CN103231644A - 无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其包括：第一电机，用于驱动左侧车轮，包含Y形连接的第一三相定子绕组；第一逆变器，用于控制第一电机，与第一三相定子绕组电连接；第二电机，用于驱动右侧车轮，包含Y形连接的第二三相定子绕组；第二逆变器，用于控制第二电机，与第二三相定子绕组电连接；发电机，用于发出具有期望频率和期望幅值的三相交流电，包含Y形连接的第三三相定子绕组，其分别电连接第一和第二三相定子绕组；空调压缩机，用于提供制冷气体；发动机，用于驱动发电机和空调压缩机；以及蓄电装置，用于电连接并提供第一逆变器和第二逆变器所需的直流电源。

Description

无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统

技术领域

本发明涉及驱动系统技术领域，特别涉及车辆混合驱动系统技术领域，具体是指一种无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，尤其适用于城市公交客车。

背景技术

发明于19世纪末的串联式混合电驱动系统具有显著的优点，但却因构成的部件较多，体积、质量和成本都较高，因此只在部分车型上得到了有限的应用。理论和实践证明，串联式混合电驱动系统特别适用于启停频繁、平均时速不超过20km/h的城市公交客车，在典型城市循环工况下具有20%～35%的节油效果。

为了便于乘客迅速上下车，特别是残疾人和轮椅也易于上下车，大中城市里的公交客车已陆续实现了低地板化。有几种技术途径可实现客车的低地板化，其中一种是采用偏置驱动桥。更好的技术方案是采用具有双轮边电机或双轮毂电机的门式电驱动桥。此类门式电驱动桥具有良好的无级变速特性，无换档冲击，特别适用于具有大量站立乘客的公交客车。

Mercedes-Benz的Citaro G BlueTec Hybrid客车采用了具有双轮边电机的电驱动桥、柴油发电机组和电池包等构成的串联式混合电驱动系统，其中，发电机配置有逆变器。此外，该车还采用了电动空调系统。E-Traction公司的Hybricon和Hymove技术验证样车采用了具有双轮毂电机的电驱动桥、柴油APU或燃料电池APU、电池包等构成的串联式混合电驱动系统，其中的发电机组也配置了逆变器，并搭载了电动空调系统。

据统计，由于启停频繁，再加上市区红灯多和交通堵塞，公交客车停车的时间至少占总运行时间的一半以上。上述的技术方案并没有针对公交客车的这一典型特点对混合电驱动系统进行优化，停车时双轮边电机或双轮毂电机的逆变器处于空闲状态，发电机也配置单独的逆变器，其部件较多，成本也较高。此外，公交客车的票价里包括了空调费用，因此其空调系统运行时间长。上述的技术方案里的电动空调系统所耗的电能需要二次转换而来，效率较低，而且电动空调系统成本较高。

因此，还存在着提供一种综合性能优的、无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，特别适用于城市公交客车。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺点，提供一种综合性能优的、无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，特别适用于城市公交客车。

在本发明的第一方面，提供了一种无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其包括：第一电机，用于驱动左侧车轮，包含Y形连接的第一三相定子绕组；第一逆变器，用于控制所述第一电机，与所述第一三相定子绕组电连接；第二电机，用于驱动右侧车轮，包含Y形连接的第二三相定子绕组；第二逆变器，用于控制所述第二电机，与所述第二三相定子绕组电连接；发电机，用于发出具有期望频率和期望幅值的三相交流电，包含Y形连接的第三三相定子绕组，所述第三三相定子绕组分别电连接所述第一三相定子绕组和所述第二三相定子绕组；空调压缩机，用于提供制冷气体；发动机，用于驱动所述发电机和所述空调压缩机；以及蓄电装置，用于电连接并提供所述第一逆变器和所述第二逆变器所需的直流电源。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，所述第一三相定子绕组的中性点通过第一电线、所述第二三相定子绕组的中性点通过第二电线分别与所述第三三相定子绕组的第一输出端子、第二输出端子电连接。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，所述第一电机和所述第二电机为三相永磁同步轮边电机或轮毂电机；所述发电机为三相永磁同步发电机；所述第一电机和所述第一逆变器具有电动模式和再生制动模式；以及所述第二电机和所述第二逆变器具有电动模式和再生制动模式。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器具有AC-DC模式，其中，所述第一电机的转子和所述第二电机的转子静止不转，施加在所述第一三相定子绕组的中性点和所述第二三相定子绕组的中性点之间的三相交流电被所述第一逆变器和所述第二逆变器转换成具有期望电压的直流电。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，车辆启动时，所述发动机驱动所述发电机和所述空调压缩机旋转；车辆行驶时，所述发电机空转，所述蓄电装置供电，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在电动模式；车辆制动时，所述发电机空转，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在再生制动模式，给所述蓄电装置充电；以及车辆停车时，所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器工作在AC-DC模式，将所述发电机发出的三相交流电转换成直流电给所述蓄电装置充电。

在本发明的第二方面，提供了一种无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其包括：第一电机，用于驱动左侧车轮，包含Y形连接的第一三相定子绕组；第一逆变器，用于控制所述第一电机，与所述第一三相定子绕组电连接；第二电机，用于驱动右侧车轮，包含Y形连接的第二三相定子绕组；第二逆变器，用于控制所述第二电机，与所述第二三相定子绕组电连接；发电机，用于发出具有期望频率和期望幅值的三相交流电，包含Y形连接的第三三相定子绕组，所述第三三相定子绕组分别电连接所述第一三相定子绕组和所述第二三相定子绕组；独立空调机组，用于提供制冷气体；发动机，用于驱动所述发电机；以及蓄电装置，用于电连接并提供所述第一逆变器和所述第二逆变器所需的直流电源。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，所述第一三相定子绕组的中性点通过第一电线、所述第二三相定子绕组的中性点通过第二电线分别与所述第三三相定子绕组的第一输出端子、第二输出端子电连接。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，所述第一电机和所述第二电机为三相永磁同步轮边电机或轮毂电机；所述发电机为三相永磁同步发电机；所述第一电机和所述第一逆变器具有电动模式和再生制动模式；以及所述第二电机和所述第二逆变器具有电动模式和再生制动模式。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器具有AC-DC模式，其中，所述第一电机的转子和所述第二电机的转子静止不转，施加在所述第一三相定子绕组的中性点和所述第二三相定子绕组的中性点之间的三相交流电被所述第一逆变器和所述第二逆变器转换成具有期望电压的直流电。

根据本发明的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，车辆启动时，所述独立空调机组工作；车辆行驶时，所述发动机关闭，所述蓄电装置供电，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在电动模式；车辆制动时，所述发动机关闭，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在再生制动模式，给所述蓄电装置充电；以及车辆停车时，所述发动机启动，驱动所述发电机，所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器工作在AC-DC模式，将所述发电机发出的三相交流电转换成直流电给所述蓄电装置充电。

本发明根据城市公交客车的典型运行特点，取消了单独设置的发电机逆变器，利用两驱动电机及其逆变器构造出AC-DC转换器，并采用发动机驱动空调压缩机，简化了系统结构，提高了系统效率，降低了系统成本。因此，根据本发明可以得到一种综合性能优的、无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，特别适用于城市公交客车。

附图说明

图1是本发明一具体实施例所涉及的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统的结构示意图；以及

图2是本发明的另一具体实施例所涉及的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统的结构示意图。

图中：1第一电机；1S第一三相定子绕组；1N第一三相定子绕组的中性点；2第一逆变器；3第二电机；3S第二三相定子绕组；3N第二三相定子绕组的中性点；4第一逆变器；5发电机；5S第三三相定子绕组；51、52分别是第三三相定子绕组的第一输出端子和第二输出端子；6空调压缩机；7发动机；8蓄电装置；9独立空调机组；10L、10R分别是左侧车轮和右侧车轮；11、12分别是第一电线和第二电线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。应理解，实施例仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。

图1是本发明一具体实施例所涉及的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统的结构示意图。参照图1，无发电机逆变器的混合电驱动系统包括：第一电机1，用于驱动左侧车轮10L，包含Y形连接的第一三相定子绕组1S；第一逆变器2，用于控制第一电机1，与第一三相定子绕组1S电连接；第二电机3，用于驱动右侧车轮10R，包含Y形连接的第二三相定子绕组3S；第二逆变器4，用于控制第二电机3，与第二三相定子绕组3S电连接；发电机5，用于发出具有期望频率和期望幅值的三相交流电，包含Y形连接的第三三相定子绕组5S；空调压缩机6，用于提供制冷气体；发动机7，用于驱动发电机5和空调压缩机6；以及蓄电装置8，用于电连接并提供第一逆变器2和第二逆变器4所需的直流电源。

在这里，具有期望频率和期望幅值的三相交流电可以和市电一样，其频率为50Hz，电压幅值为220VAC或380VAC。当然，具有其它期望频率和期望幅值的三相交流电也是可行的。

现有非电动的空调压缩机6均通过皮带轮系与发动机7相连接，并由后者驱动。皮带轮系结构简单，适用于中心距较大的场合，但其传动效率只有90%。因此，可以选择齿轮传动等高效传动装置连接两者。在本发明的实施例中，发动机7并不直接驱动车辆，因此，只要发动机7、发电机5和空调压缩机6的工作转速范围合适，则可以采用同轴直接驱动的方式连接这三者，由此也可获得最高的传动效率。

发动机7可以选用LNG、LPG或生物柴油发动机，这是因为在本发明实施例中，发动机7是常开的，在车站上下客时，发动机7的功率输出较大，而普通发动机排放较大，不利于保护站内候车或上下车乘客的健康。

发动机7和发电机5的功率可以如此选择，例如，城市公交客车每天运行总里程为300km，运行时间为15h，平均时速为20km/h，消耗的总电能为300kWh，按一半运行时间，即7.5h在充电，则发电机功率为300/7.5=40kW，考虑空调压缩机功率约为20kW，以及发动机7的80%的负荷率，则发动机7的功率为（40+20）/0.8=75kW。

第一三相定子绕组1S的中性点1N通过第一电线11、第二三相定子绕组3S的中性点3N通过第二电线12分别与第三三相定子绕组5S的第一输出端子51、第二输出端子52电连接。在各电线上也分别设置有接触器，其用于连接或断开相关电线，以确保车辆和设备的安全性。

第一电机1和第二电机3为三相永磁同步轮边电机或轮毂电机，发电机5为三相永磁同步发电机。其中，轮边电机是采用安装在车轮附近的高速电机加两级减速器来实现的，而轮毂电机则是采用配置在车轮内的低速电机来实现的。与异步电机相比，永磁同步电机具有更高的功率密度，且因此类电机中低速范围的效率比异步电机高8%左右，特别适用于主要在中低速行驶的城市公交客车。

第一电机1和第一逆变器2具有电动模式和再生制动模式，第二电机3和第二逆变器4具有电动模式和再生制动模式。

第一电机1、第一逆变器2、第二电机3和第二逆变器4具有AC-DC模式，其中，第一电机1的转子（未示出）和第二电机3的转子（未示出）静止不转，施加在第一三相定子绕组1S的中性点1N和第二三相定子绕组3S的中性点3N之间的三相交流电被第一逆变器2和第二逆变器4转换成具有期望电压的直流电。

典型的双轮边电机电驱动桥的每个轮边电机具有60kW的连续功率、80kW的一小时功率和120kW的一分钟功率，考虑所匹配的150kVA的轮边电机逆变器，因此，完全可以构造出与40kW级别的发电机5相匹配的AC-DC转换器。参照1000元/1kVA的逆变器单价估算，则取消发电机5的逆变器使得系统成本减少了近4万元。此外，电动空调系统一般比常规空调系统贵3万元，此两项可使得系统成本减少近7万元。

在这里，具有期望电压的直流电意味着其与蓄电装置8的母线电压具有相同的电压范围，可以对蓄电装置8进行充电。

车辆启动时，发动机7驱动发电机5和空调压缩机6旋转。车辆行驶时，发电机5空转，蓄电装置8供电，第一电机1和第一逆变器2以及第二电机3和第二逆变器4工作在电动模式。车辆制动时，发电机5空转，第一电机1和第一逆变器2以及第二电机3和第二逆变器4工作在再生制动模式，给蓄电装置8充电。

车辆停车时，第一电机1、第一逆变器2、第二电机3和第二逆变器4工作在AC-DC模式，将发电机5发出的三相交流电转换成直流电给蓄电装置8充电。

在未停车时，第一电机1和第一逆变器2以及第二电机3和第二逆变器4用于驱动或制动车辆，只有在停车时，第一电机1、第一逆变器2、第二电机3和第二逆变器4才充当发电机5的AC-DC变换器，也避免了第一逆变器2和第二逆变器4在停车时处于空闲状态。

由于城市公交客车启停频繁，加上遇到红灯等车的时间较多，如果遇到交通堵塞，车辆停车时间将更多，因此，车辆具有足够的时间来发电并对蓄电装置8进行充电，取消单独的发电机5的逆变器完全可行，也减少了系统部件，降低了成本。

如果发电机5可与发动机7共用冷却系统，则将提高布置的灵活性，例如，可将发电机5与发动机7布置在车头位置。此外，车辆冷却系统也将得以简化，因为不用考虑发电机5的逆变器的冷却问题。

图2是本发明另一具体实施例所涉及的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统的结构示意图。参照图2，与图1相比，其差别在于采用了独立空调机组9，因此，发动机7只需要驱动发电机5工作，其功率等级为40/0.8=50kW。如果发电机5发出的三相交流电的期望频率和期望幅值和市电一样，则可以直接选用所需功率等级的220VAC或380VAC发电机组。

此外，发电机5和发动机7只是在停车时才工作，行驶时则是关闭的，因此，行驶过程中的车辆油耗和排放可以适当减少。而且，由于独立空调机组9与由发电机5和发动机7构成的发电机组都可以直接选择市场上成熟的产品，有利于缩短开发周期并降低系统成本。

如上所述，本发明的具体实施例的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统根据城市公交客车的典型运行特点，取消了单独设置的发电机逆变器，利用两驱动电机及其逆变器构造出AC-DC转换器，并采用发动机驱动空调压缩机，简化了系统结构，提高了系统效率，降低了系统成本。因此，根据本发明可以得到一种综合性能优的、无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，特别适用于城市公交客车。

本发明并不局限于上述实施例，而是覆盖在不脱离本发明的精神和范围的情况下所进行的所有改变和修改。这些改变和修改不应被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且所有诸如对于本领域技术人员来说显而易见的修改均应被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其包括：

第一电机，用于驱动左侧车轮，包含Y形连接的第一三相定子绕组；

第一逆变器，用于控制所述第一电机，与所述第一三相定子绕组电连接；

第二电机，用于驱动右侧车轮，包含Y形连接的第二三相定子绕组；

第二逆变器，用于控制所述第二电机，与所述第二三相定子绕组电连接；

发电机，用于发出具有期望频率和期望幅值的三相交流电，包含Y形连接的第三三相定子绕组，所述第三三相定子绕组分别电连接所述第一三相定子绕组和所述第二三相定子绕组；

空调压缩机，用于提供制冷气体；

发动机，用于驱动所述发电机和所述空调压缩机；以及

蓄电装置，用于电连接并提供所述第一逆变器和所述第二逆变器所需的直流电源。

2.根据权利要求1所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

所述第一三相定子绕组的中性点通过第一电线、所述第二三相定子绕组的中性点通过第二电线分别与所述第三三相定子绕组的第一输出端子、第二输出端子电连接。

3.根据权利要求1所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

所述第一电机和所述第二电机为三相永磁同步轮边电机或轮毂电机；

所述发电机为三相永磁同步发电机；

所述第一电机和所述第一逆变器具有电动模式和再生制动模式；以及

所述第二电机和所述第二逆变器具有电动模式和再生制动模式。

4.根据权利要求1所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器具有AC-DC模式，其中，所述第一电机的转子和所述第二电机的转子静止不转，施加在所述第一三相定子绕组的中性点和所述第二三相定子绕组的中性点之间的三相交流电被所述第一逆变器和所述第二逆变器转换成具有期望电压的直流电。

5.根据权利要求1所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

车辆启动时，所述发动机驱动所述发电机和所述空调压缩机旋转；

车辆行驶时，所述发电机空转，所述蓄电装置供电，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在电动模式；

车辆制动时，所述发电机空转，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在再生制动模式，给所述蓄电装置充电；以及

车辆停车时，所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器工作在AC-DC模式，将所述发电机发出的三相交流电转换成直流电给所述蓄电装置充电。

6.一种无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其包括：

第一电机，用于驱动左侧车轮，包含Y形连接的第一三相定子绕组；

第一逆变器，用于控制所述第一电机，与所述第一三相定子绕组电连接；

第二电机，用于驱动右侧车轮，包含Y形连接的第二三相定子绕组；

第二逆变器，用于控制所述第二电机，与所述第二三相定子绕组电连接；

发电机，用于发出具有期望频率和期望幅值的三相交流电，包含Y形连接的第三三相定子绕组，所述第三三相定子绕组分别电连接所述第一三相定子绕组和所述第二三相定子绕组；

独立空调机组，用于提供制冷气体；

发动机，用于驱动所述发电机；以及

蓄电装置，用于电连接并提供所述第一逆变器和所述第二逆变器所需的直流电源。

7.根据权利要求6所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

所述第一三相定子绕组的中性点通过第一电线、所述第二三相定子绕组的中性点通过第二电线分别与所述第三三相定子绕组的第一输出端子、第二输出端子电连接。

8.根据权利要求6所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

所述第一电机和所述第二电机为三相永磁同步轮边电机或轮毂电机；

所述发电机为三相永磁同步发电机；

所述第一电机和所述第一逆变器具有电动模式和再生制动模式；以及

所述第二电机和所述第二逆变器具有电动模式和再生制动模式。

9.根据权利要求6所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器具有AC-DC模式，其中，所述第一电机的转子和所述第二电机的转子静止不转，施加在所述第一三相定子绕组的中性点和所述第二三相定子绕组的中性点之间的三相交流电被所述第一逆变器和所述第二逆变器转换成具有期望电压的直流电。

10.根据权利要求6所述的无发电机逆变器的串联式混合电驱动系统，其特征在于，

车辆启动时，所述独立空调机组工作；

车辆行驶时，所述发动机关闭，所述蓄电装置供电，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在电动模式；

车辆制动时，所述发动机关闭，所述第一电机和所述第一逆变器以及所述第二电机和所述第二逆变器工作在再生制动模式，给所述蓄电装置充电；以及

车辆停车时，所述发动机启动，驱动所述发电机，所述第一电机、所述第一逆变器、所述第二电机和所述第二逆变器工作在AC-DC模式，将所述发电机发出的三相交流电转换成直流电给所述蓄电装置充电。

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