混合動力汽車電子無級調速系統的製作方法

2023-05-10 15:23:11 2

專利名稱：混合動力汽車電子無級調速系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於汽車動力技術領域，為一種混合動力汽車電子無級調速系統。
背景技術：
近年來，原油的價格不斷攀升，伴隨著國民經濟的快速增長，我國汽車數量正以世 界上最快的速度增加。在這種汽車數量急劇增多的形勢下，混合動力汽車以其燃油效率 高、尾氣排量低的優點受到了廣泛的關注。目前，先進的混合動力汽車的電子無級調速 系統多採用電子無級變速器，其核心裝置為行星齒輪結構。行星齒輪結構較好地解決了 發動機功率分配以及驅動轉矩合成的問題。然而，和所有機械齒輪一樣，行星齒輪存在
著傳輸損耗和齒輪噪音的缺點，而且必須人為定期地給齒輪施加潤滑劑加以維護。為了 根本解決這種複合機械結構所產生的弊端， 一些研究人員採用了電氣聯結的方式來克服 這個問題，其關鍵技術是使用一個雙轉子電機來實現功率分配，這種方式不需要行星齒 輪就能夠實現引擎和電機之間的能量傳送。以雙轉子電機為核心的電子無級調速系統雖 然克服了行星齒輪所固有的弊端，同時也產生了一個新的問題這種系統中所採用的雙 轉子電機必須通過滑環和碳制電刷從轉子中獲取能量。眾所周知，滑環和碳制電刷將產 生額外的損耗，而且同樣需要定期維護。因此，研製開發一種既不需要行星齒輪機械結 構，又不採用滑環和炭制電刷，而且高效率、控制方便、運行穩定的新型電子無級調速 系統成為目前混合動力汽車的電子無級調速系統領域的研究熱點。

發明內容
本發明要解決的技術問題是現有混合動力汽車的電子無級調速系統的行星齒輪存 在傳輸損耗和齒輪噪音的缺點，而且必須定期維護；為克服複合機械結構弊端而採用的 有電刷雙轉子電機會產生額外的損耗，而且同樣需要定期維護；需要一種克服現有電子 無級調速系統弊端，能夠高效率、控制方便、運行穩定的電子無級調速系統。
本發明的技術方案是混合動力汽車電子無級調速系統，包括發動機、離合器、驅
動電機、主減速器和驅動車輪，還包括雙定子永磁無刷電機、電功率動力模塊、蓄電池 動力模塊和中央控制單元，發動機通過離合器連接雙定子永磁無刷電機，電功率動力模 塊、蓄電池動力模塊並聯在雙定子永磁無刷電機與驅動電機之間，驅動電機經主減速器 連接驅動車輪，中央控制單元分別與發動機、電功率動力模塊、蓄電池動力模塊、驅動
電機相連；其中雙定子永磁無刷電機由杯形轉子、內定子繞組、外定子繞組組成，發動 機的功率分配到內定子繞組和外定子繞組，內定子繞組連接蓄電池動力模塊，外定子繞 組連接電功率動力模塊。
其中，電功率動力模塊向驅動電機輸送外定子繞組的電功率，蓄電池模塊包括電池 組，向驅動電機輸送化學能動力並存儲輸入的電功率。
本發明電功率動力模塊包括整流器、第一逆變器和功率開關，整流器和第一逆變器 串聯，再與功率開關並聯在外定子繞組與驅動電機之間，中央控制單元連接第一逆變器 和功率開關。蓄電池模塊由電池組、第二逆變器和第三逆變器串聯組成，電池組通過第 二逆變器連接內定子繞組，通過第三逆變器連接驅動電機；電池組、第二逆變器和第三 逆變器分別與中央控制單元相連，電池組可經由第二逆變器和第三逆變器存儲或輸出電 能。
本發明驅動電機可採用普通感應電機或雙繞組感應電機或永磁同步電機或其它可調 速電機。
工作時，發動機驅動雙定子永磁無刷電機的杯形轉子以角速度"J定轉，通過電磁耦 合作用，內定子繞組和外定子繞組共同獲得一個總的電功率屍e，該電功率屍e將分為二 部分， 一部分由內定子繞組傳輸到蓄電池模塊，以化學功率的形式儲存於電池組中，稱 為化學功率流；另一部分以電功率的形式，由外定子繞組、電功率動力模塊傳遞到驅動 電機，稱為電功率流。將電功率屍e分配到內定子繞組和外定子繞組，可分配內定子繞 組和外定子繞組功率相等或選擇其它的合理比例；所述化學功率流和電功率流的分配， 可根據驅動電機的需求，由中央控制單元通過與內定子繞組相連接的蓄電池動力模塊的 第二逆變器，以及與外定子繞組相連接的電功率動力模塊來控制。其控制方法是因為 中央控制單元分別與發動機和驅動電機相連，當雙定子永磁無刷電機提供的電功率屍e 超過驅動電機所需要的功率時，中央控制單元控制蓄電池動力模塊的電池組經由第二逆 變器從內定子繞組抽取能量，電功率,e超出的部分被分配到內定子繞組，即化學功率 流，並以化學功率的形式儲存於電池組中，起到能量緩衝作用；當發動機提供的電功率 屍e低於驅動電機所需要的功率時，中央控制單元控制電功率動力模塊將發動機提供的電 功率/fe全部輸送到驅動電機，電功率,e被全部分配到外定子繞組，同時蓄電池動力模 塊的電池組經由第三逆變器向驅動電機提供能量，此時，驅動電機所需的能量由電池組 提供的化學能以及外定子繞組提供的電功率共同組成。
本發明可以通過電功率動力模塊使用發動機驅動模式或通過蓄電池模塊使用純電 動模式，還有多種混合動力運行模式，設車輛可以運行在巡航基速Kw以下、巡航基速&
&、巡航基速&以上三種狀態，^<Tw且巡航基速^ Ks浙態對應發動機自然狀態下 的高效運行區，也就是汽車處於巡航基速^ Ks浙態時，發動機不需要其它調節就處於 高效運行區，各混合動力運行模式為
(1) 當車輛運行在巡航基速^以下模式時，速度較低，發動機提供的功率流經過 外定子繞組、整流器、第一逆變器注入驅動電機，中央控制單元通過控制第一逆變器的 頻率來調節驅動電機轉速，使汽車以給定速度運行，同時，蓄電池動力模塊在中央控制 單元的管理下也可向驅動電機注入功率，實現混合動力運行；
(2) 當車輛運行在巡航基速^ 「"莫式時，發動機本身已處於高效運行區，為了 降低電功率動力模塊的整流器及第一逆變器中，功率器件的高頻開關損耗和提高系統效 率，在中央控制單元的控制下，發動機功率流經過外定子繞組及功率開關直接注入驅動 電機，中央控制單元根據給定轉速控制發動機轉速，該運行模式可以使發動機功率流直 接傳遞到驅動電機，同時，蓄電池動力模塊在中央控制單元的管理下可向驅動電機注入 功率，實現混合動力運行；
(3) 當車輛運行在巡航基速fe以上模式時，速度較高，為使發動機繼續運行在高 效區，發動機功率流經過外定子繞組、整流器、第一逆變器注入驅動電機，中央控制單 元通過控制第一逆變器的頻率來調節驅動電機轉速，使汽車以給定速度運行，同時，蓄 電池動力模塊在中央控制單元的管理下可向驅動電機注入功率，實現混合動力運行。
這裡，多種混合動力模式與汽車的巡航速度有聯繫，為了提高調速系統的效率，不 同的巡航速度對應不同的模式，主要是為保持發動機始終運行在高效區，同時減少不必 要的損耗。在&以下模式時，或&以上模式時，發動機功率流不經過外定子繞組及功率 開關直接注入驅動電機，這是因為發動機工作時，帶動雙定子永磁無刷電機的表面貼有 永磁體的杯形轉子旋轉，從而在內、外定子繞組感應出具有一定頻率的電壓；發動機的 轉速越高，內、外定子繞組中電壓的頻率越高，發動機的轉速越低，內、外定子繞組中 電壓的頻率越低，而驅動電機的同步轉速由定子繞組電壓的頻率決定，定子繞組電壓的 頻率高，則驅動電機轉速高，汽車速度高，反之亦然。發動機運行在高效區的轉速是一 定的，則對應的驅動電機轉速也是一定的，想要保持發動機的高效運行同時實現不同的 巡航速度，就需要加以適當的調節，本發明在電功率動力模塊設計了第一逆變器，通過 控制第一逆變器的頻率來調節驅動電機轉速，實現發動機高效運行區下不同的汽車行駛 速度。而當汽車的巡航速度處於發動機高效運行區對應的速度範圍時，此時不需要第一 逆變器的調節，為了降低整流器及第一逆變器中功率器件的高頻開關損耗和提高系統效 率，讓功率開關開通，第一逆變器停止工作，外定子繞組中感應的電壓就會直接施加在
驅動電機上，使得驅動電機旋轉，帶動驅動車輪旋轉。因此，本發明為了保持行駛過程 中發動機總是運行在高效區，當發動機運行速度低於和巡航基速^對應的發動機轉速， 以及高於和巡航基速l對應的發動機轉速時，功率開關關斷，能量流通路徑為整流器 至第一逆變器至驅動電機，通過控制第一逆變器的頻率來調節汽車的速度；當發動機運 行速度介於和巡航基速Kw對應的發動機轉速以及和巡航基速^對應的發動機轉速之 間時，能量流通路徑為直接經過功率開關至驅動電機，由此保持發動機始終運行在高效 區，同時使得汽車運行在需要的巡航速區，而且有效降低了第一逆變器功率器件的開關 損耗，從而整車效率大大氣高。
本發明既取消了原行星齒輪變速器及炭質電刷、滑環等機械結構，又可以使發動機 一直工作在高效區域，從而使得整車效率顯著提高。使用雙定子永磁無刷電機作為發動 機的功率分配裝置，通過協調分配內定子繞組以及外定子繞組功率，使得發動機功率被 合理分配給驅動電機和電池組，從而實現雙動力源的協調運行。
本發明具有燃油經濟性好，尾氣排放低的優點，運行模式多，適應性好，由於採用 雙定子永磁無刷電機作為功率分配裝置，有效解決了原行星齒輪變速器的傳輸損耗和齒 輪噪音等機械結構所固有的弊端；而且，本發明結構簡單，採用電氣聯接，可以更為合 理地布置整車結構，增加有效利用空間，提高乘座舒適度；由於本發明系統結構的獨特 性，由中央控制單元幫助調節整個系統的功率，不僅能通過功率分配充分利用發動機提 供的功率，而且汽車在各種行駛速度時，發動機均能運行在高效區，有效地提高了整車效率。


圖l為本發明系統結構示意圖。
具體實施例方式
如圖l，本發明包括發動機l、離合器2、雙定子永磁無刷電機16、電功率動力模
塊17、蓄電池動力模塊18、驅動電機12、主減速器13、驅動車輪14和中央控制單元
15，發動機1通過離合器2連接雙定子永磁無刷電機16，電功率動力模塊17、蓄電池動
力模塊18並聯在雙定子永磁無刷電機16與驅動電機12之間，驅動電機12經主減速器
13連接驅動車輪14，中央控制單元15分別與發動機1、電功率動力模塊17、蓄電池動
力模塊18、驅動電機12相連；其中雙定子永磁無刷電機16由杯形轉子3、內定子繞組
4、外定子繞組5組成，發動機1的功率分配到內定子繞組4和外定子繞組5，內定子繞
組4連接蓄電池動力模塊18，外定子繞組5連接電功率動力模塊17，電功率動力模塊 17向驅動電機12輸送外定子繞組5的電功率，蓄電池模塊18包括電池組10，向驅動 電機12輸送化學能動力並存儲輸入的電功率。
電功率動力模塊17包括整流器6、第一逆變器7和功率開關8，整流器6和第一逆 變器7串聯，再與功率開關8並聯在外定子繞組5與驅動電機12之間，中央控制單元 15連接第一逆變器7和功率開關8。蓄電池模塊18由電池組10，第二逆變器9和第三 逆變器ll串聯組成，電池組10通過第二逆變器9連接內定子繞組4，通過第三逆變器 11連接驅動電機12;電池組10、第二逆變器9和第三逆變器11分別與中央控制單元 15相連，電池組10可通過第二逆變器9和第三逆變器11存儲或輸出電能。驅動電機 12可採用感應電機或雙繞組感應電機或永磁同步電機或其它可調速電機。
以一套基於雙定子永磁無刷電機的混合動力汽車的電子無級調速系統為例，發動機 1經離合器2與功率分配裝置雙定子永磁無刷電機16相連，雙定子永磁無刷電機16的 外定子繞組5和內定子繞組4按1.5: l配置容量，整流器6採用二極體不控整流橋， 第一逆變器7、第二逆變器9、第三逆變器ll均採用IGBT為功率元件，功率開關8為 雙向晶閘管模塊，驅動電機12為三相感應電動機，中央控制單元15釆用DSP微處理器。
本發明的運行模式包括
1) .啟動發動機模式
電池組10提供功率流，經過第二逆變器9傳遞至內定子繞組4，離合器2結合，發 動機啟動；
2) .純電動模式
在啟動或對排放要求嚴格的市區行駛時使用該模式。電池組10提供功率流，經過第 三逆變器11傳遞至驅動電機12，經過主減速器13，驅動車輪14驅動車輛行駛；
3) 發動機驅動模式-
該種模式有三種情況，設車輛可以運行在巡航基速Kw以下、巡航基速^/ K^、 巡航基速F^以上三種狀態，Fw<^^，且巡航基速Fs/ ^2狀態對應發動機自然狀態下
的高效運行區，也就是汽車處於巡航基速Fw F82狀態時，發動機不需要其它調節就處
於高效運行區，三種情況分別如下
基速^以下發動機提供的功率流路徑為發動機1一離合器2 —外定子繞組5 —
整流器6—第一逆變器7 —驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14;
基速& 基速發動機提供的功率流路徑為發動機1一離合器2 —外定子繞組 5—功率開關8 —驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14;
基速&以上發動機提供的功率流路徑為發動機1一離合器2 —外定子繞組5 — 整流器6 —第一逆變器7 —驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14;
4) 混合驅動模式
在加速行駛或爬坡行駛等需要較大功率時使用混合驅動模式，該種模式有三種情況， 分別如下
基速^以下發動機提供的功率流路徑有兩條 一是發動機1一離合器2 —外定子
繞組5—整流器6—第一逆變器7 —驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14; 二是電池 組IO—第三逆變器ll一驅動電機12—主減速器13 —驅動車輪14;
基速& 基速發動機提供的功率流路徑有兩條 一是發動機1一離合器2 —外
定子繞組5 —功率開關8 —驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14; 二是電池組10— 第三逆變器ll一驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14;
基速^以上發動機提供的功率流路徑有兩條 一是發動機1一離合器2 —外定子
繞組5 —整流器6—第一逆變器7 —驅動電機12—主減速器13—驅動車輪14; 二是電池 組IO—第三逆變器ll一驅動電機12 —主減速器13 —驅動車輪14;
5) 再生制動模式-.
車輛減速或制動時，車輛動能轉化為電能為電池組10充電。其能量傳遞路徑為驅
動車輪14一主減速器13—驅動電機12—第三逆變器ll一電池組10;發動機1功率全部 分配給電池組10充電，其能量傳遞路徑為發動機1一離合器2—內定子繞組4一第二
逆變器9一電池組10;
6) 駐車發電模式
電池組10電量不足時，可由該種模式補充電池組能量。其功率流路徑為發動機l
—離合器2 —內定子繞組4一第二逆變器9一電池組10。
本發明的特徵是取消了行星齒輪變速器等機械結構，採用雙定子永磁電機作為功率 分配裝置，其優點主要體現在兩個方面， 一方面，在實現混合動力汽車電子無級調速的 同時，能夠使發動機穩定運行在高效區，而且，當車輛的行使速度在巡航基速Kw與巡 航基速^之間時，還可以實現雙定子永磁電機與驅動電機之間的能量直接傳遞，有效 地降低了不同形式能量間的轉換損失以及功率變換器的電損耗；另一方面，由於雙定子 永磁電機有內定子繞組及外定子繞組兩套定子繞組，故可以將多餘的發動機能量經由內 定子繞組儲存到電池組等儲能元件裡，在必要的模式條件下再釋放出補充驅動電機能量 的不足，因而可進一步提高整車效率。
權利要求
1、混合動力汽車電子無級調速系統，包括發動機(1)、離合器(2)、驅動電機(12)、主減速器(13)和驅動車輪(14)，其特徵是還包括雙定子永磁無刷電機(16)、電功率動力模塊(17)、蓄電池動力模塊(18)和中央控制單元(15)，發動機(1)通過離合器(2)連接雙定子永磁無刷電機(16)，電功率動力模塊(17)、蓄電池動力模塊(18)並聯在雙定子永磁無刷電機(16)與驅動電機(12)之間，驅動電機(12)經主減速器(13)連接驅動車輪(14)，中央控制單元(15)分別與發動機(1)、電功率動力模塊(17)、蓄電池動力模塊(18)、驅動電機(12)相連；其中雙定子永磁無刷電機(16)由杯形轉子(3)、內定子繞組(4)、外定子繞組(5)組成，發動機(1)的功率分配到內定子繞組(4)和外定子繞組(5)，內定子繞組(4)連接蓄電池動力模塊(18)，外定子繞組(5)連接電功率動力模塊(17)。
2、 根據權利要求1所述的混合動力汽車電子無級調速系統，其特徵是電功率動力 模塊(17)包括整流器(6)、第一逆變器(7)和功率開關(8)，整流器(6)和第一逆變 器(7)串聯，再與功率開關(8)並聯在外定子繞組(5)與驅動電機(12)之間，中央 控制單元(15)連接第一逆變器(7)和功率開關(8)。
3、 根據權利要求1或2所述的混合動力汽車電子無級調速系統，其特徵是蓄電池 模塊(18)由電池組(10)、第二逆變器(9)和第三逆變器(11)串聯組成，電池組(10) 通過第二逆變器(9)連接內定子繞組(4)，通過第三逆變器(11)連接驅動電機(12); 電池組(10)、第二逆變器(9)和第三逆變器(11)分別與中央控制單元(15)相連，電 池組(10)經由第二逆變器(9)和第三逆變器(11)存儲或輸出電能。
4、 根據權利要求1或2所述的混合動力汽車電子無級調速系統，其特徵是驅動電 機(12)為普通感應電機或雙繞組感應電機或永磁同步電機或其它可調速電機。
5、 根據權利要求3所述的混合動力汽車電子無級調速系統，其特徵是驅動電機U2) 為普通感應電機或雙繞組感應電機或永磁同步電機或其它可調速電機。
全文摘要
混合動力汽車電子無級調速系統，包括發動機、離合器、雙定子永磁無刷電機、電功率動力模塊、蓄電池動力模塊、驅動電機、主減速器、驅動車輪和中央控制單元。本發明燃油經濟性好，尾氣排放低，運行模式多，適應性好，由於採用雙定子永磁無刷電機作為功率分配裝置，有效解決了原行星齒輪變速器的傳輸損耗和齒輪噪音等機械結構所固有的弊端；本發明結構簡單，採用電氣聯接，可以合理的布置整車結構，有效利用空間，提高乘座舒適度；由於本發明系統由中央控制單元幫助調節整個系統的功率，不僅能充分利用發動機提供的功率，而且汽車在各種巡航模式時，發動機均能運行在高效區，有效地提高了整車效率。
文檔編號B60K6/543GK101380889SQ200810154898
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月17日 優先權日2008年10月17日
發明者英 樊, 王玉彬, 明 程, 鄒國棠 申請人:東南大學