CN107187441B - 混合动力系统及控制发动机输出功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力系统，包括混合动力驱动模块，混合动力驱动模块包括发动机、驱动轮系、第一电机、第二电机，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接。本发明，通过释放第一电机和第二电机的定子的旋转自由度，并根据驱动轮系的车速控制第一电机和第二电机的扭矩，通过第一电机和第二电机对发动机进行调速，实现发动机的转速与车速完全解耦。

Description

混合动力系统及控制发动机输出功率的方法

技术领域

本发明涉及汽车混合动力技术领域，尤其涉及一种混合动力系统及控制发动机转速的方法。

背景技术

随着各国对汽车油耗和排放要求不断提高，可以提高燃油效率降低排放污染物的混合动力汽车越来越受到汽车厂商和消费者的关注。其中混合动力驱动模块是影响混合动力汽车实际油耗与排放的关键零部件，能否真正实现发动机转速与车辆行驶速度之间的解耦是提高发动机效率，降低油耗和排放的关键所在。

目前，传统的混合动力驱动模块为了降低发动机低效率区间输出功率，优化发动机的油耗，通常在发动机1’和驱动轮系2’之间施加电机扭矩辅助，如图1所示，在发动机1’和驱动轮系2’之间增加离合器或者液力变矩器3’以及变速箱4’，其驱动原理是：发动机1’的扭矩通过发动机输出轴P₁经过离合器或液力变矩器3’传递给变速箱输入轴P₂，经过齿轮调节后输出给驱动轮轴P₃。现有的方法仅实现了发动机的扭矩对驱动轮系的扭矩一定程度上的解耦，发动机的转速与驱动轮系的车速之间的耦合关系仍然没有得到解耦，无法保证发动机一直在高效率区间，同时现有的方案在燃油动力系统基础上增加了离合器或者液力变矩器以及变速箱等电机零件，尺寸增大，结构复杂，增加成本，设计验证过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术无法实现发动机的转速与车速完全解耦的不足，提供一种混合动力系统及控制发动机转速的方法。

本发明的技术方案提供一种混合动力系统，包括混合动力驱动模块，所述混合动力驱动模块包括发动机、驱动轮系、第一电机和第二电机，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接。

进一步的，所述混合动力驱动模块还包括反向齿轮组，所述第一转子的输出轴与所述反向齿轮组的输入轴固定连接，所述第二转子的输出轴与所述反向齿轮组的输出轴固定连接，所述驱动轮系的驱动轴与所述反向齿轮组的输出轴固定连接。

进一步的，所述混合动力驱动模块还包括壳体、以及用于供所述第一定子和所述第二定子导电的导电组件，所述第一定子和所述第二定子均包括定子铁芯，所述导电组件的一端与所述壳体固定连接，所述导电组件的另一端与所述定子铁芯电连接。

进一步的，所述导电组件包括弹性部件、电刷、滑环、第一导电线和第一接线柱，所述定子铁芯与所述滑环固定连接，所述弹性部件的一端与所述壳体固定连接，所述弹性部件的另一端与所述电刷连接，所述电刷通过所述弹性部件固定在所述滑环上，所述电刷通过所述第一导电线与所述第一接线柱电连接，所述第一接线柱与所述壳体固定连接。

进一步的，所述导电组件包括导电轴承、第二导电线和第二接线柱，所述导电轴承包括导电滚子、导电外圈和导电内圈，所述导电外圈的一端与所述壳体固定连接，所述导电外圈的另一端与所述导电滚子的一端连接，所述导电滚子的另一端与所述导电内圈的一端连接，所述导电内圈的另一端与所述定子铁芯固定连接，所述第二接线柱与所述壳体固定连接，所述导电外圈通过所述第二导电线与所述第二接线柱电连接。

本发明的技术方案提供一种控制发动机输出功率的方法，包括：

检测驱动轮系的车速；

根据所述车速计算所述驱动轮系的需求扭矩；

根据所述需求扭矩和所述车速计算第一电机和第二电机的电机输出功率和，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接；

根据所述电机输出功率和分别控制所述第一电机和所述第二电机的输出功率、以及所述发动机的输出功率。

进一步的，所述检测驱动轮系的车速，具体包括：

通过速度传感器检测所述驱动轮系的所述车速。

进一步的，所述根据所述需求扭矩和所述车速计算第一电机和第二电机的电机输出功率和，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接，具体包括：

根据所述车速计算所述驱动轮系的转速；

根据所述需求扭矩和所述转速计算所述电机输出功率和。

进一步的，所述根据所述需求扭矩和所述转速计算所述电机输出功率和，具体包括：

利用下式计算所述第一电机和第二电机的电机输出功率和：

式中，N₀为所述驱动轮系的需求扭矩，N₂为所述第一电机的转子的扭矩，N₃为所述第二电机的转子的扭矩，ω₃为所述驱动轮系的输入轴的转速，P₁为所述第一电机的输出功率，P₂为所述第二电机的输出功率，γ为反向齿轮组的速比，所述电机输出功率和为P₁+P₂。

进一步的，所述根据所述电机输出功率和分别控制所述第一电机和所述第二电机的输出功率、以及所述发动机的输出功率，具体包括：

根据所述电机输出功率和计算所述发动机的发动机输出功率；

根据所述电机输出功率和控制所述第一电机和所述第二电机的输出功率；

根据所述发动机输出功率控制所述发动机的输出功率。

采用上述技术方案后，具有如下有益效果：在发动机和驱动轮系之间设置第一电机和第二电机，第一电机的第一定子和第二电机的第二定子可自由旋转，第一转子与第二转子的旋转方向相反，根据驱动轮系的车速控制第一定子和第二定子的扭矩，通过第一定子和第二定子对发动机进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

附图说明

参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是现有技术中的混合动力驱动模块的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种混合动力系统的结构示意图；

图3是图2所示的混合动力驱动模块的结构示意图；

图4是图2所示的混合动力驱动模块的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明一实施例提供的一种控制发动机输出功率的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或视为对发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

如图2所示，图2是本发明一实施例提供的一种混合动力系统的结构示意图，包括混合动力驱动模块，混合动力驱动模块包括发动机1和驱动轮系2，还包括第一电机3和第二电机4，第一电机3包括可自由旋转的第一定子31和第一转子32，第二电机4包括可自由旋转的第二定子41和第二转子42，发动机1的输出轴11依次与第一定子31和第二定子41同轴固定连接，第一转子32与第二转子42的旋转方向相反，第二转子42的输出轴与驱动轮系的驱动轴固定连接。

本发明提供的混合动力系统，在发动机和驱动轮系之间设置第一电机和第二电机，第一电机的第一定子和第二电机的第二定子可自由旋转，第一转子与第二转子的旋转方向相反，根据驱动轮系的车速控制第一定子和第二定子的扭矩，通过第一定子和第二定子对发动机进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

在其中一个实施例中，如图2所示，混合动力驱动模块还包括反向齿轮组5，第一转子32的输出轴与反向齿轮组5的输入轴51固定连接，第二转子42的输出轴与反向齿轮组5的输出轴52固定连接，驱动轮系2的驱动轴与反向齿轮组5的输出轴52固定连接。

具体的，反向齿轮组5为固定速比齿轮组，反向齿轮组5的速比值与第一电机3和第二电机4的型号有关，不同型号的电机，速比值也会不同。通过将第一转子31集成在反向齿轮组5的输入轴51上，使第一转子32与反向齿轮组5固定连接，将第二转子42集成在反向齿轮组5的输出轴52上，使第二转子42与反向齿轮组5固定连接，当反向齿轮组5的输入轴51转动时，反向齿轮组5的输出轴52会沿着反向齿轮组5的输入轴51反方向转动，实现第一转子32和第二转子42的旋转方向相反，从而实现对发动机进行调速。

在其中一个实施例中，如图3和图4所示，混合动力驱动模块还包括壳体6、以及用于供第一定子31和第二定子41导电的导电组件7，第一定子31和第二定子41均包括定子铁芯8，导电组件7的一端与壳体6固定连接，导电组件7的另一端与定子铁芯8电连接。

具体的，将第一定子31和第二定子41导电，使第一定子31和第二定子41可以自由旋转，然后通过反向齿轮组5使第一定子31和第二定子41通过反作用扭矩对发动机1进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

在其中一个实施例中，如图3所示，导电组件7包括弹性部件71、电刷72、滑环73、第一导电线74和第一接线柱75，定子铁芯8与滑环73固定连接，弹性部件71的一端与壳体6固定连接，弹性部件71的另一端与电刷72连接，电刷72通过弹性部件71固定在滑环73上，电刷72通过第一导电线74与第一接线柱75电连接，第一接线柱75与壳体6固定连接。

具体的，弹性部件71为弹簧，电刷72的数量与定子铁芯8的绕组线圈的组数相同，滑环73的数量为电刷72的数量一半，通常将两个电刷72用一根第一导电线74连接，然后固定在一个滑环73，滑环73与定子铁芯8绝缘固定连接，每个滑环73同轴方向排列，每个滑环73之间相互平行。电刷72通过固定在壳体6上的弹性部件71压紧在对应的滑环73上，通过电刷72将电流传递到相应的滑环73上，把高压电通过第一导电线74传递到定子铁芯8的绕组线圈上，使定子铁芯8带电旋转，滑环73随着定子铁芯8一起转动，释放第一定子31和第二定子41的旋转自由度，控制第一电机和第二电机的输出扭矩，对发动机进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。需要说明的是，图3所示的为三相异步电机，定子铁芯8上有六组绕组线圈，在对应的六组绕组线圈上分别设置三个滑环73，三个滑环73同轴方向排列，与定子铁芯8绝缘固定连接。

在其中一个实施例中，如图4和图5所示，导电组件7包括导电轴承76、第二导电线77和第二接线柱78，导电轴承76包括导电滚子761、导电外圈762和导电内圈763，导电外圈762的一端与壳体6固定连接，导电外圈762的另一端与导电滚子761的一端连接，导电滚子761的另一端与导电内圈763的一端连接，导电内圈763的另一端与定子铁芯8固定连接，第二接线柱78与壳体6固定连接，导电外圈762通过第二导电线77与第二接线柱78电连接。

具体的，导电滚子761采用导体材料制成，如铜等，导电轴承76为圆柱形，增加导电滚子761与导电外圈762和导电内圈763之间的接触面积，从而减小接触电阻带来的电损耗。导电外圈762与壳体6绝缘固定连接，导电内圈763与定子铁芯8绝缘固定连接。当第一电机3和第二电机4工作时，电流从第二接线柱78通过第二导电线77传递到导电外圈762，再通过导电滚子761传递至导电内圈763，从而将电流传递至定子铁芯8，使定子铁芯8的绕组线圈产生磁场，使定子铁芯8带电旋转，导电内圈763随着定子铁芯8一起转动，释放第一定子31和第二定子41的旋转自由度，控制第一电机3和第二电机4的输出扭矩，对发动机进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

如图6所示，图6是本发明一实施例提供的一种控制发动机输出功率的方法流程示意图，包括：

步骤S601：检测驱动轮系的车速；

步骤S602：根据车速计算驱动轮系的需求扭矩；

步骤S603：根据需求扭矩和车速计算第一电机和第二电机的电机输出功率和，第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，发动机的输出轴依次与第一定子和第二定子同轴固定连接，第一转子与第二转子的旋转方向相反，第二转子的输出轴与驱动轮系的驱动轴固定连接；

步骤S604：根据电机输出功率和分别控制第一电机和第二电机的输出功率、以及发动机的输出功率。

本发明提供的控制发动机转速的方法，通过检测驱动轮系的车速，计算驱动轮系的需求扭矩，然后根据需求扭矩和车速计算第一电机和第二电机的电机输出功率，根据电机输出功率控制第一电机和第二电机的输出功率、以及发动机的输出功率，通过控制发动机的输出功率从而控制发动机的转速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

在其中一个实施例中，步骤S601，具体包括：

通过速度传感器检测驱动轮系的车速。

具体的，可以在驱动轮系上安装速度传感器，通过速度传感器检测驱动轮系的车速，也可以通过其他的方式检测驱动轮系的车速，通过传感器可以精准地检测驱动轮系的车速，稳定性高。

在其中一个实施例中，步骤S603，具体包括：

根据车速计算驱动轮系的转速；

根据需求扭矩和转速计算电机输出功率和。

本实施例通过计算出驱动轮系的转速，从而可以计算出电机输出功率和，根据电机输出功率和控制第一电机和第二电机的输出功率、以及发动机的输出功率，通过控制发动机的输出功率从而控制发动机的转速，，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

在其中一个实施例中，根据需求扭矩和转速计算电机输出功率和步骤，具体包括：

利用下式计算第一电机和第二电机的电机输出功率和：

式中，N₀为驱动轮系的需求扭矩，N₂为第一电机的转子的扭矩，N₃为第二电机的转子的扭矩，ω₃为驱动轮系的输入轴的转速，P₁为第一电机的输出功率，P₂为第二电机的输出功率，γ为反向齿轮组的速比，电机输出功率和为P₁+P₂。

具体的，上述计算第一电机和第二电机的电机输出功率和的公式通过以下方式得出：

如图2所示，假设发动机1的输出轴11的转速为反向齿轮组5的输入轴51的转速为驱动轮系2的驱动轴21的转速为发动机施加给轴11的扭矩为第一定子31施加给轴11的扭矩为第二定子41施加给轴11的扭矩为轴11的调速扭矩为驾驶员对轴51的需求扭矩为则第一转子31对轴51的扭矩为第二转子42对轴51的扭矩为对于反向齿轮组5存在关系发动机1的输出功率为P₀，第一电机3的输出功率为P₁，第二电机4的输出功率为P₂，并且对于该旋转系，轴11、轴51、轴21均只有一个方向的旋转自由度，假设以发动机1正常旋转方向为正方向，则可以用各个标量的正负符号来表示各个扭矩和转速的方向。

在理想情况下(无摩擦损耗，电机效率为100％)，该混合动力驱动模块可以用以下公式描述：

在纯电动模式下，P₀＝0,ω₁＝0,N₁＝0，即发动机不工作，轴11不转动，通过式(2)即可推导出式(1)。

需要说明的是，γ为反向齿轮组的速比，属于常量，为第一电机和第二电机的最大扭矩比值或者第一电机和第二电机的峰值功率比值，因此只要知道需求扭矩N₀和车速，通过式(1)可以计算出第一电机和第二电机的电机输出功率之和，即P₁+P₂。

在其中一个实施例中，步骤S604，具体包括：

根据电机输出功率和计算发动机的发动机输出功率；

根据电机输出功率和控制第一电机和第二电机的输出功率；

根据发动机输出功率控制发动机的输出功率。

具体的，根据能量守恒定律，发动机的输出总能量需要与第一电机和第二电机的输出总能量相平衡，发动机的输出功率与第一电机和第二电机的电机输出功率和存在一定的关系，因此在计算出电机输出功率和之后就可以计算出发动机输出功率，在发动机的扭矩和转速的特性表中即可获得发动机对应于发动机输出功率的转速信息，然后根据转速信息控制发动机的转速，对发动机进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。

综上所述，本发明提供的混合动力系统，在发动机和驱动轮系之间设置第一电机和第二电机，第一电机的第一定子和第二电机的第二定子可自由旋转，第一转子与第二转子的旋转方向相反，根据驱动轮系的车速控制第一定子和第二定子的扭矩，通过第一定子和第二定子对发动机进行调速，从而实现发动机的转速与车速完全解耦，使发动机一直处在高效率区间，降低发动机的油耗。同时，通过在第一电机的第一定子和第二电机的第二定子与壳体之间增加电刷，使第一定子和第二定子可以自由旋转，释放第一定子和第二定子的旋转自由度。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种混合动力系统，包括混合动力驱动模块，所述混合动力驱动模块包括发动机和驱动轮系，其特征在于，还包括第一电机和第二电机，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接；

所述混合动力驱动模块还包括反向齿轮组，所述第一转子的输出轴与所述反向齿轮组的输入轴固定连接，所述第二转子的输出轴与所述反向齿轮组的输出轴固定连接，所述驱动轮系的驱动轴与所述反向齿轮组的输出轴固定连接。

2.如权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力驱动模块还包括壳体、以及用于供所述第一定子和所述第二定子导电的导电组件，所述第一定子和所述第二定子均包括定子铁芯，所述导电组件的一端与所述壳体固定连接，所述导电组件的另一端与所述定子铁芯电连接。

3.如权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述导电组件包括弹性部件、电刷、滑环、第一导电线和第一接线柱，所述定子铁芯与所述滑环固定连接，所述弹性部件的一端与所述壳体固定连接，所述弹性部件的另一端与所述电刷连接，所述电刷通过所述弹性部件固定在所述滑环上，所述电刷通过所述第一导电线与所述第一接线柱电连接，所述第一接线柱与所述壳体固定连接。

4.如权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述导电组件包括导电轴承、第二导电线和第二接线柱，所述导电轴承包括导电滚子、导电外圈和导电内圈，所述导电外圈的一端与所述壳体固定连接，所述导电外圈的另一端与所述导电滚子的一端连接，所述导电滚子的另一端与所述导电内圈的一端连接，所述导电内圈的另一端与所述定子铁芯固定连接，所述第二接线柱与所述壳体固定连接，所述导电外圈通过所述第二导电线与所述第二接线柱电连接。

5.一种控制发动机输出功率的方法，其特征在于，包括：

检测驱动轮系的车速；

根据所述车速计算所述驱动轮系的需求扭矩；

根据所述需求扭矩和所述车速计算第一电机和第二电机的电机输出功率和，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接；

根据所述电机输出功率和分别控制所述第一电机和所述第二电机的输出功率、以及所述发动机的输出功率。

6.如权利要求5所述的控制发动机输出功率的方法，其特征在于，所述检测驱动轮系的车速，具体包括：

通过速度传感器检测所述驱动轮系的所述车速。

7.如权利要求5所述的控制发动机输出功率的方法，其特征在于，所述根据所述需求扭矩和所述车速计算第一电机和第二电机的电机输出功率和，所述第一电机包括可自由旋转的第一定子和第一转子，所述第二电机包括可自由旋转的第二定子和第二转子，所述发动机的输出轴依次与所述第一定子和所述第二定子同轴固定连接，所述第一转子与所述第二转子的旋转方向相反，所述第二转子的输出轴与所述驱动轮系的驱动轴固定连接，具体包括：

根据所述车速计算所述驱动轮系的转速；

根据所述需求扭矩和所述转速计算所述电机输出功率和。

8.如权利要求7所述的控制发动机输出功率的方法，其特征在于，所述根据所述需求扭矩和所述转速计算所述电机输出功率和，具体包括：

利用下式计算所述第一电机和第二电机的电机输出功率和：

式中，N₀为所述驱动轮系的需求扭矩，N₂为所述第一电机的转子的扭矩，N₃为所述第二电机的转子的扭矩，ω₃为所述驱动轮系的输入轴的转速，P₁为所述第一电机的输出功率，P₂为所述第二电机的输出功率，γ为反向齿轮组的速比，所述电机输出功率和为P₁+P₂。

9.如权利要求5所述的控制发动机输出功率的方法，其特征在于，所述根据所述电机输出功率和分别控制所述第一电机和所述第二电机的输出功率、以及所述发动机的输出功率，具体包括：

根据所述电机输出功率和计算所述发动机的发动机输出功率；

根据所述电机输出功率和控制所述第一电机和所述第二电机的输出功率；

根据所述发动机输出功率控制所述发动机的输出功率。