一種輕型交通工具的燃氣－電動集成混合動力系統的製作方法
2023-05-20 18:39:26
專利名稱：一種輕型交通工具的燃氣－電動集成混合動力系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統。
背景技術：
自行車是大眾的主要短途交通工具，目前趨於向電動助動車方向發展(主要區別在於動力、重量速度等方面的有所增加，在下面敘述中不再區別對待)；而摩託車(包括輕騎)則在農村和中小城市個人交通中十分流行。
隨著城市空間的擴大、流動性增加與生活水平的提高，使動力型的輕便交通工具需求日益迫切。目前比較典型的動力型個人交通工具為燃油型與電動型的兩種助動車。
90年代燃油型助動車曾經風行一時，但因燃油發動機，尤其是二衝程燃油發動機廢氣汙染排放嚴重、噪音大，目前受到大中城市的普遍排斥，已逐漸被禁止行駛。隨著環保要求的提高，燃油車的改進雖也正在進行中，但在輕型交通工具上受價格等因素限制，排放難以達到轎車的先進水準，在啟動與低速情況下排汙尤其嚴重。四衝程汽油機加裝排氣消音淨化器可顯著降低排放汙染，能夠達到歐洲II號標準；再經過改造燃用液化石油氣後，可顯示出極低的排放汙染，容易滿足歐洲II號標準，以至更為嚴格的新標準。但內燃機低速和怠速下排放廢氣較多的問題總難完全避免。燃用液化石油氣還帶來了發動機啟動速度慢的問題。
電動型助動車因其噪音低、無氣體汙染等特點而被大眾所接受，目前正在迅速推廣中。至於電池可能產生的汙染則可以通過專業工廠的處理來控制。電動助動車(包括電動摩託車)的最大缺點是電池性能不理想。鉛酸電池比容量低，例如目前電動助動車上配的36V/12Ah的鉛酸電池達12公斤左右，而行駛距離往往在50公裡左右，考慮到實際道路平整度與遇到紅綠燈頻繁剎車、啟動情況，城市中實際有效行駛距離僅僅在30公裡左右。後隨著電池的衰退，行駛距離進一步縮短。電池的壽命又普遍比較短，通常在一年以內。採用鎳鎘電池放電內阻低，但固有的充放電記憶特性和嚴重的潛在汙染使得其不適合於作為助動車的能源。鎳氫電池克服了鎳鎘電池的汙染缺點，且比能有所提高，但其價格高，自放電嚴重，能量密度依然不夠高，性能價格比不具有優勢。鋰電池比能高，與其他電池比較性能優異，但目前作為動力電池其性能還不夠穩定；高昂的價格，也使其不可能被大規模推廣。總之，用電池作為動力，存在著行駛裡程短、使用壽命短、價格高、自重比例高等系列問題。
發明內容
本發明的目的在於提供能使內燃機、電動機和電子功率變換器有機結合的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統。
為了達到上述目的，本發明採用技術方案如下本發明包括內燃機動力系統、電力驅動系統、機械傳動系統、集成控制系統；集成控制系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，機械傳動系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，內燃機動力系統與電力驅動系統相連接；其中1)內燃機動力系統包括四衝程火花點火內燃發動機、燃氣減壓與控制裝置、混合器、液化石油氣燃料罐、排氣消音器；液化石油氣燃料罐通過高壓管路與燃氣減壓與控制裝置的輸入端連接，燃氣減壓與控制裝置的輸出端與混合器相連，混合器接在四衝程火花點火內燃發動機上，四衝程火花點火內燃發動機上裝有排氣管；2)電力驅動系統包括驅動電機、蓄電池、功率變換器；其中功率變換器又包括驅動變換器、充電器、輔助電源，驅動變換器與充電器均為開關功率變換器，蓄電池分別接驅動變換器的輸入端、充電器的輸出端和輔助電源的輸入端，驅動電機的功率輸入接點分別接驅動變換器的輸出端和充電器的輸入端，驅動電機的轉軸接機械傳動系統，功率變換器接集成控制系統；3)機械傳動系統包括內燃機與驅動電機耦合傳動和並行傳動兩種方式，耦合傳動方式為內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機耦合傳動，它又分為驅動電機直接耦合和通過減速機構耦合兩種；並行傳動方式為由內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機分別傳動，通過外部的交通工具輪子實現兩種動力的傳動；4)集成控制系統包括內燃機動力系統狀態檢測、速度與位置檢測、發動機啟動、電池工作狀態檢測、信號處理、電機驅動、控制面板接口、功率變換器狀態檢測、充電器驅動單元；內燃機動力系統狀態檢測和速度與位置檢測單元接信號處理單元，信號處理單元分別接電池工作狀態檢測、控制面板接口、功率變換器狀態檢測單元、發動機啟動、電機驅動、充電器驅動，發動機啟動接至內燃機點火電源及起動電機，驅動電機接至驅動變換器，充電器驅動接至充電器；內燃機動力系統與電力驅動系統由集成控制系統決定何時驅動，包括分別或聯合驅動，其動力通過機械傳動系統輸出；電力驅動用起動電機直接或通過機械傳動系統給內燃機提供啟動動力，而內燃機則用磁電機直接或通過機械傳動系統給電力驅動系統補充電力；集成控制系統收集電力驅動系統與內燃機動力系統的工況，並結合操縱指令，形成對內燃機動力系統與電力驅動系統的控制信號。
本發明的混合動力系統的驅動模式要旨是低速時由電力驅動，高速時由內燃機驅動，中速時由電力單獨或兩者同時驅動，這些驅動模式的轉換都是通過集成控制器控制下自動進行的。內燃機工作時能給蓄電池補充電量。中高速加速或爬坡時一般仍由內燃機工作，若有必要則可強制電力同時參與驅動。
本發明與背景技術相比，具有的有益的效果是本發明提出的集成混合動力系統能使內燃機、電動機和電子功率變換器有機結合，避免內燃機在啟動與低速下的汙染氣體排放較多和電池儲能密度低的缺點。在城市道路上紅綠燈頻繁的狀況下，避免內燃機進行低速大扭矩的啟動過程和怠速運行，而在市區道路相對空閒地段、市郊與農村道路上又能發揮內燃機行駛距離遠的優點。通過精心研製的控制器，根據不同路況和工作需要綜合實現機動、電動和腳踩(對混合動力的自行車而言)單獨或互補運行，保證內燃機工作在高效率區，優化車子的經濟性能和排放性能，尤其是燃用液化石油氣或天然氣時，車子的排放性能更可大幅度提高，經濟性和噪音也可獲得進一步改善。同時由於電動機僅僅在啟動和低速階段工作，車子速度稍上來時就可以根據蓄電池的需要自動進行電池充電管理，電池不需要額外專門充電，其續駛裡程和工作壽命可大大延長，車子對電池容量(與重量)的要求可顯著降低。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明整個系統框圖；圖2是內燃機動力系統圖；圖3是電力驅動系統圖；圖4是升壓與降壓變換器典型電路拓撲圖；圖5是充電用升壓變換器限流限壓控制方案圖；圖6是驅動用降壓變換器限流限壓控制方案圖；圖7是功率變換器的典型主電路圖；
圖8是帶逆變器的驅動變換器及充電器圖；圖9是帶逆變器的驅動變換器的典型主迴路圖；圖10是雙向驅動變換器圖；圖11是雙向變換器典型電路拓撲圖；圖12是機械傳動系統原理框圖；圖13是集成控制系統圖；圖14是集成控制系統中的切換程序例圖；圖15是集成控制系統中的驅動變換器控制程序例圖；圖16是混合動力助動車的結構圖；圖17是電力驅動系統實施例圖；圖18是機械傳動系統圖；圖19是機械傳動系統原理框圖。
具體實施例方式
本發明涉及一種集成的混合動力系統，為內燃機、電動機和電子功率變換器的有機結合，面向輕型交通工具的驅動，主要用於助動車與摩託車的清潔動力系統。該集成混合動力系統也可用於三輪車、小型遊覽車、叉車等物流搬運平臺以及其他需要反覆啟動的低速小型車輛等輕型交通工具和小型機械的清潔動力源。為說明問題方便，這裡將助動車與摩託車作為例子對本發明的系統加以描述。
以下是集成混合動力系統的各個部分說明。
如圖1所示，包括內燃機動力系統、電力驅動系統、機械傳動系統、集成控制系統；集成控制系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，機械傳動系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，內燃機動力系統與電力驅動系統相連接；其中1)內燃機動力系統內燃機動力系統如圖2所示，包括由四衝程火花點火內燃發動機1、燃氣減壓與控制裝置6、混合器5、液化石油氣燃料罐4、排氣消音器14；液化石油氣燃料罐4通過高壓管路與燃氣減壓與控制裝置6的輸入端連接，燃氣減壓與控制裝置6的輸出端與混合器5相連，混合器5接在四衝程火花點火內燃發動機1上，四衝程火花點火內燃發動機1上裝有排氣管14。
燃氣減壓與控制裝置6由燃氣蒸發調壓器和自動供停與洩漏報警斷氣安全裝置組成。由液化石油氣燃料罐4輸出的液化石油氣通過燃氣減壓與控制裝置6，經過混合器5向內燃發動機1提供燃氣。在本發明中，內燃機動力系統中的常見的起動電機與磁電機均非必需部件，電力驅動系統可以通過機械傳動系統將動力直接帶動內燃機啟動，而內燃機工作所需的電力通常可以由電力驅動系統供應，電力驅動系統所需要補充的電力供應也可以通過自身的發電機由機械傳動系統拖動發電而獲得。當內燃機動力系統排放要求需要進一步提高時，上述排氣消音器14中還可以附加淨化器。
2)電力驅動系統電力驅動系統如圖3所示，包括驅動電機、蓄電池、功率變換器；其中功率變換器又包括驅動變換器、充電器、輔助電源，驅動變換器與充電器均為開關功率變換器，蓄電池分別接驅動變換器的輸入端、充電器的輸出端和輔助電源的輸入端，驅動電機的功率輸入接點分別接驅動變換器的輸出端和充電器的輸入端，驅動電機的轉軸接機械傳動系統，功率變換器接集成控制系統。
驅動電機由蓄電池通過驅動變換器供電，處於電動機狀態；當內燃機動力系統工作時，驅動電機通過機械傳動系統可工作在發電機狀態，充電器則將驅動電機的端電壓變換成蓄電池所需的充電電壓，輔助電源對本發明的整個集成混合動力系統中各個部分(如集成控制器、內燃機點火、起動電機、供氣電磁閥等)提供輔助電源。儘管目前小功率發動機均自身帶有磁電機和點火電源，但這些均可作為輔助電源的一部分而集成在功率變換器中，以提高技術與經濟性能。
針對蓄電池電壓通常高於驅動電機工作電壓的情況，功率變換器中的驅動變換器是降壓型DC-DC開關變換器，充電器是升壓型DC-DC開關變換器為好。驅動變換器的輸入端分別接蓄電池與充電器的輸出端，驅動變換器的輸出端分別接驅動電機與充電器的輸入端，如圖6所示；其中的降壓型功率變換器主電路由半導體開關S、二極體D、電感L、電容器C組成，半導體開關的一端接蓄電池，半導體開關的另一端分別接二極體的一端及電感的一端，電感的另一端接電容的一端及驅動電機，二極體的另一端及電容均接公共端；其中的升壓型功率變換器主電路由半導體開關S、二極體D1、電感L及電容器C組成，電感的一端接蓄電池，電感的另一端接半導體開關及接二極體的一端，二極體的另一端接電容的一端及輸出端驅動電機，半導體開關的另一端及電容均接公共端。如圖4所示的是升壓與降壓電路的典型電路拓撲。驅動變換器與充電器均具有限流、限壓功能，如圖5所示的是充電用升壓變換器限流限壓的一種控制方案例，如圖6所示的是驅動用降壓變換器限流限壓的一種控制方案，如圖7所示的是功率變換器的典型主電路。輔助電源通常為降壓型DC-DC開關變換器。
驅動電機可以採用常規的交、直流電機，但又以採用永磁輪轂電機比較有利。當驅動電機為永磁直流無刷輪轂電機時，功率變換器還包括永磁直流無刷電機的逆變器；其中的驅動變換器輸入端接蓄電池，驅動變換器的另一端接逆變器輸入端，逆變器的輸出端接驅動電機，即永磁直流無刷輪轂電機，如附圖8(a)所示；充電器的輸入端接在驅動變換器中DC-DC變換器與逆變器之間或通過內部整流器與驅動電機相接，如附圖8(b)、8(c)所示；充電器的輸出端接蓄電池。逆變器通常採用常規的三相六開關逆變器，如附圖9所示。
當用內燃機驅動時，永磁電機可以直接作為發電機給蓄電池充電，否則需要利用內燃機附帶的磁電機。作為永磁電機有永磁交流同步、永磁直流無刷和永磁直流有刷等類別，其中的永磁直流無刷電機與永磁交流同步相比具有製造與控制相對簡單，與永磁直流有刷相比則具有維護簡單、噪音低、壽命長等特點。因此永磁直流無刷電機更適合於本系統，尤其是採用永磁輪轂電機更具有動力輸出結構簡單的優點。如同常規電動助動車，對於永磁直流無刷電機，驅動變換器需要用逆變器，其本身也可以工作在限流限壓狀態；通常，將驅動變換器分成如圖8(a)所示的限流型DC-DC開關電壓變換器與逆變器兩個部分能更好地工作。如圖8(b)所示的是帶逆變器時充電器的接法。充電器也可以由DC/DC變換器加整流器構成，整流器的輸入端接驅動電機，如圖8(c)所示。當驅動變換器本身就是逆變器時，充電器也需要包含整流器。如圖9所示是帶逆變器的驅動變換器的典型主迴路。
通常功率變換器中的逆變器能夠工作在雙向功率流動狀態；採用如圖10所示的雙向驅動變換器，由限流限壓型DC-DC變換器與逆變器結合而成，功率變換器工作更為可靠、性能更好。雙向驅動變換器同時具備驅動變換器與充電器兩部分功能，並能省去充電器。雙向功率流控制比較複雜，輸出電壓(與驅動電機速度成比例)完全由設定值給定，好處是能夠控制減速。由於蓄電池在頻繁充放電過程中容易老化，採用超級電容器與蓄電池並聯工作，由超級電容器承擔頻繁充放電任務比較有利於延長裝置壽命。
當驅動變換器是限壓、限流型輸出的雙向開關功率變換器時，其主電路包括半導體開關S1與S2、二極體D1與D2、電感L、電容器C，二極體D1與D2是分立的或是分別集成在半導體開關S1與S2內部；如附圖11所示。
圖11所示的是典型的雙向變換器電路拓撲例子。如圖9所示中的逆變器本身也可以是雙向變換器(這時需要按照雙向變換器工作模式來控制)，但用如圖11所示的電路其控制效果通常會更好些。
3)機械傳動系統如圖12所示，機械傳動系統包括內燃機1與驅動電機7耦合和並行傳動兩種方式，耦合傳動方式為內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機耦合傳動，它又分為驅動電機直接耦合和通過減速機構耦合兩種；並行傳動方式為由內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機分別傳動，通過外部的交通工具輪子實現兩種動力的傳動；對於混合動力自行車則由帶有減速和自動離心嚙合功能的內燃機動力輸出鏈輪和腳踩鏈輪分別以鏈條傳動後輪軸上的兩個棘輪構成。與內燃機安裝位置相配合(如圖16和圖18所示)，驅動電機7安裝在後輪軸8上，電力驅動採用該驅動電機直接驅動後輪的方式運行，此外後輪軸上設置一個棘輪12，通過鏈條9和內燃機的動力輸出鏈輪10相連，動力輸出鏈輪10與內燃機的輸出軸相連。對於混合動力自行車，在後輪軸上再增加一個棘輪11，通過另一鏈條14相連，接在腳踩鏈輪上，以實現人力傳動。也可以共用一套鏈條傳動棘輪系統，實現兩種動力的傳動。如圖18所示的15為驅動輪，本例中為後輪。
4)集成控制系統如圖13所示，包括內燃機動力系統狀態檢測、速度與位置檢測、發動機啟動、電池工作狀態檢測、信號處理、電機驅動、控制面板接口、功率變換器狀態檢測、充電器驅動單元；內燃機動力系統狀態檢測和速度與位置檢測單元接信號處理單元，信號處理單元分別接電池工作狀態檢測、控制面板接口、功率變換器狀態檢測單元、發動機啟動、電機驅動、充電器驅動，發動機啟動接至內燃機點火電源及起動電機，驅動電機接至驅動變換器，充電器驅動接至充電器。
本發明的集成控制系統採用包括微電腦晶片的集成電路，統管整個集成混合動力系統的運行。其中1.內燃機動力系統狀態檢測單元又包括燃料罐液位計、高壓與低壓兩個壓力計、發動機運行標誌構成，其中燃料罐液位計置於燃料罐內，兩個壓力計分別接燃氣減壓與控制裝置的輸入與輸出管路，上述檢測單元均與信號處理單元連接。發動機運行標誌由磁電機電信號整型獲得。向信號處理單元傳送內燃機動力系統狀態。由發動機運行標誌信號經過信號處理，可以獲得發動成功信息及發動機轉速信號。
2.速度與位置檢測單元為驅動電機內置的霍爾傳感器，與信號處理單元連接。信號處理單元通過處理該檢測信號，可以獲得驅動電機轉子的位置與速度信號。
3.電池工作狀態檢測單元包括電池電壓檢測單元、電池輸出電流與充電檢測單元、電池溫度檢測單元。電池電壓檢測單元與電池並聯，電池電流檢測單元與電池串聯，電池溫度檢測單元緊貼在電池表面。上述這些單元均與信號處理單元連接，向信號處理單元傳送電池狀態。信號處理單元通過處理這些檢測信號，可以獲得電池的電量、輸出功率、充電水平等狀態信息。
4.功率變換器狀態檢測單元由功率變換器中的驅動變換器、充電器中的輸入電壓與電流信號、輸出電壓與電流信號、溫度等傳感器組成，溫度傳感器進貼變換器的散熱器，其餘均置於這些電路相應處，這些信號的輸出端與信號處理單元連接，信號處理單元通過處理這些信號可以獲得變換器的輸入與輸出功率、限流與限壓狀況等變換器狀態。
5.控制面板接口包括動力給定、速度顯示、蓄電池電量顯示、燃料存量顯示、發動機狀態顯示等控制面板的信息通訊接口，該接口與信號處理單元連接。
6.發動機啟動單元由控制起動電機、內燃機點火電源的半導體開關或繼電器構成，半導體開關或繼電器的控制端與信號處理單元連接。在信號處理單元控制下將蓄電池分別接通起動電機與內燃機點火電源，發動或熄滅發動內燃機。
7.電機驅動單元與充電器驅動單元由電平轉換與信號隔離電路構成，與信號處理單元連接，用於給出驅動變換器與充電變換器的工作電流、電壓指令。
8.信號處理單元由數字集成電路、微處理器或數位訊號處理器構成，與上述1)-7)的單元連接。
系統由內燃機動力系統狀態檢測、速度與位置檢測得到的信號，及來自面板接口的操縱指令，經過信號處理單元分析處理，通過發動機啟動、電機驅動等單元控制內燃機與驅動電機的工作狀態；位置信號用於對永磁直流無刷電機或同步電機的驅動變換器的逆變器控制；由電池工作狀態檢測與功率變換器狀態檢測得到的信號(電流、電壓、電量、溫度等)，經過信號處理單元分析處理，通過充電器驅動單元控制充電器的工作、並決定功率變換器的電壓電流大小，以及是否進入保護等。
上述系統包括了調速、電機驅動控制、電池充放電管理、速度控制、電流限制、發動機啟動控制、動力系統狀態管理(包括運行狀態記憶)等功能，還包括面板的顯示與操縱接口(如信號接收啟動成功與否、車速顯示；狀態信號輸出啟動指令、輸出電流限制指令、輸出電壓指令、喇叭信號)。
本功率變換器的特點是，通過功率變換將蓄電池的電壓變換成與驅動電機轉速適應的水平，使驅動電機在啟動和低速運行時允許以最大轉矩加速而不產生過流；同時，通過開關功率變換使得低速下電池的輸出電流明顯小於驅動電機電流，延長了電池壽命；內燃機運行在高速或從高速回落到中速時，又允許帶動發電機(或利用永磁電機)作為蓄電池的充電電源。功率變換器的輸出受到車速設定、實際車速與電池狀態的三重控制。在低速啟動階段，輸出電流控制為最大恆定電流方式；在低、中速度段，速度達到設定速度時，電流根據負載而自動適應，控制目標是速度，同時兼顧最大輸出功率以保護電池。如圖14所示是集成控制系統中的切換程序例，其中V是實際速度，V1為低速與中速的分界點，V2為中速與高速的分界點。低於V1為低速、介於V1與V2之間為中速、高於V2的為高速。
輸出電功率還將受到電池狀況的影響，必須控制電池放電時處於欠壓臨界點上方，保護電池既不過放電又能最大限度提取所需的功率。如果電池已經處於欠壓狀態則不允許輸出功率，使電池能夠先通過充電得到電力。電池電量不夠用於啟動時，內燃機的啟動需要人力幫助，幸而這種情況在混合動力系統中極少見，通常僅僅發生在長期不用後的初次使用。如圖15所示是集成控制系統中的驅動變換器的控制程序例。
當電池處於充電狀態時，充電方式是根據電池的實際情況來定的，例如當電池電量基本未滿時，採用恆定電流充電；如電池接近充滿時則採用恆定電壓充電方式。處於充電狀態時，充電器通過調節，可以自動適應發電機的輸出電壓變化。
通過驅動變換器，驅動電機在低速下的電池過流現象得到克服，並降低了對電池的過電流衝擊，大大提高了電池的運行效率與工作壽命。集成控制系統的手動控制功能，則可在必要時用來提高車子爬坡時的驅動力和行使時的加速度。
5)具體實施例為具體描述系統的上述驅動模式，這裡給出其中的在助動車上的一個具體實施例子。如圖16所示是混合動力助動車的結構。內燃機動力系統由四衝程火花點火發動機內燃機1、液化石油氣鋼瓶4、燃氣減壓與控制裝置6、混合器5，排氣消音淨化器、起動電機和發電機等構成。內燃機1安裝於鞍座立管2與後擋泥板3之間的構架上，液化石油氣鋼瓶4固定在內燃機上方，混合器5和燃氣減壓與控制裝置6則安放在液化石油氣與內燃機進氣口之間。電力驅動系統通過機械傳動系統將動力直接帶動內燃機啟動，而內燃機工作所需的電力由電力驅動系統供應。
電力驅動系統如圖17所示，由150W永磁直流無刷輪轂電機(如果用於摩託車，則功率需要在1kW左右)、36V/6Ah動力型鉛酸蓄電池、降壓型(BUCK)DC-DC開關變換器與三相方波逆變器(構成驅動變換器)、升壓型(BOOST)DC-DC開關功率變換器(用於充電器)、輔助電源等構成。驅動電機通過驅動變換器由蓄電池供電，工作在電動機狀態；當內燃機動力系統工作時，驅動電機通過機械傳動系統可工作在發電機狀態，通過充電器為蓄電池充電。驅動變換器與充電器兩者均具有限流、限壓功能；這種設計的優點是控制比較簡便(考慮到通常充電電流僅約為驅動電流的1/10-1/3，充電器與驅動器即便同時工作所產生的環流也不會造成嚴重後果)。這種設計的另外一個特點是，速度控制具有單向性，即電力驅動僅僅在加速和穩速有效，一旦速度超過設定值(例如手把控制從高速位置返回低速時)，車速依慣性減速，而不是強制減速，這比較符合傳統駕駛習慣。
機械傳動系統採用變速加鏈條傳動機構。對於混合動力自行車則由帶有減速和自動離心嚙合功能的內燃機動力輸出鏈輪和腳踩鏈輪分別以鏈條傳動後輪軸上的兩個棘輪構成。與內燃機安裝位置相配合(如圖16和圖18所示)，無刷輪轂電機7置於後輪軸8上。電力驅動採用該輪轂電機直接驅動後輪的方式運行。此外後輪軸上再設置一個棘輪12，通過鏈條9和內燃機的動力輸出鏈輪10相連，實現內燃機傳動。對於混合動力自行車，在後輪軸上再增加一個棘輪11，通過另一鏈條14相連，還可以實現人力傳動。也可以共用一套鏈條傳動棘輪系統，實現兩種動力的傳動。如圖18所示的15為驅動輪，本例為後輪。如圖17所示為機械傳動系統框圖。如圖19所示為機械傳動系統原理框圖。
集成控制系統由內燃機動力系統狀態檢測、速度與位置檢測、發動機啟動檢測、電池工作狀態檢測、信號處理單元、電機驅動、控制面板接口、功率變換器狀態檢測、充電器驅動等單元構成。速度與位置檢測可以採用永磁直流無刷電機自帶的霍爾傳感器、信號處理單元採用INTEL公司的8XC196KB單片機。
在該集成控制系統中，定義混合動力車的行駛速度為三段低於V1為低速、介於V1與V2之間為中速、高於V2的為高速。對於自行車，V1約為5公裡/小時、V2約為10公裡比較合適；對於摩託車，速度均可調高些。
該系統的工作方式是當車子起步時，集成控制系統起動電機，並通過機械傳動系統驅動車輛起步和加速到設定的速度值V1；當車子由電力驅動從低速段進入中速段時，開啟起動電機，使內燃機啟動，電力與內燃機共同驅動；當車輛速度超過設定值V2進入高速段時，電力驅動停止，由內燃機單獨驅動，並帶動發電機作為蓄電池的充電電源；而當車速由高速回落到中速時，驅動電機仍不工作，還由內燃機單獨驅動，內燃機帶動發電機作為蓄電池的充電電源；由中速段回落到低速段時，控制內燃機停止工作，轉而又由驅動電機單獨驅動車子前進。因此，車子在低速段始終由電力驅動，在高速段始終由內燃機驅動，在中速段驅動電機是否參與驅動則視車子是由低速段還是高速段進入而定。這種設定可以避免內燃機過於頻繁啟動。集成控制系統還保留手動控制功能，任何時候均可由手動強制驅動電機與內燃機工作與否。
採用本發明集成混合動力系統的自行車與摩託車等輕型交通工具，其造型及功能滿足自行車和摩託車標準和規範，適應現行道路及環保規定，是理想的高科技環保型個人交通工具。本發明的集成混合動力系統同樣適用於三輪車、小型遊覽車、叉車等物流搬運平臺以及其他需要反覆啟動的低速小型車輛等輕型交通工具和小型機械的清潔動力源。
權利要求
1.一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於包括內燃機動力系統、電力驅動系統、機械傳動系統、集成控制系統；集成控制系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，機械傳動系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，內燃機動力系統與電力驅動系統相連接；其中1)內燃機動力系統包括由四衝程火花點火內燃發動機(1)、燃氣減壓與控制裝置(6)、混合器(5)、液化石油氣燃料罐(4)、排氣消音器(14)；液化石油氣燃料罐(4)通過高壓管路與燃氣減壓與控制裝置(6)的輸入端連接，燃氣減壓與控制裝置(6)的輸出端與混合器(5)相連，混合器(5)接在四衝程火花點火內燃發動機(1)上，四衝程火花點火內燃發動機(1)上裝有排氣管(14)；2)電力驅動系統包括驅動電機、蓄電池、功率變換器；其中功率變換器又包括驅動變換器、充電器、輔助電源，驅動變換器與充電器均為開關功率變換器，蓄電池分別接驅動變換器的輸入端、充電器的輸出端和輔助電源的輸入端，驅動電機的功率輸入接點分別接驅動變換器的輸出端和充電器的輸入端，驅動電機的轉軸接機械傳動系統，功率變換器接集成控制系統；3)機械傳動系統包括內燃機與驅動電機耦合傳動和並行傳動兩種方式，耦合傳動方式為內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機耦合傳動，它又分為驅動電機直接耦合和通過減速機構耦合兩種；並行傳動方式為由內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機分別傳動，通過外部的交通工具輪子實現兩種動力的傳動；4)集成控制系統包括內燃機動力系統狀態檢測、速度與位置檢測、發動機啟動、電池工作狀態檢測、信號處理、電機驅動、控制面板接口、功率變換器狀態檢測、充電器驅動單元；內燃機動力系統狀態檢測和速度與位置檢測單元接信號處理單元，信號處理單元分別接電池工作狀態檢測、控制面板接口、功率變換器狀態檢測單元、發動機啟動、電機驅動、充電器驅動，發動機啟動接至內燃機點火電源及起動電機，驅動電機接至驅動變換器，充電器驅動接至充電器；
2.根據權利要求1所述的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於集成控制系統包括以下部分1)內燃機動力系統狀態檢測單元包括燃料罐液位計、高壓與低壓兩個壓力計、發動機運行標誌構成，其中燃料罐液位計置於燃料罐內，兩個壓力計分別接燃氣減壓與控制裝置的輸入與輸出管路，上述檢測單元均與信號處理單元連接；2)速度與位置檢測單元為驅動電機內置的霍爾傳感器，與信號處理單元連接；3)電池工作狀態檢測單元包括電池電壓檢測單元、電池輸出電流與充電檢測單元、電池溫度檢測單元；電池電壓檢測單元與電池並聯，電池電流檢測單元與電池串聯，電池溫度檢測單元緊貼在電池表面，上述這些單元均與信號處理單元連接；4)功率變換器狀態檢測單元由功率變換器中的驅動變換器、充電器中的輸入電壓與電流信號、輸出電壓與電流信號、溫度傳感器組成；溫度傳感器緊貼變換器的散熱器，其餘均置於這些電路相應處，這些信號的輸出端與信號處理單元連接；5)控制面板接口包括動力給定、速度顯示、蓄電池電量顯示、燃料存量顯示、發動機狀態顯示控制面板接口，該接口與信號處理單元連接；6)發動機啟動單元由控制起動電機、內燃機點火電源的半導體開關或繼電器構成，半導體開關或繼電器的控制端與信號處理單元連接；7)電機驅動單元與充電器驅動單元由電平轉換與信號隔離電路構成，與信號處理單元連接；8)信號處理單元由數字集成電路、微處理器或數位訊號處理器構成，與上述1)-7)的單元連接。
3.根據權利要求1所述的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於機械傳動系統採用內燃機(1)與驅動電機(7)耦合和並行傳動方式，耦合傳動方式由內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機耦合傳動；並行傳動方式由內燃機通過帶自動離心嚙合功能的齒輪或鏈輪、鏈條的減速或變速機構與驅動電機分別傳動，通過外部的交通工具輪子實現兩種動力的傳動；驅動電機(7)安裝在後輪軸(8)上，電力驅動採用該驅動電機直接驅動後輪的方式運行，此外後輪軸上設置一個棘輪(12)，通過鏈條(9)和內燃機的動力輸出鏈輪(10)相連，動力輸出鏈輪(10)與內燃機的輸出軸相連。對於混合動力自行車，在後輪軸上再增加一個棘輪(11)，通過另一鏈條(14)相連，接在腳踩鏈輪上。
4.根據權利要求1所述的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於功率變換器中的驅動變換器為降壓型DC/DC開關變換器，充電器為升壓型DC/DC開關變換器，驅動變換器的輸入端分別接蓄電池與充電器的輸出端，驅動變換器的輸出端分別接驅動電機與充電器的輸入端；其中的降壓型功率變換器主電路由半導體開關S、二極體D、電感L、電容器C組成，半導體開關的一端接蓄電池，半導體開關的另一端分別接二極體的一端及電感的一端，電感的另一端接電容的一端及驅動電機，二極體的另一端及電容均接公共端；其中的升壓型功率變換器主電路由半導體開關S、二極體D1、電感L及電容器C組成，電感的一端接蓄電池，電感的另一端接半導體開關及接二極體的一端，二極體的另一端接電容的一端及輸出端驅動電機，半導體開關的另一端及電容均接公共端。
5.根據權利要求1所述的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於驅動電機為永磁直流無刷輪轂電機，功率變換器還包括永磁直流無刷電機的逆變器；其中的驅動變換器輸入端接蓄電池，驅動變換器的另一端接逆變器輸入端，逆變器的輸出端接驅動電機，即永磁直流無刷輪轂電機；充電器的輸入端接在驅動變換器中DC-DC變換器與逆變器之間或通過內部整流器與驅動電機相接，充電器的輸出端接蓄電池。
6.根據權利要求1所述的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於逆變器為常規三相六開關逆變器。
7.根據權利要求1所述的一種輕型交通工具的燃氣-電動集成混合動力系統，其特徵在於驅動變換器是限壓、限流型輸出的雙向開關功率變換器，其主電路包括半導體開關S1與S2、二極體D1與D2、電感L、電容器C，二極體D1與D2是分立的或是分別集成在半導體開關S1與S2內部。
全文摘要
本發明公開了一種輕型交通工具的燃氣－電動集成混合動力系統。包括集成控制系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，機械傳動系統分別與電力驅動系統、內燃機動力系統相連接，內燃機動力系統與電力驅動系統相連接。本發明的混合動力系統的驅動模式要旨是低速時由電力驅動，高速時由內燃機驅動，中速時由電力單獨或兩者同時驅動，這些驅動模式的轉換都是通過集成控制器控制下自動進行的。內燃機工作時能給蓄電池補充電量。中高速加速或爬坡時一般仍由內燃機工作。
文檔編號B60L15/32GK1583459SQ20041002528
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月15日 優先權日2004年6月15日
發明者呂徵宇, 夏來慶, 熊樹生 申請人:嘉興市恆久動力科技有限公司