CN1911704A - 双电机三离合器混联式混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车技术领域的串并联混联式混合动力系统。本发明包括：发动机、辅助离合器、主电机、主离合器、变速箱、皮带轮离合器、皮带轮电机、发动机前端皮带轮系、发动机附件系统、动力电池、辅助电池、电机驱动控制器、高压电安全控制器、动力电池管理器、直流变换器、整车控制器、发动机控制器、第一半轴、第二半轴。皮带轮电机带动皮带轮通过一个离合器与发动机相连，并独立驱动发动机附件系统。主电机通过一个辅助离合器与发动机相连、并通过一个主离合器与变速箱的输入轴相连。本发明结构简单、布置紧凑、制造成本低，优化了发动机、主电机、皮带轮电机运行效率和再生制动能量回馈效率，整车油耗和有害排放，并保持良好的动力性与驾驶平顺性。

Description

双电机三离合器混联式混合动力系统

技术领域

本发明涉及的是一种汽车技术领域的系统，特别是一种串并联混联式混合动力系统。

背景技术

面对汽车工业发展面临的能源与环保压力，发展节能环保的混合动力汽车成为全球汽车工业发展的重点之一。混合动力汽车动力系统的结构型式有串联式、并联式和串并联式，具体的结构型式有多种变型。串并联混联式混合动力系统，目的是集成了串联混合动力系统和并联混合动力系统优点、克服了各自的缺点。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN1420034，公开日为2003.05.28，专利名称为：双电机混合动力汽车动力系统，该专利自述为：“双电机混合动力汽车动力系统属于以燃油和电力两种能源为动力源的汽车混合动力装置。它包括内燃机、电机、离合器、变速箱、动力电池、制动系统及整车自动控制系统，其特征在于具有主、副两个电机，其主电机25的转子轴与变速箱24的输出轴相连接，副电机22的转子轴与内燃机1的曲轴相连接；主、副电机25、22与电池28电联接。”其不足之处同样是：如果不采用发动机电动附件系统(如电动空调压缩机、电动转向泵等)，由于使用该装置发动机附件系统(如空调压缩机、动力转向泵等)只能由发动机带动，不能全面实现怠速停机功能，影响了燃油经济性的提高和尾气有害排放的降低。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种串并联混联式混合动力系统，使其克服目前混合动力系统结构复杂、制造成本高、体积大，或不具备纯电动模式、或能量回馈效率低、或必须采用发动机电动附件系统、或不能全面实现怠速停机功能的缺点，具有良好的与现有车辆的技术继承性以及整车动力性、燃油经济性和低排放的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：发动机、辅助离合器、主电机、主离合器、变速箱、皮带轮离合器、皮带轮电机、发动机前端皮带轮系、发动机附件系统、动力电池、辅助电池、电机驱动控制器、高压电安全控制器、动力电池管理器、直流变换器、整车控制器、发动机控制器、第一半轴、第二半轴。其连接关系为：发动机的前端输出轴通过皮带轮离合器与发动机前端皮带轮系的主动皮带轮相连，该主动皮带轮通过发动机前端皮带轮系与皮带轮电机的转子相连，也与发动机附件系统相连；发动机的输出端通过辅助离合器与主电机的转子相连，主电机的转子通过主离合器与变速箱的输入轴相连，变速箱的输出通过第一半轴、第二半轴分别与第一车轮、第二车轮相连；动力电池通过动力电池管理器和高压电安全控制器通过电机驱动控制器与皮带轮电机和主电机相连，动力电池还通过电池管理器、高压电安全控制器、直流变换器与辅助电池相连，整车控制器通过通讯系统与发动机控制器、电机驱动控制器、动力电池管理器、高压电安全控制器、直流变换器相连。

本发明的工作过程与工作原理为：变速箱通过第一半轴和第二半轴与第一车轮和第二车轮进行动力传递。发动机可由皮带轮电机起动，亦可由主电机起动。发动机通过发动机前端皮带轮系、皮带轮离合器与皮带轮电机进行动力传递，亦可通过辅助离合器、主电机、主离合器与变速箱进行动力传递。主电机通过主离合器与变速箱进行动力传递，亦可通过辅助离合器与发动机进行动力传递。发动机附件系统由发动机前端皮带轮系驱动，可由皮带轮电机通过发动机前端皮带轮系驱动，亦可由发动机通过皮带轮离合器、发动机前端皮带轮系驱动。

主电机、皮带轮电机按电动方式工作时需要的电能通过电机驱动控制器由动力电池提供，按发电方式工作时发出的电能亦通过电机驱动控制器返回大动力电池。主电机和皮带轮电机还可通过电机驱动控制器、动力电池进行电能传递，此时其中一个电机按电动方式工作，另一电机按发电方式工作。按发电方式工作的电机通过电机驱动控制器、直流变换器可向辅助电池充电，动力电池亦可通过直流变换器向辅助电池充电。

发动机由发动机控制器实施控制，皮带轮电机、主电机由电机驱动控制器实时控制，动力电池的状态监测和控制由动力电池管理器实施，动力电池与电机驱动控制器的通断控制由高压电安全控制器实施，辅助电池的监控与向辅助电池的充电由直流变换器实施。

整车控制器采集车辆行驶和驾驶员操控信息，向电机驱动控制器、高压电安全控制器、动力电池管理器、直流变换器、发动机控制器发送控制指令并接收各控制器的反馈信息，进而实现了对所述各部件的实时控制，可以实现怠速停机/发动机快速起动、单电机纯电驱动、双电机纯电驱动、纯发动机驱动、单电机混合驱动、双电机混合驱动、无电混合驱动、再生制动能量回馈、串联驱动、单电机混合式行车充电、双电机行车充电、单电机停车充电、双电机停车充电等混合动力运行模式，亦可实现发动机附件系统的发动机单独驱动、皮带轮电机单独驱动、主电机单独驱动、发动机附件系统停机等发动机附件系统的驱动模式。

与现有混合动力系统相比，本发明不仅实现了目前的串并联混联式混合动力系统的全部功能，且功能更强，可方便地将动力电池的剩余电量控制在优化范围内，避免了前述行星齿轮动力耦合形式中，在纯发动机驱动、混合驱动等发动机有动力输出情况下总有一部分发动机机械能转化为电能并在需要时再转化为机械能的能量损失，进一步提高了整车经济性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：发动机1、辅助离合器2、主电机3、主离合器4、变速箱5、皮带轮离合器6、皮带轮电机7、发动机前端皮带轮系8、发动机附件系统9、动力电池10、辅助电池11、电机驱动控制器12、高压电安全控制器13、动力电池管理器14、直流变换器15、整车控制器16、发动机控制器17、第一半轴18、第二半轴19。

所述发动机前端皮带轮系8，包括：主动皮带轮22、皮带23、皮带轮电机皮带轮24、皮带轮组25。

所述主电机3，包括：主电机3的转子26、主电机3的定子27。

所述皮带轮电机7，包括：皮带轮电机7的转子28、皮带轮电机7的定子29。

所述各部件的连接关系为：发动机1的前端输出轴通过皮带轮离合器6与发动机前端皮带轮系8的主动皮带轮22相连，主动皮带轮22通过发动机前端皮带轮系8的皮带23、皮带轮电机皮带轮24与皮带轮电机14的转子28相连，主动皮带轮22还通过皮带23、皮带轮组25与发动机附件系统9相连。发动机1的输出端通过辅助离合器2与主电机3的转子26相连，主电机3的转子26通过主离合器4与变速箱5的输入轴相连，变速箱5的输出通过第一半轴18、第二半轴19分别与第一车轮20、第二车轮21相连。动力电池10通过动力电池管理器14和高压电安全控制器13通过电机驱动控制器12与皮带轮电机7和主电机3相连，动力电池10还通过电池管理器8、高压电安全控制器13、直流变换器15与辅助电池11相连，整车控制器16通过通讯系统与发动机控制器17、电机驱动控制器12、动力电池管理器14、高压电安全控制器13、直流变换器15相连。

其中：

所述发动机1提供车辆行驶的大部分动力。

所述辅助离合器2为单向超越离合器，传递发动机1端动力到主电机3端。

所述主电机3提供车辆行驶过程中的部分动力，也用于发电以回收车辆行驶中的再生制动能量以及提供部分电能。

所述主离合器4传递动力，便于换档防止换档困难。

所述变速箱5手动变速箱，或自动变速箱，将动力传递到变速箱5输出轴。

所述皮带轮离合器6为电磁离合器，受所述整车控制器16的控制，传递皮带轮电机7和发动机1的动力并同时进行动力传递接通与断开的切换。

所述皮带轮电机7用于快速起动发动机1，并用于提供车辆行驶过程中的部分动力，也用于发电提供部分电能。

所述发动机前端皮带轮系8，为皮带轮电机7和发动机附件系统9的动力传动装置。

所述发动机附件系统9，包括空调压缩机、动力转向泵等由发动机皮带轮系统驱动的装置。

所述动力电池10提供车辆行驶需要的部分动力，并将多余动力进行存储。

所述辅助电池11为传统低压电路电源。

所述电机驱动控制器12对主电机3与皮带轮电机14进行驱动控制，具有主电机逆变器、皮带轮电机逆变器以及对这两个逆变器实施控制的电机控制器等的功能。其中，主电机逆变器是将直流变为交流供主电机的一种电源变换器，皮带轮电机逆变器是直流变为交流供皮带轮电机的一种电源变换器。

所述高压电安全控制器13对高压电系统的安全进行控制。

所述动力电池管理器14对动力电池10进行管理。

所述直流变换器15用于直流变换。

所述整车控制器16用于整车控制与多能源系统管理。

所述发动机控制器17对发动机1进行控制管理。

所述第一半轴18用于变速箱5输出动力传递到第一车轮20。

所述第二半轴19用于变速箱5输出动力传递到第二车轮21。

本发明工作时，包括以下运动模式：减速断油/怠速停机/发动机快速起动模式，单电机纯电驱动模式，双电机纯电驱动模式，纯发动机驱动模式，单电机混合驱动模式，双电机混合驱动模式，无电混合驱动模式，再生制动能量回馈模式，串联驱动模式，单电机混合式行车充电模式，双电机行车充电模式，单电机停车充电模式，双电机停车充电模式。

1)减速断油/怠速停机/发动机快速起动模式

在车辆减速过程中、或遇红灯或堵车或其它情况而停车时，通过本发明所述整车控制器16使发动机1断油、停机，避免了现有内燃机汽车此时减速、怠速运行的油耗和尾气排放，是提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放的重要策略之一。在停机、断油过程中，在本发明所述整车控制器16检测到需要使所述发动机附件系统9工作时，整车控制器16指令本发明所述皮带轮离合器6分离、所述皮带轮电机7按电动模式工作提供所述发动机附件系统9工作需要的动力。同样，在本发明所述整车控制器16检测检测到需起步车辆时，本发明所述皮带轮离合器6结合、或者所述辅助离合器2结合但所述主离合器4分离，通过所述整车控制器16使皮带轮电机7或主电机3快速拖动所述发动机1到某一较高转速后，通过所述整车控制器16使发动机1喷油运转，避免了现有车辆发动机起动过程造成的燃油消耗与尾气有害排放，提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放。

2)单电机纯电驱动模式

在车辆起步阶段或所述发动机处于低负荷工况，发动机热效率低且尾气排放不佳。因此在车辆起步或低速运行可能使发动机低负荷运行时，所述发动机1不工作，在所述整车控制器16的指令下，由所述主电机3提供全部整车驱动扭矩。此时，辅助离合器2分离，主离合器4结合，避免了倒拖所述发动机1的能量消耗。另外，所述皮带轮离合器6分离，在所述整车控制器16的指令下，由所述皮带轮电机7提供所述发动机附件系统9运行需要的动力。

3)双电机纯电驱动模式

在如同前述的单电机纯电驱动模式的情况下，如果车辆需要更大的驱动力(如车辆按动力模式运行、或处于坡道等)，所述皮带轮离合器6、所述辅助离合器2、所述主离合器4均被切换到或保持结合状态，所述发动机1不工作，由所述皮带轮电机7与所述主电机3共同驱动车辆、发动机附件系统9由皮带轮电机7驱动，达到与前述的单电机纯电驱动模式下的降低油耗和尾气排放的效果，且可获得更好的动力性。

4)纯发动机驱动模式

在车辆的驱动扭矩达到设定范围时，由本发明所述整车控制器16控制，起动所述发动机1进入纯发动机驱动模式。在所述纯发动机驱动模式，皮带轮电机7与主电机3都停止工作而空转，所述皮带轮离合器6、辅助离合器2、主离合器4均被切换到或保持结合状态。在所述纯发动机驱动模式中，发动机1工作在高效率区，发动机附件系统9直接由发动机1驱动避免了能量转换损失，可获得较高的整车燃油经济性和较低的尾气有害排放，避免了所述主电机3驱动车辆高速行驶引起的电池电量的快速损失，延长了电池使用寿命，且可确保将通过制动回馈能量和行车发电优化发动机1效率而对动力电池10的充电电能充分高效的利用。在所述动力电池11电量太低或电驱动系统不能完成车辆驱动时，也将起动发动机进入纯发动机驱动模式。

5)单电机混合驱动模式

当车辆急加速或爬坡等需要较大车辆驱动扭矩或所需车辆驱动扭矩快速增大时，由本发明所述整车控制器16控制，所述辅助离合器2、主离合器4均被切换到或保持结合状态，由所述主电机3或皮带轮电机7中一个电机提供助力扭矩与所述发动机1共同驱动车辆，避免发动机瞬态工况引起的燃油经济性损失与尾气有害排放的增加，且提高整车加速动力性。在单电机混合驱动模式，除发动机驱动外，通过所述整车控制器16的控制，将根据使电机尽可能工作在高效率区的原则选择所述皮带轮电机7或所述主电机3混合驱动，通过高效地利用动力电池10的电能，进一步提高整车燃油经济性。在此模式下，发动机附件系统9是由所述发动机1驱动还是由皮带轮电机7驱动，同样可根据效率最佳的原则确定，如果由皮带轮电机7驱动，则所述皮带轮离合器6被切换到或保持结合状态，这会进一步提高整车燃油经济性。所述主电机3在车辆驱动扭矩超过设定值，所述发动机1不足以提供时，也将进入该驱动模式。

6)双电机混合驱动模式

在如同前述的单电机混合驱动模式的条件下，如果车辆需要更大的驱动力，由本发明所述整车控制器16控制，所述皮带轮离合器6、所述辅助离合器2、所述主离合器4均被切换到或保持结合状态，由所述发动机1、皮带轮电机7、主电机3共同驱动车辆，驱动所述发动机附件系统9的动力同样根据效率最佳的原则选择由所述发动机1提供或者所述皮带轮电机7提供，获得前述的单电机混合驱动模式的降低油耗和尾气排放的效果，且可获得更好的动力性。

7)无电混合驱动模式

在车辆需要本发明所述混合动力系统极限输出时，如果动力蓄电池7的电能耗尽或损坏时，所述皮带轮离合器6、辅助离合器2、主离合器4均被切换或保持结合状态，所述皮带轮电机7发电直接供所述主电机3，主电机3与发动机1共同驱动车辆，以满足车辆动力需求。

8)再生制动能量回馈模式

在车辆制动或减速过程中，由本发明所述整车控制器16控制，所述发动机1停油且所述主电机3按发电机工作，进入再生制动能量回馈模式。由于所述辅助离合器2被切换到或保持分离状态，可避免对所述发动机1的倒拖引起的能量回馈效率损失。

9)串联驱动模式

在所述主电机3驱动能力满足车辆驱动扭矩要求，且车辆运行环境要求(如穿越闹市区)时，由本发明所述整车控制器16控制，发动机1工作在高效率点或一个极高效率区间，所述皮带轮离合器6、主离合器4被切换到或保持结合状态，所述辅助离合器2被切换到或保持分离状态，所述皮带轮电机7按发电机工作，所述主电机3按电动机工作驱动车辆。在此模式，由于发动机1工作可被控制在最佳状态，因此尾气有害排放极低。

10)单电机混合式行车充电模式

在车辆行驶过程中，如果所述动力电池10的电量低于某一设定值，由本发明所述整车控制器16控制，根据动力蓄电池7对充电电流的要求，所述皮带轮电机7或所述主电机3中的任何一个按发电机工作，另一个电机按电动机工作或空转，使所述发动机1、所述皮带轮电机7、所述主电机3、所述动力电池10等组成的多能源系统在此模式下的综合效率最高，且可根据需要一边行车充电一边进行混合驱动或纯发动机驱动或同时进行再生制动能量回馈，也这有利于保持整车动力性。

11)双电机行车充电模式

在车辆行驶过程中，如果所述动力电池10的电量太低且发动机富裕功率较大、动力电池10允许的情况下，所述皮带轮离合器6、辅助离合器2、主离合器4均被切换到或保持结合状态，所述发动机1驱动车辆，皮带轮电机7和主电机3均按发电机工作对动力蓄电池充电，这有利于保持整车动力性。

12)单电机停车充电模式

在停车状态，如所述动力电池10的电量太低，可以进行停车充电模式。在停车充电模式，所述皮带轮离合器6和辅助离合器2被切换到结合状态，所述变速箱5被切换到空挡和将所述主离合器4切换到分离状态，由本发明所述整车控制器16控制，由皮带轮电机7或者主电机3中的一个按发电机工作给所述动力电池10充电。当所述动力电池电量超过一个设定值后，该停车充电模式结束。

13)双电机停车充电模式

在停车状态，如所述动力电池10的电量太低，且需要对所述动力电池10快速充电时，可以应用该模式，所述皮带轮离合器6和辅助离合器2被切换到结合状态，所述变速箱5被切换到空挡或将所述主离合器4切换到分离状态。

本发明沿用了现有内燃机汽车的发动机与变速箱技术及其机械结构，不需要复杂的动力耦合结构以及复杂的动力耦合控制装置，布置紧凑，与现有内燃机汽车具有良好技术继承性，降低了系统成本。

本发明采用所述怠速停机/发动机快速起动模式，按所述驱动控制方法，所述皮带轮电机可在任何时刻单独快速起动发动机，可全面实现怠速停机功能，避免了发动机怠速、减速、起动过程中燃油消耗与尾气有害排放，提高整车燃油经济性，且保证整车动力性与驾驶性。

本发明在混合驱动过程中、在制动能量回馈过程中，可以根据车辆行驶所需电助力要求、可回馈能量等，控制选择所述皮带轮电机、主电机等二个电机中的一个电机或二个电机单独或共同运行，提高电机运行效率，优化发动机运行效率，且避免了能量回馈过程中倒拖发动机引起的能量回馈效率损失的问题，提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放。

Claims (5)

1、一种串并联混联式混合动力系统，包括：发动机(1)、辅助离合器(2)、主电机(3)、主离合器(4)、变速箱(5)、皮带轮离合器(6)、皮带轮电机(7)、发动机前端皮带轮系(8)、发动机附件系统(9)、动力电池(10)、辅助电池(11)、电机驱动控制器(12)、高压电安全控制器(13)、动力电池管理器(14)、直流变换器(15)、整车控制器(16)、发动机控制器(17)、第一半轴(18)、第二半轴(19)，其特征在于：发动机(1)的前端输出轴通过皮带轮离合器(6)与发动机前端皮带轮系(8)的主动皮带轮相连，该主动皮带轮通过发动机前端皮带轮系(8)的皮带、皮带轮组与电机(14)的转子相连，也与发动机附件系统(9)相连，发动机(1)的输出端通过辅助离合器(2)与主电机(3)的转子相连，主电机(3)的转子通过主离合器(4)与变速箱(5)的输入轴相连，变速箱(5)的输出通过第一半轴(18)、第二半轴(19)分别与第一车轮(20)、第二车轮(21)相连，动力电池(10)通过动力电池管理器(14)和高压电安全控制器(13)通过电机驱动控制器(12)与皮带轮电机(7)和主电机(3)相连，动力电池(10)还通过电池管理器(8)、高压电安全控制器(13)、直流变换器(15)与辅助电池(11)相连，整车控制器(16)通过通讯系统与发动机控制器(17)、电机驱动控制器(12)、动力电池管理器(14)、高压电安全控制器(13)、直流变换器(15)相连。

2、根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：皮带轮离合器(6)为电磁离合器，受所述整车控制器(16)的控制，传递皮带轮电机(7)和发动机(1)的动力并同时进行动力传递接通与断开的切换。

3、根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：辅助离合器(2)为单向超越离合器，传递发动机(1)端动力到主电机(3)端。

4、根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：变速箱(5)为手动变速箱，或自动变速箱。

5、根据权利要求1所述的串并联混联式混合动力系统，其特征是：其运动模式包括减速断油/怠速停机/发动机快速起动模式，单电机纯电驱动模式，双电机纯电驱动模式，纯发动机驱动模式，单电机混合驱动模式，双电机混合驱动模式，无电混合驱动模式，再生制动能量回馈模式，串联驱动模式，单电机混合式行车充电模式，双电机行车充电模式，单电机停车充电模式，双电机停车充电模式。