CN104742716B - 一种采用双转子电机的混合动力系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种采用双转子电机的混合动力系统，包括：——双转子电机，其中双转子电机包括一个内转子电机和一个外转子电机。内转子电机轴受到同步器的控制而与一挡齿轮组接合、或与二挡齿轮组接合、或与一挡齿轮组和二挡齿轮组均不接合。外转子电机输出轴连接减速齿轮组。一挡齿轮组、二挡齿轮组和减速齿轮组均连接动力输出轴。——双电机控制器，分别通过三相线连接着内转子电机定子的绕组和外转子电机定子的绕组，对内转子电机和外转子电机进行相互独立的控制；双电机控制器还连接着动力电池。——发动机，其输出轴直接连接或通过离合器间接连接着内转子电机轴。本申请具有结构紧凑、系统高度集成、整车工作效率高、燃油经济性好的特点。

Description

一种采用双转子电机的混合动力系统及其实现方法

技术领域

本申请涉及一种混合动力汽车的动力系统。

背景技术

混合动力汽车是指使用两种以上能量来源的车辆。最常见的油电混合动力汽车（Hybrid electric vehicle，简称HEV）具有发动机和电动机，发动机消耗燃油，电动机消耗动力电池的电能。

HEV主要有串联式（Series Hybrid）、并联式（Parallel Hybrid）和混联式（Combined Hybrid或Series-Parallel Hybrid或Parallel-Series Hybrid）三种混合动力系统。

串联式混合动力系统仅以电动机作为驱动装置，发动机仅作为发电机为动力电池充电及为电动机供电。由于发动机不直接参与车辆驱动，同时受到电动机功率大小的限制，整车动力性能普遍较差。

并联式混合动力系统采用发动机和/或电动机共同驱动车辆。与串联式混合动力系统相比，整车动力性能有所提高，但发动机不能始终工作在最佳工作区域，燃油经济性较差。

混联式混合动力系统采用发动机和/或电动机共同驱动车辆，另增一台集成式起动/发电机（integrated starter/generator，简称ISG）。该ISG既作为发动机的起动电机，又作为发动机运转后的发电机。混联式混合动力系统兼具串联式和并联式的功能及特性，但结构较为复杂，体积较大，且成本较高。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种混联式混合动力系统，采用双转子电机实现混联式混合动力系统的各种功能。为此，本申请还要提供所述混联式混合动力系统的实现方法。

为解决上述技术问题，本申请采用双转子电机的混合动力系统包括：

——双转子电机，其中具有一个内转子电机和一个外转子电机；内转子电机轴受到同步器的控制而与一挡齿轮组接合、或与二挡齿轮组接合、或与一挡齿轮组和二挡齿轮组均不接合；外转子电机输出轴连接减速齿轮组；一挡齿轮组、二挡齿轮组和减速齿轮组均连接动力输出轴；

——双电机控制器，分别连接着内转子电机的定子和外转子电机的定子，对内转子电机和外转子电机进行相互独立的控制；双电机控制器还连接着动力电池；

——发动机，其输出轴直接连接或通过离合器间接连接着内转子电机轴。

本申请采用双转子电机的混合动力系统的实现方法提供了如下11种工作模式：

纯电动行驶模式下，双电机控制器驱动外转子电机运转，外转子电机再通过减速齿轮组驱动车辆行驶；

制动能量回收模式下，外转子电机通过减速齿轮组将制动时的动能转化为电能，再通过双电机控制器给动力电池充电；

发动机单独驱动模式下，发动机的动力通过内转子电机轴、一挡齿轮组或二挡齿轮组传递给动力输出轴，驱动车辆以相应挡位行驶；

发动机和外转子电机共同驱动模式下，发动机的动力通过内转子电机轴、一挡齿轮组或二挡齿轮组传递给动力输出轴；双电机控制器驱动外转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组传递给动力输出轴；来自于发动机和外转子电机的动力共同驱动车辆行驶；

发动机和内转子电机和外转子电机共同驱动模式下，发动机的动力通过内转子电机轴、一挡齿轮组或二挡齿轮组传递给动力输出轴；双电机控制器驱动外转子电机和内转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组传递给动力输出轴，内转子电机的动力也通过内转子电机轴、一挡齿轮组传递给动力输出轴；来自于发动机和外转子电机和内转子电机的动力共同驱动车辆行驶；

增程驱动模式下，发动机驱动内转子电机运转，内转子电机作为发电机将能量转换为电能，再通过双电机控制器为动力电池充电以及为外转子电机提供能量；所提供给外转子电机的能量通过双电机控制器驱动外转子电机运转，外转子电机再通过减速齿轮组驱动车辆行驶；

驻车充电模式下，发动机驱动内转子电机运转，内转子电机作为发电机将能量转换为电能，再通过双电机控制器为动力电池充电；

发动机起动模式下，双电机控制器驱动内转子电机运转，内转子电机带动发动机起动。

本申请采用双转子电机的混合动力系统及其实现方法具有结构紧凑、系统高度集成、整车工作效率高、燃油经济性好的特点。

附图说明

图1是本申请采用的双转子电机的结构示意图；

图2是本申请采用双转子电机的混合动力系统的第一实施例的结构示意图；

图3～图13是本申请采用双转子电机的混合动力系统的第一实施例的各种工作模式的能量传递路径示意图；

图14是本申请采用双转子电机的混合动力系统的第二实施例的结构示意图。

图中附图标记说明：

1为双转子电机；10为壳体；101为轴承一；102为轴承二；11为内转子电机轴；12为内转子；13为内定子；135为固定螺栓；14为外定子；145为冷却水道；15为外转子；155为外转子位置传感器；16为外转子电机输出轴；2为双电机控制器；3为动力电池；31为充电接口；4为发动机；41为发动机输出轴；42为离合器；5为一挡齿轮组；6为二挡齿轮组；7为同步器；8为减速齿轮组；9为动力输出轴。

具体实施方式

请参阅图1，本申请所采用的双转子电机包括：

——壳体10，包围其余各部件，内转子电机轴11和外转子电机输出轴16伸出壳体10之外。壳体10与内转子电机轴11之间由轴承一101加以密封。壳体10与外转子电机输出轴16之间由轴承二102加以密封。

——内转子电机轴11，通过花键或接合盘等直接连接着发动机4的输出轴41，或者通过离合器间接连接着发动机4的输出轴41。当直接连接时，两者保持同步转动。当采用离合器间接连接时，在离合器接合时两者保持同步转动。

——内转子12，包围且固定于内转子电机轴11，两者保持同步转动。

——内定子13，包围着内转子12，两者之间具有间隙。

——外定子14，包围着内定子13。内定子13和外定子14共用一个定子支架，且通过固定螺栓135固定于壳体10。在内定子13和外定子14之间具有冷却水道145。

——外转子15，包围着外定子14，两者之间具有间隙。在外转子15上设置有用于检测其转动角度的外转子位置传感器155，例如为霍尔传感器。

——外转子电机输出轴16，包围着内转子电机轴11。外转子电机输出轴16通过传动机构与外转子15保持同步转动。

所述双转子电机中，内转子电机轴11、内转子12和内定子13共同构成了内转子电机，外定子14、外转子15和外转子电机输出轴16共同构成了外转子电机。内转子电机是电励磁同步电机，转子上没有永磁体。外转子电机是永磁同步电机，转子上设有永磁体。内转子电机和外转子电机之间具有冷却水道145，通过对冷却水道145的高度设计，可以降低乃至消除内转子电机和外转子电机之间的磁通泄露所造成的相互影响。

请参阅图2，这是本申请采用双转子电机的混合动力系统的第一实施例。双电机控制器2通过三相线分别连接着双转子电机1的内定子13和外定子14，从而可单独控制内转子电机和外转子电机工作。双电机控制器2还连接着动力电池3。双电机控制器2中可选地集成有逆变器。动力电池3可选地具有充电接口31，用于由外接电源进行充电。发动机4的输出轴41直接连接着双转子电机1的内转子电机轴11，两者保持同步转动。双转子电机1的内转子电机轴11还受到同步器7的控制而与一挡齿轮组5接合、或与二挡齿轮组6接合、或与一挡齿轮组5和二挡齿轮组6均不接合。双转子电机1的外转子电机输出轴16连接减速齿轮组8。一挡齿轮组5、二挡齿轮组6和减速齿轮组8均连接动力输出轴9。

所述双转子电机1中的内转子电机为电励磁同步电机，具有驱动和发电两种工作模式。驱动模式下，内转子电机用于起动发动机4，或通过一挡齿轮组5或二挡齿轮组6将动力传递给动力输出轴9以驱动车辆行驶。发电模式下，内转子电机将发动机4的输出动力转化为电能，给外转子电机提供能源并通过双电机控制器2为动力电池3充电。

所述同步器7位于一挡齿轮组5和二挡齿轮组6之间，在同步器7中具有一个可以左右移动的接合套，用来实现变速器一挡、二挡和空挡的切换。当同步器7中的接合套向左移动时，双转子电机1的内转子电机轴11与一挡齿轮组5接合，发动机4和内转子电机以一挡驱动车辆行驶。当同步器7中的接合套向右移动时，双转子电机1的内转子电机轴11与二挡齿轮组6接合，发动机4和内转子电机以二挡驱动车辆行驶。当同步器7中的接合套置于中间位置时，双转子电机1的内转子电机轴11与一挡齿轮组5和二挡齿轮组6均不接合，发动机4只驱动内转子电机，内转子电机将发动机4输出能量转化为电能，给外转子电机提供能源并通过双电机控制器2为动力电池3充电。

显然，内转子电机在驱动模式下，同步器7中的接合套向左或向右移动。内转子电机在发电模式下，同步器7中的接合套置于中间位置。

所述双转子电机1中的外转子电机为内置式永磁同步电机，也具有驱动和发电两种工作模式。驱动模式下，外转子电机通过减速齿轮组8将动力传递给动力输出轴9以驱动车辆行驶。发电模式下，外转子电机通过减速齿轮组8回收车辆制动能量并转化为电能，再通过双电机控制器2为动力电池3充电。

本申请采用双转子电机的混合动力系统的第一实施例可以实现混联式混合动力系统的多种工作模式，包括纯电动行驶（外转子电机单独驱动）、制动能量回收、发动机单独驱动、发动机和外转子电机共同驱动、发动机和内转子电机和外转子电机共同驱动、增程驱动、驻车充电和发动机起动模式。

纯电动行驶模式如图3所示，双电机控制器2为双转子电机1中的外定子14的三相绕组供电，驱动外转子电机运转。外转子电机再通过减速齿轮组8驱动车辆行驶。此时，发动机4、内转子电机均不工作，同步器7中的接合套置于中间位置。

制动能量回收模式如图4所示，双转子电机1中的外转子电机通过减速齿轮组8将制动时的动能转化为电能，再通过双电机控制器2给动力电池3充电。此时，发动机4、内转子电机均不工作，同步器7中的接合套置于中间位置。

发动机一挡单独驱动模式如图5所示，发动机4的动力输出通过内转子电机轴11、一挡齿轮组5传递给动力输出轴9，发动机4以一挡驱动车辆行驶。此时，内转子电机、外转子电机均不工作，同步器7中的接合套向左移动。

发动机二挡单独驱动模式如图6所示，发动机4的动力输出通过内转子电机轴11、二挡齿轮组6传递给动力输出轴9，发动机4以二挡驱动车辆行驶。此时，内转子电机、外转子电机均不工作，同步器7中的接合套向右移动。

发动机以一挡挡位和外转子电机共同驱动模式如图7所示，发动机4的动力输出通过内转子电机轴11、一挡齿轮组5传递给动力输出轴9，发动机4以一挡挡位运转；同时双电机控制器2驱动双转子电机1中的外转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组8传递给动力输出轴9。来自于发动机和外转子电机的动力共同驱动车辆行驶。此时，内转子电机不工作，同步器7中的接合套向左移动。

发动机以二挡挡位和外转子电机共同驱动模式如图8所示，发动机4的动力输出通过内转子电机轴11、二挡齿轮组6传递给动力输出轴9，发动机4以二挡挡位运转；同时双电机控制器2驱动双转子电机1中的外转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组8传递给动力输出轴9。来自于发动机和外转子电机的动力共同驱动车辆行驶。此时，内转子电机不工作，同步器7中的接合套向右移动。

发动机以一挡挡位和内转子电机和外转子电机共同驱动模式如图9所示，发动机4的动力输出通过内转子电机轴11、一挡齿轮组5传递给动力输出轴9，发动机4以一挡挡位运转；同时双电机控制器2驱动双转子电机1中的外转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组8传递给动力输出轴9；同时通过双电机控制器2驱动双转子电机1中的内转子电机运转，内转子电机的动力也通过内转子电机轴11、一挡齿轮组5传递给动力输出轴9。来自于发动机和外转子电机和内转子电机的动力共同驱动车辆行驶。此时，同步器7中的接合套向左移动。

发动机以二挡挡位和内转子电机和外转子电机共同驱动模式如图10所示，发动机4的动力输出通过内转子电机轴11、二挡齿轮组6传递给动力输出轴9，发动机4以二挡挡位运转；同时双电机控制器2驱动双转子电机1中的外转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组8传递给动力输出轴9；同时通过双电机控制器2驱动双转子电机1中的内转子电机运转，内转子电机的动力也通过内转子电机轴11、二挡齿轮组6传递给动力输出轴9。来自于发动机和外转子电机和内转子电机的动力共同驱动车辆行驶。此时，同步器7中的接合套向右移动。

增程驱动模式如图11所示，发动机4驱动内转子电机运转，内转子电机作为发电机将能量转换为电能，再通过双电机控制器2为动力电池3充电以及为外转子电机提供能量。所提供给外转子电机的能量通过双电机控制器2驱动外转子电机运转，外转子电机再通过减速齿轮组8驱动车辆行驶。此时，同步器7中的接合套置于中间位置。

驻车充电模式如图12所示，发动机4驱动内转子电机运转，内转子电机作为发电机将能量转换为电能，再通过双电机控制器2为动力电池3充电。此时，外转子电机不工作，同步器7中的接合套置于中间位置。

发动机起动模式如图13所示，双电机控制器2驱动内转子电机运转，内转子电机带动发动机4起动。此时，外转子电机不工作，同步器7中的接合套置于中间位置。

请参阅图14，这是本申请采用双转子电机的混合动力系统的第二实施例。其与第一实施例的区别仅在于：发动机4的输出轴41通过离合器42间接连接着双转子电机1的内转子电机轴11。当离合器42接合时，两者保持同步转动。当离合器42分离时，两者可以独立转动或静止。第二实施例的各种工作模式均与第一实施例相同。

本申请采用双转子电机的混合动力系统及其实现方法具有如下优点：

其一，采用双转子电机来实现混联式混合动力系统，因而结构紧凑、便于整车布置；系统高度集成、降低了成本。

其二，提供了总共11种工作模式，进一步优化整车工作效率，提高燃油经济性。

其三，采用同步器实现变速器一挡、二挡和空挡的智能切换，有利于使发动机始终工作在最佳工作区域，提高车辆动力性且降低油耗。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用双转子电机的混合动力系统，其特征是，包括：

——双转子电机，其中具有一个内转子电机和一个外转子电机；内转子电机轴受到同步器的控制而与一挡齿轮组接合、或与二挡齿轮组接合、或与一挡齿轮组和二挡齿轮组均不接合；外转子电机输出轴连接减速齿轮组；一挡齿轮组、二挡齿轮组和减速齿轮组均连接动力输出轴，内转子电机是电励磁同步电机，外转子电机是永磁同步电机，内转子电机和外转子电机之间具有冷却水道,该冷却水道设置在内转子电机的内定子和外转子电机的外定子之间；

——双电机控制器，分别连接着内转子电机的定子和外转子电机的定子，对内转子电机和外转子电机进行相互独立的控制；双电机控制器还连接着动力电池；

——发动机，其输出轴直接连接或通过离合器间接连接着内转子电机轴。

2.根据权利要求1所述的采用双转子电机的混合动力系统，其特征是，当发动机的输出轴直接连接着内转子电机轴，则发动机的输出轴与内转子电机轴保持同步转动；

当发动机的输出轴通过离合器间接连接着内转子电机轴，则只在离合器接合时，发动机的输出轴与内转子电机轴保持同步转动。

3.根据权利要求1所述的采用双转子电机的混合动力系统，其特征是，内转子电机用于起动发动机；或者通过一挡齿轮组或二挡齿轮组将动力传递给动力输出轴以驱动车辆行驶；或者将发动机的动力转化为电能给外转子电机提供能源并通过双电机控制器为动力电池充电。

4.根据权利要求1所述的采用双转子电机的混合动力系统，其特征是，外转子电机通过减速齿轮组将动力传递给动力输出轴以驱动车辆行驶；或者通过减速齿轮组回收车辆制动能量转化为电能并通过双电机控制器为动力电池充电。

5.根据权利要求1所述的采用双转子电机的混合动力系统，其特征是，所述同步器位于一挡齿轮组和二挡齿轮组之间，在同步器中具有一个可移动的接合套，用来实现变速器一挡、二挡和空挡的切换；

当该接合套位于第一位置，内转子电机轴与一挡齿轮组接合；

当该接合套位于第二位置，内转子电机轴与二挡齿轮组接合；

当该接合套位于第三位置，内转子电机轴与一挡齿轮组和二挡齿轮组均不接合。

6.一种权利要求1所述采用双转子电机的混合动力系统的实现方法，其特征是：

纯电动行驶模式下，双电机控制器驱动外转子电机运转，外转子电机再通过减速齿轮组驱动车辆行驶；

制动能量回收模式下，外转子电机通过减速齿轮组将制动时的动能转化为电能，再通过双电机控制器给动力电池充电；

发动机单独驱动模式下，发动机的动力通过内转子电机轴、一挡齿轮组或二挡齿轮组传递给动力输出轴，驱动车辆以相应挡位行驶；

发动机和外转子电机共同驱动模式下，发动机的动力通过内转子电机轴、一挡齿轮组或二挡齿轮组传递给动力输出轴；双电机控制器驱动外转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组传递给动力输出轴；来自于发动机和外转子电机的动力共同驱动车辆行驶；

发动机和内转子电机和外转子电机共同驱动模式下，发动机的动力通过内转子电机轴、一挡齿轮组或二挡齿轮组传递给动力输出轴；双电机控制器驱动外转子电机和内转子电机运转，外转子电机的动力再通过减速齿轮组传递给动力输出轴，内转子电机的动力也通过内转子电机轴、一挡齿轮组传递给动力输出轴；来自于发动机和外转子电机和内转子电机的动力共同驱动车辆行驶；

增程驱动模式下，发动机驱动内转子电机运转，内转子电机作为发电机将能量转换为电能，再通过双电机控制器为动力电池充电以及为外转子电机提供能量；所提供给外转子电机的能量通过双电机控制器驱动外转子电机运转，外转子电机再通过减速齿轮组驱动车辆行驶；

驻车充电模式下，发动机驱动内转子电机运转，内转子电机作为发电机将能量转换为电能，再通过双电机控制器为动力电池充电；

发动机起动模式下，双电机控制器驱动内转子电机运转，内转子电机带动发动机起动。

7.根据权利要求6所述的采用双转子电机的混合动力系统的实现方法，其特征是：

纯电动行驶模式下，发动机和内转子电机均不工作，接合套位于第三位置；

制动能量回收模式下，发动机和内转子电机均不工作，接合套位于第三位置；

发动机单独驱动模式下，内转子电机和外转子电机均不工作，接合套位于第一位置或第二位置；

发动机和外转子电机共同驱动模式下，内转子电机不工作，接合套位于第一位置或第二位置；

发动机和内转子电机和外转子电机共同驱动模式下，接合套位于第一位置或第二位置；

增程驱动模式下，接合套位于第三位置；

驻车充电模式下，外转子电机不工作，接合套位于第三位置；

发动机起动模式下，外转子电机不工作，接合套位于第三位置。