1）的转矩经过齿轮升速后，再经过行星齿轮（10）降速传递到电机，电机发电运行；起动发电机（5）在起动和发电工况自动实现两档切换。 

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