CN105235495B - 适应多工况的二档多模混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适应多工况的二档多模混合动力系统及其控制方法，适应多工况的二档多模混合动力系统包括机械驱动系统、电驱动系统、动力传动系统、供电系统及控制系统组成。当车辆需要低速爬坡或加速时，动力传动系统具有减速增矩功能，相比于基于双转子电机的混合动力系统减小了双转子电机的体积和质量；当车辆在高速行驶时，减少了能量转化环节并提高了系统的能量利用效率，相比于基于双转子电机的混合动力系统降低了发动机的能量消耗；通过协调控制内电机和外电机输出的转矩，动力传动系统能保证车辆在换挡过程中不存在动力中断现象，且保障换挡过程中的平顺性。

Description

适应多工况的二档多模混合动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车技术领域，特指一种适应多工况的二档多模混合动力系统及其控制方法。

背景技术

混合动力电动汽车HEV)将原动机、电动机、能量储存装置蓄电池)按不同方式组合在一起，可分为串联式、并联式和混联式等3种形式。串联式HEV动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间没有机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内频繁起步加速和低速运行工况。但是需要功率足够大的发电机、电动机和电池容量，整体能量利用率较低。并联式HEV的发动机机械能可直接输出到汽车驱动桥，系统效率较高；电动机同时又可作为发电机使用，系统仅由发动机和电动机组成，整车质量和成本减小，装置容量也大大减小。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械联系，发动机运行工况必将受到汽车行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区运行，则控制系统和控制策略较复杂。混联式HEV布置方案综合了串、并联两种布置方案的优点，具有最佳综合性能，但系统组成庞大，传动系布置困难。另外，实现串、并联分支间合理的切换对控制系统和相关控制策略的设计也提出了更高的要求。

为了使内燃机能在整个运行工况下均保持最佳效率运行，同时又可以减少装置的复杂程度，一种能量变化装置“电力无级变速器”(Electric variable transmission，EVT)应运而生。EVT是一项近年来发展起来先进技术，它为车辆提供连续的无级变速，使驾驶更平稳，舒适。同时它着重解决节能和环保两大难题。电力无级变速器既可作为一般意义下的变速器用来调节速度，又能用作机-电混合动力装置来调节速度和动力。它代表了一个全新的变速器设计理念，非常适合中国目前跳跃式发展的模式，它充分利用中国没有发达国家特有的现有产业框架的限制的优势。它能使中国的混合动力变速器技术一步到位，缩短发展历程。

电力无级变速器的核心机构为双转子电机，双转子电机由内转子、外转子、定子三个主要部分组成。三个主要部分可以组成两个径向布置的的电机，其中内转子与外转子构成内电机，外转子与定子组成外电机。一般情况下内转子与发动机轴连接，外转子与主减速器轴连接。发明专利CN201410193139.2提出了一种基于双转子电机的混合动力系统，该发明专利存在的不足有：1)为了满足车辆在低速下的爬坡和加速需求，选型时双转子电机的峰值转矩较大，从而导致双转子电机的体积和质量较大；)当车辆在高速公路上行驶时，车辆进入发动机驱动高速行驶模式，发动机的能量经内电机传递到外电机，然后驱动车辆前进，系统动力传递效率低，导致车辆总体油耗偏高。发明专利CN20141085507.5提出了一种适应多用途的二档多模混合动力系统，该发明发明专利存在的不足有：混合动力系统体积大，二档变速器在换挡过程中，使得车辆发生动力传递中断，并且存在换挡冲击。

发明内容

本发明的目的是解决基于双转子电机的混合动力系统中系统体积和重量大、高速行驶系统动力传递效率低的问题，提供了一种适应多工况的二档多模混合动力系统及其控制方法，显著减小所搭载的双转子电机的体积和质量，降低了车辆在高速行驶时发动机的能量消耗。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

适应多工况的二档多模混合动力系统，其特征在于：包括机械驱动系统、电驱动系统、动力传动系统、供电系统及控制系统组成，

机械驱动系统包括发动机、发动机输出齿轮和发动机传动齿轮，发动机输出端与发动机输出齿轮连接，发动机输出齿轮与发动机传动齿轮啮合；

电驱动系统包括电机壳体、定子绕组、永磁体、外转子、内转子、外转子离合器、内转子离合器、内转子绕组和轴承，所述内转子一端与发动机传动齿轮连接、另一端装有内转子离合器，内转子绕组固定在内转子的外侧，外转子通过轴承支撑在内转子上，外转子的内侧、外侧均固定有永磁体；电机壳体通过轴承支撑在外转子上，定子绕组固定在电机壳体的内侧；外转子离合器安装在外转子上、且与内转子离合器位于同一端；

动力传动系统包括变速箱输出轴、变速箱输入齿轮、变速箱连接齿轮组、变速箱输出齿轮、车桥，变速箱连接齿轮组包括通过轴连接的大齿轮和小齿轮，变速箱输出轴的一端与内转子离合器相对安装、另一端与车桥连接；变速箱输入齿轮与外转子离合器相对安装，变速箱输入齿轮与变速箱连接齿轮组的大齿轮啮合；变速箱输出齿轮安装在变速器输出轴上，变速箱输出齿轮与变速箱连接齿轮组的小齿轮啮合；

供电系统包括高压供电滑环、动力电池、低压供电滑环，所述低压供电滑环和高压供电滑环均安装在内转子上、且分别与动力电池电联接，高压供电滑环与内转子绕组电联接，低压供电滑环与励磁线圈电联接，所述动力电池还与定子绕组电联接；

控制系统包括内电机控制器、外电机控制器、离合器控制器、整车控制器和信号线，整车控制器通过信号线分别与内电机控制器、外电机控制器、离合器控制器连接；

所述内电机控制器装于动力电池与高压供电滑环之间的电路上，用于控制内电机的转速和转矩；

所述外电机控制器装于动力电池与定子绕组之间的电路上，用于控制外电机的转速和转矩；

所述离合器控制器装于动力电池与低压供电滑环之间的电路上，用于控制外转子离合器和内转子离合器分离和吸合。

优选地，外转子离合器和内转子离合器均为电磁式离合器。

优选地，低压供电滑环和高压供电滑环均安装在内转子上与发动机传动齿轮连接的一端的端部。

所述的适应多工况的二档多模混合动力系统的控制方法，其特征在于：

当车辆工作在城市运行工况时，整车控制器发出外转子离合器吸合指令，离合器控制器控制外转子离合器对应的励磁线圈通电，外转子与变速箱输入齿轮结合，此时变速器进入低速档；若动力电池的SOC满足工作条件，整车进入纯电驱动模式，整车控制器发出外电机工作指令，外电机控制器控制外电机驱动；若动力电池的SOC不满足工作条件，整车进入串联工作模式，内电机控制器控制内电机启动发动机)，整车控制器发出内电机和外电机工作指令，内电机控制器控制内电机发电，外电机控制器控制外电机驱动；

当车辆工作在高速运行工况时，整车控制器发出内转子离合器吸合指令，离合器控制器控制内转子离合器对应的励磁线圈通电，内转子与变速器输出轴结合并连接，此时变速器处于换挡过程中。整车控制器发出内电机工作指令，内电机控制器控制内电机驱动，在换挡过程中整车控制器控制内电机输出的转矩与外电机输出的转矩之和不变；当外电机输出转矩为零时，整车控制器发出外转子离合器分离指令，离合器控制器控制外转子离合器对应的励磁线圈断电，外转子与变速箱输入齿轮分离，此时变速器进入高速档；整车进入并联工作模式，内电机控制器控制内电机发电或驱动，对发动机)的工作点进行调节。

本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比明显具有以下优点：

(1)当车辆需要低速爬坡或加速时，动力传动系统具有减速增矩功能，相比于传统基于双转子电机的混合动力系统减小了双转子电机的体积和质量。

(2)当车辆在高速行驶时，减少了能量转化环节并提高了系统的能量利用效率，相比于传统基于双转子电机的混合动力系统降低了发动机的能量消耗。

(3)通过协调控制内电机和外电机输出的转矩，动力传动系统能保证车辆在换挡过程中不存在动力传递中断现象，且保障换挡过程的平顺性。

附图说明

图1是本发明所述适应多工况的二档多模混合动力系统的结构示意图。

图中：

1-发动机，2-发动机输出齿轮，3-发动机传动齿轮，4-高压供电滑环，5-电机壳体，6-定子绕组，7-永磁体，8-外转子，9-内转子，10-外转子离合器，11-内转子离合器，12-变速箱输出轴，13-变速箱输入齿轮，14-变速箱连接齿轮组，15-变速箱输出齿轮，16-励磁线圈，17-内转子绕组，18-轴承，19-内电机控制器，20-高压线，21-动力电池，22-车桥，23-外电机控制器，24-离合器控制器，25-低压供电滑环，26-低压线，27-整车控制器，28-信号线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明涉及的适应多工况的二档多模混合动力系统的结构和工作原理。

适应多工况的二档多模混合动力系统包括机械驱动系统、电驱动系统、动力传动系统、供电系统及控制系统组成。

如图1所示，机械驱动系统包括发动机1、发动机输出齿轮2和发动机传动齿轮3,发动机1输出端与发动机输出齿轮2连接，发动机输出齿轮2与发动机传动齿轮3啮合。

电驱动系统包括电机壳体5、定子绕组6、永磁体7、外转子8、内转子9、外转子离合器10、内转子离合器11、内转子绕组17和轴承18。所述内转子9一端与发动机传动齿轮3连接、另一端装有内转子离合器11。内转子绕组17固定在内转子9的外侧，外转子8通过轴承18支撑在内转子9上；外转子8的内侧、外侧均固定有永磁体7。电机壳体5通过轴承18支撑在外转子8上，定子绕组6固定在电机壳体5的内侧。外转子离合器10安装在外转子8上、且与内转子离合器11位于同一端。该电驱动系统包括外电机和内电机的集成，其中电机壳体5、定子绕组6、永磁体7和外转子8组成外电机，永磁体7、外转子8、内转子9和内转子绕组17组成内电机。其中，外转子离合器10和内转子离合器11均为电磁式离合器。

动力传动系统包括变速箱输出轴12、变速箱输入齿轮13、变速箱连接齿轮组14、变速箱输出齿轮15、车桥22。变速箱连接齿轮组14包括通过轴连接的大齿轮和小齿轮。变速箱输出轴12的一端与内转子离合器11相对安装、另一端与车桥22连接；变速箱输入齿轮13与外转子离合器10相对安装，变速箱输入齿轮13与变速箱连接齿轮组14的大齿轮啮合；变速箱输出齿轮15安装在变速器输出轴12上，变速箱输出齿轮15与变速箱连接齿轮组14的小齿轮啮合。该动力传动系统包括高速档和低速档两个档位，当动力输入进入变速箱输出轴12时为高速档，当动力输入进入变速箱输入齿轮13时为低速档。

供电系统包括高压供电滑环4、动力电池21、低压供电滑环25，所述低压供电滑环25和高压供电滑环4均安装在内转子9上、且分别与动力电池21电联接，高压供电滑环4与内转子绕组17电联接，低压供电滑环25与励磁线圈16电联接，所述动力电池21还与定子绕组6电联接。

控制系统包括内电机控制器19、外电机控制器23、离合器控制器24、整车控制器27和信号线28，整车控制器27通过信号线28分别与内电机控制器19、外电机控制器23、离合器控制器24连接。所述内电机控制器19装于动力电池21与高压供电滑环4之间的电路上，用于控制内电机的转速和转矩。所述外电机控制器23装于动力电池21与定子绕组6之间的电路上，用于控制外电机的转速和转矩。所述离合器控制器24装于动力电池21与低压供电滑环25之间的电路上，用于控制外转子离合器10和内转子离合器11分离和吸合。

动力电池21与外电机控制器23、内电机控制器19、通过高压线20、连接离合器控制器24之间均为高压线连接，外电机控制器23与定子绕组6之间、内电机控制器19与高压供电滑环4之间、高压供电滑环4与内转子绕组17之间均通过高压线20连接；离合器控制器24与低压供电滑环25之间、低压供电滑环25与励磁线圈16之间均通过低压线26连接。低压供电滑环25和高压供电滑环4均安装在内转子9上与发动机传动齿轮3连接的一端的端部。

下面结合附图来具体描述本发明涉及的适应多工况的二档多模混合动力系统的控制方法。

当车辆工作在城市运行工况时，由于城市中交通拥堵，车辆需要低速行驶，整车控制器27发出外转子离合器10吸合指令，离合器控制器24控制外转子离合器10对应的励磁线圈16通电，外转子8与变速箱输入齿轮13结合，此时变速器进入低速档。若动力电池21的SOC满足工作条件，整车进入纯电驱动模式，整车控制器27发出外电机工作指令，外电机控制器23控制外电机驱动；若动力电池21的SOC不满足工作条件，整车进入串联工作模式，内电机控制器19控制内电机启动发动机1，整车控制器27发出内电机和外电机工作指令，内电机控制器19控制内电机发电，外电机控制器23控制外电机驱动。

当车辆从交通拥堵的城市转入高速公路行驶，当车辆工作在高速运行工况时，整车控制器27发出内转子离合器11吸合指令，离合器控制器24控制内转子离合器11对应的励磁线圈16通电，内转子9与变速器输出轴12结合并连接，此时变速器处于换挡过程中。整车控制器27发出内电机工作指令，内电机控制器19控制内电机驱动，在换挡过程中整车控制器27控制内电机输出的扭矩与外电机输出的转矩之和不变。当外电机输出转矩为零时，整车控制器27发出外转子离合器10分离指令，离合器控制器24控制外转子离合器10对应的励磁线圈16断电，外转子8与变速箱输入齿轮13分离，此时变速器进入高速档。整车进入并联工作模式，内电机控制器19控制内电机发电或驱动，对发动机1的工作点进行调节。

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 (4)

1.一种适应多工况的二档多模混合动力系统，其特征在于：包括机械驱动系统、电驱动系统、动力传动系统、供电系统及控制系统组成，

机械驱动系统包括发动机(1)、发动机输出齿轮(2)和发动机传动齿轮(3),发动机(1)输出端与发动机输出齿轮(2)连接，发动机输出齿轮(2)与发动机传动齿轮(3)啮合；

电驱动系统包括电机壳体(5)、定子绕组(6)、永磁体(7)、外转子(8)、内转子(9)、外转子离合器(10)、内转子离合器(11)、内转子绕组(17)和轴承(18)，所述内转子(9)一端与发动机传动齿轮(3)连接、另一端装有内转子离合器(11)，内转子绕组(17)固定在内转子(9)的外侧，外转子(8)通过轴承(18)支撑在内转子(9)上，外转子(8)的内侧、外侧均固定有永磁体(7)；电机壳体(5)通过轴承(18)支撑在外转子(8)上，定子绕组(6)固定在电机壳体(5)的内侧；外转子离合器(10)安装在外转子(8)上、且与内转子离合器(11)位于同一端；

动力传动系统包括变速箱输出轴(12)、变速箱输入齿轮(13)、变速箱连接齿轮组(14)、变速箱输出齿轮(15)、车桥(22)，变速箱连接齿轮组(14)包括通过轴连接的大齿轮和小齿轮，变速箱输出轴(12)的一端与内转子离合器(11)相对安装、另一端与车桥(22)连接；变速箱输入齿轮(13)与外转子离合器(10)相对安装，变速箱输入齿轮(13)与变速箱连接齿轮组(14)的大齿轮啮合；变速箱输出齿轮(15)安装在变速器输出轴(12)上，变速箱输出齿轮(15)与变速箱连接齿轮组(14)的小齿轮啮合；

供电系统包括高压供电滑环(4)、动力电池(21)、低压供电滑环(25)，所述低压供电滑环(25)和高压供电滑环(4)均安装在内转子(9)上、且分别与动力电池(21)电联接，高压供电滑环(4)与内转子绕组(17)电联接，低压供电滑环(25)与励磁线圈(16)电联接，所述动力电池(21)还与定子绕组(6)电联接；

控制系统包括内电机控制器(19)、外电机控制器(23)、离合器控制器(24)、整车控制器(27)和信号线(28)，整车控制器(27)通过信号线(28)分别与内电机控制器(19)、外电机控制器(23)、离合器控制器(24)连接；

所述内电机控制器(19)装于动力电池(21)与高压供电滑环(4)之间的电路上，用于控制内电机的转速和转矩；

所述外电机控制器(23)装于动力电池(21)与定子绕组(6)之间的电路上，用于控制外电机的转速和转矩；

所述离合器控制器(24)装于动力电池(21)与低压供电滑环(25)之间的电路上，用于控制外转子离合器(10)和内转子离合器(11)分离和吸合。

2.如权利要求1所述的适应多工况的二档多模混合动力系统，其特征在于：外转子离合器(10)和内转子离合器(11)均为电磁式离合器。

3.如权利要求1所述的适应多工况的二档多模混合动力系统的控制方法，其特征在于：低压供电滑环(25)和高压供电滑环(4)均安装在内转子(9)上与发动机传动齿轮(3)连接的一端的端部。

4.如权利要求1所述的适应多工况的二档多模混合动力系统的控制方法，其特征在于：

当车辆工作在城市运行工况时，整车控制器(27)发出外转子离合器(10)吸合指令，离合器控制器(24)控制外转子离合器(10)对应的励磁线圈(16)通电，外转子(8)与变速箱输入齿轮(13)结合，此时变速器进入低速档；若动力电池(21)的SOC满足工作条件，整车进入纯电驱动模式，整车控制器(27)发出外电机工作指令，外电机控制器(23)控制外电机驱动；若动力电池(21)的SOC不满足工作条件，整车进入串联工作模式，内电机控制器(19)控制内电机启动发动机(1)，整车控制器(27)发出内电机和外电机工作指令，内电机控制器(19)控制内电机发电，外电机控制器(23)控制外电机驱动；

当车辆工作在高速运行工况时，整车控制器(27)发出内转子离合器(11)吸合指令，离合器控制器(24)控制内转子离合器(11)对应的励磁线圈(16)通电，内转子(9)与变速器输出轴(12)结合并连接，此时变速器处于换挡过程中； 整车控制器(27)发出内电机工作指令，内电机控制器(19)控制内电机驱动，在换挡过程中整车控制器(27)控制内电机输出的转矩与外电机输出的转矩之和不变；当外电机输出转矩为零时，整车控制器(27)发出外转子离合器(10)分离指令，离合器控制器(24)控制外转子离合器(10)对应的励磁线圈(16)断电，外转子(8)与变速箱输入齿轮(13)分离，此时变速器进入高速档；整车进入并联工作模式，内电机控制器(19)控制内电机发电或驱动，对发动机(1)的工作点进行调节。