本發(fā)明主要涉及一種基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置，屬于新能源汽車領(lǐng)域，主要用于新能源電動汽車動力電池虧電情況下的應(yīng)急供電和車載充電，延長電動汽車續(xù)駛里程，同時通過加注燃油縮短電池充電等候時間。

背景技術(shù)：

受限于當(dāng)前電池的技術(shù)水平和制造成本，增程式混合動力汽車是目前傳統(tǒng)汽車向未來純電動汽車過渡的最理想車型之一。增程式混合動力汽車通過在傳統(tǒng)電動汽車平臺上增加一套內(nèi)燃機發(fā)電或燃料電池發(fā)電裝置，不僅保留了純電驅(qū)動節(jié)能高效和綠色環(huán)保的特點，又解決了現(xiàn)有純電動車存在的動力電池能量密度小、純電動續(xù)航里程短、充電不方便、充電等候時間長等問題。

目前國內(nèi)外電動汽車所用增程裝置普遍采用永磁同步電機與內(nèi)燃機一體化耦合設(shè)計，通過逆變和可控整流技術(shù)，實現(xiàn)內(nèi)燃發(fā)電增程裝置的按需起停和輸出電壓、輸出電流、輸出功率及功率因數(shù)的主動調(diào)整，但基于永磁同步電機的傳統(tǒng)增程器構(gòu)型也存在如下問題：

(1)永磁同步電機依靠永磁體產(chǎn)生機電能量轉(zhuǎn)換所需的氣隙磁場，電機一旦選定則永磁體產(chǎn)生的磁場強度難以靈活調(diào)節(jié)，而內(nèi)燃發(fā)電增程裝置工作轉(zhuǎn)速需要跟隨發(fā)電需求功率變化，因而需要額外的輸出調(diào)理電路來實現(xiàn)增程裝置的輸出電壓、輸出電流和發(fā)電功率的調(diào)節(jié)，如半橋整流技術(shù)、pwm全橋整流技術(shù)、雙向dc/dc等，導(dǎo)致控制難度和控制成本較高。

(2)內(nèi)燃發(fā)電增程裝置通常需要根據(jù)發(fā)電需求不同進行頻繁起停和工況切換，永磁同步電機雖可利用逆變技術(shù)實現(xiàn)增程裝置內(nèi)燃機的高怠速起動，減少起動過程油耗和排放，但基于電樞電流矢量控制的增磁和弱磁有較大局限性且電機升壓逆變控制較復(fù)雜，因而增程裝置目標(biāo)發(fā)電工況調(diào)整仍需依賴傳統(tǒng)內(nèi)燃機的瞬態(tài)控制來實現(xiàn)，內(nèi)燃機瞬態(tài)工況不僅影響整機排放和燃油經(jīng)濟性，同時也會導(dǎo)致增程裝置發(fā)電功率響應(yīng)速度變慢。

鑒于上述分析，設(shè)計和開發(fā)一種控制成本低、控制難度小、油耗/排放低、發(fā)電功率響應(yīng)快的內(nèi)燃發(fā)電增程裝置，對于增程式電動汽車的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前采用永磁同步電機的傳統(tǒng)增程裝置構(gòu)型技術(shù)上的不足，提出了一種基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置，起動模式下，利用逆變技術(shù)和弱磁控制使混合勵磁電機倒拖內(nèi)燃機實現(xiàn)增程裝置起動；發(fā)電模式下，利用內(nèi)燃機帶動混合勵磁電機經(jīng)不控整流器為驅(qū)動電機提供動力電池虧電狀態(tài)下的整車所需功率，多余電能為動力電池充電。

本發(fā)明基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置，包括內(nèi)燃機、混合勵磁電機、不控整流器、逆變器和增程裝置控制器。所述的內(nèi)燃機和混合勵磁電機之間采用共軸機械直連，混合勵磁電機三相端子經(jīng)不控整流器和逆變器與整車直流母線相連。

發(fā)電工況下，增程裝置控制器將實時狀態(tài)發(fā)送給整車控制器，并接收整車控制器的功率請求信號，遵循最佳發(fā)電工況脈普圖確定內(nèi)燃機需求扭矩和最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速，根據(jù)內(nèi)燃機需求扭矩確定內(nèi)燃機目標(biāo)進氣量、目標(biāo)噴油量和目標(biāo)點火正時，控制內(nèi)燃機將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動混合勵磁電機發(fā)電；增程裝置控制器根據(jù)混合勵磁電機中轉(zhuǎn)速傳感器反饋的實際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速差值調(diào)節(jié)混合勵磁電機的勵磁電流；不控整流器將混合勵磁電機產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電輸出，并根據(jù)輸出直流母線上安裝的發(fā)電電壓傳感器和電流傳感器反饋的發(fā)電電壓和發(fā)電電流計算實際發(fā)電功率反饋給增程裝置控制器，增程裝置控制器根據(jù)目標(biāo)發(fā)電需求功率和實際發(fā)電功率差值，遵循最佳發(fā)電工況脈普圖調(diào)整內(nèi)燃機需求扭矩和最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速；

起動工況下，增程裝置控制器接收整車控制器的起動信號和發(fā)電需求功率信號，同時將起動過程實時狀態(tài)發(fā)送給整車控制器。增程裝置控制器根據(jù)接收到的發(fā)電需求功率確定最佳目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速，并根據(jù)目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速和混合勵磁電機中轉(zhuǎn)速傳感器反饋的實際轉(zhuǎn)速偏差，計算內(nèi)燃機需求扭矩和混合勵磁電機需求扭矩。增程裝置控制器根據(jù)內(nèi)燃機扭矩模型確定目標(biāo)進氣量、目標(biāo)噴油量和目標(biāo)點火正時，完成進氣、噴油和點火的底層控制。增程裝置控制器根據(jù)混合勵磁電機需求扭矩確定弱磁控制占空比和逆變控制占空比，實現(xiàn)混合勵磁電機弱磁控制，并由逆變器輸出后實現(xiàn)混合勵磁電機逆變控制。逆變占空比產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號由混合勵磁電機的轉(zhuǎn)速傳感器提供。動力電池提供的高壓直流電經(jīng)逆變器實現(xiàn)直流交流轉(zhuǎn)換，逆變器控制混合勵磁電機倒拖并起動內(nèi)燃機。

內(nèi)燃機需求扭矩和最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速由增程裝置控制器中的穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況給定及功率閉環(huán)模塊確定；穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況給定及功率閉環(huán)模塊將內(nèi)燃機需求扭矩傳遞給內(nèi)燃機扭矩協(xié)調(diào)控制模塊確定目標(biāo)進氣量、目標(biāo)噴油量和目標(biāo)點火正時；穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況給定及功率閉環(huán)模塊將最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速傳遞給發(fā)電轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊，發(fā)電轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊經(jīng)勵磁電流控制模塊調(diào)節(jié)混合勵磁電機的勵磁電流。

內(nèi)燃機需求扭矩和混合勵磁電機需求扭矩由增程裝置控制器的起動轉(zhuǎn)速控制及扭矩分配模塊計算；起動轉(zhuǎn)速控制及扭矩分配模塊將內(nèi)燃機需求扭矩傳遞給內(nèi)燃機扭矩協(xié)調(diào)控制模塊確定目標(biāo)進氣量、目標(biāo)噴油量和目標(biāo)點火正時；目標(biāo)進氣量、噴油量和點火正時傳遞給進氣、噴油及點火控制模塊，完成進氣、噴油和點火的底層控制。起動轉(zhuǎn)速控制及扭矩分配模塊將混合勵磁電機需求扭矩傳遞給電機逆變扭矩控制模塊確定弱磁控制占空比和逆變控制占空比，其中弱磁控制占空比由弱磁控制模塊輸出后實現(xiàn)混合勵磁電機弱磁控制。

本發(fā)明的有益效果：

1.將混合勵磁電機應(yīng)用于電動汽車內(nèi)燃發(fā)電增程裝置，電機三相端子經(jīng)不控整流器與整車直流母線相連。由于混合勵磁電機的氣隙磁場可以通過改變電勵磁繞組中勵磁電流的大小來進行靈活平滑調(diào)整，因而增程裝置即便在不同發(fā)電轉(zhuǎn)速下也可以借助氣隙磁場調(diào)節(jié)維持發(fā)電電壓/發(fā)電功率的穩(wěn)定，完全實現(xiàn)了電動汽車增程裝置的發(fā)電轉(zhuǎn)速與發(fā)電電壓/發(fā)電功率的解耦，無需依賴可控整流器件或dc/dc等外部支撐電路，控制難度較小、成本較低。

2.混合勵磁電機應(yīng)用于電動汽車內(nèi)燃發(fā)電增程裝置，以較低成本實現(xiàn)了增程裝置發(fā)電轉(zhuǎn)速與發(fā)電電壓/發(fā)電功率的完全解耦。由于增程裝置的油耗、排放特性與其具體運行的工況即發(fā)電轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率密切相關(guān)，對于特定的發(fā)電功率需求存在兼顧油耗和排放要求的最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速?；旌蟿畲旁龀萄b置發(fā)電轉(zhuǎn)速和發(fā)電電壓/發(fā)電功率的解耦特性為功率跟隨模式下不同發(fā)電功率請求時的最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速控制提供了便利，保證了增程裝置發(fā)電過程中始終具有較佳的油耗和排放。

3.混合勵磁電機應(yīng)用于電動汽車內(nèi)燃發(fā)電裝置有恒功率調(diào)速范圍寬等特點。由于混合勵磁電機的氣隙磁場具有靈活調(diào)節(jié)的特性，因而增程裝置在逆變起動階段，增程裝置控制器可以借助氣隙磁場調(diào)節(jié)實現(xiàn)混合勵磁電機的弱磁控制，拓寬混合勵磁電機調(diào)速范圍，配合電機逆變扭矩控制和內(nèi)燃機扭矩協(xié)調(diào)控制，達到增程裝置高速直接起動的目的，從而提升增程裝置的功率響應(yīng)速度，改善其起動及瞬態(tài)過程的油耗/排放。

附圖說明

圖1為基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置示意圖；

圖2為基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置起動控制圖；

圖3為基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置發(fā)電控制圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置，包括內(nèi)燃機8、混合勵磁電機7、不控整流器6、逆變器5和增程裝置控制器1。內(nèi)燃機8主要用于燃料燃燒和熱功轉(zhuǎn)換，將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動混合勵磁電機7發(fā)電；混合勵磁電機7兼具起動電機和發(fā)電機功能，用于增程裝置的高速起動和起動后的高效發(fā)電；不控整流器6用于增程裝置發(fā)電工況下將混合勵磁電機產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；逆變器5用于增程裝置起動工況下控制混合勵磁電機倒拖并起動內(nèi)燃機；增程裝置控制器1用于接受整車控制器2的控制指令，完成增程裝置的按需起停和發(fā)電功率調(diào)整，并將當(dāng)前狀態(tài)反饋給整車控制器。增程裝置組成及與整車電氣連接示意圖，如圖1所示。

內(nèi)燃機和混合勵磁電機之間采用共軸機械直連的方式進行耦合，混合勵磁電機三相端子經(jīng)不控整流器和逆變器與整車直流母線相連?；旌蟿畲烹姍C的氣隙磁場由永磁體和電勵磁共同產(chǎn)生，永磁感應(yīng)電勢和電勵磁感應(yīng)電勢在定子繞組內(nèi)疊加，通過調(diào)節(jié)電勵磁繞組中的勵磁電流可平滑調(diào)節(jié)氣隙磁場強度，靈活控制電勵磁感應(yīng)電勢從而調(diào)節(jié)混合勵磁電機的輸出電壓，因而特別適用于輸出電壓要求穩(wěn)定的發(fā)電機和要求恒功率調(diào)速范圍寬的電動機。一方面，混合勵磁電機輸出電壓穩(wěn)定的特性，使得增程裝置控制器在增程裝置發(fā)電階段，可以借助勵磁電流和氣隙磁場調(diào)節(jié)實現(xiàn)混合勵磁電機向整車直流母線穩(wěn)定的發(fā)電功率輸出，避免了復(fù)雜可控整流器件或雙向dc/dc，降低系統(tǒng)控制難度和成本。另一方面，混合勵磁電機氣隙磁場調(diào)節(jié)靈活的特性，使得增程裝置控制器在增程裝置逆變起動階段，可以借助氣隙磁場調(diào)節(jié)實現(xiàn)混合勵磁電機的弱磁控制，拓寬混合勵磁電機調(diào)速范圍，達到增程裝置高速直接起動的目的，從而提升功率響應(yīng)速度，改善起動及瞬態(tài)過程的油耗/排放。

該基于內(nèi)燃機和混合勵磁電機的電動汽車增程裝置，主要存在兩種工況運行模式：起動工況運行模式和發(fā)電工況運行模式。起動工況運行模式示意圖如圖2所示，發(fā)電工況運行模式示意圖如圖3所示。

起動工況運行模式下，由動力電池4供電，通過逆變和弱磁控制混合勵磁電機7倒拖內(nèi)燃機8，完成增程裝置的高速起動，能量流向如圖2箭頭所示。增程裝置起動工況具體控制流程為：增程裝置控制器1接收整車控制器2的起動信號和發(fā)電需求功率信號，同時將增程裝置起動過程實時狀態(tài)發(fā)送給整車控制器2。增程裝置控制器1根據(jù)接收到的發(fā)電需求功率通過查詢最佳發(fā)電工況脈普圖確定最佳目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速。增程裝置實際轉(zhuǎn)速由混合勵磁電機7的轉(zhuǎn)速傳感器進行實時檢測。根據(jù)增程裝置目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速偏差，由起動轉(zhuǎn)速控制及扭矩分配模塊13計算內(nèi)燃機需求扭矩和混合勵磁電機需求扭矩。內(nèi)燃機需求扭矩傳遞給內(nèi)燃機扭矩協(xié)調(diào)控制模塊10，根據(jù)內(nèi)燃機扭矩模型確定目標(biāo)進氣量、目標(biāo)噴油量和目標(biāo)點火正時。目標(biāo)進氣量、噴油量和點火正時傳遞給進氣、噴油及點火控制模塊9，完成進氣、噴油和點火的底層控制?；旌蟿畲烹姍C需求扭矩傳遞給電機逆變扭矩控制模塊12，根據(jù)混合勵磁電機需求扭矩確定弱磁控制占空比和逆變控制占空比，其中弱磁控制占空比由弱磁控制模塊11輸出后實現(xiàn)混合勵磁電機弱磁控制，逆變控制占空比由逆變器5輸出后實現(xiàn)混合勵磁電機逆變控制。逆變占空比產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號由混合勵磁電機7的轉(zhuǎn)速傳感器提供。動力電池4提供的高壓直流電經(jīng)逆變器5實現(xiàn)直流交流轉(zhuǎn)換，配合弱磁控制模塊11的弱磁控制，驅(qū)動混合勵磁電機7作為起動電機工作，倒拖內(nèi)燃機8實現(xiàn)增程裝置起動。混合勵磁電機7的轉(zhuǎn)速傳感器將增程裝置實際轉(zhuǎn)速實時反饋給增程裝置控制器1的起動轉(zhuǎn)速控制及扭矩分配模塊13，實現(xiàn)增程裝置起動轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。隨著增程裝置起動過程的進行，內(nèi)燃機8進氣、噴油、點火過程逐步發(fā)展，內(nèi)燃機8輸出扭矩逐漸由起動反向倒拖扭矩變?yōu)檎蜉敵雠ぞ?，混合勵磁電機7驅(qū)動需求扭矩逐漸變小。當(dāng)增程裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速，混合勵磁電機7驅(qū)動需求扭矩降為零時，增程裝置完成起動過程。

在發(fā)電工況運行模式下，由內(nèi)燃機8驅(qū)動混合勵磁電機7發(fā)電，經(jīng)不控整流器6整流后給動力電池4充電或提供驅(qū)動電機3等電氣負載所需電能，能量流向如圖3箭頭所示。增程裝置發(fā)電工況具體控制流程為：增程裝置控制器1接收整車控制器2的功率請求信號，同時將增程裝置發(fā)電過程實時狀態(tài)發(fā)送給整車控制器2。增程裝置控制器1中的穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況給定及功率閉環(huán)模塊16根據(jù)接收到的發(fā)電需求功率，通過查詢最佳發(fā)電工況脈普圖確定內(nèi)燃機需求扭矩和最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速。內(nèi)燃機需求扭矩傳遞給內(nèi)燃機扭矩協(xié)調(diào)控制模塊10，根據(jù)內(nèi)燃機扭矩模型確定目標(biāo)進氣量、目標(biāo)噴油量和目標(biāo)點火正時。目標(biāo)進氣量、噴油量和點火正時傳遞給進氣、噴油及點火控制模塊9，完成進氣、噴油和點火的底層控制。最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速傳遞給發(fā)電轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊15?；旌蟿畲烹姍C7的轉(zhuǎn)速傳感器將增程裝置實際轉(zhuǎn)速實時反饋給增程裝置控制器1的發(fā)電轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊15。發(fā)電轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊15根據(jù)增程裝置實際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速差值，經(jīng)勵磁電流控制模塊14調(diào)節(jié)混合勵磁電機7的勵磁電流，完成增程裝置發(fā)電轉(zhuǎn)速的底層閉環(huán)控制。不控整流器6輸出直流母線安裝有發(fā)電電壓傳感器和電流傳感器，根據(jù)當(dāng)前發(fā)電電壓傳感器和電流傳感器反饋的發(fā)電電壓和發(fā)電電流可以計算實際發(fā)電功率并反饋給增程裝置控制器1中的穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況給定及功率閉環(huán)模塊16，根據(jù)目標(biāo)發(fā)電需求功率和實際發(fā)電功率差值，遵循最佳發(fā)電工況脈普圖調(diào)整內(nèi)燃機需求扭矩和最佳發(fā)電轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)增程裝置發(fā)電需求功率的閉環(huán)控制。