本發(fā)明涉及混合動力領域，具體涉及一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力裝置及其控制方法和汽車。

背景技術：

電動汽車包括混合動力汽車、燃料電池汽車、純電動汽車等具有節(jié)能、環(huán)保的特點，是新一代汽車技術的發(fā)展方向。但受蓄電池能量的限制以及燃料電池高成本的約束,混合動力汽車可視為一種綜合解決上述問題的可行方案?；旌蟿恿ζ囉蓛煞N或兩種以上動力源提供動力,當前比較普遍的方案是采用發(fā)動機與電動機、發(fā)電機進行組合，采用串聯、并聯或混聯的混合動力汽車構型。

串聯式HEV由于發(fā)動機輸出的機械能途經兩次能量轉換，動力傳動系的綜合效率較低；并聯式HEV效率較串聯式高，這也是國內目前主要的研究方向，但這種構型需要一套動力耦合裝置實現電機與發(fā)動機的動力合成，并且考慮到發(fā)動機的最佳工作區(qū)間，需要設計復雜的控制系統(tǒng)和控制策略；混聯式混合動力汽車構型以豐田的Pruis最具代表性，通過單排或多排行星排對動力雙自由度解耦，從而實現汽車的不同驅動模式，但這種混動模式結構復雜，加工困難，并且需要極其復雜的控制系統(tǒng)和控制策略。

不同于以上電機在汽車上的布置方式，混合動力汽車采用將電機直接與車輪集成的方案，是最有利于整車性能提升的。輪轂電機驅動技術是提高電動汽車性能的一項關鍵技術，它給汽車帶來巨大優(yōu)勢，在結構上，采用輪轂電機驅動的混合動力汽車技術相比于原來混合動力汽車，省去了復雜的傳動系統(tǒng)和動力耦合裝置，在整車集成和布置上具有更大的優(yōu)勢；在功能方面，采用輪轂電機驅動的混合動力汽車使得混合動力汽車具備更優(yōu)越的驅動制動性能，實現傳統(tǒng)汽車底盤所無法實現的某些先進技術，使整車具有節(jié)能、高效回收制動能量、整車結構簡化等優(yōu)點。

技術實現要素：

本發(fā)明設計開發(fā)了一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力裝置。本發(fā)明的發(fā)明目的是省去傳統(tǒng)混合動力裝置中復雜的傳動系統(tǒng)和動力耦合裝置，簡化混合動力裝置結構。

本發(fā)明還設計開發(fā)了一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力裝置的控制方法。本發(fā)明的發(fā)明目的是優(yōu)化發(fā)動機與輪轂電機的配合，使發(fā)動機處于經濟運行區(qū)域或者高效區(qū)域。

本發(fā)明還設計開發(fā)了一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車，本發(fā)明的發(fā)明目的是省去傳統(tǒng)混合動力汽車中復雜的傳動系統(tǒng)和動力耦合系統(tǒng)，簡化結構。

本發(fā)明提供的技術方案為：

一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力裝置，包括：

輪轂電機，其分別嵌入到兩側車輪輪輞中，所述輪轂電機的定子與車體固定連接，所述輪轂電機的轉子軸連接萬向輸出軸；

發(fā)動機，其兩端均具有動力輸出軸，其通過電控離合器選擇性的連接所述萬向輸出軸；

扭矩傳感器，其安裝在所述轉子軸上，用于測量所述轉子軸的扭矩；

輪轂電機控制器，其分別與所述輪轂電機以及所述扭矩傳感器電聯；

發(fā)動機控制器，其與所述發(fā)動機電聯；

整車控制器，其分別與所述輪轂電機控制器、所述發(fā)動機控制器以及電控離合器電聯；

其中，所述整車控制器用于使所述輪轂電機和/或所述發(fā)動機選擇性的為整車提供動力。

優(yōu)選的是，所述輪轂電機中包括減速器以及所述電控離合器中包括扭轉減振器。

優(yōu)選的是，所述轉子軸一端通過扭矩傳感器與所述萬向輸出軸連接，另一端連接所述減速器的輸入端。

優(yōu)選的是，所述減速器的輸出端與所述車輪輪輞通過法蘭片連接。

優(yōu)選的是，所述發(fā)動機的動力輸出軸通過飛輪與所述電控離合器選擇性的接合或者分離。

一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車，包括使用所述的混合動力裝置。

一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力裝置的控制方法，包括：

采集車輛行駛的速度以及電池荷電狀態(tài)；

當車輛行駛的速度大于純電動模式的車速上限時，進行如下控制：

當車輛需求轉矩在發(fā)動機經濟運行轉矩上限及相應轉速下發(fā)動機最大轉矩之間，并且電池荷電狀態(tài)大于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機開啟，采用發(fā)動機和輪轂電機提供整車動力；

當車輛需求轉矩在發(fā)動機經濟運行轉矩上限及相應轉速下發(fā)動機最大轉矩之間，并且電池荷電狀態(tài)小于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機關閉，采用發(fā)動機提供整車動力；

當車輛需求轉矩超過相應轉速下發(fā)動機最大轉矩，并且不超過發(fā)動機經濟運行轉矩上限與輪轂電機最大持續(xù)轉矩之和時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機開啟，由發(fā)動機和輪轂電機提供整車動力，此時控制發(fā)動機工作點在最大經濟運行轉矩位置；

當車輛需求轉矩超過發(fā)動機經濟運行轉矩上限與輪轂電機最大持續(xù)轉矩之和，并且不超過相應轉速下發(fā)動機最大轉矩與輪轂電機最大持續(xù)轉矩之和時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機開啟，由發(fā)動機和輪轂電機提供整車動力，此時控制發(fā)動機工作點在當前轉速下的最大輸出轉矩位置。

優(yōu)選的是，當車輛行駛的速度小于純電動模式的車速上限時，進行如下控制：

當電池荷電狀態(tài)大于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器分離，發(fā)動機關閉，輪轂電機開啟，采用輪轂電機提供整車動力；

當電池荷電狀態(tài)小于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機關閉，采用發(fā)動機提供整車動力。

優(yōu)選的是，當車輛行駛的速度大于純電動模式的車速上限時，還包括如下控制：

當車輛需求轉矩小于發(fā)動機經濟運行轉矩下限，并且電池荷電狀態(tài)大于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器分離，發(fā)動機關閉，輪轂電機開啟，采用輪轂電機提供整車動力；

當車輛需求轉矩小于發(fā)動機經濟運行轉矩下限，并且電池荷電狀態(tài)小于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機關閉，采用發(fā)動機提供整車動力，并且控制車輛轉矩在發(fā)動機經濟運行轉矩下限運行；

當車輛需求轉矩在發(fā)動機經濟運行轉矩下限及發(fā)動機經濟運行轉矩上限之間，并且電池荷電狀態(tài)大于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機關閉，采用發(fā)動機提供整車動力，并且控制車輛轉矩在車輛需求轉矩下運行；

當車輛需求轉矩在發(fā)動機經濟運行轉矩下限及發(fā)動機經濟運行轉矩上限之間，并且電池荷電狀態(tài)小于電池荷電狀態(tài)下限時，電控離合器接合，發(fā)動機開啟，輪轂電機關閉，采用發(fā)動機提供整車動力，并且控制車輛轉矩小于發(fā)動機經濟運行轉矩上限與充電轉矩之差。

一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車，包括所述的混合動力裝置的控制方法。

本發(fā)明與現有技術相比較所具有的有益效果：

1、本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車通過發(fā)動機與輪轂電機的組合，實現了混合動力汽車的純電驅動和混合驅動模式。解決了其他混合動力系統(tǒng)效率低、結構復雜的問題；

2、本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車的構型設計充分利用輪轂電機本身易集成于車輪內的優(yōu)點，使集成輪轂電機后，整車空間變化不大，并降低發(fā)動機功率；

3、本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車利用輪轂電機與發(fā)動機的配合，通過一定的控制策略使發(fā)動機運行在經濟運行區(qū)域或高效率區(qū)，控制更加方便；

4、本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車以一種較為直接的方法實現了傳統(tǒng)汽車向混合動力汽車的轉換，相比于其他形式的混合動力汽車省去了復雜的傳動系統(tǒng)和動力耦合裝置，結構更為簡單；

5、本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車提出了一種混合再生制動方法用于制動時的能量回收。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車結構的主視圖。

圖2為本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車的控制流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

如圖1所示，本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力系統(tǒng)由集成了減速器的輪轂電機、扭矩傳感器、萬向傳動軸及萬向節(jié)、帶扭轉減震器的電控離合器和發(fā)動機組成；電機動力由轉子軸輸出到減速器并由后者輸出到車輪，電機轉子軸兩端伸出電機本體，其外側通過法蘭盤與車輪輪輞鏈接，內側電機軸上裝有扭矩傳感器并通過萬向傳動軸與電控離合器(可用多片摩擦式)連接，電控離合器輸入端與發(fā)動機輸出軸連接，且?guī)в信まD減震器，發(fā)動機采用兩端輸出的方式與輪轂電機連接，發(fā)動機兩側的輪轂電機結構及連接方式相同，關于發(fā)動機對稱。

該混合動力汽車在電控離合器分離時可以采用純電動模式，由兩個輪轂電機直接驅動汽車行駛；當電池能量消耗較多時可以接合發(fā)動機兩側的電控離合器由發(fā)動機與兩側輪轂電機同時驅動，此為混合動力驅動模式；在減速制動或下坡時，可以由輪轂電機直接回收制動能量；在電量完全耗盡時仍可采用發(fā)動機直接驅動汽車行駛到充電地點。

實施例

如圖1所示，在車輛左右兩側分別有左側車輪輪胎120以及右側車輪輪胎220，在左側車輪輪輞121中嵌入輪轂電機110本體，在右側車輪輪輞221中嵌入輪轂電機210本體，輪轂電機110、210的定子與車體連接，為固定件。

在左側電機轉子軸111上安裝左側扭矩傳感器140，用來測量左側電機轉子軸111上的扭矩，在右側電機轉子軸211上安裝右側扭矩傳感器240，用來測量右側電機轉子軸211上的扭矩；

發(fā)動機310左側輸出的動力通過電控離合器160傳給左側萬向傳動軸150，左側萬向傳動軸150通過左側萬向節(jié)151與左側電機轉子軸111連接，發(fā)動機310右側輸出的動力通過電控離合器260傳給右側萬向傳動軸250，右側萬向傳動軸250通過右側萬向節(jié)251與右側電機轉子軸211連接；其中，電控離合器160、260中均帶有扭轉減震器用以緩和發(fā)動機310與左側萬向傳動軸150以及右側萬向傳動軸250之間的載荷沖擊。

左側輪轂電機110中集成左側減速器130，動力由左側輪轂電機轉子軸111輸入減速器130，經過減速輸出到左側車輪輪輞121，右側輪轂電機210中集成右側減速器230，動力由右側輪轂電機轉子軸211輸入減速器230，經過減速輸出到右側車輪輪輞221。

左側輪轂電機轉子軸111靠近車輛內側一端通過左側扭矩傳感器140與左側萬向節(jié)151輸出軸連接，左側扭矩傳感器140用于測量左側輪轂電機轉子軸111的轉矩，左側輪轂電機轉子軸111靠近車輛外側的一端連接輪轂電機左側減速器130的輸入端，左側減速器130的輸出端與左側車輪輪輞121通過法蘭盤連接；右側輪轂電機轉子軸211靠近車輛內側一端通過右側扭矩傳感器240與右側萬向節(jié)251輸出軸連接，右側扭矩傳感器240用于測量右側輪轂電機轉子軸211的轉矩，右側輪轂電機轉子軸211靠近車輛外側的一端連接輪轂電機右側減速器230的輸入端，右側減速器230的輸出端與右側車輪輪輞221通過法蘭盤連接。

發(fā)動機310能夠兩端輸出動力，曲軸320一端與傳統(tǒng)發(fā)動機相同，左側一端通過左側飛輪170與電控離合器160連接進行動力的連接與中斷；不同之處在于曲軸320另一端也伸出發(fā)動機310機體連接右側飛輪270，通過與電控離合器260連接進行動力的連接與中斷。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明還提供了一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力裝置的控制方法，整車控制器ECU分別與發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS、輪轂電機控制器MCU、電控離合器以及電池管理系統(tǒng)BMS連接，通過信號的傳輸對發(fā)動機、輪轂電機及電控離合器進行控制，具體包括如下：

采集車輛行駛的速度V以及電池荷電狀態(tài)SOC；

(1)在汽車啟動或者倒車時，整車ECU發(fā)送分離電控離合器的信號使電控離合器160、260同時分離，發(fā)動機310關閉，輪轂電機110、210開啟，采用純電動模式，此時車輛對扭矩的需求不大，車速較低，發(fā)動機310處于低效率運行區(qū)，因此發(fā)動機處于關閉狀態(tài)；在本實施例中，車速較低指的是低于發(fā)動機經濟運轉的最低啟動或者關閉車速；

(2)當V≤V₀時，車輛的功率需求較低，發(fā)動機310處于低效率運行區(qū)，可以電池電量為門限值來確定運行模式，根據電池荷電狀態(tài)SOC以及電池荷電狀態(tài)下限SOC_low進行控制：

當SOC＞SOC_low時，整車ECU發(fā)送分離電控離合器的信號使電控離合器160、260同時分離，發(fā)動機310關閉，輪轂電機110、210開啟，采用純電動模式，采用輪轂電機110、210提供整車動力；

當SOC≤SOC_low時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210關閉，采用發(fā)動機310提供整車動力，并將多余的轉矩用于發(fā)電存儲到蓄電池中；

式中，V₀為純電動車速上限，同時也為發(fā)動機開啟或者關閉的車速，SOC為電池荷電狀態(tài)，SOC_low為電池荷電狀態(tài)下限。

(3)當V＞V₀時，則以需求轉矩為門限并根據電池電量來確定工作模式，根據電池荷電狀態(tài)SOC、電池荷電狀態(tài)下限SOC_low以及汽車需求轉矩T進行控制：

當T≤T_min并且SOC＞SOC_low時，整車ECU發(fā)送分離電控離合器的信號使電控離合器160、260同時分離，發(fā)動機310關閉，輪轂電機110、210開啟，采用純電動模式，采用輪轂電機110、210提供整車動力，電池管理系統(tǒng)BMS進行電池電量許可，且輪轂電機110、210可以單獨滿足汽車需求轉矩；

當T≤T_min并且SOC≤SOC_low時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210關閉，采用發(fā)動機310提供整車動力，并且汽車轉矩在發(fā)動機經濟運行轉矩下限T_min下運行，需要啟動發(fā)動機310單獨驅動并發(fā)電，此時發(fā)動機310運行在該轉速對應的最低經濟運行點為電池充電，驅動車輛行駛，多余轉矩用于發(fā)電；

當T_min＜T≤T_max并且SOC＞SOC_low時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210關閉，采用發(fā)動機310提供整車動力，并且汽車轉矩在汽車需求轉矩T下運行，電池管理系統(tǒng)BMS進行電池電量許可，并且該車速對應的發(fā)動機轉矩位于發(fā)動機的經濟運行區(qū)，此時由發(fā)動機310單獨驅動并運行于該轉速對應的需求轉矩位置；

當T_min＜T≤T_max并且SOC≤SOC_low時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210關閉，采用發(fā)動機310提供整車動力，并且汽車轉矩在T+T_charge＜T_max下運行，并用多余轉矩發(fā)電給電池充電，需求轉矩位于發(fā)動機經濟運轉區(qū)，由于電池電量不足，可根據電池SOC得到發(fā)動機充電轉矩，使發(fā)動機310運行在需求轉矩與充電轉矩之和的位置，由發(fā)動機310單獨驅動；

當T_max＜T≤T_{e_max}并且SOC＞SOC_low時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210開啟，由發(fā)動機310和輪轂電機110、210提供整車動力，此時需求轉矩超過當前轉速下的發(fā)動機最大經濟轉矩點，而且電池管理系統(tǒng)BMS控制電池電量許可可不進行充電，由發(fā)動機310運行在最大經濟轉矩位置，并由輪轂電機補償額外的轉矩；

當T_max＜T≤T_{e_max}并且SOC≤SOC_low時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210關閉，采用發(fā)動機310提供整車動力，此時需求轉矩已經超過最大經濟運行轉矩，在大轉矩需求且電池電量不足的情況下不能由輪轂電機110、210單獨驅動，此時需要發(fā)動機310調整工作點，根據汽車需求轉矩和充電轉矩運行于非經濟運行區(qū)，在驅動的同時為電池充電；

當T_{e_max}＜T≤T_max+TM時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210開啟，由發(fā)動機310和輪轂電機110、210提供整車動力，雖然轉矩超過當前轉速下發(fā)動機最大輸出轉矩，但仍然可以使發(fā)動機310工作在最大經濟運行轉矩位置，并由輪轂電機110、210補償額外的轉矩；

當T_max+TM＜T≤T_{e_max}+TM時，整車ECU發(fā)送接合電控離合器的信號使電控離合器160、260同時接合，發(fā)動機310開啟，輪轂電機110、210開啟，由發(fā)動機310和輪轂電機110、210提供整車動力進行全加速(調整發(fā)動機工作點)，汽車需求轉矩超過發(fā)動機經濟運行轉矩上限與輪轂電機最大持續(xù)轉矩之和，這時調整發(fā)動機工作點運行在當前轉速下的最大輸出轉矩位置，輪轂電機110、210運補充額外轉矩(短時)；

式中，V₀為純電動車速上限，同時也為發(fā)動機開啟或者關閉的車速，SOC為電池荷電狀態(tài)，SOC_low為電池荷電狀態(tài)下限，T為車輛需求轉矩，T_max為發(fā)動機經濟運行轉矩上限，T_min為發(fā)動機經濟運行轉矩下限，T_{e_max}為相應轉速下發(fā)動機最大轉矩以及TM為輪轂電機最大持續(xù)轉矩；其中，在需求轉矩的基礎上，為了給電池充電發(fā)動機需要額外輸出的轉矩為充電轉矩T_charge。

(4)再生制動

根據制動強度，在小于0.2g制動強度內，采用再生制動，當制動強度超過0.2g或檢測到路面附著變化時，退出再生制動，ABS介入并進行液壓制動；再生制動包括發(fā)動機開啟，輪轂電機開啟時的混合制動以及發(fā)動機關閉，輪轂電機開啟的純電動制動兩種情況。

本發(fā)明還提供了一種發(fā)動機與電機直接驅動式混合動力汽車，該汽車中采用本發(fā)明的混合動力裝置以及控制方法。

當前混合動力汽車普遍采用傳統(tǒng)汽車發(fā)動機與驅動電機串聯或并聯的形式，最后通過變速器、主減速器將動力輸出到驅動輪驅動汽車行駛。這種結構形式基于傳統(tǒng)汽車底盤，增加了驅動電機和動力耦合裝置，但保留了變速器、傳動軸以及主減速器等傳統(tǒng)部件，使得底盤布置更加復雜，汽車重量大大增加并提高了汽車成本。

本發(fā)明所述的發(fā)動機與電機直驅式混合動力汽車，由于輪轂電機直接集成在車輪中，因此相對于現有傳統(tǒng)汽車并未增加汽車底盤布置上的難度。同時，由于本發(fā)明省去了汽車變速器、傳動軸以及主減速器等傳動部件，相比于現有混合動力汽車，極大地簡化了汽車的底盤布置。

此外，本發(fā)明取消了變速器和主減速器，使得汽車的驅動效率提高，并減少了變速過程中的能量消耗，且省去了對復雜變速器的控制，相對于現有混合動力汽車，控制更容易實現。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。