CN1958329A - 混合动力电动汽车（hev）轮毂驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，属电动交通车辆。它由发动机8、电动/发电机1、轮毂电机3、逆变控制器4、5、主控制器6、可控硅开关7、吸收电容器9组成。无机械传动、变速、差速装置；可2轮或4轮直接驱动，电池、燃油发电，单一动力或并动灵活选择；具有电子差速、多挡变频宽调速、电启动、发电行驶和浮充电、刹车能量回收等功能。整车系统效率高，整车自重轻，节能、环保、安全。也可用在混合动力摩托车上。

Description

混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置

所属技术领域

一种混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，属电动的交通车辆。

背景技术

混合动力电动汽车(HEV)，是介于燃油发动机驱动与车载蓄电池驱动之间的车型，也是燃油发动机汽车向纯电池EV电动汽车过度产品。由于目前全世界石化能源的紧缺，并在几十年后面临枯竭，而纯电池能源在EV电动汽车上的应用，还处于技术不成熟阶段；为了减少石化能源的过多消耗，补充电池能源技术未成熟缺陷，混合动力电动车(HEV)的推出，是当前研发的热点。现有技术的HEV车，主要有：串联式混合动力电动汽车(SHEV)，并联式混合动力电动汽车(PHEV)和混联式(串、并联式)混合动力电动汽车(PSHEV)。SHEV是由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成组成，三大动力总成采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统，而发动机-发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与SHEV的驱动。由于SHEV必须装置一个大功率的发动机-发电机组，再用驱动电动机来驱动车辆，发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驱动功率，在热能→电能→机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车，三大动力总成的体积大、质量重，还配有庞大的动力电池组，在中小型HEV上不适用是其主要缺点，而且两大能源动力不能并动。并联式混合动力电动汽车(PHEV)，是由发动机、电动/发电机或驱动电机两大动力总成组成，两者采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统，该系统大致可分为发动机-驱动系统(变速器和驱动桥-驱动轮等)，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，其方式可分：①在发动机输出轴处进行组合；②在变速器(包括驱动桥)处进行组合；③在驱动轮处进行组合。上述第①种组合式，只有发动机和电动/发电机两大动力设备，发动机和电动/发电机的动力在发动机输出轴上进行组合，然后通过由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的传统驱动系统带动车轮行驶，称为发动机轴动力组合式PHEV；第②种又称动力组合器动力组合式PHEV，该系统只有发动机和驱动电动机两大动力设备，由于它们是在动力组合器上进行组合，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶；第③种为驱动轮动力组合式PHEV，它的发动机通过离合器、变速器和驱动桥独立驱动PHEV的后(前)驱动轮，驱动电动机通过减速器独立地驱动PHEV前(后)驱动轮。在PHEV模式中，发动机与驱动电动机共同组成4轮驱动模式，由于驱动动力(牵引力)是在驱动轮上组合，故称为驱动轮动力组合式PHEV。

以上三种动力组合驱动模式的HEV，都存在传统汽车上的机械驱动装置，降低了整车传动效率，并使整车重量、制造成本增大，这是其主要缺点。另有一种叫混联式(串、并联式)混合动力电动汽车(PSHEV)，与前述的SHEV和PHEV一样，存在笨重的机械传统装置[1]。

另有一种叫电动轮的电动汽车，它不用传统的机械传动系，在车轮内把电机和行星轮变速器制造为一体，直接安装在电动轮上，电机轴输出的扭矩经行星减速器后直接驱动车轮，其主要特点是省去了现有汽车上传统的差速器和半轴[2]，但存在车轮内部的行星齿轮变速器，缺点是行星齿轮制造精度高、磨损大、寿命短、而且噪声随使用时间延长而增大，维修不便，电机功率损耗大。

三菱汽车日前宣布，该公司配备轮内马达，属外转子式轮内马达，把该马达装入车轮内，其优点是：无须任何机械传动和齿轮变速器，具有出色的省空间效率，可增大电机的输出功率及扭矩，使整车重量减轻，提高行车效率[3]，其主要缺点是：在HEV混合动力车上无法直接与电动/发电机相匹配，只作为一种EV(纯电动车)的概念车研究。

发明内容

为了克服现有技术在混合动力电动汽车(HEV)上存在的机械传动系如：动力→离合器→变速器→传动轴→主减速器→差速器→半轴→车轮方案中，多而笨重的机械传动系缺点；电动轮内存在的行星齿轮机械结构噪声大的缺点；国外轮内马达与HEV发电机输出电源，不能直接利用而使能源效率降低的缺点。本发明提出一种具有四大特点的新方案，即：①从发电机输出三相交流电源，可直接输入至轮毂电机中，同时又可达到发电机的高转速至轮毂电机低转速运行，并且能实现SPWM(正弦脉宽调制)和保持V/F恒定，提高能源利用效率；②发电机输出能对电池浮充电；③低速行车可实现电池供电行驶；④大转矩爬坡或超车时，发电机与电池两种动力源同时投入(并动)，或单独投入的灵活选择。

实现本发明需解决的技术问题

(1)发动机与电动/发电机同轴安装；

(2)电动/发电机设计为4或6极高速内转子型，要求采用稀土永磁NaFeB或SmCo在转子上为深埋式结构[4]；

(3)电动/发电机可运行在电动机工况下，作为发动机的启动电机；

(4)电动/发动机又可运行在发电机工况，在该工况下，须使发动机运行在经济油耗特性段，直接供电给轮毂电机行驶；

(5)要求高速运转的发电机供电给轮毂电机具有V/F特性；

(6)发电机向轮毂电机供电由可控硅控制，即相当于具有机械装置中“离合器”的作用；

(7)发电机供电给轮毂电机有一定范围的无级变频调速功能；

(8)发电机具有对电池的浮充电功能；

(9)当发电机供电给轮毂电机运行过程中，因突然刹车停止向轮毂电机供电时，会使发电机突然切除负荷，同轴拖动的原动力—发动机因突然抛载，其转速将升至危险的高速—“飞车”。因此，必须安装有防止发动机产生“飞车”的安全保护装置；

(10)HEV制动刹车工况时，应具有能量回馈装置；

(11)当电池通过逆变控制器向轮毂电机提供三相交流电源时使用的是SPWM正弦脉宽调制，它具有随机的电压/频率关系，若把电池切除转换投入发电机供电时，为防止轮毂电机因两种电源切换时的频率不同而产生失步，应解决两种动力源的频率同步指示器问题；

(12)当电池与发动机两种动力源转换时，HEV驱动装置具备可选择动力源的选择功能；

(13)当HEV轮毂驱动装置具有两种动力源时，可任意选择一种动力源工作，也可以两种动力源并动工作的功能；

(14)当HEV轮毂驱动装置在同一车轴上，安装有两台轮毂电机时，该HEV轮毂驱动装置车应具有电子差速功能(即两台轮毂电机具有功率自动分配控制系统)；

本发明解决其技术问题所采用的技术方案

(1)在混合动力电动汽车(HEV)的轮毂驱动装置上，汽油发动机的功率可以采用比同级别的汽车发动机功率小、并要求选用高速的(6000-9000r/min左右)四冲程发动机，在其伸出轴上直接安装内转子式永磁体深埋式结构。

(2)电动/发电机设计为4极或6极，采用稀土永磁体(NdFeB)深埋式内转子结构[4]，外定子为三相绕组结构。

(3)要求电动/发电机在启动发动机工作时，电动/发电机通过电池供电，经逆变控制器向电动/发电机提供三相逆变电流，并使电动/发电机运行在电动机工况，此时电动/发电机作为发动机的启动电机工作，当发动机启动后逆变控制器停止工作，发动机启动后，带动同轴的电动/发动机工作在发电机工况，作好向车轮上的轮毂电机提供三相交流电源准备。

(4)要求电动/发动机运行在发电机工况时，发动机应工作在该型号发动机的经济油耗范围，可由发动机的“油门”控制其转速范围，每种型号的发动机都有一条“船形”特性燃油消耗曲线[5]，在该曲线底部范围，称为经济油耗区域，使发动机工作在该范围调速，达到油耗最省。

(5)由于电动/发电机工作在发动机工况，是在“船形”曲线经济油耗区域，通过“油门”调节发动机转速时，发电机同轴安装，其转速与发动机一致，“船形”曲线区域[5]转速约6000-9000r/min范围，三相发电机若为4极设计，其频率为100-300Hz；6极设计频率为150-450Hz范围；显然，发电机输出频率与其转速高低成正比，而发电机产品制成后，其输出电压高低与转速高低也成正比，因而使得发电机输出有V/F是一个基本定值，对车轮电机调速有利。

(6)发电机工况下，输出的三相交流V/F电源，可直接向永磁同步外转子式轮毂电机供电，该电源必须要求有可控性，这是HEV轮毂驱动装置车在不同的行车状态下必须的；因此在发电机与轮毂电机的三根供电线路上，串联三只可控硅元件，即可完成控制要求，它相当于机械传动系中的“离合器”功能，而三相中的三根供电线，就相当于机械传动系中的传动轴的功用—传输能量。

(7)电动/发电机应设计为永磁同步电机特性。在发电机工况时，发出的三相交流电源，应为三相正弦交流电势波形，这样可实现对轮毂电机实施变频调速功能；即V/F SPWM调速。

(8)在该电动/发动机的输出线上，不仅接有三根向轮毂电机供电的导线；还接有三根向电池浮充电的导线。其目的是使电池可吸收富余电能。在行车不同工况(轮毂电机负载变化)时，电机的载荷是随机的，且变化大，而电池可平衡用电的“低谷”，有利于发电机输出电能突变的变化，使端电压平衡，有利于电池的浮充电，可延长电池的使用寿命。

(9)电动/发动机既可向轮毂电机供电，同时又可对电池浮充电，当发电机供电高速行车时，发电机的主要载荷是轮毂电机；由于HEV轮毂电机装置行车时常因不同路况，需要突然刹车，此时发电机会突然抛载，而电池处于满充电状态下，导致同轴的发动机因突然失去载荷，转速迅速升高至危险转速-“飞车”故障。发动机“飞车”会导致严重破坏后果。因此，本发明的电动/发电机上并联接有超大容量的电容器[6]，当主控制器可检测发电机端电压变化时，其端电压因发电机抛载，使转速升高引起端电压升高，主控制器便可将超大容量电容器9投入，吸收发电机电能，消除发电机因突然抛载导致发动机“飞车”危险。超大容量电容器吸收的电能还可以向电池浮充电。

(10)由电池通过逆变控制器向轮毂电机供电工况下，该逆变控制器内部设有刹车制动的能量回馈电路，即具有向电池充电的电路[7]。

(11)本发明HEV轮毂驱动装置，在低速行车时，采用电池供电；当高速行车时，采用电动/发电机供电行驶。由于在这两种电能的转换时，会因电源的频率不同，造成轮毂电机失步。为保持两种电源的频率接近或一致，进行转换供电，主控制器中应装有同步指示器(相当于电力系统中并网发电投入的同步指示器的功能)，这是现有的成熟产品。

(12)由于行车工况是多变的随机参数，该混合动力电动汽车HEV轮毂驱动装置，具有电池与燃油两种动力源的选择和随时转换功能。低速行车时选用电池动力，转换至高速行车时，选用燃油发动机动力；而在爬坡或超速时，两种动力可并用。

(13)对于HEV轮毂驱动装置用在两轮电动摩托车或三轮电动摩托车上，可以前后各装一台轮毂电机，两种动力源并动时，可以选择前轮一种动力源，后轮另一种动力源驱动车辆行驶；对于四轮汽车，可以选择前、后各一台或前、后各两台轮毂电机驱动行车。

(14)两种动力源并动时，无论是前后单台轮毂电机驱动行车或多台电机驱动行车，都由主控制器中的电子差速器来完成车辆拐弯的控制功能。

本发明的有益效果

本发明混合动力电动车(HEV)轮毂驱动装置的有益效果是：(1)由于电动/发电机与燃油发动机同轴安装，并采用四冲程高速发动机，与同等功率的燃油发动机相比，其重量减轻约40％；(2)电动/发电机处于发电机工况时，对车轮上的轮毂电机直接供电行车，由于不需要机械传动系统，可提高有效能量约10％(一般汽车的机械传动系统消耗的能量，约占总的有效能量的10％[10])，(3)轮毂电机可实现多挡[8]、[9]变频宽调速控制，提高电机效率和行车的速度范围。

附图说明

附图1、HEV轮毂驱动装置原理框图：

1电动/发电机；2电池；3轮毂电机(一台至多台)；4、5逆变控制器(含整流器)；6主控制器；7可控硅开关；8发动机。

工作方式说明：发动机8与电动/发电机1同轴组装在同一壳体内，电动/发电机1发出三相交流电源，通过可控硅开关7直接向轮毂电机3供电行驶；电池2通过逆变控制器5向轮毂电机3供电行驶；1和2可同时向3供电行驶；逆变控制器4由2供电向电动/发电机1提供启动电源，启动发动机8工作；1工作在发电机工况时，又可通过4向2提供充电电源(浮充电)；2与3是并接在1的三相输出线上的两种负载；主控制器6可控制轮毂电机3，处在制动发电状态时向电池2充电(再生能量反馈)，承担整车驱动系统的行车方式转换和协调控制。

附图1的工作方式有：(1)电池动力行车工况；(2)发动机发电动力行车工况；(3)电池与发电机两种动力混合并动行车工况。

附图1的具体说明：(1)电池动力行车工况：6发出指令，2通过5向3提供SPWM电源；当刹车制动时，整车的惯性能通过3转为发电机工作，通过5整流功能向2浮充电(再生发电制动方式回收能量)；(2)发动机发电动力行车工况：6发出指令，2通过4向1供电，启动发动机8(1处于电动机启动工况)，当8正常工作，2停止供电，此时1处于发电机工况，它可同时向3和2两种并接的负载供电；当3低速行车功耗小时，1的端电压升高(指发动机保持稳态时)，通过4向2供电多。1向2的供电(浮充电)时充电电流大小，决定于主负载(轮毂电机)行车状态，当行车的电机功率消耗大时，并接的电池浮充电电流就小，它们是成反比的，两种负载起到了基本稳定发电机输出负荷的作用；(3)电池与发电机两种动力混合并动行车工况。在多轮(如4轮轿车和两轮双驱动电动摩托车)同时驱动的车辆中，电池2通过5向前(后)轮电机供电；同时发电机通过7向后(前)轮电机供电工况，HEV轮毂驱动装置可提高爬坡能力和超车性能，当刹车制动时，前、后轮都可转为发电再生制动状态，分别通过4和5的整流功能向2浮充电。

附图2、HEV轮毂驱动装置用于四轮驱动原理框图：

1电动/发电机；2电池；3轮毂电机(共有4台)；4、5逆变控制器(含整流器)；6主控制器；7可控硅开关。

工作方式与附图1中基本相同，不同的是在前后车轴上各装有两台轮毂电机，主控制器的功能增加了轮毂电机的功率自动分配系统(电子差速器)。

附图3、为4极电动/发电机内部结构平面图：

图中示出，该电机为4极永磁同步内转子结构，外定子为12槽，每槽一个集中绕组(即每齿一个集中绕组)，绕组跨距Y＝1，4极永磁体为扇形截面，长条形深埋式，其材料为铷铁硼(NaFeB)或钐-钴(SmCo)。

附图4、为6极电动/发电机内部结构平面图：

外定子与附图3相同，内转子为6极永磁体扇形截面，长条形深埋式，其材料为铷铁硼(NaFeB)或钐-钴(SmCo)。

附图5，轮毂电机内部结构平面示图：

图中轮毂电机3是永磁同步外转子结构，内定子为多极数的分数槽模块化铁芯径向结构，外转子是由40极(或60极)的铷铁硼(NaFeB)材料，并由矩形截面的长条形永磁体，使其N、S极相邻贴在外转子铁圈的内园周上，形成多边形结构；内定子模块化铁芯为36(或48)槽结构。

由于该设计发明中，有电动/发电机1与轮毂电机3的磁极数配合问题，目的是利用1与3的磁极数比值的大小，造成1与3之间的转速差。例如，当1为4极，3为40极，磁极数之比为4/40，等于10倍的转速差；当1为6极，3为60极，也是10倍的转速差。也就是高速发动机与同轴的电动/发电机转速相同，发动机选用6000-9000r/min范围，则轮毂电机为600-900r/min范围。达到利用两台电机磁极数比值的减速目的，而且这种减速方式，完全消除了现有汽车技术上，采用机械齿转减速的许多弊端和笨重的结构。

因此，设计电动/发电机1为4极时，轮毂电机3为40极；电动/发电机为6极时，轮毂电机3为60极。

附图6、轮毂电机3的剖面组装图。它可以在组装完成后直接压装在现有汽车铝轮毂中；图中11和12为左、右端盖，铝合金材料挤压成型；13为空芯轴，它可以直接安装在汽车的固定轴上；14为支撑轴套，用于固定空芯轴和内定子铁芯16，15为紧固螺栓，16定子铁芯是采用电机专用硅钢片，17为定子绕组，采用分数槽电机设计；18外转子铁芯，可直接压入现有轿车的铝合金轮毂中；9外转子永磁体，按设计的电机磁极数来确定。

附图7，该图9为吸收电容器，20是由超大容量电容器CFGOO系列，用三组联接成Y接法20，其三根引出线通过内部可控硅开关21，并接在电动/发电机1的三相输出线上，由可控硅21的触发电路22控制，电容器的放电电路，通过内部整流器23可对电池2放电。

附图1至7综合说明：

发动机8与电动/发电机1同轴组装在同一壳体内，电动/发电机1发出的三相交流电源，通过可控硅开关7直接向轮毂电机3供电行驶；还可电池2通过逆变器5向轮毂电机3供电行驶；1和2可同时向3供电行驶(并动)，1和2也可分别单独向3供电行驶；逆变控制器4由2供电向电动/发电机1提供启动电源，启动发动机8工作；1工作在发电机工况时，又可通过4向2提供充电电源(浮充电)；2与3是并接在1三相输出线上的两种负载；主控制器6可控制轮毂电机3处在制动发电状态时向电池2充电(再生能源反馈)，承担整车驱动系统的行车方式转换和协调控制，吸收电容器9是并接在电动/发电机1上，防止发电机工况因故突然抛载造成发动机“飞车”故障。具体工作方式：①电池动力行车工况：②发动机发电动力行车工况，当主控制器6发生指令，电池2通过逆变控制器5向轮毂电机3提供SPWM电源调速控制行车；当刹车制动时，行车惯性能通过3转为发电机工况，通过5整流功能向2浮充电；第②种工况：当主控制器发出指令，2通过4向1供电，启动发动机8(1处于电动机启动工况)，当8正常工作，2停止供电，此时1转为发电机工况，1可同时向3和2两种并接的负载供电；当3高速行车，需更大输入功率时，发电机1输出因负载增大端电压下降，并接的电池2浮充电流减小；当3负载小(即行车速度降低)时，1的端电压升高，对2浮充电电流增大，即并接的2和3起到了相互制约，相互平稳的作用。第③种工况：电池2与电动/发电机1两种动力混合并动行车工况，在多轮(如4轮轿车和两轮双驱动电动摩托车)同时驱动的车辆中，电池2通过5向前(后)轮电机供电；同时发电机通过7向后(前)轮电机供电工况，HEV可提高爬坡能力和超车性能，当刹车制动时，前、后轮电机都可转为发电再生制动状态，分别通过4和5的整流功能向2浮充电。

电动/发动机1是由6极(或4极)永磁同步内转子结构，外定子为12槽。6极(或4极)永磁体为扇形截面长条形深埋式，永磁体材料为铷铁硼(NaFeB)或钐-钴(SmCo)。

轮毂电机3是永磁同步外转子结构，内定子为多极数的分数槽绕组，铁芯为模块化径向结构，外转子是由40极(或60极)的铷铁硼(NaFeB)材料，并由矩形截面的长条形永磁体，使其N、S极相邻贴在外转子铁圈的内园周上，形成多边形结构；内定子模块化铁芯为36(或48)槽结构。当设计选择电动/发电机1为4极时，轮毂电机3为40极；当设计电动/发电机1为6极时，轮毂电机3为60极。这样可保持电动/发电机与轮毂电机存在10/1转速降低10倍的减速特性，利用这种电机中改变磁极数比来达到机械齿轮减速器完全相同的效果，两台电机之间磁极数比在电机制作完成后是不变的，而且不必外部增加一个笨重的减速装置，这不仅减轻了整车重量，减少维修运行费用，还可消除传动噪声和提高系统效率；不仅大量节省材料、加工费用，还可节省润滑油。它只要求电动/发电机1和轮毂电机3都是永磁同步电机的参数，属正弦波电势，当发动机由“油门”调速过程，同轴的电机/发电机1输出的电压和频率同时变化，(即保持V/F比值不变)，轮毂电机3的转速也跟随变速，这样就达到了既是电磁减速，又可变频调速。

在电动/发电机1与轮毂电机3的供电三相线路上，串接有可控硅开关7，是由三组交流双向可控硅元件及其栅极驱动电路组成，由主控制器6发出指令信号，直接控制电动/发电机1与轮毂电机3的三相交流电源接通或断开。

为了达到电动/发电机1有两种工作方式的转换，即1为电动机工况，可启动同轴的发动机，这样就无须发动机另外增加专用的启动电机，1为电动机工作启动时，必须通过电池DC转换为三相AC电源输入给1。本发明设计中，配有逆变控制器4和5，4为启动发动机用逆变控制器，5为行车用逆变控制器，它是把电池DC转换为三相AC给轮毂电机行车用。

逆变控制器4和5是由场效应晶体(MOSFET)模块或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块或智能电力模块(IPM)等电子功率元件，以及它们的驱动器集成电组成SPWM三相桥式或半桥式逆变器，把电池2的直流DC通过4转换成三相AC电源，并向1提供启动电流，使其运行在电动机工况，启动发动机8；电池2也可通过5向3提供行车工作电源，并以SPWM正弦脉宽调制方式无级调速，控制轮毂电机3行驶。

为了达到电动/发电机1和轮毂电机3都可以在发电机工况时，可向电池充电，在逆变控制器4和5的内部，同时具有DC→AC逆变和AC→DC整流的双重功能，即可以把电池2的直流电源通过MOS或IGBT或IPM及其驱动模块构成的逆变电路，向电动/发电机1提供三相交流AC电源，使1运行在电动机工况；又可通过4和5内部的功率硅整流管(SR)模块及其组件，把电动/发电机1运行在发电机工况时的三相交流AC电源转换成DC直流电源向电池2浮充电。

在混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置中，整车的控制、行驶、刹车制动等各种方式的转换指令，都是由主控制器6发出指令来完成的。因此主控制器6是整车控制的核心，简化的可以用单片机如8000系列，较为复杂的控制可用计算机来完成，因在HEV轮毂驱动装置中不仅要完成VVVF.V/F四象限控制功能，还须完成电子差速(即同轴按装的两台轮毂电机功率自动分配功能)及电子ABS刹车(滚动刹车)等功能。

在本发明设计中，采用较简单的功能控制装置，主控制器6是由计算器8000系列单片机芯片，或由电机控制专用的芯片TMS320F240及辅助电路和驱动电路等组成，接收上位机的信号，由该控制器系统完成电动控制，发电控制及制动控制等功能。构成对逆变控制器4、5和可控硅开关7工作状态的协调指令控制；并可协调电动/发电机1与轮毂电机3之间的频率同步控制；即当电动车(HEV)处在启步和低速运行时，由蓄电池2通过5向轮毂电机3供电；当电动车(HEV)需要高速运行时，由主控制器6根据轮毂电机3当时转速的频率，指令逆变器4启动电动/发动机1，并在发动机8稳定运转工况下，发电机1的频率与轮毂电机频率一致时，指令可控硅开关7投入工作，同时切出逆变控制器5；当电动车(HEV)处在大转矩爬坡或短时加速超车运行工况，主控制器6需指令1和2同时向3供电(发动机与电池双动力同时工作)，或并动式运行工况；当电动车刹车制动时，主控制器6指令5和7切除向3供电，此时轮毂电机3处于电动车惯性发电工况，可通过逆变控制器5内部的三相整流器向电池2浮充电，回收电动车的再生发电能量。

由于本发明设计中的HEV轮毂驱动装置中，发动机动力带动电动/发电机，处于发电机供电给轮毂电机工况下，发电机3是由三相输电线通过可控电子开关7通态时供电给轮毂电机3，无任何机械减速传动等装置，发电机有轮毂电机负载时，发电机内部有较大的电磁扭矩阻力，同轴的发动机属带载工作状态；但当刹车或转换为电池供电行车工况，可控电子开关7处于断态，发电机突然丢失大的负载(虽然有另一电池可充电的并接负载，当电池充满时，无法过充，否则将烧坏电池)，电磁扭力很小，发动机将因突然抛载，造成转速剧升，即“飞车”故障，损坏发动机。因此，必须有一装置来吸收能量。本发明设计中采用了超大容量电容器，吸收发电机的抛载能量，这是必要的保护措施。具体是：吸收电容器9是由超大容量电容器CFGOO系列，由三组联接成“Y”形接法20，其三根引出线通过内部可控开关21，并接在电动/发电机1的三相输出线上，由可控硅开关21的触发电路22控制电容器是否投入充电吸收，放电时通过内部整流器23对电池2放电。

超大电容器是否投入，是由主控制器6对三相线路上电压突然上升(发电机抛载时，发动机转速升高使端电压上升)，采样信号来完成的。

具体实施方式

若按现有微型轿车实施本发明HEV轮毂驱动装置，当选择奥拓微型车改造实施时，则发动机8可选用春兰CL250系列摩托车用高速发动机，250mL水冷四冲程，电喷双缸，最高转速可达12000r/min，采用这种高速小型发动机，不仅可以减轻发动机本身重量和尺寸，而且对发电机的体积和重量也减小；不利因素是：要加强风冷和改善排气管产生的噪声，在微型车上允许把排气管按汽车发动机的排气结构方式改造，在允许功率损失范围，可以大大降低排气管噪声，把电动/发电机按装在该发动机输出轴上。

轮毂电机的结构尺寸，按奥拓铝合金轮毂壳体的内腔尺寸来设计，如附图6中，把轮毂电机的外形尺寸，作成可以压入现有奥拓轮毂壳体内腔，图6的右盖上还应考虑刹车盘的按装和固定位置，这点可以参考现有奥拓车轮毂内部碟刹的结构和尺寸。

轮毂电机可以设计为后(前)轮车轴上各装一台的两轮驱动方式；或在前、后车轴上各装两台，四轮驱动方式。但无论是选择两轮或四轮驱动方式，本发明轮毂驱动装置的控制系统，都应在主控制器6中，设计有多台电机的功率自动分配系统(电子差速器)。另外电机的参数设计，应根据整车要求来考虑。

逆变控制器4和5，采用现有成熟的正弦脉宽调制(SPWM)集成电路，如：HEF4752V(英国Mullard.荷兰PHLIPS公司)SLE4520(德国SIEMENS公司)、SA8281或SA8282、SA866A、SA868(英国Mitel公司生产)[11]等均可，在4和5中增加三相整流桥电路以及保护电路。

Claims (10)

1、一种混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，属电动交通车辆。它由发动机、电动/发电机、轮毂电机、电池、逆变控制器、主控制器、可控硅开关、吸收电容器组成，其特征是：发动机8与电动/发电机1同轴组装在同一壳体内，电动/发电机1发出三相交流电源，通过可控硅开关7直接向轮毂电机3供电行驶；电池2通过逆变控制器5向轮毂电机3供电行驶；1和2可同时向3供电行驶(并动)，1和2也可分别单独向3供电行驶；逆变控制器4由2供电向电动/发电机1提供启动电源，启动发动机8工作；1工作在发电机工况时，又可通过4向2提供充电电源(浮充电)；2与3是并接在1三相输出线上的两种负载；主控制器6可控制轮毂电机3处在制动发电状态对向电池2充电(再生能量反馈)，承担整车驱动系统的行车方式转换和协调控制，吸收电容器9是并接在电动/发电机1上，防止发电机工况因故突然抛载造成发动机“飞车”故障。

2、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：电动/发动机1是由6极(或4极)永磁同步内转子结构，外定子为12槽。

3、根据权利要求2所述的电动/发动机1是由6极(或4极)永磁同步内转子结构外定子为12槽，其特征是：6极或4极永磁体为扇形截面长条形深埋式，永磁体材料为铷铁硼(NdFeB)或钐-钴(SmCo)。

4、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：电动/发动机1为4极时，轮毂电机3为40极；电动/发电机为6极时，轮毂电机3为60极。

5、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：轮毂电机3是永磁同步外转子结构，内定子为多极数的分数槽绕组，模块化铁芯径向结构，外转子是由40极(或60极)的铷铁硼(NdFeB)材料，并由矩形截面的长条形永磁体，使其N、S极相邻贴在外转子铁圈的内圆周上，形成多边形结构；内定子模块化铁芯为36(或48槽)结构。

6、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：可控硅开关7是由三组交流双向可控硅元件及其栅极驱动电路组成，由主控制器6发出指令信号，直接控制电动/发动机1与轮毂电动机3的三相交流电源的接通或断开。

7、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：逆变控制器4和5是由场效应晶体管(MOSFET)模块或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块或智能电力模块(IPM)等电子功率元件，以及它们的驱动器集成电路组成SPWM三相桥式或半桥式逆变器，把电池2的直流DC通过4转换成三相AC电源，并向1提供启动电流，使其运行在电动机工况，启动发动机8；电池2也可通过5向3提供行车工作电源，并以SPWM(正弦脉宽调制)方式无级调速，控制轮毂电机3行驶。

8、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：逆变控制器4和5的内部，同时具有DC-AC逆变和AC-DC整流的双重功能，即可以把电池2的直流电源通过MOS或IGBT或IPM及其驱动模块构成的逆变电路，向电动/发电机1提供三相交流AC电源，使1运行在电动机工况；又可通过4和5内部的功率硅整流管(SR)模块及其组件，把电动/发电机1运行在发电机工况时的三相交流AC电源转换成DC直流电源向电池2浮充电。

9、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：主控制器6是由计算器8000系列单片机芯片，或由电机控制专用的芯片TMS320F240及辅助电路和驱动电路等组成，接收上位机的信号，由该控制器系统完成电动控制，发电控制及制动控制等功能，构成对逆变控制器4、5和可控硅开关7工作状态的协调指令控制；并可协调电动/发电机1与轮毂电机3之间的频率同步控制；即当电动车(HEV)处在启步和低速运行时，由蓄电池2通过5向轮毂电机3供电；当电动车(HEV)需要高速运行时，由主控制器6根据轮毂电机3当时转速的频率，指令逆变器4启动电动/发动机1，并在发动机8稳定运转工况下，发电机1的频率与轮毂电机频率一致时，指令可控硅开关7投入工作，同时切出逆变控制器5；当电动车(HEV)处在大转矩爬坡或短时加速超车运行工况，主控制器6需指令1和2同时向3供电(发动机与电池双动力同时工作)，或并动式运行工况；当电动车刹车制动时，主控制器6指令5和7切除向3供电，此时轮毂电机3处于电动车惯性发电工况，可通过逆变控制器5内部的三相整流器向电池2浮充电，回收电动车的再生发电能量。

10、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车(HEV)轮毂驱动装置，其特征是：吸收电容器9是由超大容量电容器CFGOO系列，由三组联接成“Y”接法20，其三根引出线通过内部可控开关21，并接在电动/发电机1的三相输出线上，由可控硅开关21的触发电路22控制电容器是否投入充电吸收，放电时可通过内部整流器23可对电池2放电。

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