CN104875597A - 一种基于双转子电机的发动机起停系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双转子电机的发动机起停系统及其工作方法，包括发动机、双转子电机、行星齿轮机构、电磁离合器、复合电源以及驱动控制系统；双转子电机内转子轴与发动机输出轴连接，也与行星齿轮机构的太阳轮连接，双转子电机外转子轴与变速箱输入轴连接，外转子内嵌有齿圈，通过电磁离合器，行星轮架可以被固定不转；驱动控制系统包括复合电源、内电机驱动电路、外电机驱动电路、电源电量检测电路、电磁离合器驱动电路以及控制单元；通过对双转子电机的控制，以及发动机控制单元的配合工作，能方便地实现发动机的起动与停机。本发明结构紧凑，具有混合动力的基本功能。

Description

一种基于双转子电机的发动机起停系统及其工作方法

技术领域

本发明属于发动机领域，尤其涉及一种基于双转子电机的发动机起停系统及其工作方法。

背景技术

当前，为了降低汽车发动机燃料消耗，减小大气污染，人们发明了许多新的技术，例如汽油发动机缸内直喷技术、曲轴箱通风系统、混合动力驱动技术以及本发明所涉及的发动机起停系统等等。发动机起停系统根据车辆运行状况起动或停止发动机运转，能有效降低发动机怠速时间，或是减少发动机低效工作时间，从而提高车辆燃油经济性能。发动机启停系统是当前混合动力汽车、增程式电动汽车的必备系统，也是常规燃油发动机汽车提高燃油经济性的有效手段。

目前发动机起停系统的实现方法较多，常见的是利用发动机控制单元控制电机驱动发动机，现实发动机的起动与停机，例如专利201410788349.6、200610161415.2、201310271929.3，也有的采用飞轮储能装置进行发动机启停，例如专利201410162786.7，或是采用致动蓄能器，利用液压马达原理起动发动机例如专利201110297026.3。以上思路与方法都有各自的特点和优势，但都存在系统复杂、部件分散等问题，无法与中、重度混合动力汽车的混合动力系统有效融合。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种发动机起停系统及其工作方法，通过采用双转子电机，使得发动机起停系统具有结构紧凑、控制灵活、维修简单等优点，而且需要有混合动力驱动功能，实现与混合动力系统的有效融合。

本发明提供了一种发动机起停系统，包括发动机、双转子电机、行星齿轮机构、电磁离合器、复合电源以及驱动控制系统，

所述双转子电机包括内转子、外转子和定子，所述内转子的轴一端与发动机输出轴连接，另一端与行星齿轮机构的太阳轮连接；所述外转子的轴与变速箱输入轴连接，所述定子位于内转子和外转子之间，定子一端通过螺栓与发动机缸体连接，另一端设有定子端盖。

优选的，所述双转子电机内转子外圆柱面上装有内转子永磁体，外转子内圆柱面装有外转子永磁体；定子内圆柱面、外圆柱面上分别装有定子内电枢线圈和定子外电枢线圈，内转子永磁体与定子内电枢线圈构成内电机，外转子永磁体与定子外电枢线圈构成外电机。

优选的，当复合电源储电量不足时，所述双转子电机内电机可以驱动发动机起动，并在发动机起动后转变为发电机，把发动机机械能转化为电能，给复合电源充电；所述外电机可以驱动变速箱及驱动车桥，也可以在车辆制动时转变为发电机，把车辆的制动能量转化为电能，储存到复合电源中。

所述行星齿轮机构包括齿圈、行星轮、行星轮架和太阳轮；所述齿圈嵌于外转子内，太阳轮与内转子共轴，且同步旋转；行星轮套装在行星轮架上，且与齿圈内啮合，与太阳轮外啮合；行星轮架的环形架的外圆面有外花键。

所述电磁离合器包含驱动线圈、衔铁、衔铁导向板、摩擦盘，所述驱动线圈设于定子端盖的凹槽内，所述定子端盖的外侧设有衔铁导向板，衔铁导向板上设有衔铁，衔铁能够在衔铁导向板上可以左右移动，所述衔铁导向板外侧设有衔铁外侧压板，衔铁外侧压板和衔铁导向板之间设有摩擦盘，摩擦盘通过花键套装在行星轮架的环形架上。

所述驱动线圈和衔铁之间还设有回位弹簧；

所述摩擦盘两侧装有环状摩擦片，

所述衔铁是通过导向销串装在衔铁导向板上；

驱动线圈通电后，衔铁在电磁力作用下向驱动线圈一侧移动，把摩擦盘紧压在衔铁导向板的外侧面上，在摩擦力的作用下，行星轮架被制动，直至固定不旋转；

电磁离合器必须确保能对行星轮架有效制动，故其摩擦力矩必须大于行星轮架的旋转扭矩。

当电磁离合器工作后，行星轮架被制动并固定，行星齿轮机构传动比被确定，发动机的动力可以直接通过行星齿轮机构，向变速箱以及驱动车桥传递，即发动机能直接驱动车辆行驶。

优选的，所述发动机起停系统可以实现混合动力行驶，当车辆行驶功率需求大于双转子电机外电机所能提供的功率，则内电机起动发动机，并利用电磁离合器锁止行星轮架，发动机与双转子电机外电机同时向变速箱、驱动车桥提供动力，实现混合动力行驶。

所述复合电源由多种电能存储装置组合而成，具有容量大、效率高等性能优点，在制动能量回收时，所述复合电源还具备快速吸收电能的能力。

优选的，所述复合电源由动力蓄电池和超级电容组成。

所述驱动控制系统包括控制单元、发动机控制单元、电磁离合器驱动电路、内电机驱动电路、外电机驱动电路以及电源电量检测电路；

所述控制单元为主要控制部件，其根据油门踏板开度、制动踏板开度、车速、复合电源储电量等车辆信息，决定是否需要向发动机控制单元、电磁离合器驱动电路、内电机驱动电路、外电机驱动电路发出驱动信号；

所述电磁离合器驱动电路，其主要功能是根据控制单元的驱动信号，驱动电磁离合器；

所述发动机控制单元，其主要功能有：根据控制单元的发动机起动信号，控制发动机运转，或者根据控制单元的发动机停机信号，停止发动机的供油系统和点火系统工作；

所述内电机驱动电路，其主要功能是根据控制单元的驱动信号，驱动双转子电机的内电机，起动发动机，当双转子电机内电机转变为发电机后，所述内电机驱动电路能把把双转子电机内电机发出的交流电进行整流调压，向复合电源充电；

所述外电机驱动电路，其主要功能是根据控制单元的驱动信号，驱动双转子电机的外电机，外电机驱动车辆行驶，当车辆制动时，双转子电机外电机转变为发电机，所述外电机驱动电路能把把双转子电机外电机发出的交流电进行整流调压，向复合电源充电。

本发明的有益效果为：

(1)基于双转子电机构建发动机起停系统，结构紧凑，体积小，重量轻，符合汽车轻量化的发展趋势；

(2)基于双转子电机构建发动机起停系统，在实现发动机自动起停功能的基础上，还融入了混合动力驱动的功能，让所述系统非常适合混合动力汽车使用。

附图说明

图1为本发明所述的发动机起停系统的总体结构示意图；

图2为行星轮架的结构示意图，A为行星轮架的正视图，B为行星轮架的左视图；

图3为图1中Ⅰ部的放大图；

图4为衔铁导向板的结构示意图；A是衔铁导向板左视图，B为衔铁导向板正视图；

图5为图4中Ⅱ部的放大图；

附图标记说明如下：1-发动机，2-内转子，21-内转子永磁体，3-外转子，31-外转子永磁体，4-定子，41-定子内电枢线圈，42-定子外电枢线圈，5-定子端盖，6-齿圈，7-行星轮，8-行星轮架，9-太阳轮，10-电磁离合器驱动线圈，11回位弹簧，12衔铁，13衔铁导向板，14摩擦盘，15衔铁外侧压板，16发动机控制单元，17内电机驱动电路，18复合电源，19外电机驱动电路，20电源电量检测电路，22电磁离合器驱动电路，23变速箱，24驱动车桥，25控制单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明一种发动机起停系统主要包括发动机1、双转子电机、行星齿轮机构、电磁离合器、复合电源以及驱动控制系统。

所述双转子电机包括内转子2、外转子3以及中间的定子4。内转子2的旋转轴与发动机的输出轴连接，并同步转动。同时行星齿轮机构的太阳轮9也装在内转子2的旋转轴上，且两者也同步转动。外转子3的旋转轴与变速箱输入轴连接，并同步转动，外转子3内嵌有齿圈6，齿圈6与外转子3也同步转动。

双转子电机定子4为带裙边的圆桶形，其裙边有螺栓孔，通过螺栓与发动机缸体连接，定子4的内圆柱面上装有电枢线圈41，外圆柱面上装有电枢线圈42，定子端盖5安装在定子4的右侧端头。

双转子电机内转子2的外圆柱面上装有永磁体21，外转子3的内圆柱面装有永磁体31，内转子永磁体21与定子内电枢线圈41构成内电机，外转子永磁体31与定子外电枢线圈42构成外电机。

所述行星齿轮机构由齿圈6、行星轮7、行星轮架8以及太阳轮9组成，齿圈6与外转子同步转动，太阳轮9与内转子及发动机输出轴同步旋转。当行星轮架8旋转不受限制时，行星齿轮机构具有两个自由度，无法把发动机1输出轴上的机械能传递到外转子3及变速箱、驱动车桥上。若行星轮架8被固定不旋转，则行星齿轮机构转化为定轴轮系，发动机1输出轴上的机械能将能够传递到外转子3及变速箱、驱动车桥上。

所述行星轮架8的结构如图2所示，行星轮架8与四个行星轮的旋转轴连接，行星轮7可以绕其旋转轴自转。在行星轮架8的环形板外圆面上有外花键，摩擦盘14套装在该外花键上，且可以在该外花键上左右轴向移动。

所述电磁离合器包含驱动线圈10、衔铁12、衔铁导向板13、回位弹簧11、摩擦盘14，驱动线圈10装置在双转子电机定子4外侧端盖5的凹槽内，衔铁12通过导向销串装在衔铁导向板13上，并可以在衔铁导向板13上左右移动，摩擦盘14摩擦盘两侧装有环状摩擦片，且该环状摩擦片正好与衔铁导向板13外侧面、衔铁外侧压板15的内侧面相对。由于衔铁导向板13与衔铁外侧压板15都是装配在定子端盖5上，所以它们都固定不转动。

当驱动线圈通电后，衔铁在电磁力作用下向驱动线圈一侧移动，衔铁外侧压板15把摩擦盘紧压在衔铁导向板13的外侧面上，摩擦盘与衔铁导向板13的外侧面、衔铁外侧压板15的内侧面之间形成摩擦力，在摩擦力的作用下，行星轮架被制动，直至锁止不旋转。为了确保电磁离合器能对行星轮架8有效制动，其摩擦力矩必须大于行星轮架的旋转扭矩。

当电磁离合器通电工作后，行星轮架8被制动，直至转速为零，此时，行星齿轮机构的行星轮转化为传动惰轮，行星齿轮机构转变为定轴轮系，发动机的动力可以直接通过行星齿轮机构，向变速箱以及驱动车桥传递，即发动机能直接驱动车辆行驶。

当然，所述发动机起停系统也可以实现混合动力行驶，当车辆纯电动行驶时，若驾驶员的速度需求增加，车辆行驶的功率需求大于双转子电机外电机所能提供的功率，则内电机起动发动机1，并利用电磁离合器锁止行星轮架8，发动机1与双转子电机外电机同时向变速箱、驱动车桥提供动力，实现混合动力行驶。

所述复合电源由多种电能存储装置组合而成，常见的有动力蓄电池和超级电容组合，当然也不排除其它类型的组合。复合电源具有容量大、效率高等性能优点，在制动能量回收时，还具备快速吸收电能的能力。

所述驱动控制系统包括控制单元25、发动机控制单元16、电磁离合器驱动电路22、内电机驱动电路17、外电机驱动电路19以及电源电量检测电路20；

所述控制单元为主要控制部件，其接收油门踏板开度、制动踏板开度、车速、复合电源储电量等车辆信息，并据此决定是否需要向发动机控制单元、电磁离合器驱动电路、内电机驱动电路、外电机驱动电路发出驱动信号。

所述电磁离合器驱动电路，其主要功能是接收控制单元的驱动信号，并对该信号进行功率放大，驱动电磁离合器。

在本发明的发动机起停系统内，所述发动机控制单元主要有两个方面的作用，(1)根据控制单元的发动机起动信号，配合双转子电机内电机起动发动机，并控制发动机运转；(2)根据控制单元的发动机停机信号，控制发动机的供油系统和点火系统，停止发动机运转。

所述内电机驱动电路，其主要作用是接收控制单元的驱动信号，并对该信号进行功率放大，驱动双转子电机的内电机带动发动机快速旋转。当发动机起动后，双转子电机内电机转变为发电机后，该内电机驱动电路还需要把双转子电机内电机发出的交流电进行整流调压，向复合电源充电。

所述外电机驱动电路，其主要功能是接收控制单元的驱动信号，并对该信号进行功率放大，驱动双转子电机的外电机旋转，接着外电机带动变速箱及驱动车桥，驱动车辆行驶。当车辆制动时，双转子电机外电机转变为发电机，把制动能量转化为电能，此时所述外电机驱动电路还需要把把双转子电机外电机发出的交流电进行整流调压，向复合电源充电。

实施例2

在实施例1基础上，本发明还提供了一种基于双转子电机的发动机起停系统的工作方法。

该工作方法包括：

(1)发动机起动。当复合电源电量充足，车辆行驶的速度需求不高，双转子电机外电机能够满足车辆行驶的功率需求时，双转子电机外电机驱动车辆行驶，此时为纯电动行驶状态，双转子电机内电机及其发动机都不工作。当复合电源电量下降至无法满足双转子电机外电机的供电需求时，电源电量检测电路检测到复合电源储电量不足的信号，并把该信号传递给控制单元，控制单元向内电机驱动电路发出驱动信号，内电机工作，内电机带动发动机高速旋转，此时控制单元还向发动机控制单元发出起动信号，发动机控制单元驱动发动机点火系统、供油系统，并协助发动机顺利起动。发动机起动之后，内电机转化为发电机，把发动机机械能转化为电能，给复合电源充电，同时也给外电机供电，使得外电机能持续驱动车辆。

(2)发动机停机。发动机运转，内电机不断发电并给复合电源充电，当复合电源储电量充足时，电源电量检测电路检测到复合电源储电量充足的信号，并把该信号传递给控制单元，控制单元向发动机控制单元发出停机信号，发动机控制单元停止发动机点火系统及供油系统工作，即停止给发动机喷油和点火，发动机停机，之后内电机的发电工作也停止，车辆从新进入纯电动行驶状态。

(3)混合动力驱动。当复合电源电量充足，车辆行驶的速度需求也高时，双转子电机外电机不能够满足车辆行驶的功率需求，此时控制单元向内电机驱动电路发出驱动信号，内电机工作，同时控制单元还向发动机控制单元发出起动信号，发动机控制单元驱动发动机点火系统、供油系统，并协助发动机顺利起动；

发动机起动之后，控制单元向电磁离合器驱动电路发出信号，驱动电磁离合器工作，行星齿轮机构中的行星轮架8被制动，直至转速为零，之后发动机输出轴扭矩将会直接传递到变速箱输入轴，此时，车辆将由发动机动力、双转子电机外电机同时驱动，实现混合动力行驶。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双转子电机的发动机起停系统，其特征在于，包括发动机、双转子电机、行星齿轮机构、电磁离合器、复合电源以及驱动控制系统；

所述双转子电机包括内转子(2)、外转子(3)和定子(4)，

所述内转子(2)的轴一端与发动机(1)输出轴连接，另一端与行星齿轮机构的太阳轮(9)连接，所述外转子(3)的轴与变速箱(23)输入轴连接，

所述定子(4)位于内转子(2)和外转子(3)之间，定子(4)一端通过螺栓与发动机(1)缸体连接，另一端设有定子端盖(5)；

所述行星齿轮机构包括齿圈(6)、行星轮(7)、行星轮架(8)和太阳轮(9)；所述齿圈(6)嵌于外转子(3)内，太阳轮(9)与内转子(2)共轴，且同步旋转，行星轮(7)套装在行星轮架(8)上，且与齿圈(6)内啮合，与太阳轮(9)外啮合，行星轮架(8)的环形架的外圆面有外花键；

所述电磁离合器包括驱动线圈(10)、衔铁(12)、衔铁导向板(13)、摩擦盘(14)；所述驱动线圈(10)设于定子端盖(5)的凹槽内，所述定子端盖(5)的外侧设有衔铁导向板(13)，衔铁导向板(13)上设有衔铁(12)，所述衔铁(12)能够在衔铁导向板(13)上左右移动，所述衔铁导向板(13)外侧设有衔铁外侧压板(15)，衔铁外侧压板(15)和衔铁导向板(13)之间设有摩擦盘(14)，摩擦盘(14)通过花键套装在行星轮架(8)的环形架上；

所述复合电源由多种电能存储装置组合而成；

所述驱动控制系统包括控制单元(25)、发动机控制单元(16)、电磁离合器驱动电路(22)、内电机驱动电路(17)、外电机驱动电路(19)以及电源电量检测电路(20)。

2.如权利要求1所述的一种基于双转子电机的发动机起停系统，其特征在于，所述双转子电机中，所述内转子(2)外圆柱面上装有内转子永磁体(21)，外转子(3)内圆柱面装有外转子永磁体(31)，定子(4)的内圆柱面、外圆柱面上分别装有定子内电枢线圈(41)和定子外电枢线圈(42)，内转子永磁体(21)与定子内电枢线圈(41)构成内电机，外转子永磁体(31)与定子外电枢线圈(42)构成外电机。

3.如权利要求1所述的一种基于双转子电机的发动机起停系统，其特征在于，所述电磁离合器中，所述驱动线圈(10)和衔铁(12)之间还设有回位弹簧(11)；所述摩擦盘(14)两侧装有环状摩擦片。

4.如权利要求1所述的一种基于双转子电机的发动机起停系统，其特征在于，所述衔铁(12)是通过导向销串装在衔铁导向板(13)上。

5.如权利要求1所述的一种基于双转子电机的发动机起停系统，其特征在于，所述电磁离合器的摩擦力矩大于行星轮架(8)的旋转扭矩。

6.如权利要求1所述的一种基于双转子电机的发动机起停系统，其特征在于，所述复合电源由动力蓄电池和超级电容组成。

7.如权利要求1所述的一种基于双转子电机的发动机起停系统的工作方法，其特征在于，

(1)发动机起动：

当复合电源电量充足，车辆行驶的速度需求不高，双转子电机外电机能够满足车辆行驶的功率需求时，双转子电机外电机驱动车辆行驶，此时为纯电动行驶状态，双转子电机内电机及其发动机都不工作；

当复合电源电量下降至无法满足双转子电机外电机的供电需求时，电源电量检测电路检测到复合电源储电量不足的信号，并把该信号传递给控制单元，控制单元向内电机驱动电路发出驱动信号，内电机工作，内电机带动发动机高速旋转，此时控制单元还向发动机控制单元发出起动信号，发动机控制单元驱动发动机点火系统、供油系统，并协助发动机顺利起动。发动机起动之后，内电机转化为发电机，把发动机机械能转化为电能，给复合电源充电，同时也给外电机供电，使得外电机能持续驱动车辆；

(2)发动机停机：

发动机运转，内电机不断发电并给复合电源充电，当复合电源储电量充足时，电源电量检测电路检测到复合电源储电量充足的信号，并把该信号传递给控制单元，控制单元向发动机控制单元发出停机信号，发动机控制单元停止发动机点火系统及供油系统工作，即停止给发动机喷油和点火，发动机停机，之后内电机的发电工作也停止，车辆从新进入纯电动行驶状态；

(3)混合动力驱动：

当复合电源电量充足，车辆行驶的速度需求也高时，双转子电机外电机不能够满足车辆行驶的功率需求，此时控制单元向内电机驱动电路发出驱动信号，内电机工作，同时控制单元还向发动机控制单元发出起动信号，发动机控制单元驱动发动机点火系统、供油系统，并协助发动机顺利起动；

发动机起动之后，控制单元向电磁离合器驱动电路发出信号，驱动电磁离合器工作，行星齿轮机构中的行星轮架被制动，直至转速为零，之后发动机输出轴扭矩将会直接传递到变速箱输入轴，此时，车辆将由发动机动力、双转子电机外电机同时驱动，实现混合动力行驶。