CN1593972A - 汽车机电混合驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种汽车机电混合驱动系统。它包括发动机、启动电机、驱动电机、蓄电池、一个为启动电机和驱动电机提供交流电的逆变器、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位和电机供电频率或相位控制信号的控制器。其中启动电机和驱动电机可以采用多速多相交流感应电机，或启动电机选用单速多相交流电机、驱动电机选用多速多相交流感应电机，或启动电机选用多速多相交流感应电机、驱动电机选用单速多相交流电机。本发明的特点是省掉了机械变速箱，并用一个逆变器为两个电机提供交流电，降低了系统造价，提高了发动机能量利用率。

Description

汽车机电混合驱动系统

技术领域

本发明涉及一种汽车驱动系统，具体地说，它是一种汽车机电混合驱动系统，可用于大、小客车、越野车和轻型卡车等。

背景技术

现有普通汽车的驱动是靠发动机将燃油的化学能量转变成机械能量，再通过传动机构传递到车轮轴上，从而转动车轮来驱动车辆的。车辆在行驶过程中对功率的需求是很不均匀的，例如：加速和爬坡时，对功率需求大，而在平地匀速行驶时，则对功率的需求小，一般来说，大功率需求持续的时间短，小功率持续的时间长。为了满足车辆在加速和爬坡时对大功率的需求，普通汽车必须配置大功率发动机。然而发动机的功率越大，消耗的能量就越多，既使在汽车匀速行驶而需要小功率时，它消耗的能量仍较多，这就造成了能量浪费；再者，在车辆减速时，车辆的动能还转换成热能而释放掉，也造成了较大的能量耗损，因此，费油是普通汽车的缺点。为了解决上述普通汽车的费油问题，人们开始研制机电混合驱动系统，其设计思路是：在汽车匀速行驶而需要小功率时，用与其功率相匹配的小功率发动机驱动车辆，而在汽车加速或者爬坡需要大功率时，用蓄电池提供的电能驱动电机，产生辅助力矩，协助发动机驱动车辆；而在车辆减速时，又用电机提供减速力矩，同时，利用车轮给电机的能量发电而存入蓄电池，从而降低车辆的能量损耗，提高其能量利用率，最终达到节省燃油的目的。

例如，美国专利6,209,672提供了一种机电混合驱动系统，它包括一个发动机，该发动机的输出轴与启动电机转轴的一端相联，启动电机转轴的另一端通过一个离合器与驱动电机转轴的一端相联，驱动电机转轴另一端通过传动机构与车轮轴相联；系统还包括一个为启动电机和驱动电机提供电能的蓄电池和两个逆变器A、B，这两个逆变器分别将蓄电池输出的直流电变为交流而为启动电机和驱动电机供电；系统还包括一个控制器，该控制器根据驾驶信号和蓄电池的充电状态及其它工作参数判断车辆驱动扭矩的需求量，从而确定系统的工作模式。该系统中的启动电机和驱动电机均采用多相交流电机，多相交流电机可以具有电动和发电两个工作模式，也就是说，当定子绕组旋转磁场的转速高于转子转速(感应电机)或定子磁场超前于转子磁极(同步电机)时，电机呈电动状态，反之，电机则呈发电状态。同时，逆变器可以将蓄电池输出的直流电变成交流电而为电机供电，也可以将电机发出的交流电变成直流电而存入蓄电池。该技术利用多相交流电机和逆变器的上述两种特性，实现了车辆启动和驱动时用蓄电池为启动电机和驱动电机供电、而减速时又将车辆的动能转换成电能存入蓄电池的功能。主要工作过程是：启动时，蓄电池输出的直流电分别通过第一逆变器A和第二逆变器B变为交流，并分别为启动电机和驱动电机供电，则启动电机带动发动机转轴转动而启动发动机，而驱动电机驱动车辆前进，此时，启动电机和驱动电机均呈电动状态；当发动机启动后，车辆进入低、中速加速行驶(即需要较大功率)时，发动机转速升高，使启动电机的转子转速超过其旋转磁场的转速，则启动电机呈发电状态，它送出的交流电通过第一逆变器A变为直流而存入蓄电池，而驱动电机仍处于电动状态，驱动车辆前进，同时，控制器根据驾驶加速信号判断车辆所需的加速驱动扭矩，并通过提高驱动电机的交流供电频率来实现连续加速；当车辆匀速行驶而需要小功率时，控制器控制离合器合上，由发动机直接驱动车辆，这时，启动电机和驱动电机均处于空载，如果此时车辆遇到爬坡，控制器会控制驱动电机输出辅助力矩，协助发动机驱动车辆爬坡；当车辆减速时，由控制器控制降低驱动电机供电的交流频率，使定子向转子施加减速力矩而实现减速，这时，驱动电机呈发电状态，它把车辆减速的动能转换成电能后，经过第二逆变器B变为直流而存入蓄电池。

该驱动系统的结构简单，没有机械变速箱，而且控制器可以根据车辆所需的驱动扭矩设置驱动电机的交流供电的频率，实现连续加速，且加速平稳。但是，该系统没有考虑到逆变器造价高的问题，逆变器不仅造价高，而且其造价还是随着其功率的增大而增大的。该系统不仅用了两个逆变器，而且第二逆变器的功率还特别大(这是因为驱动电机是靠单一的第二逆变器来为其提供交流电的，而驱动电机为了满足车辆在低、中速加速行驶时的较大驱动扭矩，必须选用相应的大功率)，所以，第二逆变器B的造价更高。另外，该系统还有一个缺点是在车辆低、中速加速行驶时，启动电机发电而输出的交流电要通过第一逆变器A、蓄电池、第二逆变器B的几次转换才能送给驱动电机，无疑这会造成能量损失，使发动机的能量利用率降低。

发明内容

本发明的目的是为了保持已有技术的优点而克服其缺点，首先提供一种在保证系统结构简单(没有机械变速箱)和实现平稳加速优点的基础上而降低逆变器成本和提高发动机能量利用率的汽车机电混合驱动系统，其二是使该系统在匀速行驶时能用发动机直接驱动车辆，从而提高系统的传动效率，其三是使该系统的传速比在设计上具有一定灵活性。

为了实现上述目的，本发明的解决方案如下：

解决方案1：

系统包括一个发动机、一个启动电机、一个驱动电机，所述启动电机的转子轴与发动机的转轴相联，所述驱动电机的转子轴通过传动机构与车轮轴相联，它还包括一个为启动电机和驱动电机提供电能的蓄电池，其特殊之处是：

所述的启动电机和驱动电机采用多速多相交流感应电机，所述的多速多相交流感应电机均带有各自的变速开关，并且还设有一个驱动电机或启动电机的换向开关；

它还设有一个将蓄电池输出的直流电转变为交流电而为所述启动电机和驱动电机供电的逆变器、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位控制信号和电机供电频率或相位控制信号的控制器，所述控制器的信号输入端分别设有发动机转速传感器、驱动电机转速传感器和驾驶传感器的信号输入接口，所述控制器的信号输出端分别设有速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号输出接口，所述的速度挡位控制信号输出接口分别与启动电机和驱动电机的变速开关及所述的换向开关的转换控制端相接，所述电机供电频率或相位控制信号输出接口与逆变器的多相交流频率控制端相接，从而使逆变器根据车辆所需的驱动扭矩或速度输出相应的交流频率或相位，所述逆变器的多相交流供电输出端分为两路，一路直接与启动电机的变速开关相接，另一路通过所述的换向开关与驱动电机的变速开关相接，或者一路通过所述的换向开关与启动电机的变速开关相接，另一路直接与驱动电机的变速开关相接。

针对解决方案1的进一步改进方案有两个：

改进方案1.1：在上述解决方案1的启动电机的转子轴与驱动电机的转子轴之间连有一个离合器，该离合器的控制端与控制器的速度挡位控制信号输出接口相接。

改进方案1.2：在上述改进方案1.1的离合器的输出轴与驱动电机转轴的联结处设有一个单级齿轮传速器。

解决方案2：

该系统包括一个发动机、一个启动电机、一个驱动电机，所述启动电机的转子轴与发动机的转轴相联，所述驱动电机的转子轴通过传动机构与车轮轴相联，在所述启动电机的转子轴与驱动电机的转子轴之间连有一个离合器，它还包括一个为启动电机和驱动电机提供电能的蓄电池，其特殊之处是：

所述的启动电机采用一个单速多相交流电机，所述的驱动电机采用多速多相交流感应电机，所述多速多相交流感应电机带有一个变速开关，并且还设有一个驱动电机或启动电机的换向开关；

它还设有一个将蓄电池输出的直流电转变为交流电而为启动电机和驱动电机供电的逆变器、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位控制信号和相应的电机供电频率或相位控制信号的控制器，所述控制器的信号输入端分别设有发动机转速传感器、驱动电机转速传感器和驾驶传感器的信号输入接口，所述控制器的信号输出端分别设有速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号输出接口，所述的速度挡位输出接口分别与启动电机和驱动电机的变速开关、换向开关和离合器的转换控制端相接，所述电机供电频率或相位的控制信号输出接口与逆变器的多相交流频率控制端相接，从而使逆变器根据车辆所需的驱动扭矩或速度输出相应的交流频率或相位，所述逆变器的交流供电输出端分为二路，一路直接与启动电机的定子接线端相接或通过一个接线开关与启动电机的定子接线端相接，另一路通过换向开关与驱动电机的变速开关相接，或者一路通过换向开关与启动电机的定子接线端相接，另一路直接与驱动电机的变速开关相接。

针对解决方案2的进一步改进方案是：在上述的离合器与驱动电机转轴的联结处设有一个单级齿轮传速器。

解决方案3：

该系统包括一个发动机、一个启动电机、一个驱动电机，所述启动电机的转子轴与发动机的转轴相联，所述驱动电机的转子轴通过传动机构与车轮轴相联，在所述启动电机的转子轴与驱动电机的转子轴之间连有一个离合器，它还包括一个为启动电机和驱动电机提供电能的蓄电池，其特殊之处是：

所述的启动电机采用一个多速多相交流感应电机，该多速多相交流感应电机带有一个变速开关，所述的驱动电机采用单速多相交流电机，并且还设有启动电机或驱动电机的换向开关；

它还设有一个将蓄电池输出的直流电转变为交流电而为启动电机和驱动电机供电的逆变器、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位控制信号和相应的电机供电频率或相位控制信号的控制器，所述控制器的信号输入端分别设有发动机转速传感器、驱动电机转速传感器和驾驶传感器的信号输入接口，所述控制器的信号输出端分别设有速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号输出接口，所述速度挡位的控制信号输出接口分别与启动电机和驱动电机的变速开关、换向开关和离合器的转换控制端相接，所述电机供电频率或相位的控制信号输出接口与逆变器的多相交流频率控制端相接，从而使逆变器根据车辆所需的驱动扭矩或速度输出相应的交流频率或相位，所述逆变器的交流供电输出端分为二路，一路直接与启动电机的变速开关相接，另一路通过换向开关与驱动电机的定子接线端相接，或者一路通过换向开关与启动电机的变速开关相接，另一路通过一个接线开关与驱动电机的定子接线端相接。

针对解决方案3的进一步改进方案是：在所述的离合器与驱动电机转轴的联结处增加一个单级齿轮传速器。

通过上述解决方案可以看出，本系统的启动电机和驱动电机可以选用多速多相交流感应电机，或是启动电机选用单速多相交流电机、而驱动电机选用多速多相交流感应电机，或是启动电机选用多速多相交流感应电机、而驱动电机选用单速多相交流电机。多速多相交流感应电机的主要特点是：它可以通过两个途径来改变电机的转速，一是通过改变送入电机的多相交流电频率而改变电机定子旋转磁场的转速，二是通过变速开关改变电机的磁极对数来改变定子旋转磁场的速度，从而达到改变电机转子转速(电机转速)的目的。本发明利用多速多相交流感应电机的这一特性和合理的系统设计，实现了车辆驱动和变速功能，使本发明可以保持与已有技术相同的优势，完全去掉机械变速箱。再者，本发明使用了一个逆变器为启动电机和驱动电机供电，其供电的交流频率是相同的，在车辆低、中速需要大功率时(即发动机启动后)，启动电机呈发电状态，它所发出的交流电不经过逆变器的转换直接流向驱动电机而为其供电，这不仅大大提高了发动机输出能量的利用率，而且它送入的这部分功率还可占驱动电机所需功率的一半以上，剩下一小半的功率才由逆变器供给，这样，可大大降低逆变器的功率，使逆变器的造价降低。本系统不仅省掉了一个逆变器，而且所用的这个逆变器的功率至少还可小于已有技术中逆变器功率的二分之一，从而大大降低逆变器的成本。本发明的进一步改进方案之一是使第一解决方案能在车辆匀速行驶时，通过合上离合器，实现发动机直接驱动车辆，从而提高系统的传动效率。本发明的进一步改进方案之二是通过加设一个简单的单级齿轮传速器，实现各系统传速比设计的灵活性。

附图说明

图1、本发明的结构原理示意图之一(多速和多速电机组合系统)。

图2、图1系统的另一种倒挡转换的系统结构示意图。

图3、双速电机组合系统中的启动电机、驱动电机及其变速开关、换向开关与逆变器的接线图。

图4、控制器和逆变器的电路原理图。

图5、双速电机组合系统的启动、换挡控制状态示意图。

图6、单级齿轮传速器联结结构示意图。

图7、加单级齿轮传速器的双速电机组合系统的三挡至四挡转换控制状态示意图。

图8、本发明的结构原理示意图之二(单速和多速电机组合系统)。

图9、图8系统的一至三挡转换控制状态示意图。

图10、图8系统的另一种倒挡转换的结构示意图。

图11、加单级齿轮传速器的图8系统的二至三挡转换工作状态示意图。

图12、本发明的结构原理示意图之三(多速和单速电机组合系统)。

图13、图12系统的一至三挡转换控制状态示意图。

图14、图12系统的另一种倒挡转换的结构示意图。

图15、加单级齿轮传速器的图12系统的二至三挡转换工作状态示意图。

图16、加单级齿轮传速器的图14系统的二至三挡转换工作状态示意图。

具体实施方式

下面根据实施例详细说明本发明的结构及其工作原理。

实施例1

参见图1，这是一个启动电机和驱动电机均采用多速多相交流电机的例子。该系统包括发动机1、启动电机2、驱动电机3，发动机的输出轴11与启动电机2的转子轴相联，驱动电机的转子轴4与差动器5的输入轴相联，差动器5分别与一对前轮或一对后轮6的轮轴相联。该系统还包括一个控制器7、逆变器8和蓄电池9，所述控制器7的信号输入端设有发动机转速传感器15、驱动电机转速传感器16和驾驶信号传感器17的信号输入接口，其中驾驶信号传感器17应包括加速(油门踏板)传感器17-1、减速(制动踏板)传感器17-2、启动(启动锁)传感器17-3和进/退(进、退操纵手柄)传感器17-4，上述的这些传感器将发动机和驱动电机的转速和驾驶员的启动、进/退、加速和减速等驾驶操作转换成电信号送入控制器(7)，并由控制器(7)根据这些输入的信号来判断车辆所需的速度挡位和驱动扭矩或速度，然后通过其电机供电频率或相位控制信号输出接口送出多相交流频率或相位的控制信号，该信号送入逆变器8的频率或相位控制端，则逆变器8输出的多相交流频率或相位根据控制器7的控制进行相应的变化，从而使驱动电机输出相应的驱动扭矩或转速；同时，控制器7的速度挡位控制信号输出接口还分别与变速开关12、14及换向开关13的转换控制端G1、G3、G2相接，从而使各转换开关根据控制器7给出的控制进行转换而进行速度挡位的设置；所述逆变器8的直流输入端与蓄电池9相接，逆变器8的交流供电输出端分为两路，一路与启动电机2的变速开关12相接，另一路通过换向开关13与驱动电机3的变速开关14相接。

普通单速多相交流感应电机的工作特性是：当多相交流电通过定子绕组时，即产生一个旋转磁场，通过改变多相交流电的频率，可改变该旋转磁场的旋转速度，如果该旋转磁场的速度比转子的转速高，则电机呈电动状态；反之，则电机呈发电状态；同时，在一定的范围内该旋转磁场的转速与转子转速的差别(简称速差)越大，其输出功率(即驱动扭矩)越大，如果差速为零，其输出功率也为零，所以，通过调节旋转磁场的速度可以改变电机的工作状态(发电或电动)和其驱动扭矩(转子转速)的大小。普通单速多相交流感应电机的定子磁极对的数量是固定的、不可变的，因此，在多相交流供电频率不变的情况下，其旋转磁场的转速是不可变的；而多速多相交流感应电机的定子磁极对的数量是可以通过其自身带的变速开关来改变的，因此，在多相交流供电频率不变的情况下，多速多相交流感应电机可以通过改变其定子磁极对的数量来改变其旋转磁场的转速，从而达到改变其转子转速目的。本系统就是利用上述多速多相交流感应电机定子旋转磁场的两个变速特性，通过控制输入电机定子绕组多相交流供电频率的大小，实现电机电动或发电状态的改变和电机驱动扭矩(或转子转速)大小的调节，同时，又通过控制电机变速开关和与控制输入电机多相交流电的频率相配合，实现系统的变速功能(具体的驱动控制和变速控制过程在后面详细描述)。

参见图3，为了简单起见和便于理解，下面以启动电机和驱动电机均采用2∶1双速三相交流感应电机为例来说明该系统的具体电路连接结构及其工作原理。所述的2∶1双速电机设有高、低两个速度挡H、L，根据上述变速特性，如果在逆变器8送入该双速电机的三相交流电频率不变的情况下，双速电机从低速挡切换到高速挡，则该双速电机旋转磁场的转速可增加一倍，同理，如果双速电机在输入频率不变的情况下，又从高速挡切换到低速挡，其旋转磁场的转速可降低一半。那么，如果双速电机从低速挡切换到高速挡的同时，其逆变器8送入三相交流电的频率也降低一半，则旋转磁场的转速应保持不变；同理，如果双速电机从高速挡切换到低速挡的同时，其逆变器8送入三相交流电的频率增加一倍，则旋转磁场的转速也保持不变。本例就是利用这一特性，在保证车轮轴(与驱动电机联结)转速不变的情况下来改变发动机与车轮之间的转速比，也就是代替机械变速箱来实现其变速功能(具体的变速控制过程在后面详细描述)。所述多速多相交流感应电机与上述双速三相交流感应电机的应用原理是相同的，也就是说，只要使多速多相交流感应电机供电频率对应于电机转速的调整量与多速多相交流感应电机速度挡位对应电机转速的调整量保持一致，就可以实现在车轮轴转速不变的情况下改变发动机与车轮之间的转速比。再回到本例，本例的启动电机和驱动电机的变速开关12-1、14-1是一个三双刀三掷开关，其中开关置H挡时为高速，置L挡时为低速，置中挡时为空挡(断路)。所述换向开关13的作用是将送入驱动电机3-1的A、B、C三相交流电中的任意两相进行倒换来控制驱动电机的反转，从而控制车辆倒退，本例通过一个双刀双掷开关来实现B、C两相的倒换。上述的变速开关12-1、14-1和换向开关13的转换控制端G1、G2、G3均与控制器7速度挡位控制信号输出接口相接。

参见图4，所述的控制器7是一个由电机微处理控制集成器件7-1为核心控制单元。下面以Motorola生产的MC68332器件为例说明该控制器的结构及其控制原理。该器件主要由单片机、实时处理单元(它主要用于生成相应的频率控制信号)、外挂的只读存储器(EPROM)和随机存储器(RAM)及A/D转换器构成，所述驾驶传感器17与A/D转换器的输入接口相接，并由A/D转换器将驾驶传感器17给出的电模拟信号转换成数字信号送入器件7-1，所述转速传感器15、16输出的信号从器件输入端口ch14、ch15送入器件7-1，器件7-1根据这些输入的信息对车辆所需的速度挡位进行判断、并计算车辆所需的驱动扭矩或速度，然后给出相应的速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号，其中速度挡位控制信号通过器件7-1的一个串行输入/输出(I/O)接口输出，然后通过解码驱动电路单元7-2与相应的变速开关、换向开关和离合器的转换控制端相接，而电机供电频率或相位的控制信号通过其实时处理单元的处理，从其并行输出端口ch1～ch12输出，并通过驱动门电路单元7-3的驱动和“使能”控制分别送入逆变器8的半导体开关管的控制端A1、A2、B1、B2、C1、C2，从而控制逆变器8输出的电流频率和相位。另外，由于MC68332器件没有多余的并行输入/输出接口，所以速度挡位控制信号只能通过一个串行输入/输出接口输出，且必须通过解码器的解码才能分别送给各开关的转换控制端，如果所选的器件具有多个并行输入/输出接口，就可以省略解码电路，并且各开关的转换控制端可以通过驱动门电路直接与器件的并行输出接口相接。与MC68332器件相类似的电机微处理控制集成器件还有Motorola公司的MC68HC708器件和Texas Instruments公司的TMS320C24及SGS-Thomason Microelectrics公司的ST92141K4器件等，它们都可作为MC68332器件的代换器件。

该系统的具体控制过程如下：

参见图4、5，当车辆启动时，启动传感器向控制器7送入一个驾驶启动信号，则控制器7将启动电机2-1的变速开关12-1设为高速挡H、将驱动电机3-1的变速开关14-1设低速挡L，然后控制逆变器8输出的交流频率从零逐渐增加，根据前述三相交流感应电机的原理，此时的启动电机和驱动电机均为电动状态，输出驱动扭矩从零逐渐增大，转速逐渐上升，则启动电机拖动发动机转轴11转动，而驱动电机驱动车辆从静止逐渐加速(图5a)；当车速大约达到5-6公里/小时时，发动机转速达到启动转速(大约600转/分钟)，则发动机开始工作，其转速增大而输出力矩，带动启动电机的转子转动，使其超过定子旋转磁场的转速，则启动电机呈发电状态，并输出与逆变器8电流频率相同的电能，该电能通过换向开关13和变速开关14-1流向驱动电机而为其供电(这部分电能大约能占驱动电机所需总电能的一半以上，可通过设计启动电机的功率大小来确定这部分电能占驱动电机所需总电能的比例大小，一般以选择占30～70％为宜)；则驱动电机3-1使用启动电机2-1和逆变器8共同提供的电能而驱动车辆继续加速。在这期间，车辆处在一挡加速运行，这时系统的传速比为4∶1，即当发动机转速达3000转/分时，驱动电机的转速为750转/分(图5b)。

当车辆在一挡上加速行驶，其时速达到大约25～30公里/小时时，发动机的转速达到3000转/分，这时，车辆若继续加速，发动机的转速将超出有效工作范围，工作品质变坏，则系统需要变速，即改变发动机和车轮的转速比。这时，控制器7通过对发动机转速传感器和驱动电机转速传感器的实时监测，自动判断出系统需要变速，然后输出频率减半的控制信号，从而控制逆变器8的输出频率减半，与此同时，又将驱动电机的变速开关14-1从低速挡L切换到高速挡H；这时，启动电机2-1因供电频率降半而其旋转磁场的转速也随之减半，从而拖动其转子和发动机转轴的转速减半，则发动机的转速随之减半，变成1500转/分；而驱动电机3-1因供电频率降半与其速度挡从低向高的切换相抵消，其旋转磁场的转速不变，则其转子转速保持不变。这样，发动机在驱动电机转速保持不变的情况下，其转速从3000转/分降低到1500转/分，从而完成了系统的第一次变速(图5c)。变速后，启动电机处于正常的发电状态，而驱动电机转速不变，处在正常的电动状态而驱动车辆，这时，控制器7可以根据加速传感器给出的驾驶加速信号继续逐渐增加逆变器8的输出频率，使车辆继续加速。在这期间车辆处在二挡加速，这时系统的传速比为2∶1，即当发动机转速达3000转/分时，驱动电机的转速为1500转/分，系统传速比比一挡增大一倍。

当车辆在二挡上加速行驶，其时速达到大约50-60公里/小时时，发动机的转速又达到3000转/分，则控制器7根据其监测的转速参数，判断出系统需要再次变速，这时，它将启动电机的变速开关12-1从高速挡H切换到低速挡L，则启动电机的转速减半，并拖动发动机转速减半，在这一过程中，驱动电机的定子旋转磁场没有变化，其转速仍保持不变。这样，发动机又在驱动电机转速保持不变的情况下，其转速从3000转/分降低到1500转/分，从而完成了系统的二次变速(图5d)。变速后，启动电机仍处于正常发电状态，驱动电机转速和工作状态没有变化，控制器7可以根据驾驶加速信号控制车辆继续加速，在这期间车辆处在三挡加速，这时系统的传速比为1∶1，系统传速比比二挡增大一倍，即当发动机转速达3000转/分时，驱动电机转速也为3000转/分。

不论在上述哪个挡位，当减速传感器17-2给出减速信号(略踩刹车)时，控制器7都将控制逆变器8的输出频率相应降低，使驱动电机旋转磁场的转速低于转子转速，其降低的幅度由踩刹车的深浅决定，则驱动电机向车轮轴施加减速力矩，同时驱动电机呈发电状态，输出的电能通过逆变器8的逆向变换(交变直)而流向蓄电池9贮存起来。

当进/退传感器17-4给出倒挡信号时，控制器7将换向开关13打向反转挡，然后设置工作状态与车辆处在启动时的工作状态相同，踩动油门后(即加速传感器给出信号后)，驱动电机反转，一挡驱动车辆倒退。

实施例2

再参见图1，为了提高上述实施例1的系统传动效率，可以在启动电机2的转子轴与驱动电机3的转子轴之间增设一个离合器10，该离合器的离与合由控制器7控制。该离合器只是在高速挡(三挡)上使用，其控制过程是：当车辆在三挡上加速行驶时，控制器7测得驱动电机与发动机转速一致(即离合器的输入轴与输出轴转速相同，都是3000转/分)时，即控制离合器10合上，这样，发动机和驱动电机就可以合力驱动车辆，此时，发动机的动力直接传递到车轮，可以提高系统的传动效率；当车辆进入匀速行驶时，发动机独立驱动车辆，而启动电机和驱动电机均为空载运行或发电供车上使用。该离合器10在实施例1的系统中是一个可选部件。

实施例3

参见图6，为了增加上述实施例2系统中系统传速比设计的灵活性，可以在离合器10的输出轴与驱动电机3转轴的联结处增加一个单级齿轮传速器18。例如：对于采用2 1双速驱动电机的系统而言，在不加单级齿轮传速器18时，其三挡的传速比是一挡的4倍；如果加上单级齿轮传速器18，该三速系统相当于增加了一个速度挡而变成四速系统，并且如果设定该传速器的传速比R为10 9，则四挡的传速比是一挡传速比的4R(4.44)倍，其中R＝10/9＝1.111。由此可见，相应改变单级齿轮传速器18的传速比，即可灵活地设定2 1双速驱动电机系统的传速比。下面以增加其传速比为10 9单级齿轮传速器为例，说明该驱动系统的变速过程：

参见图7，系统启动和前三挡的变速因离合器10均处于分离状态，所以其变速过程与实施例1(图5)相同；当系统在三挡加速行驶，并且控制器7测得驱动电机的转速与启动电机(发动机)转速一致(即3000转/分)时(图7a)，先将变速开关14-1打向空挡，切断逆变器8与驱动电机3-1的电连接，然后再逐渐降低逆变器8的输出频率，使启动电机的转速逐渐降低，等到离合器的输入轴与其输出轴的转速一致(即均达到2700转/分)时，也就是启动电机的转轴与单级齿轮传速器的主动齿轮的转速一致时，再控制离合器10合上(图7b)。在这一过程中，控制器7通过监测发动机的转速得知离合器输入轴的转速，通过测得的驱动电机转速而用10∶9的比例换算得出离合器输出轴的转速，然后进行比较；离合器10合上后，发动机和启动电机一起合力驱动车辆在四挡上加速行驶，此时系统的传速比为1.111，即当发动机为3000转/分时，驱动电机的转速可达3333转/分(图7c)；当车辆进入匀速行驶时，发动机通过离合器直接驱动车辆，这时，启动电机空载或发电供车上使用。当车辆加速超车或爬坡时，控制器7通过加速传感器所提供的加速量(加速踏板下踩量)控制逆变器输出相应增大的频率，使启动电机提供助推力。

实施例4

参见图2，上述实施例1、实施例2和实施例3系统中的倒挡转换也可用另一种方式来实现，即将换向开关13接到启动电机的变速开关12或12-1与逆变器8的输出端之间。当控制器7收到倒挡驾驶信号时，先通过软件将逆变器8输出的三相交流电的任意两相的相位(时序)置换一下，使正转三相交流电的顺序A，B，C改变为A，C，B或B，A，C等，然后再控制换向开关13打向反向挡。这样，同样可以实现驱动电机反转而启动电机正转的控制。

实施例5

参见图8，这是一个启动电机采用单速多相交流电机而驱动电机采用多速多相交流感应电机的例子，其中单速启动电机可以是交流同步电机，也可以是交流感应电机。为方便理解，本例以启动电机采用单速三相交流感应电机2-2和驱动电机采用2∶1双速三相交流感应电机3-1为例说明其结构和工作原理。该系统与实施例1的连接结构基本相同，所不同是：启动电机2-2的定子绕组接线端直接与逆变器8的供电输出端相接和离合器10是必选部件。该系统的工作过程与实施例1也基本相同，只有变速和减速的控制过程略有不同，其控制过程如下：

参见图9，车辆启动时，控制器7收到驾驶启动信号时，先将驱动电机的变速开关14-1打向低速挡，然后控制逆变器8的输出频率从零逐渐增加，则启动电机2-2和驱动电机3-1工作，启动电机带动发动机轴转动而启动发动机，驱动电机3-1驱动车辆从静止逐渐加速(图9a)；当车速大约达到5-6公里/小时时，发动机转速达到启动转速，则发动机开始工作，从而带动启动电机的转子转动，使其超过其定子旋转磁场的转速，则启动电机呈发电状态，其输出的电能流向驱动电机，则驱动电机使用启动电机和逆变器8共同提供的电能驱动车辆在一挡上继续加速行驶(图9b)，这时系统的传速比为4∶1，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机的转速为750转/分。

当车辆在一挡上加速行驶的时速达到大约25～30公里/小时时，发动机的转速达到3000转/分，这时，控制器7自动判断出系统需要变速，它控制逆变器8的输出频率减半，与此同时，又将驱动电机的变速开关14-1从低速挡切换到高速挡，则启动电机拖动发动机转速减半，变成1500转/分，而驱动电机转速不变，从而完成了系统的第一次变速(图9c)。变速后，控制器7又可以根据驾驶加速信号继续逐渐增加逆变器8的输出频率，使车辆在二挡上继续加速。此时系统的传速比为2∶1，系统传速比比一挡增大一倍，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机的转速为1500转/分。

当车辆在二挡上加速行驶的时速达到大约50～60公里/小时时，发动机的转速又达到3000转/分，控制器7再次判断出系统需要变速，则控制器7将变速开关14-1打向空挡，切断逆变器与驱动电机的电连接，然后将逆变器的输出频率迅速降低一半，使启动电机拖动发动机的转速降半，当启动电机与驱动电机的转速相同(1500转/分)时，控制器7将离合器10合上，则发动机输出的力矩直接传递到车轮上。这样，发动机的转速从3000转/分降低到1500转/分，而车轮轴的转速保持不变，系统完成了第二次变速(图9d)。在控制离合器合上的过程中，控制器7需通过发动机的转速传感器15和驱动电机的转速传感器16实时监测启动电机和驱动电机的转速，并控制逆变器的输出频率，使启动电机的转速与驱动电机相同，也就是离合器的输入轴与输出轴的转速相同，才将离合器合上。系统完成第二次变速后，发动机直接驱动车轮，这时，控制器7可调整逆变器的输出频率，使启动电机工作在电动状态而输出辅助动力，协助发动机驱动车辆在三挡继续加速。此时，系统传速比比二挡增大一倍，为1∶1，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机转速为3000转/分；当车辆进入匀速行驶时，发动机独立驱动车辆，而启动电机空载运行或发电供车上使用。

车辆在一挡和二挡上减速时，控制器7相应降低逆变器的输出频率，使驱动电机3-1向车轮轴施加减速力矩，则驱动电机呈发电状态，其输出的电能通过逆变器8的逆向变换(交变直)而送向蓄电池9贮存起来；而在三挡上减速时，控制器7也相应降低逆变器的输出频率，使启动电机向车轮轴施加减速力矩，或控制器7先将驱动电机的变速开关14-1打向高速挡，再相应降低逆变器的输出频率，则驱动电机和启动电机同时向车轮轴施加减速力矩，减速过后，控制器7再将变速开关14-1打向空挡。

实施例6

参见图10，上述实施例5(图8)的倒挡控制也可以采用与实施例4(图2)相同的方式来控制，并将换向开关13接到启动电机2-2与逆变器8的输出端之间。

实施例7

为了增加上述实施例5(图8)、实施例6(图10)系统传速比设计的灵活性，也可以象实施例3一样在离合器10的输出轴与驱动电机3-1转轴之间增加一个单级齿轮传速器18。假设所述单级齿轮传速器18的传速比仍设定为10 9，则通过该齿轮传速器的三挡传速比是一挡的4R(4.44)倍。其控制过程参见图9、11，启动和一挡换至二挡变速过程因离合器处于分离状态，所以与实施例5(图9)的过程相同；当二挡换至三挡时，控制器7将逆变器的频率降半后要继续再降低一些，使启动电机的转速降低到与单级齿轮传速器中主动齿轮的转速(1350转/分)一致时，再将离合器合10上(图11)；离合器合上后，通过该齿轮传速器的传递，车辆在三挡上加速行驶时，系统的传速比为1∶1.111，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机的转速为3333转/分。

实施例8

参见图12，这是一个启动电机采用多速多相交流感应电机而驱动电机采用单速多相交流电机的例子，其中单速多相交流电机可以单速多相交流感应电机，也可以是单速多相交流同步电机。为方便理解起见，本例以启动电机采用2∶1双速三相交流感应电机2-3和驱动电机采用单速三相交流感应电机3-2为例说明其结构和工作过程。该系统与实施例5(图8)的连接结构基本相同，所不同是：启动电机2-3的变速开关12-3直接与逆变器8的供电输出端相接，而驱动电机3-2的定子三相绕组接线端通过换向开关13与逆变器8的供电输出端相接。本系统的工作过程与实施例5(图8)也基本相同，只是变速过程有所不同，其控制过程如下：

参见图13，车辆开始启动时，控制器7将启动电机2-3的变速开关12-3设为高速挡，然后控制逆变器8的输出频率逐渐增加，则启动电机2-3和驱动电机3-2工作，启动电机带动发动机轴转动而启动发动机，而驱动电机3-1驱动车辆从静止逐渐加速(图13a)；当车速大约达到5-6公里/小时时，发动机转速达到启动转速，则发动机开始工作，从而带动启动电机的转子转动，使其超过其定子旋转磁场的转速，则启动电机呈发电状态，其输出的电能流向驱动电机，则驱动电机使用启动电机和逆变器共同提供的电能而驱动车辆在一挡上继续加速行驶(图13b)，这时系统的传速比为4∶1，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机的转速为750转/分。

当车辆在一挡上行驶的时速达到约25-30公里/小时时，发动机的转速达到3000转/分，则控制器7自动判断出系统需要变速，它控制变速开关12-3将启动电机从高速挡切换到低速挡，则启动电机的转速减半，从而拖动发动机转速减半；这时，驱动电机的转速保持不变，则系统完成了第一次变速(图13c)。变速后，控制器可以控制车辆在二挡上加速行驶，这时系统的传速比为2∶1，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机的转速为1500转/分。

当车辆在二挡行驶的时速达到大约60公里/小时时，发动机的转速又达到3000转/分，控制器7再次判断出系统需要变速。为此，控制器7将换向开关13打向空挡，切断逆变器8与驱动电机3-2的电连接，然后控制逆变器的输出频率迅速减半，使启动电机2-3的转速也随之减半，从而拖动发动机的转速减半，等到启动电机的转速降低到与驱动电机的转速一致(即达到1500转/分)时，控制器7控制离合器10合上，则发动机输出的力矩直接传递到车轮上(图13d)。这样，发动机的转速从3000转/分降低到1500转/分，而车轮轴的转速保持不变，则系统完成了二次变速。变速后，车辆处在三挡上加速，系统传速比比二挡增大一倍，为1∶1，即当发动机转速为3000转/分时，驱动电机转速为3000转/分。

实施例9

参见图14，上述实施例8(图12)的倒挡控制也可以采用与实施例6(图10)相同的方式来控制，并将换向开关13接到启动电机2-3的变速开关12-3与逆变器8的输出端之间，同时，驱动电机的定子绕组接线端通过一个接线开关20与逆变器8的输出端相接。其变速控制过程与实施例8基本相同，只是在二挡换至三挡时，控制器7需将“控制换向开关13打向空挡”换成“控制接线开关20断开”即可。

实施例10

为了增加实施例8(图12)和实施例9(图14)系统传速比设计的灵活性，也可以象实施例7一样，在上述两个系统离合器10的输出轴与驱动电机3-2的转轴之间增加一个单级齿轮传速器18。如果单级齿轮传速器18的传速比仍选择10 9，则通过该齿轮传速器输出的三挡转速是一挡的4R(4.44)倍，即当发动机转速为3000转/分时，车轮的转速为3333转/分。系统的控制过程与实施例8、9基本相同，只是在二挡换至三挡时，只需控制启动电机的转速与单级齿轮传速器18的主动齿轮的转速(1350转/分)一致时，再将离合器合上，即如图15、图16所示。

上述所有实施例所述的系统还可以由驱动电机单独启动车辆，并在行进间启动发动机。其中图8的系统要实现该功能，需在启动电机和逆变器8的供电输出端之间增加一个接线开关21；同样，图10的系统要实现该功能，需采用设有空档的换向开关，以便能够切断逆变器8与启动电机的电连接。控制过程是：启动时，控制器7先切断启动电机与逆变器8的电连接，然后逐渐增加逆变器8的输出频率，则逆变器8单独向驱动电机供电，使驱动电机驱动车辆启动；当车辆启动并达到一定速度后，控制器7再切断驱动电机与逆变器的电连接，先将逆变器8的输出频率降低，再接通逆变器8与启动电机的电连接，再逐渐增加逆变器8的输出频率，则逆变器8单独向启动电机供电，使启动电机启动发动机。发动机启动后，控制器7再根据发动机和驱动电机的转速及驾驶信号，设置各变速开关和离合器的状态(设置速度挡位)，并对逆变器输出频率作必要的调整，从而使系统各部件正常工作。

Claims (7)

1、一种汽车机电混合驱动系统，它包括一个发动机(1)、一个启动电机(2)、一个驱动电机(3)，所述启动电机(2)的转子轴与发动机的转轴(11)相联，所述驱动电机(3)的转子轴(4)通过传动机构(5)与车轮轴相联，它还包括一个为启动电机(2)和驱动电机(3)提供电能的蓄电池(9)，其特征是：

1.1、所述的启动电机(2)和驱动电机(3)采用多速多相交流感应电机，所述的多速多相交流感应电机均带有各自的变速开关(12)、(14)，并且还设有一个驱动电机(3)或启动电机(2)的换向开关(13)；

1.2、它还设有一个将蓄电池(9)输出的直流电转变为交流电而为所述启动电机和驱动电机供电的逆变器(8)、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位控制信号和电机供电频率或相位控制信号的控制器(7)，所述控制器(7)的信号输入端分别设有发动机转速传感器(15)、驱动电机转速传感器(16)和驾驶传感器(17)的信号输入接口，所述控制器(7)的信号输出端分别设有速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号输出接口，所述的速度挡位控制信号输出接口分别与启动电机(2)和驱动电机(3)的变速开关(12)、(14)及所述的换向开关(13)的转换控制端相接，所述电机供电频率或相位控制信号输出接口与逆变器(8)的多相交流频率控制端相接，从而使逆变器(8)根据车辆所需的驱动扭矩或速度输出相应的交流频率或相位，所述逆变器(8)的多相交流供电输出端分为两路，一路直接与启动电机(2)的变速开关(12)相接，另一路通过所述的换向开关(13)与驱动电机(3)的变速开关(14)相接，或者一路通过所述的换向开关(13)与启动电机(2)的变速开关(12)相接，另一路直接与驱动电机(3)的变速开关(14)相接。

2、根据权利要求1所述的汽车机电混合驱动系统，其特征是：在所述启动电机(2)的转子轴与驱动电机(3)的转子轴之间连有一个离合器(10)，该离合器的控制端与控制器(7)的速度挡位控制信号输出接口相接。

3、根据权利要求2所述的汽车机电混合驱动系统，其特征是：在离合器(10)的输出轴与驱动电机(3)转轴的联结处设有一个单级齿轮传速器(18)。

4、一种汽车机电混合驱动系统，它包括一个发动机(1)、一个启动电机、一个驱动电机，所述启动电机的转子轴与发动机的转轴(11)相联，所述驱动电机的转子轴(4)通过传动机构(5)与车轮轴相联，在所述启动电机的转子轴与驱动电机的转子轴之间连有一个离合器(10)，它还包括一个为启动电机和驱动电机提供电能的蓄电池(9)，其特征是：

4.1、所述的启动电机采用一个单速多相交流电机(2-2)，所述的驱动电机采用多速多相交流感应电机(3-1)，所述多速多相交流感应电机带有一个变速开关(14-1)，并且还设有一个驱动电机(3-1)或启动电机(2-2)的换向开关(13)；

4.2、它还设有一个将蓄电池(9)输出的直流电转变为交流电而为启动电机(2-2)和驱动电机(3-1)供电的逆变器(8)、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位控制信号和相应的电机供电频率或相位控制信号的控制器(7)，所述控制器(7)的信号输入端分别设有发动机转速传感器(15)、驱动电机转速传感器(16)和驾驶传感器(17)的信号输入接口，所述控制器(7)的信号输出端分别设有速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号输出接口，所述的速度挡位输出接口分别与启动电机(2-2)和驱动电机(3-1)的变速开关(12)、(14)、换向开关(13)和离合器(10)的转换控制端相接，所述电机供电频率或相位的控制信号输出接口与逆变器(8)的多相交流频率控制端相接，从而使逆变器(8)根据车辆所需的驱动扭矩或速度输出相应的交流频率或相位，所述逆变器(8)的交流供电输出端分为二路，一路直接与启动电机(2-2)的定子接线端相接或通过接线开关(21)与启动电机(2-2)的定子接线端相接，另一路通过换向开关(13)与驱动电机(3-1)的变速开关(14-1)相接，或者一路通过换向开关(13)与启动电机(2-2)的定子接线端相接，另一路直接与驱动电机(3-1)的变速开关(14-1)相接。

5、根据权利要求4所述的汽车机电混合驱动系统，其特征是：在所述的离合器(10)与驱动电机(3)转轴的联结处设有一个单级齿轮传速器(18)。

6、一种汽车机电混合驱动系统，它包括一个发动机(1)、一个启动电机、一个驱动电机，所述启动电机的转子轴与发动机的转轴(11)相联，所述驱动电机的转子轴(4)通过传动机构(5)与车轮轴相联，在所述启动电机的转子轴与驱动电机的转子轴之间连有一个离合器(10)，它还包括一个为启动电机和驱动电机提供电能的蓄电池(9)，其特征是：

6.1、所述的启动电机采用一个多速多相交流感应电机(2-3)，该多速多相交流感应电机(2-3)带有变速开关(12-3)，所述的驱动电机采用单速多相交流电机(3-2)，并且还设有启动电机(2-3)或驱动电机(3-2)的换向开关(13)；

6.2、它还设有一个将蓄电池(9)输出的直流电转变为交流电而为启动电机(2-3)和驱动电机(3-2)供电的逆变器(8)、一个根据发动机转速信号和驱动电机转速信号及驾驶信号对车辆所需的速度挡位进行判定和计算车辆的驱动扭矩或速度需求量、并给出相应的速度挡位控制信号和相应的电机供电频率或相位控制信号的控制器(7)，所述控制器(7)的信号输入端分别设有发动机转速传感器(15)、驱动电机转速传感器(16)和驾驶传感器(17)的信号输入接口，所述控制器(7)的信号输出端分别设有速度挡位和电机供电频率或相位的控制信号输出接口，所述速度挡位的控制信号输出接口分别与启动电机(2-3)和驱动电机(3-2)的变速开关(12)、(14)、换向开关(13)和离合器(10)的转换控制端相接，所述电机供电频率或相位的控制信号输出接口与逆变器(8)的多相交流频率控制端相接，从而使逆变器(8)根据车辆所需的驱动扭矩或速度输出相应的交流频率或相位，所述逆变器(8)的交流供电输出端分为二路，一路直接与启动电机(2-3)的变速开关(12-3)相接，另一路通过换向开关(13)与驱动电机(3-2)的定子接线端相接，或者一路通过换向开关(13)与启动电机(2-3)的变速开关(12-3)相接，另一路通过一个接线开关(20)与驱动电机(3-2)的定子接线端相接。

7、根据权利要求6所述的汽车机电混合驱动系统，其特征是：在所述的离合器(10)与驱动电机(3-2)转轴的联结处增加一个单级齿轮传速器(18)。

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