CN1295099C - 一种轻型交通工具的燃气－电动集成混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统。包括集成控制系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，机械传动系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，内燃机动力系统与电力驱动系统相连接。本发明的混合动力系统的驱动模式要旨是低速时由电力驱动，高速时由内燃机驱动，中速时由电力单独或两者同时驱动，这些驱动模式的转换都是通过集成控制器控制下自动进行的。内燃机工作时能给蓄电池补充电量。中高速加速或爬坡时一般仍由内燃机工作。

Description

一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统。

背景技术

自行车是大众的主要短途交通工具，目前趋于向电动助动车方向发展(主要区别在于动力、重量速度等方面的有所增加，在下面叙述中不再区别对待)；而摩托车(包括轻骑)则在农村和中小城市个人交通中十分流行。

随着城市空间的扩大、流动性增加与生活水平的提高，使动力型的轻便交通工具需求日益迫切。目前比较典型的动力型个人交通工具为燃油型与电动型的两种助动车。

90年代燃油型助动车曾经风行一时，但因燃油发动机，尤其是二冲程燃油发动机废气污染排放严重、噪音大，目前受到大中城市的普遍排斥，已逐渐被禁止行驶。随着环保要求的提高，燃油车的改进虽也正在进行中，但在轻型交通工具上受价格等因素限制，排放难以达到轿车的先进水准，在启动与低速情况下排污尤其严重。四冲程汽油机加装排气消音净化器可显著降低排放污染，能够达到欧洲II号标准；再经过改造燃用液化石油气后，可显示出极低的排放污染，容易满足欧洲II号标准，以至更为严格的新标准。但内燃机低速和怠速下排放废气较多的问题总难完全避免。燃用液化石油气还带来了发动机启动速度慢的问题。

电动型助动车因其噪音低、无气体污染等特点而被大众所接受，目前正在迅速推广中。至于电池可能产生的污染则可以通过专业工厂的处理来控制。电动助动车(包括电动摩托车)的最大缺点是电池性能不理想。铅酸电池比容量低，例如目前电动助动车上配的36V/12Ah的铅酸电池达12公斤左右，而行驶距离往往在50公里左右，考虑到实际道路平整度与遇到红绿灯频繁刹车、启动情况，城市中实际有效行驶距离仅仅在30公里左右。后随着电池的衰退，行驶距离进一步缩短。电池的寿命又普遍比较短，通常在一年以内。采用镍镉电池放电内阻低，但固有的充放电记忆特性和严重的潜在污染使得其不适合于作为助动车的能源。镍氢电池克服了镍镉电池的污染缺点，且比能有所提高，但其价格高，自放电严重，能量密度依然不够高，性能价格比不具有优势。锂电池比能高，与其他电池比较性能优异，但目前作为动力电池其性能还不够稳定；高昂的价格，也使其不可能被大规模推广。总之，用电池作为动力，存在着行驶里程短、使用寿命短、价格高、自重比例高等系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供能使内燃机、电动机和电子功率变换器有机结合的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统。

为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

本发明包括：内燃机动力系统、电力驱动系统、机械传动系统、集成控制系统；集成控制系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，机械传动系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，内燃机动力系统与电力驱动系统相连接；其中：

1)内燃机动力系统：包括四冲程火花点火内燃发动机、燃气减压与控制装置、混合器、液化石油气燃料罐、排气消音器；液化石油气燃料罐通过高压管路与燃气减压与控制装置的输入端连接，燃气减压与控制装置的输出端与混合器相连，混合器接在四冲程火花点火内燃发动机上，四冲程火花点火内燃发动机上装有排气管；

2)电力驱动系统：包括驱动电机、蓄电池、功率变换器；其中功率变换器又包括驱动变换器、充电器、辅助电源，驱动变换器与充电器均为开关功率变换器，蓄电池分别接驱动变换器的输入端、充电器的输出端和辅助电源的输入端，驱动电机的功率输入接点分别接驱动变换器的输出端和充电器的输入端，驱动电机的转轴接机械传动系统，功率变换器接集成控制系统；

3)机械传动系统：包括内燃机与驱动电机耦合传动和并行传动两种方式，耦合传动方式为：内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机耦合传动，它又分为驱动电机直接耦合和通过减速机构耦合两种；并行传动方式为：由内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机分别传动，通过外部的交通工具轮子实现两种动力的传动；

4)集成控制系统：包括内燃机动力系统状态检测、速度与位置检测、发动机启动、电池工作状态检测、信号处理、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动单元；内燃机动力系统状态检测和速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、发动机启动、电机驱动、充电器驱动，发动机启动接至内燃机点火电源及起动电机，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器。

内燃机动力系统与电力驱动系统由集成控制系统决定何时驱动，包括分别或联合驱动，其动力通过机械传动系统输出；电力驱动用起动电机直接或通过机械传动系统给内燃机提供启动动力，而内燃机则用磁电机直接或通过机械传动系统给电力驱动系统补充电力；集成控制系统收集电力驱动系统与内燃机动力系统的工况，并结合操纵指令，形成对内燃机动力系统与电力驱动系统的控制信号。

本发明的混合动力系统的驱动模式要旨是低速时由电力驱动，高速时由内燃机驱动，中速时由电力单独或两者同时驱动，这些驱动模式的转换都是通过集成控制器控制下自动进行的。内燃机工作时能给蓄电池补充电量。中高速加速或爬坡时一般仍由内燃机工作，若有必要则可强制电力同时参与驱动。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

本发明提出的集成混合动力系统能使内燃机、电动机和电子功率变换器有机结合，避免内燃机在启动与低速下的污染气体排放较多和电池储能密度低的缺点。在城市道路上红绿灯频繁的状况下，避免内燃机进行低速大扭矩的启动过程和怠速运行，而在市区道路相对空闲地段、市郊与农村道路上又能发挥内燃机行驶距离远的优点。通过精心研制的控制器，根据不同路况和工作需要综合实现机动、电动和脚踩(对混合动力的自行车而言)单独或互补运行，保证内燃机工作在高效率区，优化车子的经济性能和排放性能，尤其是燃用液化石油气或天然气时，车子的排放性能更可大幅度提高，经济性和噪音也可获得进一步改善。同时由于电动机仅仅在启动和低速阶段工作，车子速度稍上来时就可以根据蓄电池的需要自动进行电池充电管理，电池不需要额外专门充电，其续驶里程和工作寿命可大大延长，车子对电池容量(与重量)的要求可显著降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明整个系统框图；

图2是内燃机动力系统图；

图3是电力驱动系统图；

图4是升压与降压变换器典型电路拓扑图；

图5是充电用升压变换器限流限压控制方案图；

图6是驱动用降压变换器限流限压控制方案图；

图7是功率变换器的典型主电路图；

图8是带逆变器的驱动变换器及充电器图；

图9是带逆变器的驱动变换器的典型主回路图；

图10是双向驱动变换器图；

图11是双向变换器典型电路拓扑图；

图12是机械传动系统原理框图；

图13是集成控制系统图；

图14是集成控制系统中的切换程序例图；

图15是集成控制系统中的驱动变换器控制程序例图；

图16是混合动力助动车的结构图；

图17是电力驱动系统实施例图；

图18是机械传动系统图；

图19是机械传动系统原理框图。

具体实施方式

本发明涉及一种集成的混合动力系统，为内燃机、电动机和电子功率变换器的有机结合，面向轻型交通工具的驱动，主要用于助动车与摩托车的清洁动力系统。该集成混合动力系统也可用于三轮车、小型游览车、叉车等物流搬运平台以及其他需要反复启动的低速小型车辆等轻型交通工具和小型机械的清洁动力源。为说明问题方便，这里将助动车与摩托车作为例子对本发明的系统加以描述。

以下是集成混合动力系统的各个部分说明。

如图1所示，包括：内燃机动力系统、电力驱动系统、机械传动系统、集成控制系统；集成控制系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，机械传动系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，内燃机动力系统与电力驱动系统相连接；其中：

1)内燃机动力系统

内燃机动力系统如图2所示，包括由：四冲程火花点火内燃发动机1、燃气减压与控制装置6、混合器5、液化石油气燃料罐4、排气消音器14；液化石油气燃料罐4通过高压管路与燃气减压与控制装置6的输入端连接，燃气减压与控制装置6的输出端与混合器5相连，混合器5接在四冲程火花点火内燃发动机1上，四冲程火花点火内燃发动机1上装有排气管14。

燃气减压与控制装置6由燃气蒸发调压器和自动供停与泄漏报警断气安全装置组成。由液化石油气燃料罐4输出的液化石油气通过燃气减压与控制装置6，经过混合器5向内燃发动机1提供燃气。在本发明中，内燃机动力系统中的常见的起动电机与磁电机均非必需部件，电力驱动系统可以通过机械传动系统将动力直接带动内燃机启动，而内燃机工作所需的电力通常可以由电力驱动系统供应，电力驱动系统所需要补充的电力供应也可以通过自身的发电机由机械传动系统拖动发电而获得。当内燃机动力系统排放要求需要进一步提高时，上述排气消音器14中还可以附加净化器。

2)电力驱动系统

电力驱动系统如图3所示，包括驱动电机、蓄电池、功率变换器；其中功率变换器又包括驱动变换器、充电器、辅助电源，驱动变换器与充电器均为开关功率变换器，蓄电池分别接驱动变换器的输入端、充电器的输出端和辅助电源的输入端，驱动电机的功率输入接点分别接驱动变换器的输出端和充电器的输入端，驱动电机的转轴接机械传动系统，功率变换器接集成控制系统。

驱动电机由蓄电池通过驱动变换器供电，处于电动机状态；当内燃机动力系统工作时，驱动电机通过机械传动系统可工作在发电机状态，充电器则将驱动电机的端电压变换成蓄电池所需的充电电压，辅助电源对本发明的整个集成混合动力系统中各个部分(如集成控制器、内燃机点火、起动电机、供气电磁阀等)提供辅助电源。尽管目前小功率发动机均自身带有磁电机和点火电源，但这些均可作为辅助电源的一部分而集成在功率变换器中，以提高技术与经济性能。

针对蓄电池电压通常高于驱动电机工作电压的情况，功率变换器中的驱动变换器是降压型DC-DC开关变换器，充电器是升压型DC-DC开关变换器为好。驱动变换器的输入端分别接蓄电池与充电器的输出端，驱动变换器的输出端分别接驱动电机与充电器的输入端，如图6所示；其中的降压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D、电感L、电容器C组成，半导体开关的一端接蓄电池，半导体开关的另一端分别接二极管的一端及电感的一端，电感的另一端接电容的一端及驱动电机，二极管的另一端及电容均接公共端；其中的升压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D1、电感L及电容器C组成，电感的一端接蓄电池，电感的另一端接半导体开关及接二极管的一端，二极管的另一端接电容的一端及输出端驱动电机，半导体开关的另一端及电容均接公共端。如图4所示的是升压与降压电路的典型电路拓扑。驱动变换器与充电器均具有限流、限压功能，如图5所示的是充电用升压变换器限流限压的一种控制方案例，如图6所示的是驱动用降压变换器限流限压的一种控制方案，如图7所示的是功率变换器的典型主电路。辅助电源通常为降压型DC-DC开关变换器。

驱动电机可以采用常规的交、直流电机，但又以采用永磁轮毂电机比较有利。当驱动电机为永磁直流无刷轮毂电机时，功率变换器还包括永磁直流无刷电机的逆变器；其中的驱动变换器输入端接蓄电池，驱动变换器的另一端接逆变器输入端，逆变器的输出端接驱动电机，即永磁直流无刷轮毂电机，如附图8(a)所示；充电器的输入端接在驱动变换器中DC-DC变换器与逆变器之间或通过内部整流器与驱动电机相接，如附图8(b)、8(c)所示；充电器的输出端接蓄电池。驱动变换器通常采用常规的三相六开关逆变器，如附图9所示。

当用内燃机驱动时，永磁电机可以直接作为发电机给蓄电池充电，否则需要利用内燃机附带的磁电机。作为永磁电机有永磁交流同步、永磁直流无刷和永磁直流有刷等类别，其中的永磁直流无刷电机与永磁交流同步相比具有制造与控制相对简单，与永磁直流有刷相比则具有维护简单、噪音低、寿命长等特点。因此永磁直流无刷电机更适合于本系统，尤其是采用永磁轮毂电机更具有动力输出结构简单的优点。如同常规电动助动车，对于永磁直流无刷电机，驱动变换器需要用逆变器，其本身也可以工作在限流限压状态；通常，将驱动变换器分成如图8(a)所示的限流型DC-DC开关电压变换器与逆变器两个部分能更好地工作。如图8(b)所示的是带逆变器时充电器的接法。充电器也可以由DC/DC变换器加整流器构成，整流器的输入端接驱动电机，如图8(c)所示。当驱动变换器本身就是逆变器时，充电器也需要包含整流器。如图9所示是带逆变器的驱动变换器的典型主回路。

通常功率变换器中的逆变器能够工作在双向功率流动状态；采用如图10所示的双向驱动变换器，由限流限压型DC-DC变换器与逆变器结合而成，功率变换器工作更为可靠、性能更好。双向驱动变换器同时具备驱动变换器与充电器两部分功能，并能省去充电器。双向功率流控制比较复杂，输出电压(与驱动电机速度成比例)完全由设定值给定，好处是能够控制减速。由于蓄电池在频繁充放电过程中容易老化，采用超级电容器与蓄电池并联工作，由超级电容器承担频繁充放电任务比较有利于延长装置寿命。

当驱动变换器是限压、限流型输出的双向开关功率变换器时，其主电路包括半导体开关S1与S2、二极管D1与D2、电感L、电容器C，二极管D1与D2是分立的或是分别集成在半导体开关S1与S2内部；如附图11所示。

图11所示的是典型的双向变换器电路拓扑例子。如图9所示中的逆变器本身也可以是双向变换器(这时需要按照双向变换器工作模式来控制)，但用如图11所示的电路其控制效果通常会更好些。

3)机械传动系统

如图12所示，机械传动系统包括内燃机1与驱动电机7耦合和并行传动两种方式，耦合传动方式为：内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机耦合传动，它又分为驱动电机直接耦合和通过减速机构耦合两种；并行传动方式为：由内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机分别传动，通过外部的交通工具轮子实现两种动力的传动；

对于混合动力自行车则由带有减速和自动离心啮合功能的内燃机动力输出链轮和脚踩链轮分别以链条传动后轮轴上的两个棘轮构成。与内燃机安装位置相配合(如图16和图18所示)，驱动电机7安装在后轮轴8上，电力驱动采用该驱动电机直接驱动后轮的方式运行，此外后轮轴上设置一个棘轮12，通过链条9和内燃机的动力输出链轮10相连，动力输出链轮10与内燃机的输出轴相连。对于混合动力自行车，在后轮轴上再增加一个棘轮11，通过另一链条14相连，接在脚踩链轮上，以实现人力传动。也可以共用一套链条传动棘轮系统，实现两种动力的传动。如图18所示的15为驱动轮，本例中为后轮。

4)集成控制系统

如图13所示，包括内燃机动力系统状态检测、速度与位置检测、发动机启动、电池工作状态检测、信号处理、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动单元；内燃机动力系统状态检测和速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、发动机启动、电机驱动、充电器驱动，发动机启动接至内燃机点火电源及起动电机，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器。

本发明的集成控制系统采用包括微电脑芯片的集成电路，统管整个集成混合动力系统的运行。其中：

1.内燃机动力系统状态检测单元又包括：燃料罐液位计、高压与低压两个压力计、发动机运行标志构成，其中燃料罐液位计置于燃料罐内，两个压力计分别接燃气减压与控制装置的输入与输出管路，上述检测单元均与信号处理单元连接。发动机运行标志由磁电机电信号整型获得。向信号处理单元传送内燃机动力系统状态。由发动机运行标志信号经过信号处理，可以获得发动成功信息及发动机转速信号。

2.速度与位置检测单元：为驱动电机内置的霍尔传感器，与信号处理单元连接。信号处理单元通过处理该检测信号，可以获得驱动电机转子的位置与速度信号。

3.电池工作状态检测单元包括：电池电压检测单元、电池输出电流与充电检测单元、电池温度检测单元。电池电压检测单元与电池并联，电池电流检测单元与电池串联，电池温度检测单元紧贴在电池表面。上述这些单元均与信号处理单元连接，向信号处理单元传送电池状态。信号处理单元通过处理这些检测信号，可以获得电池的电量、输出功率、充电水平等状态信息。

4.功率变换器状态检测单元：由功率变换器中的驱动变换器、充电器中的输入电压与电流信号、输出电压与电流信号、温度等传感器组成，温度传感器进贴变换器的散热器，其余均置于这些电路相应处，这些信号的输出端与信号处理单元连接，信号处理单元通过处理这些信号可以获得变换器的输入与输出功率、限流与限压状况等变换器状态。

5.控制面板接口：包括动力给定、速度显示、蓄电池电量显示、燃料存量显示、发动机状态显示等控制面板的信息通讯接口，该接口与信号处理单元连接。

6.发动机启动单元：由控制起动电机、内燃机点火电源的半导体开关或继电器构成，半导体开关或继电器的控制端与信号处理单元连接。在信号处理单元控制下将蓄电池分别接通起动电机与内燃机点火电源，发动或熄灭发动内燃机。

7.电机驱动单元与充电器驱动单元：由电平转换与信号隔离电路构成，与信号处理单元连接，用于给出驱动变换器与充电变换器的工作电流、电压指令。

8.信号处理单元：由数字集成电路、微处理器或数字信号处理器构成，与上述1)-7)的单元连接。

系统由内燃机动力系统状态检测、速度与位置检测得到的信号，及来自面板接口的操纵指令，经过信号处理单元分析处理，通过发动机启动、电机驱动等单元控制内燃机与驱动电机的工作状态；位置信号用于对永磁直流无刷电机或同步电机的驱动变换器的逆变器控制；由电池工作状态检测与功率变换器状态检测得到的信号(电流、电压、电量、温度等)，经过信号处理单元分析处理，通过充电器驱动单元控制充电器的工作、并决定功率变换器的电压电流大小，以及是否进入保护等。

上述系统包括了调速、电机驱动控制、电池充放电管理、速度控制、电流限制、发动机启动控制、动力系统状态管理(包括运行状态记忆)等功能，还包括面板的显示与操纵接口(如信号接收：启动成功与否、车速显示；状态信号输出：启动指令、输出电流限制指令、输出电压指令、喇叭信号)。

本功率变换器的特点是，通过功率变换将蓄电池的电压变换成与驱动电机转速适应的水平，使驱动电机在启动和低速运行时允许以最大转矩加速而不产生过流；同时，通过开关功率变换使得低速下电池的输出电流明显小于驱动电机电流，延长了电池寿命；内燃机运行在高速或从高速回落到中速时，又允许带动发电机(或利用永磁电机)作为蓄电池的充电电源。功率变换器的输出受到车速设定、实际车速与电池状态的三重控制。在低速启动阶段，输出电流控制为最大恒定电流方式；在低、中速度段，速度达到设定速度时，电流根据负载而自动适应，控制目标是速度，同时兼顾最大输出功率以保护电池。如图14所示是集成控制系统中的切换程序例，其中V是实际速度，V1为低速与中速的分界点，V2为中速与高速的分界点。低于V1为低速、介于V1与V2之间为中速、高于V2的为高速。

输出电功率还将受到电池状况的影响，必须控制电池放电时处于欠压临界点上方，保护电池既不过放电又能最大限度提取所需的功率。如果电池已经处于欠压状态则不允许输出功率，使电池能够先通过充电得到电力。电池电量不够用于启动时，内燃机的启动需要人力帮助，幸而这种情况在混合动力系统中极少见，通常仅仅发生在长期不用后的初次使用。如图15所示是集成控制系统中的驱动变换器的控制程序例。

当电池处于充电状态时，充电方式是根据电池的实际情况来定的，例如当电池电量基本未满时，采用恒定电流充电；如电池接近充满时则采用恒定电压充电方式。处于充电状态时，充电器通过调节，可以自动适应发电机的输出电压变化。

通过驱动变换器，驱动电机在低速下的电池过流现象得到克服，并降低了对电池的过电流冲击，大大提高了电池的运行效率与工作寿命。集成控制系统的手动控制功能，则可在必要时用来提高车子爬坡时的驱动力和行使时的加速度。

5)具体实施例：

为具体描述系统的上述驱动模式，这里给出其中的在助动车上的一个具体实施例子。如图16所示是混合动力助动车的结构。内燃机动力系统由四冲程火花点火发动机内燃机1、液化石油气钢瓶4、燃气减压与控制装置6、混合器5，排气消音净化器、起动电机和发电机等构成。内燃机1安装于鞍座立管2与后挡泥板3之间的构架上，液化石油气钢瓶4固定在内燃机上方，混合器5和燃气减压与控制装置6则安放在液化石油气与内燃机进气口之间。电力驱动系统通过机械传动系统将动力直接带动内燃机启动，而内燃机工作所需的电力由电力驱动系统供应。

电力驱动系统如图17所示，由150W永磁直流无刷轮毂电机(如果用于摩托车，则功率需要在1kW左右)、36V/6Ah动力型铅酸蓄电池、降压型(BUCK)DC-DC开关变换器与三相方波逆变器(构成驱动变换器)、升压型(BOOST)DC-DC开关功率变换器(用于充电器)、辅助电源等构成。驱动电机通过驱动变换器由蓄电池供电，工作在电动机状态；当内燃机动力系统工作时，驱动电机通过机械传动系统可工作在发电机状态，通过充电器为蓄电池充电。驱动变换器与充电器两者均具有限流、限压功能；这种设计的优点是控制比较简便(考虑到通常充电电流仅约为驱动电流的1/10-1/3，充电器与驱动器即便同时工作所产生的环流也不会造成严重后果)。这种设计的另外一个特点是，速度控制具有单向性，即电力驱动仅仅在加速和稳速有效，一旦速度超过设定值(例如手把控制从高速位置返回低速时)，车速依惯性减速，而不是强制减速，这比较符合传统驾驶习惯。

机械传动系统采用变速加链条传动机构。对于混合动力自行车则由带有减速和自动离心啮合功能的内燃机动力输出链轮和脚踩链轮分别以链条传动后轮轴上的两个棘轮构成。与内燃机安装位置相配合(如图16和图18所示)，无刷轮毂电机7置于后轮轴8上。电力驱动采用该轮毂电机直接驱动后轮的方式运行。此外后轮轴上再设置一个棘轮12，通过链条9和内燃机的动力输出链轮10相连，实现内燃机传动。对于混合动力自行车，在后轮轴上再增加一个棘轮11，通过另一链条14相连，还可以实现人力传动。也可以共用一套链条传动棘轮系统，实现两种动力的传动。如图18所示的15为驱动轮，本例为后轮。如图17所示为机械传动系统框图。如图19所示为机械传动系统原理框图。

集成控制系统由内燃机动力系统状态检测、速度与位置检测、发动机启动检测、电池工作状态检测、信号处理单元、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动等单元构成。速度与位置检测可以采用永磁直流无刷电机自带的霍尔传感器、信号处理单元采用INTEL公司的8XC196KB单片机。

在该集成控制系统中，定义混合动力车的行驶速度为三段：低于V1为低速、介于V1与V2之间为中速、高于V2的为高速。对于自行车，V1约为5公里/小时、V2约为10公里比较合适；对于摩托车，速度均可调高些。

该系统的工作方式是：当车子起步时，集成控制系统起动电机，并通过机械传动系统驱动车辆起步和加速到设定的速度值V1；当车子由电力驱动从低速段进入中速段时，开启起动电机，使内燃机启动，电力与内燃机共同驱动；当车辆速度超过设定值V2进入高速段时，电力驱动停止，由内燃机单独驱动，并带动发电机作为蓄电池的充电电源；而当车速由高速回落到中速时，驱动电机仍不工作，还由内燃机单独驱动，内燃机带动发电机作为蓄电池的充电电源；由中速段回落到低速段时，控制内燃机停止工作，转而又由驱动电机单独驱动车子前进。因此，车子在低速段始终由电力驱动，在高速段始终由内燃机驱动，在中速段驱动电机是否参与驱动则视车子是由低速段还是高速段进入而定。这种设定可以避免内燃机过于频繁启动。集成控制系统还保留手动控制功能，任何时候均可由手动强制驱动电机与内燃机工作与否。

采用本发明集成混合动力系统的自行车与摩托车等轻型交通工具，其造型及功能满足自行车和摩托车标准和规范，适应现行道路及环保规定，是理想的高科技环保型个人交通工具。本发明的集成混合动力系统同样适用于三轮车、小型游览车、叉车等物流搬运平台以及其他需要反复启动的低速小型车辆等轻型交通工具和小型机械的清洁动力源。

Claims (8)

1、一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于包括：内燃机动力系统、电力驱动系统、机械传动系统、集成控制系统；集成控制系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，机械传动系统分别与电力驱动系统、内燃机动力系统相连接，内燃机动力系统与电力驱动系统相连接；其中：

1)内燃机动力系统：包括由：四冲程火花点火内燃发动机(1)、燃气减压与控制装置(6)、混合器(5)、液化石油气燃料罐(4)、排气消音器(14)；液化石油气燃料罐(4)通过高压管路与燃气减压与控制装置(6)的输入端连接，燃气减压与控制装置(6)的输出端与混合器(5)相连，混合器(5)接在四冲程火花点火内燃发动机(1)上，四冲程火花点火内燃发动机(1)上装有排气管(14)；

2)电力驱动系统：包括驱动电机、蓄电池、功率变换器；其中功率变换器又包括驱动变换器、充电器、辅助电源，驱动变换器与充电器均为开关功率变换器，蓄电池分别接驱动变换器的输入端、充电器的输出端和辅助电源的输入端，驱动电机的功率输入接点分别接驱动变换器的输出端和充电器的输入端，驱动电机的转轴接机械传动系统，功率变换器接集成控制系统；

3)机械传动系统：包括内燃机与驱动电机耦合传动和并行传动两种方式的其中一种，耦合传动方式为：内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机耦合传动，它是驱动电机直接耦合和通过减速机构耦合两种方式的其中一种；并行传动方式为：由内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机分别传动，通过外部的交通工具轮子实现两种动力的传动；

4)集成控制系统：包括内燃机动力系统状态检测、速度与位置检测、发动机启动、电池工作状态检测、信号处理、电机驱动、控制面板接口、功率变换器状态检测、充电器驱动单元；内燃机动力系统状态检测和速度与位置检测单元接信号处理单元，信号处理单元分别接电池工作状态检测、控制面板接口、功率变换器状态检测单元、发动机启动、电机驱动、充电器驱动，发动机启动接至内燃机点火电源及起动电机，驱动电机接至驱动变换器，充电器驱动接至充电器；

2、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于所述的集成控制系统中：

1)所述的内燃机动力系统状态检测单元包括：燃料罐液位计、高压与低压两个压力计、发动机运行标志构成，其中燃料罐液位计置于燃料罐内，两个压力计分别接燃气减压与控制装置的输入与输出管路，上述检测单元均与信号处理单元连接；

2)所述的速度与位置检测单元：为驱动电机内置的霍尔传感器，与信号处理单元连接；

3)所述的电池工作状态检测单元包括：电池电压检测单元、电池输出电流与充电检测单元、电池温度检测单元；电池电压检测单元与电池并联，电池电流检测单元与电池串联，电池温度检测单元紧贴在电池表面，上述这些单元均与信号处理单元连接；

4)所述的功率变换器状态检测单元：由功率变换器中的驱动变换器、充电器中的输入电压与电流信号、输出电压与电流信号、温度传感器组成；温度传感器紧贴变换器的散热器，其余均置于这些电路相应处，这些信号的输出端与信号处理单元连接；

5)所述的控制面板接口：包括动力给定、速度显示、蓄电池电量显示、燃料存量显示、发动机状态显示控制面板接口，该接口与信号处理单元连接；

6)所述的发动机启动单元：由控制起动电机、内燃机点火电源的半导体开关或继电器构成，半导体开关或继电器的控制端与信号处理单元连接；

7)所述的电机驱动单元与充电器驱动单元：由电平转换与信号隔离电路构成，与信号处理单元连接；

8)所述的信号处理单元：由数字集成电路、微处理器或数字信号处理器构成，与上述1)-7)的单元连接。

3、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于：机械传动系统采用内燃机(1)与驱动电机(7)耦合和并行传动方式，耦合传动方式由内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机耦合传动；并行传动方式由内燃机通过带自动离心啮合功能的齿轮或链轮、链条的减速或变速机构与驱动电机分别传动，通过外部的交通工具轮子实现两种动力的传动；驱动电机(7)安装在后轮轴(8)上，电力驱动采用该驱动电机直接驱动后轮的方式运行，此外后轮轴上设置一个棘轮(12)，通过链条(9)和内燃机的动力输出链轮(10)相连，动力输出链轮(10)与内燃机的输出轴相连。

4、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于：功率变换器中的驱动变换器为降压型DC/DC开关变换器，充电器为升压型DC/DC开关变换器，驱动变换器的输入端分别接蓄电池与充电器的输出端，驱动变换器的输出端分别接驱动电机与充电器的输入端；其中的降压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D、电感L、电容器C组成，半导体开关的一端接蓄电池，半导体开关的另一端分别接二极管的一端及电感的一端，电感的另一端接电容的一端及驱动电机，二极管的另一端及电容均接公共端；其中的升压型功率变换器主电路由半导体开关S、二极管D1、电感L及电容器C组成，电感的一端接蓄电池，电感的另一端接半导体开关及接二极管的一端，二极管的另一端接电容的一端及输出端驱动电机，半导体开关的另一端及电容均接公共端。

5、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于：驱动电机为永磁直流无刷轮毂电机，功率变换器还包括永磁直流无刷电机的逆变器；其中的驱动变换器输入端接蓄电池，驱动变换器的另一端接逆变器输入端，逆变器的输出端接驱动电机，即永磁直流无刷轮毂电机；充电器的输入端接在驱动变换器中DC-DC变换器与逆变器之间或通过内部整流器与驱动电机相接，充电器的输出端接蓄电池。

6、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于：所述的驱动变换器为常规三相六开关逆变器。

7、根据权利要求1所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于：驱动变换器是限压、限流型输出的双向开关功率变换器，其主电路包括半导体开关S1与S2、二极管D1与D2、电感L、电容器C，二极管D1与D2是分立的或是分别集成在半导体开关S1与S2内部。

8、根据权利要求3所述的一种轻型交通工具的燃气-电动集成混合动力系统，其特征在于：对于混合动力自行车，在后轮轴(8)上再增加一个棘轮(11)，通过另一链条(14)相连，接在脚踩链轮上。

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