CN104669998A - 一种基于水缓速器的混合动力汽车及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水缓速器的混合动力汽车及其控制方法，其驱动系统包括驱动电机、动力电池、发动机、水缓速器、离合器、动力耦合器、变速器、车桥等。其中，发动机输出轴与水缓速器的动轮输入轴连接，水缓速器的动轮输出轴通过离合器与动力耦合器的第一输入轴相连接。相应的热管理系统由散热器、冷却风扇、主路水泵、第二开关阀、第一开关阀、旁路水泵、冷却管路、水缓速器控制阀组成。其中，驱动电机、动力电池、发动机的冷却水套以及水缓速器的工作腔与散热器的连接方式均为并联连接。
Description
技术领域
本发明专利涉及混合动力汽车能量管理与热管理技术领域，特指一种基于水缓速器的混合动力汽车及其控制方法。
背景技术
环境温度对动力电池的性能和寿命有重要影响。动力电池环境温度过高时，动力电池内部不可逆物质生成加快，这些不可逆的物质生成会减少电池的使用循环次数；环境温度过低时，也会加速不可逆物质的生成，从而影响电池的使用寿命。动力电池环境温度过低不仅影响其使用寿命，而且会影响动力电池的充放电容量，甚至导致混合动力汽车启动困难。电池在低温条件下工作时，电池的可充入容量和可放出的容量均降低，影响混合动力汽车的续驶里程。现有的动力电池热管理系统主要是利用PTC加热器对动力电池进行加热，使其适应低温环境的使用，但PTC加热器加热能力较差，导致混合动力汽车在严寒气候下启动困难。
同时，动力电池固有工作特性对混合动力汽车制动能量回收性能也产生重要影响。当驱动电机对动力电池进行充电时，需要选择合理的充电区间，即控制驱动电机在发电状态下的输出功率，避免因充电电流过大或充电时间过长而损害动力电池；在混合动力汽车制动能量回收过程必须在动力电池合理的SOC区间内，当动力电池SOC接近上限时，通常关闭驱动电机的发电功能，防止动力电池SOC超过上限值。
综上所述，目前混合动力汽车性能的提升存在两个主要问题：1.在严寒气候下，由于对动力电池加热困难，此时工作对动力电池损害较大，会导致混合动力汽车起步困难；2.由于动力电池固有工作特性的限制，导致混合动力汽车回收制动能量的效率较低。
发明内容
本发明的目的为了解决现有的混合动力汽车在严寒气候下起步困难，以及由于动力电池固有工作特性的限制导致混合动力汽车回收制动能量的效率较低的问题，提供一种基于水缓速器的混合动力汽车及其控制方法，能够使得混合动力汽车在严寒环境下顺利起步，同时在行驶过程中显著提高混合动力汽车制动能量回收的效率。
本发明涉及的基于水缓速器的混合动力汽车采用的技术方案是：
混合动力汽车的动力驱动系统包括驱动电机2、动力电池3、发动机4、水缓速器5、离合器13、动力耦合器14、变速器15、车桥16。发动机4与水缓速器5串联连接，发动机4输出轴与水缓速器5的动轮输入轴连接，同时水缓速器5的动轮输出轴通过离合器13与动力耦合器14的第一输入轴相连接。驱动电机2的输出轴与动力耦合器14的第二输入轴连接。动力耦合器14的输出轴与变速器15的输入轴连接，同时变速器15的输出轴与车桥16连接。
混合动力汽车的热管理系统包括散热器1、冷却风扇6、主路水泵7、第二开关阀8、第一开关阀9、旁路水泵10、冷却管路11、水缓速器控制阀12。驱动电机2、动力电池3、发动机4的冷却水套以及水缓速器5的工作腔与散热器1的连接方式为并联连接。散热器1的出水口分别通过冷却管路11与驱动电机2、动力电池3、发动机4冷却水套以及水缓速器5工作腔的进水口连接。在散热器1的进水口通过冷却管路11与主路水泵7出口相连。冷却风扇6安装在散热器1内侧。水缓速器5工作腔的出水口通过水缓速器控制阀12与发动机4的冷却水套出水口相连。发动机4的冷却水套出水口通过第一开关阀9与动力电池3的冷却水套出水口连接。 动力电池3的冷却水套出水口通过冷却管路11直接与主路水泵7进口连接。驱动电机2的冷却水套出水口通过第二开关阀8与主路水泵7进口连接。旁路水泵10进口通过冷却管路11与发动机4的冷却水套出水口连接，旁路水泵10出口通过冷却管路11与动力电池3的冷却水套出水口连接。
本发明涉及的基于水缓速器的混合动力汽车的控制方法采用的技术方案是包括如下步骤：
当混合动力汽车在严寒环境中起步时，进入低温起步模式。首先进入低温起步模式第一阶段，启动发动机4，关闭离合器13，发动机4开始热机。开启旁路水泵10和水缓速器控制阀12，循环冷却水进入水缓速器5工作腔，水缓速器5启动。通过控制水缓速器控制阀12的占空比，以控制流经水缓速器5工作腔的冷却液流量，最终获得需求的水缓速器5输出制动力矩。利用水缓速器5的输出力矩模拟发动机4的负载，使发动机4工作在高效区间内。此时发动机4冷却水套和水缓速器5工作腔中的高温冷却水流经动力电池3冷却水套，开始给动力电池3预热。
当动力电池3的温度达到使用要求后，开始给驱动电机2预热。进入低温起步模式第二阶段，第二开关阀8开启，此时发动机4冷却水套和水缓速器5工作腔中的高温冷却水流经动力电池3和驱动电机2的冷却水套，开始给驱动电机2预热。当驱动电机2的温度也达到使用要求后，关闭发动机4；旁路水泵10将水缓速器5中的冷却水全部抽尽后，关闭旁路水泵10和水缓速器控制阀12，水缓速器5停止工作。
当混合动力汽车进入纯电动模式或制动能量回收模式时，驱动电机2、动力电池3工作。开启主路水泵7、冷却风扇6和第二开关阀8，驱动电机2和动力电池3冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入驱动电机2和动力电池3冷却水套中。
当混合动力汽车进入纯发动机模式时，离合器13结合，发动机4工作。开启主路水泵7、冷却风扇6和第一开关阀9，发动机4冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入发动机4冷却水套中。
当混合动力汽车进入混合驱动模式时，离合器13结合，驱动电机2、动力电池3、发动机4工作。开启主路水泵7、冷却风扇6、第二开关阀8和第一开关阀9，驱动电机2、动力电池3及发动机4冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入驱动电机2、动力电池3及发动机4冷却水套中。
当驱动电机在发电状态下的输出功率大于动力电池的最大充电功率，或动力电池SOC接近上限，而驱动电机在发电状态下的输出功率过大，会使动力电池SOC超过上限值时，混合动力汽车进入复合制动模式时，离合器13结合，驱动电机2、动力电池3、水缓速器5工作。驱动电机2输出的制动功率等于在动力电池3允许的最大充电功率，而剩余的制动功率由水缓速器5提供。
开启主路水泵7、冷却风扇6、第二开关阀8、第一开关阀9和水缓速器控制阀12，驱动电机2、动力电池3冷却水套及水缓速器5工作腔中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入驱动电机2、动力电池3冷却水套及水缓速器5工作腔中。
本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
1.通过发动机与水缓速器加热冷却水，并利用冷却水循环将热量传递给对动力电池和驱动电机，使得混合动力汽车在严寒气候下能够顺利起步，提高动力电池的使用性能和寿命；
2.在低温起步模式下使用水缓速器模拟发动机负载，不仅可以加速动力电池和驱动电机的加热，同时也提高发动机的燃油经济性；
3.利用水缓速器分担一部分驱动电机的制动功率，使得驱动电机回收制动能量不再受动力电池固有工作特性的限制，显著提高混合动力汽车的制动能量回收效率。
附图说明
图1：混合动力汽车驱动系统结构示意图
图2：混合动力汽车热管理系统结构示意图
图3：低温起步模式第一阶段混合动力汽车热管理系统工作状态图
图4：低温起步模式第二阶段混合动力汽车热管理系统工作状态图
图5：纯电动模式或制动能量回收模式下混合动力汽车热管理系统工作状态图
图6：纯发动机模式下混合动力汽车热管理系统工作状态图
图7：混合驱动模式下混合动力汽车热管理系统工作状态图
图8：复合制动模式下混合动力汽车热管理系统工作状态图
附图标注说明：1-散热器；2-驱动电机；3-动力电池；4-发动机；5-水缓速器；6-冷却风扇；7-主路水泵；8-第二开关阀；9-第一开关阀；10-旁路水泵；11-冷却管路；12-水缓速器控制阀；13-离合器；14-动力耦合器；15-变速器；16-车桥。
具体实施方法
下面结合附图对本发明所述的基于水缓速器的混合动力汽车具体结构作进一步说明：
如图1所示，混合动力汽车的动力驱动系统包括驱动电机2、动力电池3、发动机4、水缓速器5、离合器13、动力耦合器14、变速器15、车桥16。
发动机4与水缓速器5串联连接，发动机4输出轴与水缓速器5的动轮输入轴连接，同时水缓速器5的动轮输出轴通过离合器13与动力耦合器14的第一输入轴相连接。驱动电机2的输出轴与动力耦合器14的第二输入轴连接。动力耦合器14的输出轴与变速器15的输入轴连接，同时变速器15的输出轴与车桥16连接。
如图2所示，混合动力汽车的热管理系统包括散热器1、冷却风扇6、主路水泵7、第二开关阀8、第一开关阀9、旁路水泵10、冷却管路11、水缓速器控制阀12。
驱动电机2、动力电池3、发动机4的冷却水套以及水缓速器5的工作腔与散热器1的连接方式均为并联连接。散热器1的出水口分别通过冷却管路11与驱动电机2、动力电池3、发动机4冷却水套以及水缓速器5工作腔的进水口连接。在散热器1的进水口通过冷却管路11与主路水泵7出口相连。冷却风扇6安装在散热器1内侧。
水缓速器5工作腔的出水口通过水缓速器控制阀12与发动机4的冷却水套出水口相连。发动机4的冷却水套出水口通过第一开关阀9与动力电池3的冷却水套出水口连接。 动力电池3的冷却水套出水口通过冷却管路11直接与主路水泵7进口连接。驱动电机2的冷却水套出水口通过第二开关阀8与主路水泵7进口连接。旁路水泵10进口通过冷却管路11与发动机4的冷却水套出水口连接，旁路水泵10出口通过冷却管路11与动力电池3的冷却水套出水口连接。
下面结合附图来具体描述本发明所述的基于水缓速器的混合动力汽车的控制方法。
汽车的主要运行工况有起步、加速、巡航、爬坡、制动、怠速、停车等，本发明涉及的混合动力汽车主要工作模式划分为有低温起步模式、纯电动模式、纯发动机模式、混合驱动模式、制动能量回收模式以及复合制动模式。在初始状态下，冷却风扇6、主路水泵7、 第二开关阀8、第一开关阀9、旁路水泵10、水缓速器控制阀12均处于关闭状态。
当混合动力汽车在严寒环境中起步时，进入低温起步模式。如图3所示，首先进入低温起步模式第一阶段，启动发动机4，关闭离合器13，发动机4开始热机。开启旁路水泵10和水缓速器控制阀12，循环冷却水进入水缓速器5工作腔，水缓速器5启动。通过控制水缓速器控制阀12的占空比，以控制流经水缓速器5工作腔的冷却液流量，最终获得需求的水缓速器5输出制动力矩。利用水缓速器5的输出力矩模拟发动机4的负载，使发动机4工作在高效区间内。此时发动机4冷却水套和水缓速器5工作腔中的高温冷却水流经动力电池3冷却水套，开始给动力电池3预热。
当动力电池3的温度达到使用要求后，开始给驱动电机2预热。如图4所示，进入低温起步模式第二阶段，第二开关阀8开启，此时发动机4冷却水套和水缓速器5工作腔中的高温冷却水流经动力电池3和驱动电机2的冷却水套，开始给驱动电机2预热。当驱动电机2的温度也达到使用要求后，关闭发动机4；旁路水泵10将水缓速器5中的冷却水全部抽尽后，关闭旁路水泵10和水缓速器控制阀12，水缓速器5停止工作。
如5所示，当混合动力汽车进入纯电动模式或制动能量回收模式时，驱动电机2、动力电池3工作。开启主路水泵7、冷却风扇6和第二开关阀8，驱动电机2和动力电池3冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入驱动电机2和动力电池3冷却水套中。
如图6所示，当混合动力汽车进入纯发动机模式时，离合器13结合，发动机4工作。开启主路水泵7、冷却风扇6和第一开关阀9，发动机4冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入发动机4冷却水套中。
如7所示，当混合动力汽车进入混合驱动模式时，离合器13结合，驱动电机2、动力电池3、发动机4工作。开启主路水泵7、冷却风扇6、第二开关阀8和第一开关阀9。驱动电机2、动力电池3及发动机4冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入驱动电机2、动力电池3及发动机4冷却水套中。
当驱动电机在发电状态下的输出功率大于动力电池的最大充电功率，或动力电池SOC接近上限，而驱动电机在发电状态下的输出功率过大，会使动力电池SOC超过上限值时，混合动力汽车进入复合制动模式时，离合器13结合，驱动电机2、动力电池3、水缓速器5工作。驱动电机2输出的制动功率等于在动力电池3允许的最大充电功率，而剩余的制动功率由水缓速器5提供。
如图8所示，开启主路水泵7、冷却风扇6、第二开关阀8、第一开关阀9和水缓速器控制阀12，驱动电机2、动力电池3冷却水套及水缓速器5工作腔中的高温冷却水，被主路水泵7加压进入散热器1中。由于发动机4安装有节温器，此时冷却水并不流经发动机4。高温冷却水在散热器1中被冷却风扇6降温，然后重新流入驱动电机2、动力电池3冷却水套及水缓速器5工作腔中。
Claims (4)
1.一种基于水缓速器的混合动力汽车，其特征是：驱动系统包括驱动电机（2）、动力电池（3）、发动机（4）、水缓速器（5）、离合器（13）、动力耦合器（14）、变速器（15）、车桥（16）；热管理系统包括散热器（1）、冷却风扇（6）、主路水泵（7）、第二开关阀（8）、第一开关阀（9）、旁路水泵（10）、冷却管路（11）、水缓速器控制阀（12）。
2. 根据权利要求1所述的基于水缓速器的混合动力汽车，其特征是：混合动力汽车动力的驱动系统包括驱动电机（2）、动力电池（3）、发动机（4）、水缓速器（5）、离合器（13）、动力耦合器（14）、变速器（15）、车桥（16）；发动机（4）与水缓速器（5）串联连接，发动机（4）输出轴与水缓速器（5）的动轮输入轴连接，同时水缓速器（5）的动轮输出轴通过离合器（13）与动力耦合器（14）的第一输入轴相连接；驱动电机（2）的输出轴与动力耦合器（14）的第二输入轴连接；动力耦合器（14）的输出轴与变速器（15）的输入轴连接，同时变速器（15）的输出轴与车桥（16）连接。
3.根据权利要求1所述的基于水缓速器的混合动力汽车，其特征是：驱动电机（2）、动力电池（3）、发动机（4）的冷却水套以及水缓速器（5）的工作腔与散热器（1）的连接方式均为并联连接；散热器（1）的出水口分别通过冷却管路（11）与驱动电机（2）、动力电池（3）、发动机（4）冷却水套以及水缓速器（5）工作腔的进水口连接；在散热器（1）的进水口通过冷却管路（11）与主路水泵（7）出口相连；冷却风扇（6）安装在散热器（1）内侧；水缓速器（5）工作腔的出水口通过水缓速器控制阀（12）与发动机（4）的冷却水套出水口相连；发动机（4）的冷却水套出水口通过第一开关阀（9）与动力电池（3）的冷却水套出水口连接； 动力电池（3）的冷却水套出水口通过冷却管路（11）直接与主路水泵（7）进口连接；驱动电机（2）的冷却水套出水口通过第二开关阀（8）与主路水泵（7）进口连接；旁路水泵（10）进口通过冷却管路（11）与发动机（4）的冷却水套出水口连接，旁路水泵（10）出口通过冷却管路（11）与动力电池（3）的冷却水套出水口连接。
4. 如权利要求1所述的基于水缓速器的混合动力汽车的控制方法，其特征是：
混合动力汽车主要工作模式可以划分为有低温起步模式、纯电动模式、纯发动机模式、混合驱动模式、制动能量回收模式以及复合制动模式；在初始状态下，冷却风扇（6）、主路水泵（7）、 第二开关阀（8）、第一开关阀（9）、旁路水泵（10）、水缓速器控制阀（12）均处于关闭状态；
当混合动力汽车在严寒环境中起步时，进入低温起步模式；首先进入低温起步模式第一阶段，启动发动机（4），关闭离合器（13），发动机（4）开始热机；开启旁路水泵（10）和水缓速器控制阀（12），循环冷却水进入水缓速器（5）工作腔，水缓速器（5）启动；通过控制水缓速器控制阀（12）的占空比，以控制流经水缓速器（5）工作腔的冷却液流量，最终获得需求的水缓速器（5）输出制动力矩；利用水缓速器（5）的输出力矩模拟发动机（4）的负载，使发动机（4）工作在高效区间内；此时发动机（4）冷却水套和水缓速器（5）工作腔中的高温冷却水流经动力电池（3）冷却水套，开始给动力电池（3）预热；
当动力电池（3）的温度达到使用要求后，开始给驱动电机（2）预热；进入低温起步模式第二阶段，第二开关阀（8）开启，此时发动机（4）冷却水套和水缓速器（5）工作腔中的高温冷却水流经动力电池（3）和驱动电机（2）的冷却水套，开始给驱动电机（2）预热；当驱动电机（2）的温度也达到使用要求后，关闭发动机（4）；旁路水泵（10）将水缓速器（5）中的冷却水全部抽尽后，关闭旁路水泵（10）和水缓速器控制阀（12），水缓速器（5）停止工作；
当混合动力汽车进入纯电动模式或制动能量回收模式时，驱动电机（2）、动力电池（3）工作；开启主路水泵（7）、冷却风扇（6）和第二开关阀（8），驱动电机（2）和动力电池（3）冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵（7）加压进入散热器（1）中；高温冷却水在散热器（1）中被冷却风扇（6）降温，然后重新流入驱动电机（2）和动力电池（3）冷却水套中；
当混合动力汽车进入纯发动机模式时，离合器（13）结合，发动机（4）工作；开启主路水泵（7）、冷却风扇（6）和第一开关阀（9），发动机（4）冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵（7）加压进入散热器（1）中；高温冷却水在散热器（1）中被冷却风扇（6）降温，然后重新流入发动机（4）冷却水套中；
当混合动力汽车进入混合驱动模式时，离合器（13）结合，驱动电机（2）、动力电池（3）、发动机（4）工作；开启主路水泵（7）、冷却风扇（6）、第二开关阀（8）和第一开关阀（9），驱动电机（2）、动力电池（3）及发动机（4）冷却水套中的高温冷却水，被主路水泵（7）加压进入散热器（1）中；高温冷却水在散热器（1）中被冷却风扇（6）降温，然后重新流入驱动电机（2）、动力电池（3）及发动机（4）冷却水套中；
当驱动电机在发电状态下的输出功率大于动力电池的最大充电功率，或动力电池SOC接近上限，而驱动电机在发电状态下的输出功率过大，会使动力电池SOC超过上限值时，混合动力汽车进入复合制动模式时，离合器（13）结合，驱动电机（2）、动力电池（3）、水缓速器（5）工作；驱动电机（2）输出的制动功率等于在动力电池（3）允许的最大充电功率，而剩余的制动功率由水缓速器（5）提供；
开启主路水泵（7）、冷却风扇（6）、第二开关阀（8）、第一开关阀（9）和水缓速器控制阀（12），驱动电机（2）、动力电池（3）冷却水套及水缓速器（5）工作腔中的高温冷却水，被主路水泵（7）加压进入散热器（1）中；高温冷却水在散热器（1）中被冷却风扇（6）降温，然后重新流入驱动电机（2）、动力电池（3）冷却水套及水缓速器（5）工作腔中。
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