CN102029888A - 一种机电液混合驱动车辆动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机电液混合驱动车辆动力系统，属于车辆节能减排技术领域。该车辆传动系统属于内燃机、电动机、液压泵/马达混合驱动的动力系统，并应用电动机、液压泵马达的无级调速特性，使其直接与主减和差速器相连，无需离合器和变速箱就能实现车辆的驱动行驶，减轻了驾驶员的操作强度；车辆在常规行驶中，由蓄电池-电动机驱动运行，而液压蓄能器-变量泵/马达只用于回收和再利用车辆的制动能量，从而降低电动系统的电荷冲击，提高蓄电池的使用寿命；而在车辆长时间运行蓄电池能量不足时，采用高效最优状态运行的小型内燃机带动发电机给蓄电池充电，能有效减少内燃机带来的能源消耗和尾气排放，并保证了车辆的行驶里程。

Description

一种机电液混合驱动车辆动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合驱动车辆动力系统，具体为内燃机、电动机、液压泵/马达混合驱动的车辆传动系统，蓄电池-电动机为主要动力源，液压系统用于回收和再利用车辆的制动能量，内燃机只在蓄电池能量不足时以最优工作状态运行并带动发电机给蓄电池充电，属于车辆节能减排技术领域。

背景技术

纯电动汽车、混合动力电动车能有效的实现车辆的节能减排，越来越受到人们的重视，成为当前新能源汽车最主要的研究方向。纯电动汽车以电能作为动力源，不燃烧燃油，达到了真正的车辆零排放。同样，混合动力电动车采用辅助能源，所燃烧的燃油较少，排放就较少，并且在混合动力驱动系统中，可使内燃机工作在高效的最优工作区，稳定的工况使得对其排放气体的成分易于控制；而目前所提出的插电式混合动力电动车，在短行程内，与纯电动车无异，只有在长时间运行蓄电池能量下降到一定限值之后，才启用小型内燃机带动发电机给蓄电池充电，同样此时内燃机工作在高效的最优工作区。纯电动汽车、插电式混合动力电动车使用外界能源对蓄电池进行预充电，相对于传统车辆的移动排放源，与电动车辆相关的排放是由发电站等固定的排放源引起的，这样便于对排放进行处理，同时电能的来源更具有多样性，避免了对化石燃油的依赖。实际上电动车辆的应用要早于内燃机车辆，但制约其发展的是蓄电池技术，如何提高蓄电池的能量密度、延长使用寿命、降低使用成本是目前电动车辆的关键。伴随着在车载电源的不断研发和发展，电动车辆迅速地发展，并可能成为我国汽车发展的突破口。电动车辆一般能在制动时实现制动能量的回收，再生制动能量的回收和再利用有利于电动车辆的节能以及延长其行驶里程，但是在制动过程中的短时间内，受制于能量的转换形式，一般电动车辆只能回收10-15％的制动能量，且控制复杂，更重要的是频繁地对蓄电池充放电，增加了蓄电池和电机的负荷和冲击，降低了蓄电池的使用寿命；而在车辆起步和加速过程中，较大的输出电流增加了蓄电池的热负荷，同时很大程度上消耗了电能，缩短了电动车辆的行驶里程，也在很大程度上降低了蓄电池的使用寿命。纯电动汽车的唯一动力源是蓄电池，蓄电池的容量和工作性能限制了电动汽车的行驶里程，使得其只适合于短距离内的行驶，并且对充电站等基础设施依赖性很强。

采用液压泵/马达-液压蓄能器可以很好地实现车辆制动能量的回收和再利用，车辆在制动过程中，液压泵/马达工作在泵模式下，把低压蓄能器中的液压油泵入高压蓄能器中，实现制动能量的回收；而在起步和加速过程中，液压泵/马达工作在马达模式下，高压蓄能器中的高压油释放到低压蓄能器中，带动液压泵/马达运转进而驱动车辆行驶。相关研究表明，因液压系统具有较大的功率密度，能在短时间内回收车辆的制动能量，最高回收比率达77％以上。

本发明提出一种综合利用相对能量密度较高的电动系统和相对功率密度较高的液压系统的车辆传动系统，并在车辆长时间运行蓄电池能量下降到一定限值后，采用小型内燃机带动发电机给蓄电池充电，机电液三者相结合并使其工作在各自的高效工作区，达到节能减排的目的。

发明内容

本发明的目的是综合利用电动系统和液压系统，提高车辆制动能量的回收和再利用能力，降低电动系统的电荷冲击和电能消耗，以提升蓄电池-电动机的工作性能和使用寿命，在蓄电池能量不足时采用高效最优工作状态运行的内燃机带动发电机给蓄电池充电，以确保车辆的续航里程，最终达到车辆节能减排的目的。

本发明的方案是车辆在常规运行中采用蓄电池-电动机驱动车辆行驶，在车辆减速制动过程中，采用液压泵/马达-液压蓄能器回收车辆的制动能量，在车辆起步过程中，采用液压蓄能器-液压泵/马达提供驱动动力，在车辆加速过程中，由液压蓄能器-液压泵/马达提供辅助驱动动力，当车辆长时间行驶蓄电池能量不足时，起动内燃机，并带动发电机给蓄电池充电，而在车辆停放时，采用外界能源对蓄电池进行充电。

本发明提供了一种机电液混合驱动车辆动力系统，主要包括：内燃机1、内燃机控制单元2、发电机3、发电机控制单元4、蓄电池5、蓄电池能量管理单元6、外部充电接口7、低压蓄能器8、泵/马达变量机构9、液压泵/马达10、高压蓄能器11、压力传感器12、电动机13、电动机控制单元14、主减和差速器15、驱动轮16、系统控制单元17、车速传感器18、制动踏板位置传感器19、加速踏板位置传感器20、来自加速踏板位置传感器20的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器19的制动踏板位置信号b、来自车速传感器18的车速信号c、电动机控制信号d、来自压力传感器12的高压蓄能器压力信号e、液压泵/马达10的变量控制信号f、来自蓄电池能量管理单元6的蓄电池状态信号g、内燃机1运行的触发信号h、内燃机1的转速信号i、内燃机1的节气门位置控制信号j、发电机控制信号k。其中内燃机1、发电机3、蓄电池5和电动机13分别由内燃机控制单元2、发电机控制单元4、蓄电池能量管理单元6和电动机控制单元14进行监测与控制，系统控制单元17则用于实现各子系统的协调工作；电动机13的输出轴直接与主减和差速器14相连，用于实现车辆的常规驱动行驶，其中电动机13的输入端经电动机控制单元14与蓄电池5相连；液压泵/马达10与电动机13同轴相连，而液压泵/马达10的进排口分别与高压蓄能器11和低压蓄能器8相连，用于回收和再利用车辆的制动能量，其中液压泵/马达10的排量由泵/马达变量机构9进行实时调整，以适应车辆的行驶需求；内燃机1与发电机3同轴相连，其中发电机的输出端经发电机控制单元4与蓄电池5相连，当车辆长时间行驶蓄电池5的能量下降到一定限值后，内燃机1带动发电机3工作并给蓄电池5充电，而车辆停放时，采用外界充电设备经外部充电接口7给蓄电池5充电。

上述机电液混合驱动车辆动力系统的蓄电池5、电动机13、高压蓄能器11、低压蓄能器8、液压泵/马达10的冷却方式均采用风冷。

利用上述机电液混合驱动车辆动力系统，实现其控制方法的步骤如下：

车辆在起步过程中，系统控制单元17通过接收加速踏板位置信号a、制动踏板位置信号b、车速信号c判定车辆处于起步过程，若此时高压蓄能器压力处于系统工作压力下限以上，则系统控制单元17发出指令f，使泵/马达变量机构9调整液压泵/马达10工作为马达模式，采用液压泵/马达10驱动车辆起步行驶，实现车辆制动能量的再利用，并且电动机控制单元14根据系统控制单元还发出的指令d，控制电动机13处于空转状态，该过程直到高压蓄能器11压力下降到下限才结束；若此时高压蓄能器压力处于系统工作压力下限及以下水平时，系统控制单元17发出指令f，使泵/马达变量机构9调节液压泵/马达10的排量为零，液压泵/马达10空转，并且电动机控制单元14根据指令d控制电动机13输出合适的功率，单独采用电动机驱动车辆起步行驶。

车辆正常行驶过程中，泵/马达变量机构9调整液压泵/马达10空转，电动机控制单元14控制电动机13输出合适的功率驱动车辆行驶，该过程与纯电动汽车相似。当蓄电池5能量下降到一定限值后，系统控制单元17接收来自蓄电池能量管理单元6的信号g时，发出指令k，使发电机控制单元4控制发电机3工作为电动机模式并带动内燃机1运转，当系统控制单元17检测到内燃机转速达到800rpm以上时，发出指令h使内燃机控制单元2进行喷油点火，并调节节气门位置控制内燃机1工作在高效最优工作状态，此时发电机控制单元4根据信号k使发电机3处于发电状态，并使其发电功率与内燃机1的输出功率相匹配。这时，内燃机1工作在高效最优工作状态带动发电机3发电并给蓄电池5充电，蓄电池5的电能供给电动机13进而驱动车辆行驶。当蓄电池5能量达到上限时，系统控制单元17发出指令h，使内燃机控制单元2控制内燃机1停止喷油点火，从而使内燃机1停止工作。

车辆在制动过程中，系统控制单元17通过接收加速踏板位置信号a、制动踏板位置信号b、车速信号c判断车辆处于制动过程，则发出指令d，使电动机控制单元14控制电动机13处于空转状态，同时泵/马达变量机构9根据信号f使液压泵/马达10工作在泵模式下，并调整液压泵/马达10至合适排量，此时车辆的惯性带动液压泵/马达10工作，并把低压蓄能器8中的液压油泵入高压蓄能器11中，实现车辆制动能量的液压能回收。

车辆在加速过程中，应优先使用液压能提供辅助动力，此时若高压蓄能器11的压力处于下限以上水平时，系统控制单元17根据加速踏板位置信号a、车速信号c，发出指令f，使泵/马达变量机构9调节液压泵/马达10工作在马达模式下，并输出额外的加速功率驱动车辆加速，同时电动机控制单元14根据信号d控制电动机13保持原有输出功率；若高压蓄能器11的压力下降到下限以下水平时，泵/马达变量机构9根据信号f使调节液压泵/马达10的排量至零，使液压泵/马达10空转，车辆单独由电动机13驱动加速行驶。

本发明可取得如下有益效果：由于电动机13和液压泵/马达10均能实现无级调速，故在动力源输出端与主减和差速器15之间可不采用离合器和变速箱，在一定能程度上降低了制造成本，并减轻了驾驶员的操作强度，重要的是能实现车辆动力无间断性的传递，提高了车辆的动力性；液压系统具有较大的功率密度，在制动过程的短时间内，能有效地回收车辆的制动能量，控制简单且提高了蓄电池5电能的利用率和续航里程，同时避免了采用电动机/发电机回收车辆制动能量时对蓄电池的频繁充放电，特别是在起步过程中，极大程度上地降低蓄电池5的负荷，进而延长了蓄电池的使用寿命；在长时间行驶并且蓄电池5能量降到一定限值后，采用内燃机1带动发电机工作给蓄电池5充电，保证了车辆的行驶里程，避免了车辆在途中蓄电池能量不足时而停驶，同时内燃机1运行在高效最优状态，油耗率低，尾气排放少，而内燃机1起动时由发电机3带动至较高转速后才进行喷油点火，能有效降低内燃机1起动时有害物的排放；在加速过程中由液压泵/马达10提供额外动力，使电动机13能经常运行在稳定工况下，降低了变工况对电路系统的冲击，提升了蓄电池-电动机的工作性能和使用寿命。

附图说明

图1一种机电液混合驱动车辆动力系统原理简图

图中：1.内燃机、2.内燃机控制单元、3.发电机、4.发电机控制单元、5.蓄电池、6.蓄电池能量管理单元、7.外部充电接口、8.低压蓄能器、9.泵/马达变量机构、10.液压泵/马达、11.高压蓄能器、12.压力传感器、13.电动机、14.电动机控制单元、15.主减和差速器、16.驱动轮、17.系统控制单元、18.车速传感器、19.制动踏板位置传感器、20.加速踏板位置传感器、a.来自加速踏板位置传感器20的加速踏板位置信号、b.来自制动踏板位置传感器19的制动踏板位置信号、c.来自车速传感器18的车速信号、d.电动机控制信号、e.来自压力传感器12的高压蓄能器压力信号、f.液压泵/马达10的变量控制信号、g.来自蓄电池能量管理单元6的蓄电池状态信号、h.内燃机1运行的触发信号、i.内燃机1的转速信号、j.内燃机1的节气门位置控制信号、k.发电机控制信号。

具体实施方式

参照图1，内燃机1、内燃机控制单元2、发电机3、发电机控制单元4、蓄电池5、蓄电池能量管理单元6、外部充电接口7、低压蓄能器8、泵/马达变量机构9、液压泵/马达10、高压蓄能器11、压力传感器12、电动机13、电动机控制单元14、主减和差速器15、驱动轮16、系统控制单元17、车速传感器18、制动踏板位置传感器19、加速踏板位置传感器20、来自加速踏板位置传感器20的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器19的制动踏板位置信号b、来自车速传感器18的车速信号c、电动机控制信号d、来自压力传感器12的高压蓄能器压力信号e、液压泵/马达10的变量控制信号f、来自蓄电池能量管理单元6的蓄电池状态信号g、内燃机1运行的触发信号h、内燃机1的转速信号i、内燃机1的节气门位置控制信号j、发电机控制信号k。其中内燃机1、发电机3、蓄电池5和电动机13分别由内燃机控制单元2、发电机控制单元4、蓄电池能量管理单元6和电动机控制单元14进行监测与控制，系统控制单元17则用于实现各子系统的协调工作；电动机13的输出轴直接与主减和差速器14相连，用于实现车辆的常规驱动行驶；液压泵/马达10与电动机13同轴相连，而液压泵/马达10的进排口分别与高压蓄能器11和低压蓄能器8相连，用于回收和再利用车辆的制动能量，其中液压泵/马达10的排量由泵/马达变量机构9进行实时调整，以适应车辆的行驶需求；当车辆长时间行驶蓄电池5的能量下降到一定限值后，内燃机1带动发电机3工作并给蓄电池5充电，而车辆停放时，采用外界充电设备经外部充电接口7给蓄电池5充电。

本专利所涉及的机电液混合驱动车辆动力系统，为内燃机1、电动机13、液压泵/马达10所组成的混合动力系统。液压系统只用于车辆起步和车辆加速时的辅助助力，不用于单独驱动车辆正常行驶，因此液压泵/马达10的最大排量和高压蓄能器11、低压蓄能器8的容量，以及液压系统的最高工作压力均可以较小，以降低液压系统的重量和密封强度；因内燃机1只用于带动发电机3发电，可根据蓄电池5的具体容量选择合适的发电机3，并使内燃机1高效最优工作状态时的输出功率与发电机3的额定功率相等，以最大程度的提高发电系统的效率；由于电动机13和液压泵/马达10均能实现无级调速，故在本专利所述的机电液混合动力系统中，无需离合器和变速箱，电动机13和液压泵/马达10的输出轴直接与主减和差速器15相连，或者通过齿轮机构进行动力耦合，从而驱动车辆行驶。

本专利所述的电动机13和液压泵/马达10同轴相连，之间不需要离合器，但亦可通过齿轮机构或其他动力连接机构进行动力耦合。本专利所述的液压泵/马达10空转，实质上是通过泵/马达变量机构9调整液压泵/马达10的斜盘角开度为零，使得液压泵/马达10的排量为零，从而使液压泵/马达10不消耗液压能进行动力输出，也不利用其他能源进行泵油，其输出轴仅随转动轴旋转；当电动机13空转时，实质上是通过电动机控制单元14断开电动机13的励磁电流或绕组线圈，改变电动机13的磁场，使其不消耗电能进行动力输出，也不利用其他能量进行发电，其转子部件实现动力的传递。

车辆起步时，系统首先判断高压蓄能器11压力是否处于最低工作压力下限之上：若处于下限之上，则采用液压系统单独驱动车辆起步，此时泵/马达变量机构9根据信号f调整液压泵马达10的排量，以满足驾驶员的起步需求，该液压能驱动过程直到高压蓄能器11压力下降到最低工作压力下限之后才结束；若高压蓄能器11压力处于下限及以下水平，则采用电动机13驱动车辆起步。

车辆一般正常行驶时，本专利所涉及的机电液混合驱动车辆与纯电动汽车相似。当蓄电池5能量下降到一定限值后，由内燃机1带动发电机3给蓄电池5充电。该过程首先使发电机3工作为电动机模式，并带动内燃机1运转，当内燃机转速达到800rpm以后，系统控制单元17才发出指令h，使内燃机控制单元2控制内燃机1运行至高效最优工作状态，此时发电机3工作为发电机模式，并且发电机控制单元4控制发电机3使其发电功率与内燃机1的输出功率相匹配。

车辆减速制动时，通过液压系统回收车辆的制动能量并将其储存在高压蓄能器11中，系统根据制动踏板位置信号b、车速信号c，精确控制液压泵/马达10的排量，以达到驾驶员的制动需求，而当高压蓄能器11压力达到最高工作压力上限时，液压油通过液压系统中的溢流阀流回低压蓄能器8。当车辆进行紧急制动或制动踏板位置越过某一限值时，机械摩擦式制动器参与工作，并与液压系统同时提供制动力矩，实现车辆的联合制动。

车辆加速时，系统首先判断高压蓄能器11压力是否处于最低工作压力下限之上：若处于下限之上，则采用液压系统提供加速动力，此时泵/马达变量机构9根据信号f调整液压泵马达10的排量，以满足驾驶员的加速需求，直到高压蓄能器11压力下降到最低工作压力下限之后才结束液压能助力加速；若高压蓄能器11压力处于下限及以下水平，则采用电动机驱动车辆加速行驶。

另外，需要指出的是，本专利所涉及的液压混合电动车辆传动系统无需离合器和变速箱就能达到行驶需求，但在动力源与主减之间采用离合器和变速箱，以及由本专利所能简单联想到的结构均在本专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种机电液混合驱动车辆动力系统，主要包括：内燃机(1)、内燃机控制单元(2)、发电机(3)、发电机控制单元(4)、蓄电池(5)、蓄电池能量管理单元(6)、外部充电接口(7)、低压蓄能器(8)、泵/马达变量机构(9)、液压泵/马达(10)、高压蓄能器(11)、压力传感器(12)、电动机(13)、电动机控制单元(14)、主减和差速器(15)、驱动轮(16)、系统控制单元(17)、车速传感器(18)、制动踏板位置传感器(19)、加速踏板位置传感器(20)，其特征在于内燃机(1)、发电机(3)、蓄电池(5)和电动机(13)分别由内燃机控制单元(2)、发电机控制单元(4)、蓄电池能量管理单元(6)和电动机控制单元(14)进行监测与控制，系统控制单元(17)则用于实现各子系统的协调工作；电动机(13)的输出轴直接与主减和差速器(14)相连，其中电动机(13)的输入端经电动机控制单元(14)与蓄电池(5)相连；液压泵/马达(10)与电动机(13)同轴相连，而液压泵/马达(10)的进排口分别与高压蓄能器(11)和低压蓄能器(8)相连，其中液压泵/马达(10)的排量由泵/马达变量机构(9)进行实时调整；内燃机(1)与发电机(3)同轴相连，其中发电机的输出端经发电机控制单元(4)与蓄电池(5)相连，当车辆长时间行驶蓄电池(5)的能量下降到一定限值后，内燃机(1)带动发电机(3)工作并给蓄电池(5)充电，而车辆停放时，采用外界充电设备经外部充电接口(7)给蓄电池(5)充电。

2.根据权利要求1所述的一种机电液混合驱动车辆动力系统，其特征在于所述的蓄电池(5)、电动机(13)、高压蓄能器(11)、低压蓄能器(8)、液压泵/马达(10)的冷却方式均采用风冷。

3.利用权利要求1所述的机电液混合驱动车辆动力系统进行控制的方法，其特征在于在车辆处于下述四种不同的工作状态时，分别按照如下的步骤进行控制：

状态一：车辆在起步过程中，系统控制单元(17)通过接收加速踏板位置信号(a)、制动踏板位置信号(b)、车速信号(c)判定车辆处于起步过程，若此时高压蓄能器压力处于系统工作压力下限以上，则系统控制单元(17)发出指令(f)，使泵/马达变量机构(9)调整液压泵/马达(10)工作为马达模式，采用液压泵/马达(10)驱动车辆起步行驶，实现车辆制动能量的再利用，并且电动机控制单元(14)根据系统控制单元还发出的指令(d)，控制电动机(13)处于空转状态，该过程直到高压蓄能器(11)压力下降到下限才结束；若此时高压蓄能器压力处于系统工作压力下限及以下水平时，系统控制单元(17)发出指令(f)，使泵/马达变量机构(9)调节液压泵/马达(10)的排量为零，液压泵/马达(10)空转，并且电动机控制单元(14)根据指令(d)控制电动机(13)输出合适的功率，单独采用电动机驱动车辆起步行驶；

状态二：车辆正常行驶过程中，泵/马达变量机构(9)调整液压泵/马达(10)空转，电动机控制单元(14)控制电动机(13)输出合适的功率驱动车辆行驶，该过程与纯电动汽车相似；当蓄电池(5)能量下降到一定限值后，系统控制单元(17)接收来自蓄电池能量管理单元(6)的信号(g)时，发出指令(k)，使发电机控制单元(4)控制发电机(3)工作为电动机模式并带动内燃机(1)运转，当系统控制单元(17)检测到内燃机转速达到800rpm以上时，发出指令(h)使内燃机控制单元(2)进行喷油点火，并调节节气门位置控制内燃机(1)工作在高效最优工作状态，此时发电机控制单元(4)根据信号(k)使发电机(3)处于发电状态，并使其发电功率与内燃机(1)的输出功率相匹配；这时，内燃机(1)工作在高效最优工作状态带动发电机(3)发电并给蓄电池(5)充电，蓄电池(5)的电能供给电动机(13)进而驱动车辆行驶；当蓄电池(5)能量达到上限时，系统控制单元(17)发出指令(h)，使内燃机控制单元(2)控制内燃机(1)停止喷油点火，从而使内燃机(1)停止工作；

状态三：车辆在制动过程中，系统控制单元(17)通过接收加速踏板位置信号(a)、制动踏板位置信号(b)、车速信号(c)判断车辆处于制动过程，则发出指令(d)，使电动机控制单元(14)控制电动机(13)处于空转状态，同时泵/马达变量机构(9)根据信号(f)使液压泵/马达(10)工作在泵模式下，并调整液压泵/马达(10)至合适排量，此时车辆的惯性带动液压泵/马达(10)工作，并把低压蓄能器(8)中的液压油泵入高压蓄能器(11)中，实现车辆制动能量的液压能回收；

状态四：车辆在加速过程中，应优先使用液压能提供辅助动力，此时若高压蓄能器(11)的压力处于下限以上水平时，系统控制单元(17)根据加速踏板位置信号(a)、车速信号(c)，发出指令(f)，使泵/马达变量机构(9)调节液压泵/马达(10)工作在马达模式下，并输出额外的加速功率驱动车辆加速，同时电动机控制单元(14)根据信号(d)控制电动机(13)保持原有输出功率；若高压蓄能器(11)的压力下降到下限以下水平时，泵/马达变量机构(9)根据信号(f)使调节液压泵/马达(10)的排量至零，使液压泵/马达(10)空转，车辆单独由电动机(13)驱动加速行驶。

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