CN102616128A - 一种多动力单元耦合的混合动力总成及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多动力单元耦合的混合动力总成及其控制方法，包括辅助动力及发电单元（1）、离合器（2）、驱动电机（3）、变速箱（4）、启动发电一体机驱动控制器（6）、驱动电机驱动控制器（7）、动力总线（8）、蓄电池（9）、充电接口（10）。通过控制离合器的接合与分离，实现混合动力总成的纯电动运行状态、纯内燃机运行状态、增程式运行状态及并行运行状态。本发明能提高混合动力总成效率、降低单个动力单元要求，增加混合动力适用性、提高可靠性。

Description

一种多动力单元耦合的混合动力总成及其控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力总成驱动技术领域。

背景技术

现代交通工具（车、船）和机械设备用驱动装置（工程机械、农业机械）大量采用汽油和柴油燃料作为能源，排放对环境的影响日益加剧，不可再生能源的过度开采，世界也将无法承受。

能源与环境关系到国家的经济命脉和人类的可持续发展。节能减排、降低人类对化石能源的过度依赖，发展基于驱动技术的重大升级和转型，是现代工业应对能源安全、气候变化和结构升级问题的重要突破口。

纯电动交通工具作为新能源交通一个重要发展方向具有广阔的前景，但在电池技术没有取得显著改善、充换电标准及基础设施没有得到统一和大规模实施以及没有一种好的运营模式前，纯电动交通工具存在较大的运用障碍，混合动力交通工具是向纯电动交通工具过渡的一个公认的主流技术方向之一。

目前国内外众多企业和科研院所在汽车动力的升级转型中做了大量积极的研究探索，取得了一些成果和突破。如中国专利CN102133856公开了一种采用双电机转速耦合驱动方式的双动力耦合驱动总成，但它采用行星齿轮转速耦合作为动力的耦合装置，在满足车辆在行驶过程中的功率需求时存在一定的局限性。中国专利 CN101020410公开了一种混合动力汽车用的动力耦合装置，但该装置是采用传统的差速器，中国专利CN 101920654 A公开了一种双电机多离合器混合动力系统，但该种动力系统由于采用多离合器及一级或两级减速装置，增加了系统的复杂度和故障率。中国专利CN 101966821 A公开了一种采用一次电池或二次电池为增程电源的方式实现纯电动载荷的增程，但该种方式在现有的电池技术水平下存在一定的难度；中国专利CN 101870264 A公开了一种采用微型燃气轮发电机组发电增程，中国专利CN 101734251 A公开了一种采用发动机带动发电机发电增程，但这种燃油或燃气型增程式电动载荷本质上是一种串联式动力总成，发动机不直接参与驱动，在长途高速行驶时，由于存在多次能源转换，整体效率偏低。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，提供一种能提高混合动力总成效率、降低单个动力单元要求，增加混合动力适用性、提高可靠性的多动力单元耦合的混合动力总成。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种多动力单元耦合的混合动力总成，包括辅助动力及发电单元、离合器、驱动电机、变速箱、启动发电一体机驱动控制器、驱动电机驱动控制器、动力总线、蓄电池、充电接口；辅助动力及发电单元包括内燃机和启动发电一体机，内燃机的飞轮直接与启动发电一体机的转子相连，启动发电一体机的转子通过离合器直接与驱动电机的转子输入端相连，驱动电机转子的输出端与变速箱的输入端相连，变速箱的输出端与载荷相连，向载荷提供动力，通过控制离合器的接合与分离，实现混合动力总成在纯电动运行状态、纯内燃机运行状态、增程式运行状态及并行运行状态下的驱动电机与辅助动力及发电单元并行驱动、纯驱动电机驱动、纯内燃机驱动、纯启动发电一体机驱动、辅助动力及发电单元驱动、内燃机与驱动电机并行驱动、启动发电一体机与驱动电机耦合驱动七种驱动模式；启动发电一体机、驱动电机分别通过启动发电一体机驱动控制器、驱动电机驱动控制器连接到动力总线上，在动力总线上还连接蓄电池和充电接口，充电装置与充电接口连接，通过380V交流电但不局限于380V交流电给蓄电池充电。

本发明所述内燃机为燃油型发动机或燃气型发动机或混合燃料型发动机。

本发明所述的多动力单元耦合的混合动力总成结构简单，在驱动电机与辅助动力及发电单元并行驱动时，可以提供最大的驱动功率或最大的驱动力矩；纯驱动电机驱动时，变速箱可以根据行驶工况适时工作在不同档位上使驱动电机工作在较高效的工作区，提高了驱动电机的效率，减少污染物排放。在速度、功率、扭矩处于一定范围内的平稳工作阶段，可以使用纯内燃机驱动方式，在其高效工作区工作。内燃机发出的动力直接输出到载荷上，避免了多次能量的转换，提高了混合动力总成的总体能量转换效率，降低排放，提升经济性。在纯启动发电一体机驱动时，可以提供功率、扭矩与纯驱动电机有所差异但同样安静、清洁的驱动；在辅助动力及发电单元驱动时，可以协调内燃机和启动发电一体机工作，输出适中的功率和扭矩，同时在动力性、经济性、排放等多种性能要求上找到较好的平衡点。内燃机与驱动电机并行驱动时，同样可以协调内燃机和驱动电机工作，取得与辅助动力及发电单元驱动时相同的效果，但参数可以调整的有所差异；启动发电一体机与驱动电机耦合驱动时，可以在安静、清洁、节能的条件下，在很宽的转速范围内提供较大的功率和扭矩。由于混合动力总成可以高效地运行在纯电动运行状态、纯内燃机运行状态、增程式运行状态及并行运行状态，使得混合动力总成可以高效地工作在频繁启停和速度载荷多变的工况，以及连续稳定运行的工况，提高了所述的混合动力总成的适用范围。由于有内燃机、启动发电一体机及驱动电机三个动力单元且都可以单独或任意组合地输出动力驱动载荷，任何一个或两个动力单元出现故障，可由其它动力单元驱动载荷，不仅降低单个动力单元的要求，而且提高了动力总成的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

   图中，1—辅助动力及发电单元，2—离合器，3—驱动电机，4—变速箱，5—载荷，6—启动发电一体机驱动控制器，7—驱动电机驱动控制器，8—动力总线，9—蓄电池，10—充电接口，11—内燃机，12—启动发电一体机，13—充电装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括辅助动力及发电单元1、离合器2、驱动电机3、变速箱4、启动发电一体机驱动控制器6、驱动电机驱动控制器7、动力总线8、蓄电池9、充电接口10；辅助动力及发电单元1包括内燃机11和启动发电一体机12，内燃机11的飞轮直接与启动发电一体机12的转子相连，启动发电一体机12的转子通过离合器2直接与驱动电机3的转子输入端相连，驱动电机转子的输出端与变速箱4的输入端相连，变速箱4的输出端与载荷5相连，向载荷5提供动力，通过控制离合器2的接合与分离，实现驱动电机3与辅助动力及发电单元1并行驱动、纯驱动电机3驱动、纯内燃机11驱动、纯启动发电一体机12驱动、辅助动力及发电单元1驱动、内燃机11与驱动电机3并行驱动、启动发电一体机12与驱动电机3耦合驱动七种驱动模式。所述载荷5通常为车辆的驱动轮或船只的驱动桨或机械设备的执行运行机构。启动发电一体机12、驱动电机3分别通过启动发电一体机驱动控制器6、驱动电机驱动控制器7连接到动力总线8上，在动力总线8上还连接蓄电池9和充电接口10，充电装置13与充电接口10连接，通过380V交流电但不局限于380V交流电给蓄电池9充电。所述内燃机11可用燃油型发动机，也可用燃气型发动机，还可用混合燃料型发动机。蓄电池9用于向驱动电机3及启动发电一体机12提供电能和存储辅助动力及发电单元1转换的电能及载荷制动回馈的电能。本多动力单元耦合的混合动力总成电功率比不小于50%。

本发明所述及的辅助动力及发电单元1、离合器2、驱动电机3、变速箱4、载荷5、启动发电一体机驱动控制器6、驱动电机驱动控制器、动力总线8、蓄电池9、充电接口10、内燃机11、启动发电一体机12、充电装置13等均可采用现有技术装置，也可自行设计制造。

采用本发明的多动力单元耦合的混合动力总成，通过不同的控制方法，可以对载荷5分别实现纯电动运行状态、纯内燃机运行状态、增程式运行状态及并行运行状态。

纯电动运行状态的控制方法有三种：一是离合器2断开，辅助动力及发电单元1停止工作，由驱动电机3直接驱动载荷5运行；二是离合器2接合，驱动电机3和内燃机11不工作，由启动发电一体机12直接驱动载荷5运行；三是离合器2接合，而内燃机11停止工作，启动发电一体机12和驱动电机3耦合共同驱动载荷5运行。

纯内燃机运行状态的控制方法是：一是内燃机11启动，离合器2接合，启动发电一体机12和驱动电机3不工作，内燃机11驱动载荷5运行；二是内燃机11启动，离合器2接合，驱动电机3不工作，内燃机11驱动载荷5运行，同时根据驱动载荷后剩余动力的情况及蓄电池9的荷电状态，内燃机11驱动启动发电一体机12发电，适时给蓄电池9充电 。

增程式运行状态的控制方法是：离合器2分离，辅助动力及发电单元1启动并开始发电，启动发电一体机驱动控制器6通过动力总线8给驱动电机3供电或给蓄电池9充电或给驱动电机3供电并同时给蓄电池9充电。

并行运行状态的控制方法有三种，一是内燃机11启动，离合器2接合，启动发电一体机12不工作，内燃机11与驱动电机3共同驱动载荷5运行；二是内燃机11启动，离合器2接合，驱动电机3不工作，内燃机11与启动发电一体机12共同驱动载荷5运行；三是内燃机11启动，离合器2接合，内燃机11与启动发电一体机12和驱动电机3共同驱动载荷5运行。辅助动力及发电单元1根据蓄电池9的荷电状态适时给蓄电池9充电。

通常可用蓄电池能量比表示蓄电池所剩电池能量与电池可存储的总能量的百分比，设定两个蓄电池能量比数值A和B，A和B的取值与蓄电池的种类有关，典型地，A取值为90%，B取值为40%。

本发明的混合动力总成优先通过充电接口10从外部补充能量，外部能量的补充方式由充电装置13提供。充电装置包含地面充电装置、移动充电装置、自带充电装置三种充电装置。在蓄电池9的能量比高于A时，所述的混合动力总成工作在纯电动运行状态，在上述三种纯电运行状态下，变速箱4均可根据不同的工况自动切换到合适的档位，使驱动电机3工作在较高效率区。在蓄电池的能量比低于B时，辅助动力及发电单元1开始工作，具体地，启动发电一体机12快速拖动内燃机11启动。在频繁启停的工况下，所述混合动力总成进入增程式运行状态。如果驱动电机3功率需求较大，由辅助动力及发电单元1和蓄电池9通过动力总线8同时给驱动电机3提供电功率；在连续稳定的工况下，离合器2接合，如果驱动功率需求较小，驱动电机3不工作，由内燃机11直接驱动，如果驱动功率需求较大，由内燃机11和驱动电机3并行驱动运行状态。

在载荷急速增加时，离合器2接合，辅助动力及发电单元1和驱动电机3共同提供动力驱动。在驱动系统卸载或制动时，在惯性的作用下，驱动电机3进入回馈制动，回馈制动产生的电能给蓄电池9充电。在频繁启停的工况下，如果动力系统制动时，制动器行程百分比低于X时，驱动电机3进入滑行制动，滑行制动产生的电能给蓄电池9充电。制动器行程百分比X通常与载荷的加速器转换装置有关，典型地，X取值不大于5%。

本发明通过上述各动力单元的多种耦合工种模式，为适应复杂的驱动工况提供了多样性的动力输出，可以使载荷高效运行在连续稳定的工况及频繁启停、变化的工况。拓宽了混合动力总成的适用范围，使混合动力总成最大可能地在稳定、可靠、经济的状态下工作。

Claims (6)

1.一种多动力单元耦合的混合动力总成，其特征在于，包括辅助动力及发电单元（1）、离合器（2）、驱动电机（3）、变速箱（4）、启动发电一体机驱动控制器（6）、驱动电机驱动控制器（7）、动力总线（8）、蓄电池（9）、充电接口（10）；辅助动力及发电单元（1）包括内燃机（11）和启动发电一体机（12），内燃机（11）的飞轮直接与启动发电一体机（12）的转子相连，启动发电一体机（12）的转子通过离合器（2）直接与驱动电机（3）的转子输入端相连，驱动电机转子的输出端与变速箱（4）的输入端相连，变速箱（4）的输出端与载荷（5）相连，向载荷（5）提供动力，通过控制离合器（2）的接合与分离，实现混合动力总成在纯电动运行状态、纯内燃机运行状态、增程式运行状态及并行运行状态下的驱动电机（3）与辅助动力及发电单元（1）并行驱动、纯驱动电机（3）驱动、纯内燃机（11）驱动、纯启动发电一体机（12）驱动、辅助动力及发电单元（1）驱动、内燃机（11）与驱动电机（3）并行驱动、启动发电一体机（12）与驱动电机（3）耦合驱动七种驱动模式；启动发电一体机（12）、驱动电机（3）分别通过启动发电一体机驱动控制器（6）、驱动电机驱动控制器（7）连接到动力总线（8）上，在动力总线（8）上还连接蓄电池（9）和充电接口（10），充电装置（13）与充电接口（10）连接，通过380V交流电但不局限于380V交流电给蓄电池（9）充电。

2.根据权利要求1所述的一种多动力单元耦合的混合动力总成，其特征在于，所述内燃机（11）为燃油型发动机或燃气型发动机或混合燃料型发动机。

3.如权利要求1或2所述的一种多动力单元耦合的混合动力总成的控制方法，其特征在于，控制混合动力总成为纯电动运行状态，具体控制方法有以下三种：

离合器（2）断开，辅助动力及发电单元（1）停止工作，由驱动电机（3）直接驱动载荷（5）运行；

离合器（2）接合，驱动电机（3）和内燃机（11）不工作，由启动发电一体机（12）直接驱动载荷（5）运行；

离合器（2）接合，内燃机（11）停止工作，启动发电一体机（12）和驱动电机（3）耦合共同驱动载荷（5）运行。

4.如权利要求1或2所述的一种多动力单元耦合的混合动力总成的控制方法，其特征在于，控制混合动力总成为纯内燃机运行状态，具体控制方法有以下两种：

内燃机（11）启动，离合器（2）接合，启动发电一体机（12）和驱动电机（3）不工作，内燃机（11）驱动载荷（5）运行；

内燃机（11）启动，离合器（2）接合，驱动电机（3）不工作，内燃机（11）驱动载荷（5）运行，同时根据驱动载荷后剩余动力的情况及蓄电池（9）的荷电状态，内燃机（11）驱动启动发电一体机（12）发电，适时给蓄电池（9）充电 。

5.如权利要求1或2所述的一种多动力单元耦合的混合动力总成的控制方法，其特征在于，控制混合动力总成为增程式运行状态，控制方法是：离合器（2）分离，辅助动力及发电单元（1）启动并开始发电，启动发电一体机驱动控制器（6）通过动力总线（8）给驱动电机（3）供电或给蓄电池（9）充电或给驱动电机（3）供电并同时给蓄电池（9）充电。

6.如权利要求1或2所述的一种多动力单元耦合的混合动力总成的控制方法，其特征在于，控制混合动力总成为并行运行状态，具体控制方法有以下三种：

内燃机（11）启动，离合器（2）接合，启动发电一体机（12）不工作，内燃机（11）与驱动电机（3）共同驱动载荷（5）运行；

内燃机（11）启动，离合器（2）接合，驱动电机（3）不工作，内燃机（11）与启动发电一体机（12）共同驱动载荷（5）运行；

内燃机（11）启动，离合器（2）接合，内燃机（11）与启动发电一体机（12）和驱动电机（3）共同驱动载荷（5）运行，辅助动力及发电单元（1）根据蓄电池（9）的荷电状态适时给蓄电池（9）充电。

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