CN106828129B - 四轮可独立控制的分布式驱动混合动力电动汽车动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合动力车辆的动力传动系统技术领域，尤其涉及一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，主要包括电动机、发电机、发动机、制动器、行星齿轮机构、离合器、行星轮架，前驱动桥上的发动机的输出轴经离合器与行星齿轮机构的行星轮架相连，同时又和制动器相连；同时，本发明还提供了一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统的使用方法。本发明的有益效果为：通过行星齿轮机构的布置，既增加了车辆的可控性和稳定性，又能提高车辆的能量利用效率；解决了现有车辆无法对四个车轮的输出转矩与转速都能独立进行控制的难题，同时弥补了电动汽车尚未成熟的市场空间。

Description

四轮可独立控制的分布式驱动混合动力电动汽车动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力车辆的动力传动系统技术领域，尤其涉及一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统及其方法。
背景技术
汽车的电动化与智能化已经成为了车辆领域变革的方向，在这个大趋势下，“安全”与“高效率”是人们关注的焦点。
分布式驱动技术是“安全”这一主题下的一个研究热点。第一，相比于传统的动力学稳定性控制系统(ESP),分布式驱动车辆，即转矩矢量分配控制，可以使得车辆的可控范围进一步扩展，它均衡了各个轮胎的路面附着利用率，增加了车辆的稳定性裕度；第二，分布式驱动系统中，车辆的四个轮胎都可以独立地控制并独立地输出转矩，转矩的大小可以任意控制，这使得直接横摆力矩控制(DYC)能力增强；并且减小了制动横摆力矩控制中对车辆的减速作用，提高了过弯车速；第三，对各个车轮驱动力和制动力的独立控制，可以实现制动防抱死，驱动防滑，差动驱动助力转向，通过各个车轮的输出转矩的信息可以获得路面附着系数等环境参数，改善车辆动力学性能；第四，独立驱动/制动过程中产生的对悬架的垂向反作用力可以控制俯仰，侧倾和垂向等车身姿态，改善车辆的平顺性。
随着人们对高效环保车辆的追求，纯电动汽车将会在未来逐渐代替内燃机车。“车辆完全电动化”这一过程将会持续比较长的一段时间(超过20年)，原因有以下几点：第一，随着能源勘探和开采技术的进步，可以被人类利用的能源在不断增加；第二，纯电动车辆技术还不成熟，其核心技术：燃料电池技术，相对于传统内燃机汽车,存在成本高(大于30USD/KW)、燃料存储困难等众多没有突破的问题，而储能电池又有充电时间长、寿命短、存储能量少等不足，这些缺点限制了纯电动汽车的普及；第三，内燃机技术也在持续地进步，效率更高更加环保的内燃机让人们拥有了更多的选择；第四，城市内部与城市之间公共交通设施的大规模建设，使得人们有了更多的出行选择。
现有技术中车辆的标准配置是将动力原件产生的动力汇入差速器，再通过差速器把动力分配到前后驱动桥和左右车轮，这种结构无法对每个车轮的输出转矩和转速进行独立控制，因此也无法对其进行矢量分配控制；同时，安装有差速器的车辆只能通过制动横摆力矩控制提高车辆的稳定性；制动横摆力矩控制对车辆的减速作用明显，且不利于车辆整体效率的提高。
为了解决上述问题，本发明提出一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统及方法，通过将“混合动力技术”与“分布式驱动矢量分配控制”相结合，有效解决了现有车辆无法对四个车轮的输出转矩与转速都能独立地进行控制的问题，提高了车辆驾驶过程中的高效性能与安全性能，同时弥补了电动汽车未成熟的市场空间。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统及方法，通过使用电机单独控制车轮，有效解决了现有车辆无法对四个车轮的输出转矩与转速都能独立地进行控制的问题，提高了车辆驾驶过程中的高效性能与安全性能。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，主要包括电动机、发电机、发动机、制动器、行星齿轮机构、离合器、行星轮架，前驱动桥上的发动机的输出轴经离合器与行星齿轮机构的行星轮架相连，同时又和制动器相连；所述发电机的输出轴与行星齿轮机构的太阳轮相连，所述行星齿轮机构将发动机、发电机和车轮传动轴输出轴上的电动机耦合在一起；所述混合动力电动汽车动力系统以发动机为轴线呈左右对称分布；所述离合器与制动器之间安装有齿圈。
本发明通过对行星齿轮机构的布置，能使混合动力汽车前驱动桥上的发动机的动力传递到前轮，同时通过行星齿轮机构中耦合的电动机，又可以控制前轮的输出转矩；此种布局既增加了车辆的可控性和稳定性，又能提高车辆的能量利用效率。
进一步的，所述混合动力电动汽车动力系统还包括四个车轮，所述车轮包括两个前轮和两个后轮，所述两个前轮各连接一个电动机，所述两个后轮各连接一个电动发电一体机。
在四个车轮处都连接电动机或发电一体机有利于混合动力电动汽车动力系统对各个车轮进行单独控制，提高车辆运行过程中的能量利用效率。
进一步的，所述前轮所连接的电动机是永磁直流电机。
进一步的，所述后轮所连接的电动发电一体机为永磁同步电机。
前轮使用永磁直流电机的优势是它可以进行正反转控制，后轮使用永磁同步电机的优势是可以自由切换电动机和发电机，方便控制车轮和能量回收。
进一步的，所述前轮与电动机之间连接有齿轮减速机构，所述后轮与电动发电一体机之间连接有齿轮减速机构。
在前轮与电动机或后轮与电动发电一体机之间安装齿轮减速机构能够使电动机和发动机工作在高效区间。
进一步的，所述前轮依次与齿轮减速机构、电动机、离合器、制动器串联。
进一步的，所述离合器和制动器都有开和闭两种模式。
进一步的，所述离合器与制动器的开和闭的模式相反。
当离合器开启时，同一轴上的制动器一定是闭合的；当制动器开启时，同一轴上的离合器一定是闭合的，离合器与制动器的开/闭模式不同，能量的传输方式不同。
进一步的，所述发动机两端的机构能够选择不同的离合器与制动器的工作模式。
选择不同的工作模式，能够提高车辆的可控性，在车辆向右转弯时，左前轮选择串联混动模式，右前轮选择再生制动模式，这种搭配可以为车辆提供一个向右的直接横摆力矩，有利于车辆顺利迅速地通过弯道。
一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统的使用方法，具体步骤为：
步骤1、启动混合动力电动汽车动力系统；
步骤2、当车辆行驶在需要经常启停的城市拥堵工况时，控制器控制混合动力电动汽车进入纯电动模式和串联混合动力模式，左前电动机3、右前电动机9、左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15分别控制四个车轮进行独立转动；
步骤3、当车辆行驶在一般的高速直线行驶工况时，控制器控制混合动力电动汽车进入混连混合动力模式，左前电动机3和右前电动机9协调发动机6的输出转矩控制两个前轮的转矩输出，两个后轮通过左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15控制，电动发电一体机均工作在电动机模式，此时，四个车轮的输出力矩皆可独立控制；
步骤4、当车辆需要最大限度地利用能源且需要减速制动时，控制器控制混合动力电动汽车进入再生制动模式，四个车轮均处于单独连接发电机状态,此时，电动发电一体机均工作在发电机模式；
步骤5、完成行驶任务，混合动力电动汽车动力系统工作结束。
本发明混合动力电动汽车动力系统的使用方法能够有利于车辆在不同路况条件下选择不同的工作模式，有效解决了现有车辆无法对四个车轮的输出转矩与转速都能独立地进行控制的问题，提高了车辆驾驶过程中的高效性能与安全性能。
本发明有益效果如下：
(1)本发明四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力传动系统通过行星齿轮机构的布置，既增加了车辆的可控性和稳定性，又能提高车辆的能量利用效率；
(2)本发明四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力传动系统解决了现有车辆无法对四个车轮的输出转矩与转速都能独立进行控制的难题，同时弥补了电动汽车尚未成熟的市场空间；
(3)本发明四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力传动系统结合了分布式驱动矢量分配控制和混合动力驱动的优势，提高了车辆控制的稳定性和安全性；
(4)本发明四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力传动系统提高了车辆应对不同状况的能力，同时克服了纯电动车辆的不足之处，适应了未来汽车发展的趋势。
附图说明
图1是本发明四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力传动系统示意图；
图2是本发明前驱动桥上从发动机输出轴到左前轮的动力传动结构放大示意图；
图3是本发明混连混动模式工况能量传递示意图；
图4是本发明串联混动模式工况能量传递示意图；
图5是本发明纯电动模式工况能量传递示意图；
图6是本发明再生制动模式工况能量传递示意图；
其中，1-左前轮，2-左前齿轮减速机构，3-左前电动机，4-左行星齿轮机构，5-左前发电机，6-发动机，7-右前发电机，8-右行星齿轮机构，9-右前电动机，10-右前齿轮减速机构，11-右前轮，12-左后轮，13-左后齿轮减速机构，14-左后电动发电一体机，15-右后电动发电一体机，16-右后齿轮减速机构，17-右后轮，18-齿圈，19-行星轮，20-第一离合器，21-第一制动器，22-太阳轮，23-第二制动器，24-第二离合器，25-电池，26-油箱。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明提供了一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，如图1、2所示，主要包括左前轮1、左前齿轮减速机构2、左前电动机3、左行星齿轮机构4、左前发电机5、发动机6、右前发电机7、右行星齿轮机构8、右前电动机9、右前齿轮减速器减速机构10、右前轮11、左后轮12、左后齿轮减速机构13、左后电动发电一体机14、右后电动发电一体机15、右后齿轮减速机构16、右后轮17、齿圈18、行星轮19、第一离合器20、第一制动器21、太阳轮22、第二制动器23、第二离合器24、电池25、油箱26；
其中，左前轮1依次与左前齿轮减速机构2、左前电动机3、第一离合器20、齿圈18、第一制动器21串联，左前发电机5的输出轴与左行星齿轮机构4的太阳轮22相连；前驱动桥上的发动机6的输出轴左侧经第二离合器24与左行星齿轮机构4的行星轮架19相连，同时又和第二制动器23相连；发动机6通过第二离合器24将力输出到左行星齿轮机构4的行星架19上，左前电动机3和右前电动机9分别对左前轮1和右前轮11的输出转矩进行调节；左行星齿轮机构4将发动机6、左前发电机5和车轮传动轴输出轴上的左前电动机3耦合在一起，左行星齿轮机构4将功率分配到左前轮1和左前发电机5上，最终通过齿圈18将功率输出到左前轮1所在的半轴，同时，太阳轮22将多余的功率输出到左前发电机5；
左后轮12和右后轮17分别由两个单独的左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15控制，左后轮12通过左后齿轮减速机构13与左后电动发电一体机14串联，右后轮17通过右后齿轮减速机构16与右后电动发电一体机15串联；混合动力电动汽车动力系统通过发动机6为轴线呈左右对称分布。
本发明中左前电动机3和右前电动机9可以选择永磁直流无刷电机，这种电机的特点是可以控制电机正反转，有利于对两个前轮进行控制；左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15可以选择永磁同步电机，这种电机的特点是可以被控制自由切换“电动机”和“发电机”模式，方便车辆驱动控制和再生制动回收能量。
本发明将混合动力电动汽车动力系统进行此种布局的目的是通过对左行星齿轮机构4和右行星齿轮机构8进行布置，能使混合动力汽车前驱动桥上的发动机6的动力可以传递到左前轮1和右前轮11，同时通过行星齿轮机构中耦合的左前电动机3和右前电动机9，又可以控制两个前轮的输出转矩；本发明混合动力电动汽车动力系统的布局既增加了车辆的可控性如直接横摆力矩控制和稳定性如防滑及获得路面附着系数信息，又能提高车辆的能量利用效率如能量管理等。使发动机和电动机发出的动力都能够传递到两个前轮，同时还能够对车辆的四个车轮的输出转矩分别进行控制。
本发明四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统中，第一离合器20、第二离合器24、第一制动器21及第二制动器23只有“开/闭”两种模式，如图2所示，第一离合器20与第一制动器21的“开/闭”模式相反，第二制动器23与第二离合器24的“开/闭”模式相反，当第一离合器20开启时，第一制动器21一定是闭合的；当第一制动器21开启时，第一离合器20一定是闭合的，同理，当第二制动器23闭合时，第二离合器24一定是开启的；当第二制动器23开启时，第二离合器24一定是闭合的；在对前驱动桥发动机两侧每一侧的机构中的离合器和制动器进行控制时，存在4种工作模式，分别为混连混动模式、串联混动模式、再生制动模式及纯电动模式，下面以发动机6左侧离合器与制动器的开闭情况为实施例进行描述：
图3为混连混动模式工况能量传递示意图，混连混动模式为第一离合器20闭合，第一制动器21断开，第二制动器23断开，第二离合器24闭合，此种模式状态下，发动机6和左前电动机3共同提供动力作用于左前轮1，发动机6通过油箱26提供能量，左前电动机3通过电池25提供能量，同时，左前发电机5将多余的动力转化成电能存储在电池25中，在一般的高速直线行驶工况中，前驱动桥发动机6两侧的左前轮1和右前轮11的传动模式是混连混动模式，此时发动机6发出的功率能够平均地分配到左前轮1和右前轮11，左前电动机3和右前电动机9能够使发动机6工作在高效区间，提高了能源的利用效率。
图4为串联混动模式工况能量传递示意图，串联混动模式为第一离合器20断开，第一制动器21闭合，第二制动器23断开，第二离合器24闭合，此种模式状态下，发动机6和左前发电机5相连，将化学能经机械能转变为电能，然后通过左前电动机3将电能转化为机械能以驱动车辆，图5是本发明纯电动模式工况能量传递示意图，纯电动模式为第一离合器20断开，第一制动器21闭合，第二制动器23闭合，第二离合器24断开，此种模式状态下，发动机6和左前发电机5均不工作，左前电动机3将电池中存储的电能转化为机械能为车辆提供动力。当车辆行驶在需要经常启停的城市拥堵工况时，前驱动桥发动机6两侧的左前轮1和右前轮11的传动模式是串联混合动力模式或者纯电动模式，此时四个车轮即左前轮1、右前轮11、左后轮12和右后轮17分别完全依靠车轮一侧的左前电动机3、右前电动机9、左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15提供动力；不同的是串联混合动力模式发动机6工作，它带动左前发电机5和右前发电机7为左前电动机3、右前电动机9、左后电动发电一体机14、右后电动发电一体机15和电池25提供电能，而纯电动模式中发动机6不工作，左前电动机3、右前电动机9、左后电动发电一体机14及右后电动发电一体机15的电能完全由电池提供。
图6是本发明再生制动模式工况能量传递示意图，再生制动模式为第一离合器20闭合，第一制动器21断开，第二制动器23闭合，第二离合器24断开，此种模式状态下，发动机6和左前电动机3均不工作，车辆的惯性势能通过左前发电机5转化为电能，并存储在电池当中；当车辆需要最大限度地利用能源时，则每次刹车两个前轮都会自动切换到再生制动模式；此时，发动机6停止工作，车辆的惯性势能将被用来克服左前发电机5及右前发电机7的全部阻力做功，进而为电池充电，此时两个后轮的左后电动发电一体机14及右后电动发电一体机机15转化为发电机状态，车辆的惯性需要克服四个发电机的阻力，使得制动效果更好，能量的回收更充分。
发动机6两端的机构可以选择不同的工作模式，在车辆向右转弯时，左前轮1选择“串联混动模式”，右前轮11选择“再生制动模式”，这种搭配可以为车辆提供一个向右的直接横摆力矩，有利于车辆顺利迅速地通过弯道。
本发明所提到的发动机6、左前电动机3和左前发电机5的组合非常类似于“弹簧+阻尼”机构，左前电动机3起到控制输出力矩的作用，使左前轮1保持需要的力矩输出，类似于弹簧稳定的平衡位置，左前发电机5起到耗损发动机6输出转矩的波动的作用，使输出转矩稳定，类似于阻尼。
为了达到车辆稳定性控制和最大限度利用能源的目的，前驱动桥发动机两侧左车轮1及右前轮11可以根据路况选择不同的动力传动模式，因此，本发明提供一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统的使用方法，具体步骤为：
步骤1、启动混合动力电动汽车动力系统；
步骤2、当车辆行驶在需要经常启停的城市拥堵工况时，控制器控制混合动力电动汽车进入纯电动模式和串联混合动力模式，左前电动机3、右前电动机9、左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15分别控制四个车轮进行独立转动；
步骤3、当车辆行驶在一般的高速直线行驶工况时，控制器控制混合动力电动汽车进入混连混合动力模式，左前电动机3和右前电动机9协调发动机6的输出转矩控制两个前轮的转矩输出，两个后轮通过左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15控制，电动发电一体机均工作在电动机模式，此时，四个车轮的输出力矩皆可独立控制；
步骤4、当车辆需要最大限度地利用能源且需要减速制动时，控制器控制混合动力电动汽车进入再生制动模式，四个车轮均处于单独连接发电机状态,此时，电动发电一体机均工作在发电机模式；
步骤5、完成行驶任务，混合动力电动汽车动力系统工作结束。
在车辆转弯时，一侧的车轮选择“混连混合动力模式”，另一侧的车轮选择“纯电动模式”；或者，一侧的车轮选择“混连混合动力模式”，另一侧的车轮选择“再生制动模式”；这要视当时的实际情况而定。
综上所述，本发明提供了一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统及方法，动力系统结合了“分布式驱动矢量分配控制”和“混合动力驱动”的优势，有效提高了车辆控制的稳定性和安全性，同时，也提高了车辆应对不同工况的能力，克服了纯电动车辆的不足之处，适应了未来汽车发展的趋势，可以弥补电动汽车时代还未到来之前的市场空间，具有重要的现实意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，主要包括电动机、发电机、发动机、制动器、行星齿轮机构、离合器、行星轮架，前驱动桥上的发动机的输出轴经离合器与行星齿轮机构的行星轮架相连，同时又和制动器相连；所述发电机的输出轴与行星齿轮机构的太阳轮相连，所述行星齿轮机构将发动机、发电机和车轮传动轴输出轴上的电动机耦合在一起；所述混合动力电动汽车动力系统以发动机为轴线呈左右对称分布；所述离合器与制动器之间安装有齿圈。
2.根据权利要求1所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述混合动力电动汽车动力系统还包括四个车轮，所述车轮包括两个前轮和两个后轮，所述两个前轮各连接一个电动机，所述两个后轮各连接一个电动发电一体机。
3.根据权利要求2所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述前轮所连接的电动机是永磁直流电机。
4.根据权利要求3所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述后轮所连接的电动发电一体机为永磁同步电机。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述前轮与电动机之间连接有齿轮减速机构，所述后轮与电动发电一体机之间连接有齿轮减速机构。
6.根据权利要求5所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述前轮依次与齿轮减速机构、电动机、离合器、制动器串联。
7.根据权利要求6所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述离合器和制动器都有开和闭两种模式。
8.根据权利要求7所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述离合器与制动器的开和闭的模式相反。
9.根据权利要求8所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统，其特征在于，所述发动机两端的机构能够选择不同的离合器与制动器的工作模式。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种四轮可独立控制的混合动力电动汽车动力系统的使用方法，具体步骤为：
步骤1、启动混合动力电动汽车动力系统；
步骤2、当车辆行驶在需要经常启停的城市拥堵工况时，控制器控制混合动力电动汽车进入纯电动模式和串联混合动力模式，左前电动机3、右前电动机9、左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15分别控制四个车轮进行独立转动；
步骤3、当车辆行驶在一般的高速直线行驶工况时，控制器控制混合动力电动汽车进入混连混合动力模式，左前电动机3和右前电动机9协调发动机6的输出转矩控制两个前轮的转矩输出，两个后轮通过左后电动发电一体机14和右后电动发电一体机15控制，电动发电一体机均工作在电动机模式，此时，四个车轮的输出力矩皆可独立控制；
步骤4、当车辆需要最大限度地利用能源且需要减速制动时，控制器控制混合动力电动汽车进入再生制动模式，四个车轮均处于单独连接发电机状态,此时，电动发电一体机均工作在发电机模式；
步骤5、完成行驶任务，混合动力电动汽车动力系统工作结束。
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