專利名稱：一種混合動(dòng)力汽車用電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車動(dòng)カ領(lǐng)域,為ー種輸入功率分配型混合動(dòng)カ汽車調(diào)速裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著全球環(huán)境惡化以及石油資源的日益短缺，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，節(jié)能環(huán)保新能源汽車的研發(fā)已經(jīng)成為世界各國(guó)政府的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。作為新能源汽車的ー類，混合動(dòng)カ汽車以其燃油經(jīng)濟(jì)性高、尾氣排放低、續(xù)航里程長(zhǎng)的顯著優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，并得到了快速的發(fā)展。而有效實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)カ汽車基本功能的關(guān)鍵技術(shù)之ー是研發(fā)高性能的電子無級(jí)調(diào)
速(electronically continuously variable transmission,簡(jiǎn)稱 E-CVT)系統(tǒng)。根據(jù)是否采用機(jī)械齒輪，可將現(xiàn)有上市以及國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛研究的E-CVT系統(tǒng)分為兩大類一類是采用機(jī)械齒輪(行星齒輪)的E-CVT系統(tǒng)，另ー類為沒有齒輪嚙合的無齒輪E-CVT系統(tǒng)。帶機(jī)械齒輪功率分配裝置的E-CVT系統(tǒng)都存在ー個(gè)問題，即必須采用行星齒輪來調(diào)節(jié)引擎和聯(lián)接在汽車驅(qū)動(dòng)軸上的電機(jī)之間的能量傳送。和所有機(jī)械齒輪一祥，行星齒輪存在著傳輸損耗和齒輪噪音的缺點(diǎn)，而且必須人為定期地給齒輪加潤(rùn)滑劑進(jìn)行維護(hù)。而無機(jī)械齒輪功率分配裝置的E-CVT系統(tǒng)，通常采用ー個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)來實(shí)現(xiàn)功率分配，即采用電氣聯(lián)結(jié)方式來克服上述問題。然后，這種電氣聯(lián)結(jié)的電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在克服行星齒輪缺點(diǎn)的同時(shí)也產(chǎn)生了一個(gè)新的問題系統(tǒng)中所采用的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)必需通過滑環(huán)和碳制電刷從轉(zhuǎn)子中輸入或輸出電能量。而眾所周知，滑環(huán)和碳制電刷將產(chǎn)生額外的損耗，而且需要定期維護(hù)。此外，處于最里面的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的散熱問題也是制約該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的ー個(gè)主要瓶頸。因此，研發(fā)一種既不需要行星齒輪，也不需要滑環(huán)和碳制電刷，而且效率高、控制方便、運(yùn)行穩(wěn)定的新型E-CVT系統(tǒng)成為目前混合動(dòng)カ汽車調(diào)速領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明是提出ー種基于復(fù)合式磁通切換永磁電機(jī)的混合動(dòng)カ汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)既無行星齒輪，也無滑環(huán)和碳制電刷。既解決帶齒輪功率分配裝置存在著傳輸損耗和齒輪噪音的缺點(diǎn)，又解決了帶電刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的額外損耗、定期維護(hù)及散熱問題。技術(shù)方案本發(fā)明的基于復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的混合動(dòng)カ汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、主減速器、車輪，其特征是還包括復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)、電功率模塊、電池組、控制單元；發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器連接復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子，電功率模塊連接在復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的內(nèi)定子與外定子之間，電池組與復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的內(nèi)定子及電功率模塊相連；復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的外轉(zhuǎn)子經(jīng)主減速器與車輪連接.；控制單元分別與發(fā)動(dòng)機(jī)、電功率模塊、電池組相連。復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)由內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子、夕卜定子、夕卜轉(zhuǎn)子組成，且內(nèi)定子與外定子通過隔磁環(huán)連接為ー個(gè)整體。
電功率模塊包括第一功率變換器、DC-DC變換電路、第二功率變換器，且第一功率變換器與第二功率變換器都具備雙向整流、逆變功能；電池組經(jīng)過電功率模塊和第二功率變換器輸出或存儲(chǔ)能量。復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)，利用雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)的特點(diǎn),將放置永磁體與電樞繞組的定子整合，而外電機(jī)的外轉(zhuǎn)子經(jīng)主減速器與適合低速的車輪耦合，內(nèi)電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子經(jīng)離合器與適合高速的發(fā)動(dòng)機(jī)I禹合。將汽車上三個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)，E-CVT和車輪傳動(dòng)系統(tǒng)高度集成，發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪傳動(dòng)系統(tǒng)之間無直接機(jī)械連結(jié)，以實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)結(jié)的電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。在作為功率分配器工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)合磁通切換電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子，通過電磁耦合作用，內(nèi)定子繞組獲得一個(gè)總電功率，該電功率將分為兩個(gè)部分，一部分由內(nèi)定子繞組經(jīng)第二功率變換器將交流電整流成與電池組充電電壓相匹配的直流電傳輸?shù)诫姵亟M，以化學(xué)
能的形式存儲(chǔ)于電池組中；另一部分以電功率的形式經(jīng)DC-DC變換電路，將直流電壓調(diào)整為適合外定子繞組工作，再通過第一功率變換器逆變，將電能傳遞到復(fù)合磁通切換電機(jī)的外定子繞組中，通過電磁耦合，使得外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩并以機(jī)械能的形式驅(qū)動(dòng)車輪。上述兩部分的功率流大小與方向可以根據(jù)需求，由控制單元合理分配。其總的控制策略為(1)當(dāng)由發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化至復(fù)合磁通切換電機(jī)內(nèi)定子的電功率超過驅(qū)動(dòng)車輪所需的機(jī)械功率時(shí)，控制單元控制第一功率變換器分配能量，將一部分電功率經(jīng)DC-DC變換器、第一功率變換器向外定子繞組提供電功率，再轉(zhuǎn)化成車輛驅(qū)動(dòng)所需的機(jī)械功率；另一部分剰余的電功率則通過第二功率變換器給電池組充電，存儲(chǔ)多余能量；(2)當(dāng)由發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化至復(fù)合磁通切換電機(jī)內(nèi)定子的電功率小于驅(qū)動(dòng)車輪所需的機(jī)械功率時(shí)，控制單元控制第二功率變換器將全部電能經(jīng)DC-DC變換器、第一功率變換器傳遞到外定子繞組，同時(shí)控制電池組經(jīng)DC-DC變換器、第一功率變換器也向外定子繞組提供不足的電能，此時(shí)車輪行駛所需的能量由電池組與發(fā)動(dòng)機(jī)兩方面共同提供。除了上述兩種主要工作模式外，還存在很多其他工作模式，僅通過電池組給外定子繞組供電，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式；在車輛下坡或者剎車時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的能量反饋等。有益效果
I、本發(fā)明既無行星齒輪，又無炭制電刷、滑環(huán)等機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高效區(qū)域，從而顯著提高整車的工作效率。2、創(chuàng)造性提出了ー種復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)思想，利用雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)的特點(diǎn)，將放置永磁體與電樞繞組的內(nèi)、外定子整合，而電機(jī)的外轉(zhuǎn)子與適合低速的車輪傳動(dòng)系統(tǒng)耦合，內(nèi)轉(zhuǎn)子與適合高速的發(fā)動(dòng)機(jī)耦合，避免了傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中內(nèi)轉(zhuǎn)子難以散熱從而無法實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。3、基于復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)搭建的E-CVT系統(tǒng)，通過巧妙設(shè)計(jì)可以將汽車上三個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備(發(fā)動(dòng)機(jī)，E-CVT和車輪傳統(tǒng)系統(tǒng))高度集成，以實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)結(jié)的電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，從而具有高功率密度、高效率和安靜運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。不僅可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的全部功能，而且在結(jié)構(gòu)、體積、性能、散熱、制造エ藝、實(shí)用性等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，且設(shè)計(jì)方法靈活多變，可根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整。


圖I是本發(fā)明中所采用的復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，其中有內(nèi)轉(zhuǎn)子3、內(nèi)定子4、外定子5、外轉(zhuǎn)子6、隔磁鋁環(huán)16。圖2是本發(fā)明基于復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的混合動(dòng)カ汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)I、離合器2、復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)7、第一功率變換器8、DC-DC變換電路9、第二功率變換器10、電池組12、控制單元13、主減速器14、車輪15。
具體實(shí)施例方式如圖2，本發(fā)明包括發(fā)動(dòng)機(jī)I、離合器2、復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)7、電功率模塊11、電池組12、控制單元13、主減速器14 (可不需要，采用外轉(zhuǎn)子直驅(qū)方式)、車輪15。發(fā)動(dòng)機(jī)I通過離合器2連接復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)7的內(nèi)轉(zhuǎn)子3，內(nèi)定子4與第二功率變換器10相連并且與DC-DC變換電路9、第一功率變換器8、外定子5串聯(lián)，外轉(zhuǎn)子6經(jīng)主減速器14與車輪15相連?？刂茊卧?3分別與發(fā)動(dòng)機(jī)I、電功率模塊11、電池組12相連。電池組12可
以通過第二功率變換器10或第一功率變換器8和DC-DC變換電路9儲(chǔ)存或輸出電能。本發(fā)明的基于復(fù)合式磁通切換永磁電機(jī)的混合動(dòng)カ汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、主減速器、復(fù)合式磁通切換永磁電機(jī)、電功率模塊，電池組、控制単元和驅(qū)動(dòng)車輪。發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器與復(fù)合式磁通切換永磁電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子連接，電功率模塊、電池組在內(nèi)外定子電樞繞組之間，外轉(zhuǎn)子經(jīng)主減速器(亦可不需要，直驅(qū))連接驅(qū)動(dòng)車輪。控制單元分別與發(fā)動(dòng)機(jī)、電功率模塊、電池組相連。復(fù)合式磁通切換永磁電機(jī)由內(nèi)外兩個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)子和ー個(gè)集成的定子組成，其中集成的定子由內(nèi)定子、外定子、內(nèi)外定子鐵心之間的隔磁環(huán)三部分組成，且在內(nèi)、外定子上都繞有多相集中式電樞繞組與切向交替充磁的永磁體。該電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)包括兩套獨(dú)立的功率流第一套功率流在發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子之間流動(dòng)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳遞給內(nèi)轉(zhuǎn)子，再經(jīng)過電磁感應(yīng)耦合，轉(zhuǎn)化成電能輸入到內(nèi)定子繞組中，內(nèi)定子繞組連接電池組，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)。第二套功率流在電池組、外定子與外轉(zhuǎn)子之間流動(dòng)，為電池組的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能傳遞給外定子繞組，再經(jīng)過電磁感應(yīng)耦合，轉(zhuǎn)化成機(jī)械能輸入到外轉(zhuǎn)子，再傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪。除此之外，根據(jù)不同的エ況，在內(nèi)定子與外定子兩套繞組之間亦可通過功率變換轉(zhuǎn)置實(shí)現(xiàn)直接電能的傳遞。本發(fā)明的電功率模塊包括第一功率變換器、DC-DC變換電路、第二功率變換器。第一、第二功率變換器分別為ー個(gè)功率可以雙向流動(dòng)的整流/逆變器，DC-DC變換電路為ー個(gè)直流升壓/降壓器。第一功率變換器ー側(cè)與外定子繞組相連，另ー側(cè)經(jīng)過DC-DC變換電路與電池組相連。第二功率變換器ー側(cè)與內(nèi)定子繞組相連，另ー側(cè)直接與電池組相連。此夕卜，電池組、第一功率變換器、DC-DC變換電路、第二功率變換器都與控制單元相連，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的交換與實(shí)時(shí)傳遞控制信號(hào)。本發(fā)明的運(yùn)行模式包括
I、冷啟動(dòng)模式
電池組12提供能量，經(jīng)過第二功率變換器10傳遞至內(nèi)定子繞組4，內(nèi)轉(zhuǎn)子3旋轉(zhuǎn)，離合器2結(jié)合,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。2、純電動(dòng)模式
電池組12提供能量，經(jīng)過DC-DC變換電路9、第一功率變換器8傳至外定子5，外轉(zhuǎn)子6經(jīng)主減速器14驅(qū)動(dòng)車輪15行駛。
3、混合動(dòng)カ模式
此模式主要應(yīng)用于加速、爬坡等大功率行駛的情況。電機(jī)的內(nèi)定子4經(jīng)由第二功率變換器10、DC-DC變換電路9、第一功率變換器8為外定子5提供能量，外轉(zhuǎn)子6經(jīng)主減速器14驅(qū)動(dòng)車輪15。當(dāng)提供的能量低于外定子5所需要的能量吋，電池組12經(jīng)DC-DC變換電路9、第一功率變換器8補(bǔ)充此能量差值。同時(shí)，在混合動(dòng)カ運(yùn)行期間，內(nèi)定子4可根據(jù)電池組12的狀態(tài)(SOC)實(shí)時(shí)充電。4、再生制動(dòng)模式
車輛減速或制動(dòng)時(shí)，車輪15經(jīng)主減速器14帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子6，外定子5發(fā)出電能經(jīng)第一功率變換器8、DC-DC變換器9給電池組12充電。車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電池組12的電能。發(fā)動(dòng)機(jī)I的全部功率經(jīng)第二功率變換器10、向電池組12充電。5、駐車發(fā)電模式
此模式主要運(yùn)行于電池組12電量不足的情況。發(fā)動(dòng)機(jī)I經(jīng)離合器2帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子3，內(nèi)定子4發(fā)電經(jīng)第二功率變換器10給電池組12充電。6、高速巡航模式
內(nèi)定子4提供的能量經(jīng)由第二功率變換器10、DC-DC變換電路9、第一功率變換器8到外定子5，外轉(zhuǎn)子6經(jīng)主減速器14驅(qū)動(dòng)車輪15行駛。此模式主要運(yùn)行于巡航速度，若發(fā)動(dòng)機(jī)I提供能量大于車輪15所需能量，可將多余能量以電能形式給電池組12充電。傳遞路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)I一離合器2 —內(nèi)轉(zhuǎn)子3 —內(nèi)定子4一第二功率變換器10 —電池組12.
本發(fā)明采用復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)作為功率分配裝置，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在(1)只用ー個(gè)復(fù)合電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)多種功能的運(yùn)行方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小。(2)電池組可以根據(jù)實(shí)際情況吸收多余的發(fā)動(dòng)機(jī)能量或補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)能量的不足，并且發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高效區(qū)域，整車的運(yùn)行效率提尚。
權(quán)利要求
1.一種混合動(dòng)力汽車用電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)(I)、離合器(2)、主減速器(14)、車輪(15)，其特征是還包括復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)(7)、電功率模塊(11)、電池組(12)、控制單元(13);發(fā)動(dòng)機(jī)(I)通過離合器(2)連接復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)(7)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)，電功率模塊(11)連接在復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)(7)的內(nèi)定子(4)與外定子(5)之間，電池組(12 )與復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)(7 )的內(nèi)定子(4 )及電功率模塊(11)相連；復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)(7 )的外轉(zhuǎn)子(6 )經(jīng)主減速器(14)與車輪(15 )連接.；控制單元(13 )分別與發(fā)動(dòng)機(jī)(I)、電功率模塊(11)、電池組(12 )相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種混合動(dòng)力汽車用電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其特征是復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)(7)由內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)、內(nèi)定子(4)、外定子(5)、外轉(zhuǎn)子(6)組成，且內(nèi)定子(4)與外定子(5)通過隔磁環(huán)連接為一個(gè)整體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種混合動(dòng)力汽車用電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其特征是電功率模塊(11)包括第一功率變換器(8)、DC-DC變換電路(9)、第二功率變換器(10)，且第一功率變換器(8)與第二功率變換器(9)都具備雙向整流、逆變功能；電池組(12)經(jīng)過電功率模塊(11)和第二功率變換器(10)輸出或存儲(chǔ)能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種混合動(dòng)力汽車用電子無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其特征是復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)，利用雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)的特點(diǎn)，將放置永磁體與電樞繞組的定子整合，而外電機(jī)的外轉(zhuǎn)子(6)經(jīng)主減速器(14)與適合低速的車輪(15)耦合，內(nèi)電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(3)經(jīng)離合器(2)與適合高速的發(fā)動(dòng)機(jī)(I)耦合。
全文摘要
一種基于復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)的混合動(dòng)力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)、電功率模塊、電池組、主減速器、車輪和控制單元。本發(fā)明由于采用復(fù)合磁通切換永磁電機(jī)作為功率分配裝置，既無行星齒輪，又無滑環(huán)、碳制電刷等機(jī)械裝置，損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。只采用一個(gè)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)多種模式的運(yùn)行，節(jié)省空間，提高舒適度。本發(fā)明的電子無極調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作于高效運(yùn)行區(qū)域，有效地提高了整車效率。
文檔編號(hào)B60K6/26GK102848897SQ20121028786
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者花為, 柯海波, 吳中澤, 程明 申請(qǐng)人:東南大學(xué)