CN102795221B - 一种电动汽车电液混合驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车电液混合驱动系统及其控制方法，采用包括定子、内转子、外转子的双转子电机，内转子输出端通过电磁离合器连接液压马达，外转子输出端通过变速器连接传动轴，当电动汽车起步时，内转子绕组通电，三相对称绕组加三相对称电压，当电动汽车加速、爬坡时，根据需要的驱动力矩的大小判断给内转子绕组施加电流的大小；当电动汽车在制动能量回收状态时，定子三相对称绕组不施加电压，外转子内外侧绕组施加直流电产生旋转磁场，定子三相对称绕组不断切割磁场产生感应电流和电压，通过电力电子变换器将回收的电能储存在蓄电池中；本发明能提高汽车加速与起步性能，电机工作在高效率区间能力增强，提高制动能量回收能力。

Description

一种电动汽车电液混合驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，具体是电动汽车的电液混合驱动系统。

背景技术

电动汽车是一种高效、清洁和安全的地面运输工具，其动力来自于电池，目前电动汽车的技术难点在于电池性能，主要有两点：一是如何提高电池电能使用效率、提高电动汽车续驶里程、提高电池寿命，这是电动汽车行业关注的焦点，因此选用符合电池特性的驱动电机是提高电动汽车性能的关键，即所选电机要效率高、使用电流小、启动电流小，避免电池瞬间大电流放电，电机能量回馈性能好；二是受电池的制约，电动汽车主要用于城市交通，汽车大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起步性能（起动转矩/起动电流）、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动汽车尤为重要，是衡量电动汽车电机的重要指标。基于以上两点，理想的电动汽车电机必须既要符合电池充放电特性，又要符合车辆的负载特性。因此，在现有蓄电池性能没有多大提高的情况下，合理选择及使用电机是提高电动汽车性能的关键。

发明内容

本发明提供一种电动汽车电液混合驱动系统及其控制方法，其目的在于提高电动汽车电池电能使用效率和寿命，提高电机能量回馈性能，提高电动汽车续驶里程，提高电动汽车的性能。

 本发明的电动汽车电液混合驱动系统采用的技术方案是：采用包括定子内转子、外转子的双转子电机，定子有三相对称绕组，外转子有反相序联结的内侧绕组与外侧绕组，内转子有内转子绕组； 内转子输出端通过电磁离合器连接液压马达，外转子输出端通过变速器连接传动轴，液压马达与液压泵串联，液压马达通过二位二通阀分别连接液压蓄能器、储油罐，液压泵和储油罐之间串接控制阀；电子液压制动器通过液压管分别与所述液压蓄能器和所述储油罐相连，所述电子液压制动器连接制动钳，所述三相对称绕组连接电力电子变换器；车辆控制器分别连接能量管理单元和所述电力电子变换器，蓄电池分别连接能量管理单元、所述电力电子变换器。

上述电动汽车电液混合驱动系统的控制方法的技术方案是：当电动汽车起步时，内转子绕组通电，三相对称绕组加三相对称电压，定子三相对称绕组产生三相对称电流，产生旋转磁场，内转子绕组4切割磁场产生电磁力驱动汽车起步；当电动汽车加速、爬坡时，根据需要的驱动力矩的大小判断给内转子绕组施加电流的大小；当电动汽车在制动能量回收状态时，定子三相对称绕组不施加电压，外转子内外侧绕组施加直流电产生旋转磁场，外转子旋转产生旋转的磁场，定子三相对称绕组不断切割磁场产生感应电流和感应电压，通过电力电子变换器将回收的电能储存在蓄电池中。

进一步地，当制动能量回收可以满足制动强度需要时，有以下两种控制方法：A、当蓄电池的SOC值低于上限值时，能量管理单元向车辆控制器发出蓄电池SOC值溢信号，导通三相对称绕组与电力电子变换器，三相对称绕组通过电力电子变换器将回收的电能储存在蓄电池中；B、当蓄电池的SOC值高于上限值时，电磁离合器闭合，断开定子三相对称绕组与电力电子变换器，接通液压马达与储油罐，内转子带动液压泵向液压液压蓄能器中加压，使液压蓄能器提供液压能源。

本发明能提高目前电动汽车加速与起步性能，使电动汽车电机工作在高效率区间能力大大增强，提高能源利用率；同时能够提高电动汽车制动能量回收的能力，克服蓄电池的SOC特性对制动能量回收的限制。

附图说明

图1是本发明电动汽车电液混合驱动系统示意图；

图2是图1中双转子电机的结构放大图；

图3是典型的电动机效率特性图；

图中：1、2—轴承，3—外转子内侧绕组，4—内转子绕组，5—外转子外侧绕组，6—定子三相对称绕组，7—定子，8、10—轴承端盖，9—外转子，11—内转子，12—变速器，13—传动轴，14—差速器，15—车轮，16—电磁离合器，17—二位二通阀，18—液压马达，19—液压泵，20—控制阀，21—液压蓄能器，22—溢流阀，23—电子液压制动器，24—储油罐，25—制动盘，26—制动钳，29—传感器，30—车辆控制器，31—电力电子变换器，32—能量管理单元，33—蓄电池，34—蓄电池充电器。

具体实施方式

下面结合附图来具体实施方式来描述本发明所述的电动汽车电液混合驱动系统及其控制方法。

如图1所示本发明电动汽车电液混合驱动系统，包括差速器14、传动轴13、双转子电机、液压马达18和车辆控制器30等，差速器14通过传动轴13、变速器12连接双转子电机。液压马达18与液压泵19串联在一起，液压马达18与液压泵19以共同的转速旋转，双转子电机通过电磁离合器16连接液压马达18，当电磁离合器16接通后，由双转子电机带动液压马达18旋转。液压马达18还通过二位二通阀17分别连接液压蓄能器21、储油罐24，二位二通阀17控制液压马达18的工作状态，当二位二通阀17处于左位时，液压马达18与液压蓄能器21的供能管路接通，液压马达18转动；当二位二通阀17处于右位时，液压马达18与储油罐24的回油管路接通，液压马达18的驱动力消失，通过控制二位二通阀17处于左位的时间来控制液压马达18的转速和扭矩。在液压泵19和储油罐24之间串接控制阀20，控制阀20用于控制液压泵19的工作状态，当控制阀20处于左位时，液压泵19不与储油罐24相连，不工作；当控制阀20处于右位时，液压泵19与储油罐24连接开始工作。

车辆控制器30分别连接制动踏板加速度和制动踏板行程传感器29、能量管理单元32和电力电子变换器31，蓄电池33分别连接能量管理单元32、电力电子变换器31和蓄电池充电器34。电动汽车的车轮15连接制动盘25，制动盘25连接制动钳26，制动钳26连接电子液压制动器23，电子液压制动器23通过液压管分别与液压蓄能器21和储油罐24相连，在储油罐24和液压蓄能器21之间连接溢流阀22。当驾驶员踩下制动踏板时，车辆控制器30根据接收到的制动踏板加速度和制动踏板行程传感器29信号，制动系统在工作模式。

如图2所示，双转子电机包括定子7、内转子11、外转子9，定子7位于外转子9外，外转子9位于内转子11外。定子7具有定子三相对称绕组6，外转子9有内外两个绕组，其中内侧绕组3与外侧绕组5是反相序联结；内转子11是绕线式的，绕组4为内转子11的绕组。外转子9通过轴承2支撑在内转子11上，轴承2上安装轴承端盖8；同时外转子9与定子7之间也用轴承1相连，轴承1上安装轴承端盖10，定子7可以固定在汽车车架上。这样内外转子可以独立旋转。这种双转子电机可看作内、外两个电机组成的复合电机，定子7与外转子9的外侧绕组5构成外电机，是一个异步电机；外转子9的内侧绕组3作为定子、给内转子11的绕组4通直流电作为励磁转子构成内电机，是一个同步电机。

内转子11输出端通过电磁离合器16 连接液压马达18，当电磁离合器16接通后，内转子11带动液压马达18旋转。外转子9输出端通过变速器12连接传动轴13，由外转子9带动传动轴13转动。

定子三相对称绕组6加三相对称电压，定子三相对称绕组6产生三相对称电流，从而产生定子磁场。运行时根据需要判断是否给内转子绕组4施加直流电：若施加了直流电，内转子11相当于永磁转子，内转子11将相对于定子7以                                                的转速与旋转磁场一起做同步运行；若不施加直流电，内转子11将不会运动。外转子9相对于定子7以的转速旋转，旋转磁场与内转子11的磁场共同构成同步旋转的气隙磁场，以和相差的相对速度切割外转子绕组，外转子绕组中产生感应电流，从而产生电磁转矩驱动负载。外转子9输出电磁转矩，其中为定子三相对称绕组6产生的磁通量，为内转子绕组4产生的磁通量。那么通过改变内转子绕组4的电流的大小可以控制输出电磁转矩的大小。

当电动汽车起步时，给内转子绕组4通适当的电流，而双转子电机定子的三相对称绕组6加三相对称电压，定子三相对称绕组6产生三相对称电流，从而产生旋转磁场，内转子绕组4通电导线在旋转磁场内切割磁场就产生了电磁力；这时内转子11相当于永磁转子，内转子11将相对于定子7以的转速与旋转磁场一起做同步运行。这样的施加在外转子9上的电磁力矩比普通的电动机大，驱动汽车起步。电动汽车开始行使后，根据需要驱动力矩的大小判断是否给内转子绕组4施加电流以提供额外的电磁转矩，使定子7与外转子外侧绕组5构成外电机运行状态保持在高效率的区间内。

当电动汽车加速、爬坡时，需要提供更大的电磁转矩。而双转子电机不需要变速器12换低档以及使电机减速。根据需要驱动力矩的大小判断给内转子绕组4施加电流的大小，使定子7与外转子外侧绕组5构成外电机运行状态保持在高效率的区间内；特别是对一些低速车辆，弱化变速器12的作用可以减少变速器的档位。

当双转子电机处于制动能量回收状态，定子三相对称绕组6没有施加电压，而给外转子内外侧绕组3施加直流电产生旋转的磁场，车轮15通过传动轴13、变速器12带动外转子9旋转，产生旋转的磁场。这样定子三相对称绕组6就不断切割磁场，因此在定子三相对称绕组6中产生感应电流和感应电压，将三相对称绕组6连接电力电子变换器31，电机通过电力电子变换器31将回收的电能储存在蓄电池33中。同样的若内转子绕组4被施加电流，外转子内侧绕组3作为定子，内转子绕组4作为励磁转子构成一个同步电机。内转子11将随着外转子9做同步旋转，同时内转子11和外转子9将产生同步旋转磁场，增加了定子三相对称绕组6切割磁场的强度，增大了制动能量回收的效率。

当双转子电机的制动能量回收模式可以满足制动强度需要时，不启用电子液压制动器23，否则电子液压制动器30工作，向制动盘25施加制动力。当只启用双转子电机的制动能量回收模式时，分以下两种控制方法：

      当蓄电池33的SOC值低于上限值时，能量管理单元32向车辆控制器30发出蓄电池SOC值溢信号，双转子电机将回收的制动能量以电能的形式储存起来。这时三相对称绕组6与电力电子变换器31导通，三相对称绕组6不断切割外转子的绕组通了直流电后产生旋转的磁场，在三相对称绕组6产生感应电流和感应电压再通过集电环和电力电子变换器31将回收的电能储存在蓄电池33中。在这段过程中，可以根据外转子9的转速的大小控制内转子绕组4的电流以增加汽车制动能量回收的效率。

当蓄电池33的SOC值高于上限值时，不能再向蓄电池33充电，这时双转子电机可以将回收的制动能量以液压能的形式储存起来。此时，电磁离合器16闭合，定子三相对称绕组6与电力电子变换器31断开；外转子内侧绕组3作为定子，内转子绕组4作为励磁转子构成一个同步电机，内外转子以相同转速一起旋转。电磁离合器16闭合，控制阀20和二位二通阀17处于右位，液压马达18与储油罐24的回油管路接通，内转子11带动液压泵19向液压液压蓄能器21中加压。液压蓄能器21可以用来向电子液压制动器23提供液压能源，或者其他需要液压能的部件，例如电子液压制动系统、四轮独立转向系统等等。当液压供能回路中液压蓄能器21压力低于预设值时，将电磁离合器16接通，向内转子绕组4通电流。双转子电机的内转子11就高速旋转，带动液压泵19旋转给液压蓄能器21加压使其储存的液压能保持在安全值。

该电液混合驱动系统可以将蓄能器中液压能转化为电动汽车的机械能来驱动汽车行驶。首先电磁离合器16结合，控制阀20和二位二通阀17处于左位，同时给内转子绕组4通电流。液压马达18将液压蓄能器21中储存的液压能转化为内转子11的机械能。这时双转子电机的内转子绕组4通直流电而定子三相对称绕组6通三相对称电压，这样内、外两个电机都可以处在工作状态：定子7与外转子外侧绕组5构成“外电机”输出的电磁转矩为；外转子内侧绕组3作为定子，内转子11通电作为励磁转子构成“内电机”输出的电磁转矩为。那么外转子9输出到变速器12的转矩 。这样双转子电机就将电能与液压能转化为机械能一起驱动车辆运动，改善了电动汽车的起步、加速和爬坡性能，同时也增加了电动汽车的续驶里程。

如图3所示，是典型的电动机效率特性。定子7与外转子9的外侧绕组构成外电机是一个异步电机用来驱动负载，同样具有相同效率特性。普通电机在电动汽车需要施加转矩用来加速、爬坡或者是起步时，需要增加定子三相对称绕组的电压来增加电动机输出的电磁转矩，这样电动机明显的效率变低。本发明所述的电动汽车驱动系统采用双转子电机能够克服这一缺点。

Claims (8)

1.一种电动汽车电液混合驱动系统，其特征是：采用包括定子（7）、内转子（11）、外转子（9）的双转子电机，定子（7）有三相对称绕组（6），外转子（9）有反相序联结的内侧绕组（3）与外侧绕组（5），内转子（11）有内转子绕组（4）；内转子（11）输出端通过电磁离合器（16）连接液压马达（18），外转子（9）输出端通过变速器（12）连接传动轴（13），液压马达（18）与液压泵（19）串联，液压马达（18）通过二位二通阀（17）分别连接液压蓄能器（21）、储油罐（24），液压泵（19）和储油罐（24）之间串接控制阀（20）；电子液压制动器（23）通过液压管分别与所述液压蓄能器（21）和所述储油罐（24）相连，所述电子液压制动器（23）连接制动钳（26），所述三相对称绕组（6）连接电力电子变换器（31），车辆控制器（30）分别连接能量管理单元（32）和所述电力电子变换器（31），蓄电池（33）分别连接能量管理单元（32）、所述电力电子变换器（31）。

2.一种如权利要求1所述电动汽车电液混合驱动系统的控制方法，其特征是：

当电动汽车起步时，内转子绕组（4）通电，三相对称绕组（6）加三相对称电压，定子三相对称绕组（6）产生三相对称电流，产生旋转磁场，内转子绕组（4）切割磁力线产生电磁力驱动汽车起步；

当电动汽车加速、爬坡时，根据需要的驱动力矩的大小判断给内转子绕组（4）施加电流的大小；

当电动汽车在制动能量回收状态时，定子三相对称绕组（6）不施加电压，给外转子内外侧绕组（3）施加直流电产生旋转磁场，外转子（9）旋转产生旋转的磁场，定子三相对称绕组（6）不断切割磁力线产生感应电流和感应电压，通过电力电子变换器（31）将回收的电能储存在蓄电池（33）中。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当制动能量回收可以满足制动强度需要时，有以下两种控制方法：

      方法A、当蓄电池（33）的SOC值低于上限值时，能量管理单元（32）向车辆控制器（30）发出蓄电池SOC值溢信号，导通三相对称绕组（6）与电力电子变换器（31），三相对称绕组（6）通过电力电子变换器（31）将回收的电能储存在蓄电池（33）中；

方法B、当蓄电池（33）的SOC值高于上限值时，电磁离合器（16）闭合，断开定子三相对称绕组（6）与电力电子变换器（31），接通液压马达（18）与储油罐（24），内转子（11）带动液压泵（19）向液压蓄能器（21）中加压，使液压蓄能器（21）存储液压能。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：方法A中，根据外转子（9）的转速的大小控制内转子绕组（4）的电流以增加汽车制动能量回收的效率。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：方法B中，当液压蓄能器（21）压力低于预设值时，电磁离合器（16）接通，向内转子绕组（4）通电流，内转子（11）旋转带动液压泵（19）旋转给液压蓄能器（21）加压使其储存的液压能保持在安全值。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：结合电磁离合器（16），接通液压马达（18）与液压蓄能器（21），给内转子绕组（4）通电流，定子三相对称绕组（6）通三相对称电压，电能与液压能转化为机械能一起驱动车辆运动。

7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：电动汽车开始行使后，根据需要驱动力矩的大小判断是否给内转子绕组（4）施加电流以提供额外的电磁转矩。

8.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当电动汽车在制动能量回收状态时，给内转子绕组（4）施加电流，内转子（11）和外转子（9）产生同步旋转磁场以增加定子三相对称绕组（6）切割磁力线的强度。