CN103978889B - 输出分配型混合动力系统 - Google Patents

Abstract

输出分配型混合动力系统，属于汽车动力装置的技术领域，本发明为解决丰田Prius的混合动力系统采用行星齿轮机构是纯机械装置，存在传动损耗、齿轮振动、噪声、磨损的问题。本发明方案：发动机的输出轴依次连接转矩调节电机、磁场调制型无刷双转子电机的调制环转子的转子、永磁转子、主减速器和汽车车轮；该系统中不同工作模式是通过保持机构中制动器和两个离合器的切换来实现的。永磁转子输出到车轮负载的电磁转矩与定子上的电磁转矩之和等于发动机和转矩调节电机共同输入的转矩。磁场调制型无刷双转子电机实现对发动机转速的解耦，转矩调节电机实现对发动机转矩的解耦，使发动机的转速转矩不依赖负载的转速转矩。

Description

输出分配型混合动力系统

技术领域

本发明涉及输出分配型混合动力系统，属于汽车动力装置的技术领域。

背景技术

1997年，日本丰田公司推出了世界上第一辆量混合动力汽车Prius。丰田prius因其具有低能耗、低排放和良好的整车性能等优点，受到了很多汽车厂商和消费者的关注和青睐。截止2013年底，丰田prius的累计销量已经突破300万辆，是目前世界上最成功的一款混合动力汽车。

丰田Prius虽然经历了几代车型的改变，但是其内部的混合动力系统基本构成方式是相同的。丰田Prius的混合动力系统由发动机、电动/发电机1、电动/发电机2、行星齿轮机构、蓄电池/超级电容和减速器构成，其结构示意图如图1所示。图中虚线表示电气连接，实线表示机械连接。通过电动/发电机1和行星齿轮机构实现了发动机和车轮之间的转速解耦，通过电动发电机2的转矩调节作用实现了发动机和车轮之间的转矩解耦。综上可知，发动机工作的转速、转矩完全独立于车轮负载的转速、转矩，因此发动机能够始终工作在最优工作曲线上，从而使丰田Prius整车的油耗低、尾气排放低。

然而丰田Prius的混合动力系统也存在一些问题。行星齿轮机构是纯机械装置，不可避免的存在传动损耗、齿轮振动、噪声、磨损以及定期维护等问题。

发明内容

本发明目的是为了解决丰田Prius的混合动力系统采用行星齿轮机构是纯机械装置，存在传动损耗、齿轮振动、噪声、磨损以及需要定期维护的问题，提供了一种输出分配型混合动力系统。

本发明所述输出分配型混合动力系统，它包括发动机、转矩调节电机、保持机构、磁场调制型无刷双转子电机、主减速器和汽车控制部；

所述保持机构包括第一离合器、制动器和第二离合器；

所述磁场调制型无刷双转子电机包括定子、调制环转子和永磁转子；

发动机的输出轴连接转矩调节电机的转子输入轴，转矩调节电机的转子输出轴连接第一离合器的输入轴，第一离合器的输出轴连接制动器的输入轴，制动器的输出轴连接调制环转子的转子输入轴，调制环转子的转子输出轴通过第二离合器连接永磁转子的转子输入轴；永磁转子的转子输出轴连接主减速器的输入轴，主减速器的输出轴连接汽车车轮；

汽车控制部包括蓄电池、第一速度传感器、第二速度传感器、第三速度传感器、速度信号采集电路、ECU、转矩调节电机控制电路、双转子电机控制电路和主控单元；第一速度传感器设置在发动机的输出轴上；第二速度传感器设置在调制环转子的转子输入轴上；第三速度传感器设置在永磁转子的转子输出轴上；第一速度传感器、第二速度传感器和第三速度传感器的速度信号输出端均与速度信号采集电路的速度信号输入端相连；速度信号采集电路速度信号输出端与主控单元的速度反馈信号输入端相连；

主控单元的发动机控制指令输出端通过ECU与发动机的控制端相连；

主控单元的转矩调制电机控制指令输出端与转矩调节电机控制电路的输入端相连；主控单元的双转子电机控制指令输出端与双转子电机控制电路的输入端相连；主控单元的蓄电池控制指令输出端与蓄电池的使能端相连；

蓄电池的第一电能输入输出端与转矩调节电机控制电路的第一直流电源输入输出端相连；转矩调节电机控制电路的交流电源输入输出端与转矩调节电机的交流输入输出端相连；

蓄电池的第二电能输入输出端与双转子电机控制电路的第一直流电源输入输出端相连；双转子电机控制电路的交流电源输入输出端与磁场调制型无刷双转子电机的交流输入输出端相连；

转矩调节电机控制电路的第二直流电源输入输出端与双转子电机控制电路的第二直流电源输入输出端相连。

本发明的优点：该混合动力系统和丰田“Prius”的混合动力系统异曲同工，不仅使发动机的转矩和转速得到同时控制，实现了车辆的无级变速功能，而且在汽车运行的各种工况下，使发动机能始终工作在最高效率区，从而达到了降低油耗和减少排放的控制目标。更重要的是，由于本发明中采用的基于磁场调制原理的无刷双转子电机在功能上可以等效成行星齿轮机构和电机的集成效果，因此本发明完全可以做成与丰田Prius相同的混合动力系统而比丰田Prius混合动力系统结构上省去了行星齿轮机构。同时，通过该系统中保持机构的切换作用，可以使本系统工作在串联、并联、混联、发动机自锁防盗、容错等多种工作模式。因此，本发明的整车结构更加简化紧凑，其控制更加灵活，智能性更高，而且可以减少汽车自重，也降低了对蓄电池的容量和发动机的要求。

附图说明

图1是背景技术中涉及的Prius混合动力系统的结构示意图；

图2是本发明所述输出分配型混合动力系统的结构示意图，采用径向磁场调制型无刷双转子电机；

图3是本发明所述输出分配型混合动力系统的结构示意图，采用轴向磁场调制型无刷双转子电机；

图4是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式一时的示意图；

图5是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式二时的示意图；

图6是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式三时的示意图；

图7是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式四时的示意图；

图8是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式五时的示意图；

图9是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式六时的示意图；

图10是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式七时的示意图；

图11是本发明所述输出分配型混合动力系统处于工作模式八时的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2至图11说明本实施方式，本实施方式所述输出分配型混合动力系统，它包括发动机1、转矩调节电机2、保持机构、磁场调制型无刷双转子电机4、主减速器5和汽车控制部；

所述保持机构包括第一离合器3-1、制动器3-2和第二离合器3-3；

所述磁场调制型无刷双转子电机4包括定子4-1、调制环转子4-2和永磁转子4-3；

发动机1的输出轴连接转矩调节电机2的转子输入轴，转矩调节电机2的转子输出轴连接第一离合器3-1的输入轴，第一离合器3-1的输出轴连接制动器3-2的输入轴，制动器3-2的输出轴连接调制环转子4-2的转子输入轴，调制环转子4-2的转子输出轴通过第二离合器3-3连接永磁转子4-3的转子输入轴；永磁转子4-3的转子输出轴连接主减速器5的输入轴，主减速器5的输出轴连接汽车车轮；

汽车控制部包括蓄电池6、第一速度传感器7、第二速度传感器8、第三速度传感器9、速度信号采集电路10、ECU13、转矩调节电机控制电路14、双转子电机控制电路15和主控单元16；第一速度传感器7设置在发动机1的输出轴上；第二速度传感器8设置在调制环转子4-2的转子输入轴上；第三速度传感器9设置在永磁转子4-3的转子输出轴上；第一速度传感器7、第二速度传感器8和第三速度传感器9的速度信号输出端均与速度信号采集电路10的速度信号输入端相连；速度信号采集电路10速度信号输出端与主控单元16的速度反馈信号输入端相连；

主控单元16的发动机控制指令输出端通过ECU13与发动机1的控制端相连；

主控单元16的转矩调制电机控制指令输出端与转矩调节电机控制电路14的输入端相连；主控单元16的双转子电机控制指令输出端与双转子电机控制电路15的输入端相连；主控单元16的蓄电池控制指令输出端与蓄电池6的使能端相连；

蓄电池6的第一电能输入输出端与转矩调节电机控制电路14的第一直流电源输入输出端相连；转矩调节电机控制电路14的交流电源输入输出端与转矩调节电机2的交流输入输出端相连；

蓄电池6的第二电能输入输出端与双转子电机控制电路15的第一直流电源输入输出端相连；双转子电机控制电路15的交流电源输入输出端与磁场调制型无刷双转子电机4的交流输入输出端相连；

转矩调节电机控制电路14的第二直流电源输入输出端与双转子电机控制电路15的第二直流电源输入输出端相连。

可以实现的几种情况：双转子电机控制电路15控制磁场调制型无刷双转子电机4的运行，磁场调制型无刷双转子电机4的机械能可以转化成电能，并通过双转子电机控制电路15将交流电整流为直流电，为蓄电池6充电；转矩调节电机控制电路14控制转矩调节电机2的运行，转矩调节电机2的机械能转化成电能，并通过转矩调节电机控制电路14将交流电整流为直流电，为蓄电池6充电；蓄电池6可以通过双转子电机控制电路15将直流电逆变为交流电，并为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能；蓄电池6可以通过调节电机控制电路15将直流电逆变为交流电，并为转矩调节电机2提供电能；磁场调制型无刷双转子电机4输出的交流电经双转子电机控制电路15转换成直流电，再经转矩调节电机控制电路14逆变为交流电，为转矩调节电机2提供电能；转矩调节电机2输出的交流电经转矩调节电机控制电路14转换成直流电，再双转子电机控制电路15逆变为交流电，为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能。

ECU13实现对发动机1的控制；ECU是Electronic Control Unit的缩写，中文含义是电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”，从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。

主控单元16实现整车控制。转矩调节电机2是一种传统结构的电机，由定子和转子构成，它的作用是通过输入驱动转矩或者制动转矩来使发动机转矩独立于车轮负载转矩。

主减速器5的功能是进行等功率传递能量，使输出端的转速比输入端的转速低，同时使输出端的转矩比输入端的转矩高，因此它起到降低输出转速同时增大输出转矩的作用。而这样的低转速高转矩的能量形式与车轮负载17的需求更符合。

蓄电池6的作用是存储和释放电能。

本实施方式中所述的磁场调制型无刷双转子电机4采用的已授权专利“径向磁场调制型无刷双转子电机”，其专利公告号为101951090A，如图2所示，或采用已授权专利“轴向磁场调制型无刷双转子电机”，其专利公告号为101924436A，如图3所示。

磁场调制型无刷双转子电机4的作用是实现对发动机转速的解耦，使发动机1的转速不依赖负载的转速，同时将发动机1输入的转矩成比例的传递出去。下面以图2为例对磁场调制型无刷双转子电机4进行简要说明，磁场调制型无刷双转子电机4包括定子4-1、调制环转子4-2和永磁转子4-3；定子4-1上放置三相或多相绕组；永磁转子4-3和传统永磁转子相同，可以采用表贴式、内置式等多种形式。该电机结构的特殊性在于中间的调制环转子4-2，它是由导磁块和非导磁块间隔构成，通过调制环转子的磁场调制作用，使得内外层气隙磁场发生明显变化，从而使电机实现了机电能量转换。

磁场调制型无刷双转子电机4比传统双转子电机具有如下优势：

(1)传统双转子电机的一个转子上需要放置绕组，因此需要电刷滑环结构对转子上绕组进行馈电。电刷滑环结构会导致电机运行效率下降、可靠性降低而且需要经常维护，正是由于这个致命的结构缺点使传统双转子电机无法应用到车辆当中。相比之下，磁场调制型无刷双转子电机4的绕组只放置在定子侧，不需要电刷滑环结构进行馈电，因此该电机无上述传统双转子电机的问题。

(2)传统双转子电机中转子上的绕组发热严重而且很难冷却，相比之下，磁场调制型无刷双转子电机4中转子上无绕组，因此不存在转子发热严重的问题。

(3)传统双转子电机中带有绕组的转子由于绕组端部在旋转过程中动平衡很容易被破坏，因此在工作一定时间后传统双转子电机会出现振动噪声等问题。相比之下，磁场调制型无刷双转子电机4因其转子上无绕组不会出现这个问题。

磁场调制型无刷双转子电机4所满足的工作特性，并在说明之前有如下假设：

1.定子电枢磁场极对数、调制环转子导磁块单元数和永磁磁场极对数分别是p、q和n。

2.定子电枢磁场转速、调制环转子转速和永磁转子转速分别是Ω₂、Ω₃和Ω₁。

3.作用在定子、调制环转子和永磁转子的电磁转矩分别是T₂、T₃和T₁。

则磁场调制型无刷双转子电机4中磁场极对数、转速和各部件间转矩的关系满足如下关系：

q＝p+n (1)

${\mathrm{\Ω}}_2=\frac{{\mathrm{n\Ω}}_1-{\mathrm{q\Ω}}_3}{n-q}---\left(2\right)$

$T_2=\frac{p}{n}{T}_1---\left(3\right)$

$T_3=-\frac{q}{n}{T}_1---\left(4\right)$

由上述电机工作特性可知，该电机有如下特点：

1.磁场调制型无刷双转子电机4中定子电枢磁场极对数可以不同于永磁磁场极对数，只要二者之和等于调制环转子中导磁块单元数即可。

2.定子电枢磁场转速由调制环转子转速和永磁转子转速共同决定，而且通过改变定子电枢磁场转速，可以调节调制环转子和永磁转子的转速差，从而实现两个转子转速的独立运行。

3.永磁转子4-3、调制环转子4-2和定子4-1三者之间的电磁转矩存在一定的比例，改变其中任何一个转矩，其它转矩都会相应改变。

根据实施方式，可知发动机1和转矩调节电机2的转子共同与调制环转子4-2相连。假设发动机1输出的转矩为T_ICE，转矩调节电机2输出的转矩为T_T，在稳态情况下，由作用力力矩与反作用力矩平衡，可知

T_ICE+T_T＝-T₃ (5)

由公式(1)、(3)、(4)和(5)可得

$T_2=\frac{p}{q}(T_{\mathrm{ICE}}+T_T)---\left(6\right)$

$T_1=\frac{n}{q}(T_{\mathrm{ICE}}+T_T)---\left(7\right)$

T_ICE+T_T＝T₁+T₂ (8)

在公式(3)至(8)中，负号表示方向相反。由于q＝p+n,所以p/q＜1；n/q＜1。由公式(6)至(8)可知，永磁转子4-3输出到车轮负载17的电磁转矩和定子4-1上的电磁转矩均小于发动机1和转矩调节电机2共同输入的转矩，且永磁转子4-3输出到车轮负载17的电磁转矩与定子4-1上的电磁转矩之和等于发动机1和转矩调节电机2共同输入的转矩，因此，从系统输出端看，该系统被称为输出分配型混合动力系统。当发动机1和转矩调节电机2共同输入转矩一定时，尽管永磁转子4-3传递到车轮负载17的转矩小于发动机1和转矩调节电机4共同输入的转矩，但此时定子4-1的电磁转矩也很小。由电机理论可知，定子4-1电磁转矩小有利于减小磁场调制型无刷双转子电机4的体积和重量，有利于提高磁场调制型无刷双转子电机4的转矩密度和功率密度。这对安装空间有限、转矩密度和功率密度要求较高的车辆来说，使输出分配型混合动力系统具有更大的应用价值。

下面对输出分配型混合动力系统的工作模式进行说明。该系统中不同工作模式是通过保持机构中第一离合器3-1、制动器3-2和第二离合器3-3的切换来实现的。为了使各个工作模式的表现形式更加清晰，在每个工作模式示意图中只画出了主体部件的连接，而汽车控制部则没有给出。在各个工作模式示意图中，第一离合器3-1或第二离合器3-3结合用线段将与离合器相连部件连接上；第一离合器3-1或第二离合器3-3分离则与离合器相连部件之间无线段连接；制动器3-2结合用阴影标记表示，与阴影标记相连部件被固定；制动器3-2分离则阴影标记被去除，与制动器3-2相连部件处于自由状态。

模式I：第一离合器3-1结合、制动器3-2结合、第二离合器3-3分离，如图4所示。调制环转子4-2被固定，即Ω₃＝0，则磁场调制型无刷双转子电机4可看成是传统结构的单转子电机，电机中的转矩转速关系可由公式(1)至(8)确定。此时车辆由磁场调制型无刷双转子电机4单独进行驱动，可以实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能。蓄电池6通过双转子电机控制电路15为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能，此时磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，对车轮负载17进行驱动；当车轮负载17需要制动时，磁场调制型无刷双转子电机4作为发电机运行，车轮负载17的机械能经转磁场调制型无刷双转子电机4转换成电能，在通过双转子电机控制电路15将电能储存在蓄电池6中。同时发动机1、转矩调节电机2的转子被固定，即发动机1和转矩调节电机2均被锁住。当发动机1或转矩调节电机2出现故障时，该模式可实现故障切除，使该混合动力系统具有很强的容错功能。

模式II：第一离合器3-1分离、制动器3-2结合、第二离合器3-3分离，如图5所示。调制环转子4-2被固定，即Ω₃＝0，则磁场调制型无刷双转子电机4可看成是传统结构的单转子电机，电机中的转矩转速关系可由公式(1)至(8)确定。此时车辆由磁场调制型无刷双转子电机4单独进行驱动，可以实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能。同时，由于第一离合器3-1分离，则混合动力系统可实现串联模式运行。所谓串联模式是指发动机1先将机械能通过电机转化成电能，电能再通过另一个电机转化成车轮负载17所需要的机械能。在该系统中，发动机1通过转矩调节电机2将机械能转换成电能，再通过转矩调节电机控制电路14将电能储存在蓄电池6中，而蓄电池6通过双转子电机控制电路15为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能，此时磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，对车轮负载17进行驱动；或者发动机1通过转矩调节电机2将机械能转换成电能，通过转矩调节电机控制电路14直接将电能经双转子电机控制电路15输入给磁场调制型无刷双转子电机4，磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，对车轮负载17进行驱动。当车轮负载17需要制动时，磁场调制型无刷双转子电机4作为发电机运行，车轮负载17的机械能经磁场调制型无刷双转子电机4转换成电能，在通过双转子电机控制电路15将电能储存在蓄电池6中。因为发动机1驱动转矩调节电机2进行发电运行与磁场调制型无刷双转子电机4驱动或制动车轮负载17之间仅存在电气连接，因此两个环节之间可以独立进行。因此串联模式能够保证发动机1始终做到最高效率运行，而磁场调制型无刷双转子电机4的工作状态由车轮负载17需求确定。因为发动机1在低速状态下燃油效率很低，因此该模式能够提高整车在低速运行下的燃油经济性。

模式III：第一离合器3-1结合、制动器3-2分离、第二离合器3-3分离，如图6所示。此时该系统可实现并联模式或混联模式运行，可以实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能。所谓并联模式是指发动机1直接将机械能传递给车轮负载17，同时转矩调节电机4将蓄电池6电能转换成机械能也传递给车轮负载17或将部分机械能转换成电能存储到蓄电池6中。在图6中，当磁场调制型无刷双转子电机4中定子4-1磁场转速为零时，由电机理论可知，定子电端口侧没有电能转换，即从调制环转子4-2输入的机械能全部从永磁转子4-3传递给车轮负载17。在Ω₂＝0时，永磁转子4-3和发动机1之间的转矩转速关系可根据公式(1)至(8)确定。输入到调制环转子4-2的机械能一部分来自发动机1，另一部分来自转矩调节电机2。转矩调节电机2处于发电状态还是电动状态取决于发动机1输出的机械能与车轮负载17所需机械能的关系。当发动机1输出的机械能大于车轮负载17所需机械能时，则转矩调节电机2作为发电机运行，将多余的机械能转换成电能，并通过转矩调节电机控制电路14储存到蓄电池6中。当发动机1输出的机械能小于车轮负载17所需机械能时，则转矩调节电机2作为电动机运行，蓄电池6通过转矩调节电机控制电路14为转矩调节电机2提供电能，转矩调节电机2将蓄电池6中的电能转换成机械能提供给车轮负载17以补充发动机1的能量不足。因此模式III可实现并联模式运行。

所谓混联模式是指系统兼有串联模式和并联模式的特点。在图6中，当磁场调制型无刷双转子电机4中定子磁场转速不为零时，则表明在定子4-1端口侧进行了电能和机械能的转换。

一种情况是：发动机1输出机械能的一部分通过转矩调节电机2转换成电能，此时转矩调节电机2作为发电机运行，这部分电能通过转矩调节电机控制电路14存储在蓄电池6中，而蓄电池6通过双转子电机控制电路15为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能，此时磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，将电能转换成机械能从永磁转子4-3输出；或者发动机1输出机械能的一部分通过转矩调节电机2转换成电能，通过转矩调节电机控制电路14直接将电能经双转子电机控制电路15输入给磁场调制型无刷双转子电机4，此时磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，将电能转换成机械能从永磁转子4-3输出。而发动机1的另一部分机械能通过永磁转子4-3直接传递给车轮负载17，并对车轮负载17进行驱动。因此，从能量传输的路径上看，发动机1的一部分机械能通过转矩调节电机2产生了电能，这部分电能又经过磁场调制型无刷双转子电机4转换成了机械能最终输出到车轮负载17；发动机1的另一部分机械能直接输出到车轮负载17。

另一种情况是：输入到调制环转子4-2机械能的一部分在定子4-1端口产生了电能，再通过双转子电机控制电路15将电能存储在蓄电池6中，而蓄电池6通过转矩调节电机控制电路14为转矩调节电机2提供电能，此时转矩调节电机2作为电动机运行，将电能转换成机械能输出给调制环转子4-2；或者输入到调制环转子4-2机械能的一部分在定子4-1端口产生了电能，通过双转子电机控制电路15直接将电能经转矩调节电机控制电路14输入给转矩调节电机2，转矩调节电机2作为电动机运行，将电能转换成机械能输出给调制环转子4-2。而输入到调制环转子4-2机械能的另一部分通过永磁转子4-3直接传递给车轮负载17并对车轮负载17进行驱动。输入到调制环转子4-2的总机械能一方面来自转矩调节电机2作为电动机运行时转换的机械能，另一方面来自发动机1输入的机械能。因此，从能量传输的路径上看，发动机1输出的机械能与转矩调节电机2作为电动机运行时转换的机械能一同输入到调制环转子4-2，而输入到调制环转子4-2的总机械能一部分经磁场调制型无刷双转子电机4转换成电能又回馈给转矩调节电机2，另一部分直接输出到车轮负载17。

在上述的两种情况下，转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4的工作状态的变化，实际上就保证了发动机1的工作状态能够独立于车轮负载17。

因此在模式III下，一方面通过转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4对转矩和转速的调节作用使发动机1的转矩和转速独立于车轮负载17的转矩和转速，使发动机1始终工作在最佳燃油曲线上，从而达到降低油耗和尾气排放的目的；另一方面通过对并联模式或混联模式运行区间进行优化，可以极大地提高整车的燃油经济性。

模式IV：第一离合器3-1分离、制动器3-2分离、第二离合器3-3分离，如图7所示。对磁场调制型无刷双转子电机4来说，由于它的调制环转子4-2处于自由状态，无外加转矩使其达到平衡状态同时它的转速也不确定，由公式(1)至(8)可知，磁场调制型无刷双转子电机4无法进行能量转换。但模式IV可当作一种过渡模式，用于模式II和模式III之间的切换。因为通常情况下过渡模式时间比较短，而且保持机构中第一离合器3-1、第二离合器3-3或制动器3-2的结合过程中存在一定的阻力，因此该模式可以避免发动机因瞬时速度变化过高导致的失控。

模式V：第一离合器3-1结合、制动器3-2结合、第二离合器3-3结合，如图8所示。此时发动机1、转矩调节电机2的转子、调制环转子4-2、永磁转子4-3均被固定，即车辆处于停车状态。同时由于发动机1被固定，即发动机1被锁住，因此该模式可使该混合动力系统在停车状态下具有防盗功能。

模式VI：第一离合器3-1分离、制动器3-2结合、第二离合器3-3结合，如图9所示。此时磁场调制型无刷双转子电机4中的调制环转子4-2和永磁转子4-3均被固定，即车辆处于停车状态。由于第一离合器3-1分离，因此在该模式下，当蓄电池6电量不足时，由发动机1进行驱动，转矩调节电机2作为发电机运行，通过转矩调节电机控制电路14对蓄电池6进行充电；若发动机1需要启动时，则蓄电池6通过转矩调节电机控制电路14为转矩调节电机2提供电能，转矩调节电机2作为电动机运行，带动发动机1达到一定速度后再进行点火启动。这可以降低发动机启动过程中油耗，尤其是在需要频繁启动工况下可以大大降低启动油耗。

模式VII：第一离合器3-1结合、制动器3-2分离、第二离合器3-3结合，如图10所示。此时车辆可由发动机1单独驱动，或由发动机1和转矩调节电机2共同驱动，或由发动机1和磁场调制型无刷双转子电机4共同驱动，或由发动机1、转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4共同驱动，可以实现车辆的加速、巡航、减速功能。

当车辆由发动机1单独驱动时，该系统处于直传模式。从图10中可以看出，发动机1可直接将它的转矩转速传递给车轮负载17。当发动机1工作在最佳燃油曲线上且车轮负载17对转矩转速的需求恰好和发动机的转矩转速相一致的情况下，可以使转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4都不工作，而直接将发动机1的功率传递给车轮负载17，此时的系统效率最高。

当车辆由发动机1和转矩调节电机2共同驱动时，该系统处于并联模式运行。在发动机1直接将自身功率传递给车轮负载17的情况下，若车轮负载17又需要额外的驱动或制动功率时，则可使转矩调节电机2工作在电动机状态或发电机状态对车轮负载17提供驱动功率或制动功率，即该系统实现并联模式运行。当转矩调节电机2工作在电动机状态时，蓄电池6通过转矩调节电机控制电路14为转矩调节电机2提供电能；当转矩调节电机2工作在发电机状态时，转矩调节电机2将产生的电能通过转矩调节电机控制电路14存储在蓄电池6中。

当车辆由发动机1和磁场调制型无刷双转子电机4共同驱动时，该系统处于并联模式运行。在调制环转子4-2和永磁转子4-3相连情况下，磁场调制型无刷双转子电机4可看成传统形式的单转子电机，定子4-1、调制环转子4-2和永磁转子4-3之间的转矩转速关系仍可由公式(1)至(8)来确定。在发动机1直接将自身功率传递给车轮负载17的情况下，若车轮负载17又需要额外的驱动或制动功率时，则可使磁场调制型无刷双转子电机4工作在电动机状态或发电机状态对车轮负载17提供驱动功率或制动功率，即该系统实现并联模式运行。当磁场调制型无刷双转子电机4工作在电动机状态时，蓄电池6通过双转子电机控制电路15为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能；当磁场调制型无刷双转子电机4工作在发电机状态时，磁场调制型无刷双转子电机4将产生的电能通过双转子电机控制电路15存储在蓄电池6中。

当车辆由发动机1、转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4共同驱动时，该系统处于并联模式运行。在发动机1直接将自身功率传递给车轮负载17的情况下，若车轮负载17又需要更大的额外驱动或制动功率时，则可使转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4同时工作在电动机状态，或发电机状态共同对车轮负载17提供驱动功率或制动功率，即该系统实现并联模式运行。当转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4都工作在电动机状态时，蓄电池6通过转矩调节电机控制电路14为转矩调节电机2提供电能，同时蓄电池6通过双转子电机控制电路15为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能；当转矩调节电机2和磁场调制型无刷双转子电机4都工作在发电机状态时，转矩调节电机2将产生的电能通过转矩调节电机控制电路14存储在蓄电池6中，磁场调制型无刷双转子电机4将产生的电能通过双转子电机控制电路15存储在蓄电池6中。

模式VIII：第一离合器3-1分离、制动器3-2分离、第二离合器3-3结合，如图11所示。此时车辆由磁场调制型无刷双转子电机4单独进行驱动，可以实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能。在调制环转子4-2和永磁转子4-3相连情况下，磁场调制型无刷双转子电机4可看成传统形式的单转子电机，定子4-1、调制环转子4-2和永磁转子4-3之间的转矩转速关系仍可由公式(1)至(8)来确定。同时，由于第一离合器3-1分离，则混合动力系统可实现串联模式运行。发动机1通过转矩调节电机2将机械能转换成电能，再通过转矩调节电机控制电路14将电能储存在蓄电池6中，而蓄电池6通过双转子电机控制电路15为磁场调制型无刷双转子电机4提供电能，此时磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，对车轮负载17进行驱动；或者发动机1通过转矩调节电机2将机械能转换成电能，通过转矩调节电机控制电路14直接将电能经双转子电机控制电路15输入给磁场调制型无刷双转子电机4，磁场调制型无刷双转子电机4作为电动机运行，对车轮负载17进行驱动。当车轮负载17需要制动时，磁场调制型无刷双转子电机4作为发电机运行，车轮负载17的机械能经磁场调制型无刷双转子电机4转换成电能，再通过双转子电机控制电路15将电能储存在蓄电池6中。需要说明的是，虽然模式VIII和模式II都可实现串联模式运行，但是定子4-1、调制环转子4-2和永磁转子4-3之间的转矩转速关系是不同的。而模式VIII更有利于降低定子4-1中磁场旋转速度，从而使定子4-1中的铁心损耗大大降低。

Claims (2)

1.输出分配型混合动力系统，其特征在于，它包括发动机(1)、转矩调节电机(2)、保持机构、磁场调制型无刷双转子电机(4)、主减速器(5)和汽车控制部；

所述保持机构包括第一离合器(3-1)、制动器(3-2)和第二离合器(3-3)；

所述磁场调制型无刷双转子电机(4)包括定子(4-1)、调制环转子(4-2)和永磁转子(4-3)；

发动机(1)的输出轴连接转矩调节电机(2)的转子输入轴，转矩调节电机(2)的转子输出轴连接第一离合器(3-1)的输入轴，第一离合器(3-1)的输出轴连接制动器(3-2)的输入轴，制动器(3-2)的输出轴连接调制环转子(4-2)的转子输入轴，调制环转子(4-2)的转子输出轴通过第二离合器(3-3)连接永磁转子(4-3)的转子输入轴；永磁转子(4-3)的转子输出轴连接主减速器(5)的输入轴，主减速器(5)的输出轴连接汽车车轮；

汽车控制部包括蓄电池(6)、第一速度传感器(7)、第二速度传感器(8)、第三速度传感器(9)、速度信号采集电路(10)、ECU(13)、转矩调节电机控制电路(14)、双转子电机控制电路(15)和主控单元(16)；第一速度传感器(7)设置在发动机(1)的输出轴上；第二速度传感器(8)设置在调制环转子(4-2)的转子输入轴上；第三速度传感器(9)设置在永磁转子(4-3)的转子输出轴上；第一速度传感器(7)、第二速度传感器(8)和第三速度传感器(9)的速度信号输出端均与速度信号采集电路(10)的速度信号输入端相连；速度信号采集电路(10)速度信号输出端与主控单元(16)的速度反馈信号输入端相连；

主控单元(16)的发动机控制指令输出端通过ECU(13)与发动机(1)的控制端相连；

主控单元(16)的转矩调制电机控制指令输出端与转矩调节电机控制电路(14)的输入端相连；主控单元(16)的双转子电机控制指令输出端与双转子电机控制电路(15)的输入端相连；主控单元(16)的蓄电池控制指令输出端与蓄电池(6)的使能端相连；

蓄电池(6)的第一电能输入输出端与转矩调节电机控制电路(14)的第一直流电源输入输出端相连；转矩调节电机控制电路(14)的交流电源输入输出端与转矩调节电机(2)的交流输入输出端相连；

蓄电池(6)的第二电能输入输出端与双转子电机控制电路(15)的第一直流电源输入输出端相连；双转子电机控制电路(15)的交流电源输入输出端与磁场调制型无刷双转子电机(4)的交流输入输出端相连；

转矩调节电机控制电路(14)的第二直流电源输入输出端与双转子电机控制电路(15)的第二直流电源输入输出端相连；

该混合动力系统包括八种工作模式：

模式I：第一离合器(3-1)结合、制动器(3-2)结合、第二离合器(3-3)分离，调制环转子(4-2)被固定，此时车辆由磁场调制型无刷双转子电机(4)单独进行驱动，实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能；蓄电池(6)通过双转子电机控制电路(15)为磁场调制型无刷双转子电机(4)提供电能；

模式II：第一离合器(3-1)分离、制动器(3-2)结合、第二离合器(3-3)分离，调制环转子(4-2)被固定，此时车辆由磁场调制型无刷双转子电机(4)单独进行驱动，实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能，混合动力系统可实现串联模式运行，所谓串联模式是指发动机(1)先将机械能通过电机转化成电能，电能再通过另一个电机转化成车轮负载(17)所需要的机械能；

模式III：第一离合器(3-1)结合、制动器(3-2)分离、第二离合器(3-3)分离，此时该系统可实现并联模式或混联模式运行，实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能；所谓并联模式是指发动机(1)直接将机械能传递给车轮负载(17)，同时转矩调节电机(2)将蓄电池(6)电能转换成机械能也传递给车轮负载(17)或将部分机械能转换成电能存储到蓄电池(6)中；所谓混联模式是指系统兼有串联模式和并联模式的特点；

模式IV：第一离合器(3-1)分离、制动器(3-2)分离、第二离合器(3-3)分离，作为一种过渡模式，用于模式II和模式III之间的切换；

模式V：第一离合器(3-1)结合、制动器(3-2)结合、第二离合器(3-3)结合，此时发动机(1)、转矩调节电机(2)的转子、调制环转子(4-2)、永磁转子(4-3)均被固定，即车辆处于停车状态；同时由于发动机(1)被固定，即发动机(1)被锁住，因此该模式可使该混合动力系统在停车状态下具有防盗功能；

模式VI：第一离合器(3-1)分离、制动器(3-2)结合、第二离合器(3-3)结合，此时磁场调制型无刷双转子电机(4)中的调制环转子(4-2)和永磁转子(4-3)均被固定，即车辆处于停车状态；当蓄电池(6)电量不足时，由发动机(1)进行驱动，转矩调节电机(2)作为发电机运行，通过转矩调节电机控制电路(14)对蓄电池(6)进行充电；若发动机(1)需要启动时，则蓄电池(6)通过转矩调节电机控制电路(14)为转矩调节电机(2)提供电能，转矩调节电机(2)作为电动机运行；

模式VII：第一离合器(3-1)结合、制动器(3-2)分离、第二离合器(3-3)结合，此时车辆由发动机(1)单独驱动，或由发动机(1)和转矩调节电机(2)共同驱动，或由发动机(1)和磁场调制型无刷双转子电机(4)共同驱动，或由发动机(1)、转矩调节电机(2)和磁场调制型无刷双转子电机(4)共同驱动，实现车辆的加速、巡航、减速功能；

模式VIII：第一离合器(3-1)分离、制动器(3-2)分离、第二离合器(3-3)结合，此时车辆由磁场调制型无刷双转子电机(4)单独进行驱动，实现车辆的加速、巡航、减速、倒车功能；实现串联模式运行。

2.根据权利要求1所述输出分配型混合动力系统，其特征在于，汽车控制部还包括加速踏板(11)和制动踏板(12)；加速踏板(11)的加速指令输出端与主控单元(16)的加速指令输入端相连；制动踏板(12)的制动指令输出端与主控单元(16)的制动指令输入端相连。