CN1994773A - 用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统，内燃机与发电机、离合器和电动机依次安装在同一轴线上。并且内燃机与发电机直接传动连接，发电机与电动机之间通过离合器传动连接。当内燃机带动发电机发电，电动机从发电机获取电能输出扭矩，构成串联式混合动力系统。当内燃机的扭矩通过同一轴线上依次连接的发电机、离合器和电动机传动输出，构成内燃机直接驱动动力系统。当内燃机的扭矩与从储能系统获取电能的电动机的扭矩，通过同一轴线上的发电机和离合器叠加后输出，构成并联式混合动力系统。系统中不含动力合成装置和变速装置，结构简单紧凑，机械损耗减少，重量降低，纵向安装尺寸缩短，可直接安装于标准汽车底盘。

Description

用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统

技术领域

本发明涉及交通运输的一般车辆技术领域，尤其是涉及车辆动力装置的布置。适用于电动汽车，特别适用于内燃机与电动机组成的混联式混合动力电动汽车。

背景技术

混合动力电动汽车是介于内燃机汽车和纯电动汽车之间的一种车型，是内燃机汽车向纯电动汽车过渡的车型。它主要是解决现有内燃机汽车油耗和排放较大，而纯电动汽车受电池容量制约，行驶的里程有限，充电不方便、功率较低等技术问题。在混合动力电动汽车上采用了内燃机驱动系统，同时还采用电动机驱动系统，内燃机与电动机共同组成混合动力系统来驱动车辆行驶，使车辆的燃料消耗量和废气中所排放的有害气体大量地降低。

在混合动力电动汽车上所采用的内燃机的功率，一般要比同级别的内燃机汽车小，但对燃料消耗量和废气排放的污染提出了更高的要求。除了采取了各种现代最新技术使内燃机经常处于效率较高状态下运转外，充分发挥电动机的低速大转矩的特点，使内燃机避开在起动、加速和爬坡时燃料消耗量增大和废气排放增多的不利工况，是混合动力电动汽车的主要特点。

传统的混合动力电动汽车的动力系统，如图1所示。其中内燃机1和电动机4的输出扭矩分别通过离合器3A、3B，在动力合成器10中叠加，再通过传动轴7和差速器8输出驱动车轮9。电动汽车的传动效率受到影响，结构比较复杂，而且生产成本高，后期的维修量也大。

另一种混合动力电动汽车的动力系统，如图2所示。其中内燃机1、发电机2、离合器3和电动机4虽然安装在同一轴线上，但离合器3与电动机4之间还是要通过变速箱11传动连接，内燃机1的输出扭矩要经过变速器的损耗，才能与电动机4的输出扭矩叠加，传递到传动轴7和差速器8输出驱动车轮9。系统较复杂，轴向尺寸长。

现有技术的混合动力电动汽车，因动力系统中含有动力合成装置或机械变速装置，存在结构复杂，传动效率低，尺寸较长等缺陷，影响了整车的经济技术指标。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，为了弥补现有技术的混合动力电动汽车的动力系统的不足之处，而提供一种结构简单、经济性好的用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统。

本发明为解决上述技术问题而采用如下的技术方案：

用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统，包括内燃机、发电机、离合器、电动机、控制系统和储能系统。该技术方案的关键特征是，内燃机与发电机、离合器和电动机依次安装在同一轴线上。并且内燃机与发电机直接传动连接，发电机与电动机之间通过离合器传动连接。

当电动汽车在起步和低速运行状态，控制系统的微处理单元指令离合器分离，内燃机带动发电机发电，电动机从发电机获取电能输出扭矩，驱动车辆行驶，此时构成串联式混合动力系统。

当电动汽车在中、高速运行状态，控制系统的微处理单元指令离合器结合，内燃机的扭矩通过同一轴线上依次连接的发电机、离合器和电动机传动输出，驱动车辆行驶，此时构成内燃机直接驱动动力系统。

当电动汽车在加速或爬坡等需更大功率状态，控制系统的微处理单元指令离合器结合，内燃机的扭矩与从储能系统获取电能的电动机的扭矩，通过同一轴线上的发电机和离合器叠加后输出，驱动车辆行驶，此时构成并联式混合动力系统。

控制系统还包括储能系统向电动机传输电能的逆变电路，发电机向储能系统传输电能的整流电路，和控制发电量的能量管理模块，以及接受各传感器信号和连接执行元件的输入输出电路。在串联混合模式下，能量管理模块根据储能系统的已储存的电量情况，调整、控制发电机的输出功率等于电动机的输入功率和储能系统的充电功率。

使用本发明技术方案的优点是：

1.与传统的混合动力电动汽车的动力系统相比较，本发明的技术方案减少了动力合成装置，结构变得简单得多，重量显著降低，机械损耗减少，传动效率提高。

2.与另一种混合动力电动汽车的动力系统相比较，本发明的技术方案减少了电动机前的变速箱，结构变得简单、紧凑，可靠性提升，纵向安装尺寸显著缩短，可直接安装于标准汽车底盘。

3.采用本发明用于混合动力电动汽车的动力系统的技术方案，内燃机功率可以进一步减小，而动力性能不降，整车节能效果显箸，燃油经济性更好，更有利于实现超低排放的目标。系统的机械噪音减小了许多，制造、维修的成本也显著降低。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为现有的混合动力电动汽车的动力系统的布置示意图。

图2为现有的另一种混合动力电动汽车的动力系统的布置示意图。

图3为本发明用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统实施例的布置示意图。

图4为本发明用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统实施例的控制系统5的逻辑原理方框图

图5为本发明用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统实施例的电动机4的转速-扭矩图。

图6为本发明用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统实施例的内燃机1的转速-扭矩图。

图7为本发明用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统实施例的内燃机1和电动机4动力叠加后的转速-扭矩图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来进一步说明本发明。

本发明用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统，实施例如图3所示。图中包括内燃机1、发电机2、离合器3、电动机4、控制系统5和储能系统6。其中，内燃机1与发电机2、离合器3和电动机4依次安装在同一轴线上。并且内燃机1与发电机2直接传动连接，发电机2与电动机4之间通过离合器3传动连接。也就是，内燃机1的输出端与发电机2的输入轴的前端直接连接；发电机2的输入轴的后端与离合器3的输入端直接连接；离合器3的输出端与电动机4的输出轴的前端直接连接；电动机4的输出轴的后端通过传动轴7连接到后桥上的差速器8。系统中没有变速箱，消除了变速箱的机械损耗。

本实施例的控制系统5包括：微处理单元5A，向电动机4传输电能的逆变电路5B，向储能系统6传输电能的整流电路5C，控制发电量的能量管理模块5D，以及接受来自电动汽车各部件传感器1A、4A的状态信号的和连接执行元件的输入输出电路5E。图4为控制系统5的逻辑原理方框图。

发电机2可以选用永磁发电机、异步发电机或同步发电机。发电机2还可以采用飞轮电机结构，当发电机2转子的转动惯量等同于内燃机1飞轮的转动惯量，发电机2的转子可以代替内燃机1飞轮，减轻了系统的重量。内燃机1在启动状态时，发电机2可以转换为启动电机模式，用于启动内燃机1。

电动机4选用三相交流变频变扭异步电机，其转速-扭矩关系曲线如图5所示，图中水平坐标为输出转速，垂直坐标为转动扭矩。该电动机4在最低转速区间提供的扭矩，可以适应电动汽车在起步时，通过传动轴7、差速器8直接驱动车轮9的需要。控制系统5的逆变电路5B根据电动机4的转速-扭矩特性提供相适应的电压和电流。电动机4在电动汽车下坡、减速和制动时转换为发电模式运行。控制系统5检测到车辆有富余动能，即对富余动能实施发电回收，再生的电能通过控制系统5储存在储能系统6中。电动机4也可以选用永磁电动机或开关磁阻电动机。

储能系统6可以采用可充电电池，也可以采用超级电容、或电池与超级电容的组合。储能系统6主要用来储存再生电能和由发电机4提供的调整电能平衡的少量电量，以及为控制系统5的逆变电路5B提供直流电源。

离合器采用摩擦片式离合器，内燃机1与电动机4之间的扭矩通过离合器3的摩擦片传递或叠加。摩擦片的分离机构为电控气动式结构，由电磁换向阀32控制气缸31的伸缩，带动摩擦片的分离或结合。分离机构也可以设计成电控液压式结构或电磁式结构。

该同轴式动力系统的工作原理是：

当电动汽车在起步或低速运行时，控制系统5的微处理单元5A指令离合器3分离。内燃机1带动发电机2发电，发电机2发出的电能直接传输给系统中的电动机4。电动机4输出扭矩，通过传动轴7传递到后桥上的差速器8驱动车轮9，此时系统工作在串联混合动力模式。在串连模式下，能量管理模块5D根据储能系统的已储存的电量情况，调整发电机2对储能系统6的充电，控制内燃机1带动发电机2发电的输出功率，与电动机4驱动车辆所消耗的输入功率、以及向储能系统6充电的功率相平衡。

当电动汽车在中、高速运行时，控制系统5的微处理单元5A指令离合器3结合。内燃机1的扭矩通过同一轴线上依次连接的发电机2、离合器3和电动机4输出，通过传动轴7传递到后桥上的差速器8驱动车轮9，此时系统工作在内燃机1直接驱动动力模式。其转速-扭矩关系曲线如图6所示，图中水平坐标为输出转速，垂直坐标为转动扭矩。

当电动汽车在加速或爬坡等需更大功率时，所需的额外能量由储能系统6提供，控制系统5的微处理单元5A同样指令离合器结合。此时除了内燃机1的扭矩通过同一轴线上电动机4的输出轴，经过传动轴7传递到后桥上的差速器8驱动车轮9，而且微处理单元5A根据传感器的信息，指令储能系统6通过逆变电路5B向电动机4提供电能，电动机4的输出扭矩在同一轴线上，也经过传动轴7传递到后桥上的差速器8驱动车轮9。在同一轴线上，两种扭矩完全叠加，此时系统工作在并联混合动力模式。内燃机1和电动机4的扭矩动力叠加后的转速-扭矩关系曲线，如图7所示，图中水平坐标为输出转速，垂直坐标为转动扭矩。

Claims (9)

1.用于混合动力电动汽车的同轴式动力系统，包括内燃机(1)、发电机(2)、离合器(3)、电动机(4)、控制系统(5)和储能系统(6)，其特征在于：

所述内燃机(1)与所述发电机(2)、所述离合器(3)和所述电动机(4)依次安装在同一轴线上，内燃机(1)与发电机(2)直接传动连接，发电机(2)与电动机(4)之间通过离合器(3)传动连接；

在电动汽车需起步和低速运行，控制系统(5)指令离合器(3)分离，内燃机(1)带动发电机(2)发电，从发电机(2)获取电能的电动机(4)输出扭矩，驱动车辆行驶，此时构成串联式混合动力系统；

在电动汽车需中、高速运行，控制系统(5)指令离合器(3)结合，内燃机(1)的扭矩通过同一轴线上依次连接的发电机(2)、离合器(3)和电动机(4)传动输出，驱动车辆行驶，此时构成内燃机直接驱动动力系统；

在电动汽车需加速或爬坡等需更大功率，控制系统(5)指令离合器(3)结合，内燃机(1)的扭矩与从储能系统(6)获取电能的电动机(4)的扭矩，通过同一轴线叠加后输出，驱动车辆行驶，此时构成并联式混合动力系统。

2.根据权利要求1所述的同轴式动力系统，其特征在于：所述控制系统(5)包括处理各种信息的微处理单元(5A)，储能系统(6)向电动机(4)传输电能的逆变电路(5B)，发电机(2)向储能系统(6)传输电能的整流电路(5C)，控制发电量的能量管理模块(5D)，以及接受各传感器信号和连接执行元件的输入输出电路(5E)。

3.根据权利要求2所述的同轴式动力系统，其特征在于：在串联混合模式下，所述能量管理模块(5D)根据储能系统(6)的已有的电量情况，调整、控制发电机(2)的输出功率与电动机(4)的输入功率和储能系统(6)的充电功率平衡。

4.根据权利要求2所述的同轴式动力系统，其特征在于：所述发电机(2)为永磁发电机、异步发电机或同步发电机。

5.根据权利要求2所述的同轴式动力系统，其特征在于：在内燃机(1)的启动状态时，所述发电机(2)转换为电动机模式，用于启动内燃机(1)。

6.根据权利要求2所述的同轴式动力系统，其特征在于：所述电动机(4)在电动汽车下坡、减速和制动时转换为发电机模式，再生的电能通过控制系统(5)储存在储能系统(6)。

7.根据权利要求6所述的同轴式动力系统，其特征在于：所述电动机(4)为三相交流变频变扭异步电机或永磁电动机，控制系统(5)的逆变电路(5B)根据电动机(4)的转速一扭矩特性提供相适应的电压和电流。

8.根据权利要求2所述的同轴式动力系统，其特征在于：所述储能系统(6)是可充电电池、超级电容或电池与超级电容的组合。

9.根据权利要求2所述的同轴式动力系统，其特征在于：所述离合器(3)为电控气动分离摩擦片干式离合器或油浴湿式离合器。