專利名稱：一種多動力單元耦合的混合動力總成及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合動力總成驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代交通工具(車、船)和機械設(shè)備用驅(qū)動裝置(工程機械、農(nóng)業(yè)機械)大量采用汽油和柴油燃料作為能源，排放對環(huán)境的影響日益加劇，不可再生能源的過度開采，世界也將無法承受。能源與環(huán)境關(guān)系到國家的經(jīng)濟命脈和人類的可持續(xù)發(fā)展。節(jié)能減排、降低人類對化石能源的過度依賴，發(fā)展基于驅(qū)動技術(shù)的重大升級和轉(zhuǎn)型，是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)對能源安全、氣候變化和結(jié)構(gòu)升級問題的重要突破口。純電動交通工具作為新能源交通一個重要發(fā)展方向具有廣闊的前景，但在電池技術(shù)沒有取得顯著改善、充換電標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)設(shè)施沒有得到統(tǒng)一和大規(guī)模實施以及沒有一種好的運營模式前，純電動交通工具存在較大的運用障礙，混合動力交通工具是向純電動交通工具過渡的一個公認(rèn)的主流技術(shù)方向之一。目前國內(nèi)外眾多企業(yè)和科研院所在汽車動力的升級轉(zhuǎn)型中做了大量積極的研究探索，取得了一些成果和突破。如中國專利CN102133856公開了一種采用雙電機轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動方式的雙動力耦合驅(qū)動總成，但它采用行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合作為動力的耦合裝置，在滿足車輛在行駛過程中的功率需求時存在一定的局限性。中國專利CN101020410公開了一種混合動力汽車用的動力耦合裝置，但該裝置是采用傳統(tǒng)的差速器，中國專利CN 101920654 A公開了一種雙電機多離合器混合動力系統(tǒng)，但該種動力系統(tǒng)由于米用多離合器及一級或兩級減速裝置，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和故障率。中國專利CN 101966821 A公開了一種采用一次電池或二次電池為增程電源的方式實現(xiàn)純電動載荷的增程，但該種方式在現(xiàn)有的電池技術(shù)水平下存在一定的難度；中國專利CN 101870264 A公開了一種采用微型燃?xì)廨啺l(fā)電機組發(fā)電增程，中國專利CN 101734251 A公開了一種采用發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電增程， 但這種燃油或燃?xì)庑驮龀淌诫妱虞d荷本質(zhì)上是一種串聯(lián)式動力總成，發(fā)動機不直接參與驅(qū)動，在長途高速行駛時，由于存在多次能源轉(zhuǎn)換，整體效率偏低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種能提高混合動力總成效率、降低單個動力單元要求，增加混合動力適用性、提高可靠性的多動力單元耦合的混合動力總。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。一種多動力單元耦合的混合動力總成，包括輔助動力及發(fā)電單元、離合器、驅(qū)動電機、變速箱、啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器、動力總線、蓄電池、充電接口 ；輔助動力及發(fā)電單兀包括內(nèi)燃機和啟動發(fā)電一體機，內(nèi)燃機的飛輪直接與啟動發(fā)電一體機的轉(zhuǎn)子相連，啟動發(fā)電一體機的轉(zhuǎn)子通過離合器直接與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子輸入端相連，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的輸出端與變速箱的輸入端相連，變速箱的輸出端與載荷相連，向載荷提供動力，通過控制離合器的接合與分離，實現(xiàn)混合動力總成在純電動運行狀態(tài)、純內(nèi)燃機運行狀態(tài)、增程式運行狀態(tài)及并行運行狀態(tài)下的驅(qū)動電機與輔助動力及發(fā)電單元并行驅(qū)動、純驅(qū)動電機驅(qū)動、純內(nèi)燃機驅(qū)動、純啟動發(fā)電一體機驅(qū)動、輔助動力及發(fā)電單元驅(qū)動、內(nèi)燃機與驅(qū)動電機并行驅(qū)動、啟動發(fā)電一體機與驅(qū)動電機耦合驅(qū)動七種驅(qū)動模式；啟動發(fā)電一體機、驅(qū)動電機分別通過啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器連接到動力總線上，在動力總線上還連接蓄電池和充電接口，充電裝置與充電接口連接，通過380V交流電但不局限于380V交流電給蓄電池充電。本發(fā)明所述內(nèi)燃機為燃油型發(fā)動機或燃?xì)庑桶l(fā)動機或混合燃料 型發(fā)動機。本發(fā)明所述的多動力單元耦合的混合動力總成結(jié)構(gòu)簡單，在驅(qū)動電機與輔助動力及發(fā)電單元并行驅(qū)動時，可以提供最大的驅(qū)動功率或最大的驅(qū)動力矩；純驅(qū)動電機驅(qū)動時， 變速箱可以根據(jù)行駛工況適時工作在不同檔位上使驅(qū)動電機工作在較高效的工作區(qū)，提高了驅(qū)動電機的效率，減少污染物排放。在速度、功率、扭矩處于一定范圍內(nèi)的平穩(wěn)工作階段， 可以使用純內(nèi)燃機驅(qū)動方式，在其高效工作區(qū)工作。內(nèi)燃機發(fā)出的動力直接輸出到載荷上， 避免了多次能量的轉(zhuǎn)換，提高了混合動力總成的總體能量轉(zhuǎn)換效率，降低排放，提升經(jīng)濟性。在純啟動發(fā)電一體機驅(qū)動時，可以提供功率、扭矩與純驅(qū)動電機有所差異但同樣安靜、 清潔的驅(qū)動；在輔助動力及發(fā)電單元驅(qū)動時，可以協(xié)調(diào)內(nèi)燃機和啟動發(fā)電一體機工作，輸出適中的功率和扭矩，同時在動力性、經(jīng)濟性、排放等多種性能要求上找到較好的平衡點。內(nèi)燃機與驅(qū)動電機并行驅(qū)動時，同樣可以協(xié)調(diào)內(nèi)燃機和驅(qū)動電機工作，取得與輔助動力及發(fā)電單元驅(qū)動時相同的效果，但參數(shù)可以調(diào)整的有所差異；啟動發(fā)電一體機與驅(qū)動電機耦合驅(qū)動時，可以在安靜、清潔、節(jié)能的條件下，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供較大的功率和扭矩。由于混合動力總成可以高效地運行在純電動運行狀態(tài)、純內(nèi)燃機運行狀態(tài)、增程式運行狀態(tài)及并行運行狀態(tài)，使得混合動力總成可以高效地工作在頻繁啟停和速度載荷多變的工況， 以及連續(xù)穩(wěn)定運行的工況，提高了所述的混合動力總成的適用范圍。由于有內(nèi)燃機、啟動發(fā)電一體機及驅(qū)動電機三個動力單元且都可以單獨或任意組合地輸出動力驅(qū)動載荷，任何一個或兩個動力單元出現(xiàn)故障，可由其它動力單元驅(qū)動載荷，不僅降低單個動力單元的要求， 而且提高了動力總成的可靠性。
圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I—輔助動力及發(fā)電單兀，2 —尚合器，3—驅(qū)動電機，4一變速箱，5—載荷，6—啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器，7—驅(qū)動電機驅(qū)動控制器，8—動力總線，9一蓄電池， 10—充電接口，11—內(nèi)燃機，12—啟動發(fā)電一體機，13—充電裝置。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明包括輔助動力及發(fā)電單元I、離合器2、驅(qū)動電機3、變速箱4、 啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器6、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器7、動力總線8、蓄電池9、充電接口 10 ； 輔助動力及發(fā)電單元I包括內(nèi)燃機11和啟動發(fā)電一體機12,內(nèi)燃機11的飛輪直接與啟動發(fā)電一體機12的轉(zhuǎn)子相連，啟動發(fā)電一體機12的轉(zhuǎn)子通過離合器2直接與驅(qū)動電機3的轉(zhuǎn)子輸入端相連，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的輸出端與變速箱4的輸入端相連，變速箱4的輸出端與載荷5相連，向載荷5提供動力，通過控制離合器2的接合與分離，實現(xiàn)驅(qū)動電機3與輔助動力及發(fā)電單元I并行驅(qū)動、純驅(qū)動電機3驅(qū)動、純內(nèi)燃機11驅(qū)動、純啟動發(fā)電一體機12驅(qū)動、輔助動力及發(fā)電單元I驅(qū)動、內(nèi)燃機11與驅(qū)動電機3并行驅(qū)動、啟動發(fā)電一體機12與驅(qū)動電機3耦合驅(qū)動七種驅(qū)動模式。所述載荷5通常為車輛的驅(qū)動輪或船只的驅(qū)動槳或機械設(shè)備的執(zhí)行運行機構(gòu)。啟動發(fā)電一體機12、驅(qū)動電機3分別通過啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器6、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器7連接到動力總線8上，在動力總線8上還連接蓄電池9和充電接口 10，充電裝置13與充電接口 10連接，通過380V交流電但不局限于380V交流電給蓄電池9充電。所述內(nèi)燃機11可用燃油型發(fā)動機，也可用燃?xì)庑桶l(fā)動機，還可用混合燃料型發(fā)動機。蓄電池9用于向驅(qū)動電機3及啟動發(fā)電一體機12提供電能和存儲輔助動力及發(fā)電單元I轉(zhuǎn)換的電能及載荷制動回饋的電能。本多動力單元稱合的混合動力總成電功率比不小于50%。本發(fā)明所述及的輔助動力及發(fā)電單元I、離合器2、驅(qū)動電機3、變速箱4、載荷5、啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器6、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器、動力總線8、蓄電池9、充電接口 10、內(nèi)燃機11、啟動發(fā)電一體機12、充電裝置13等均可采用現(xiàn)有技術(shù)裝置，也可自行設(shè)計制造。采用本發(fā)明的多動力單元耦合的混合動力總成，通過不同的控制方法，可以對載荷5分別實現(xiàn)純電動運行狀態(tài)、純內(nèi)燃機運行狀態(tài)、增程式運行狀態(tài)及并行運行狀態(tài)。純電動運行狀態(tài)的控制方法有三種一是離合器2斷開，輔助動力及發(fā)電單元I停止工作，由驅(qū)動電機3直接驅(qū)動載荷5運行；二是離合器2接合，驅(qū)動電機3和內(nèi)燃機11不工作，由啟動發(fā)電一體機12直接驅(qū)動載荷5運行；三是離合器2接合，而內(nèi)燃機11停止工作，啟動發(fā)電一體機12和驅(qū)動電機3耦合共同驅(qū)動載荷5運行。純內(nèi)燃機運行狀態(tài)的控制方法是一是內(nèi)燃機11啟動，離合器2接合，啟動發(fā)電一體機12和驅(qū)動電機3不工作，內(nèi)燃機11驅(qū)動載荷5運行；二是內(nèi)燃機11啟動，離合器2接合，驅(qū)動電機3不工作，內(nèi)燃機11驅(qū)動載荷5運行，同時根據(jù)驅(qū)動載荷后剩余動力的情況及蓄電池9的荷電狀態(tài)，內(nèi)燃機11驅(qū)動啟動發(fā)電一體機12發(fā)電,適時給蓄電池9充電。增程式運行狀態(tài)的控制方法是離合器2分離，輔助動力及發(fā)電單元I啟動并開始發(fā)電，啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器6通過動力總線8給驅(qū)動電機3供電或給蓄電池9充電或給驅(qū)動電機3供電并同時給蓄電池9充電。并行運行狀態(tài)的控制方法有三種，一是內(nèi)燃機11啟動，離合器2接合，啟動發(fā)電一體機12不工作，內(nèi)燃機11與驅(qū)動電機3共同驅(qū)動載荷5運行；二是內(nèi)燃機11啟動，離合器 2接合，驅(qū)動電機3不工作，內(nèi)燃機11與啟動發(fā)電一體機12共同驅(qū)動載荷5運行；三是內(nèi)燃機11啟動，離合器2接合，內(nèi)燃機11與啟動發(fā)電一體機12和驅(qū)動電機3共同驅(qū)動載荷 5運行。輔助動力及發(fā)電單元I根據(jù)薑電池9的荷電狀態(tài)適時給蓄電池9充電。通常可用蓄電池能量比表示蓄電池所剩電池能量與電池可存儲的總能量的百分 t匕，設(shè)定兩個蓄電池能量比數(shù)值A(chǔ)和B，A和B的取值與蓄電池的種類有關(guān)，典型地，A取值為90%, B取值為40%。本發(fā)明的混合動力總成優(yōu)先通過充電接口 10從外部補充能量，外部能量的補充方式由充電裝置13提供。充電裝置包含地面充電裝置、移動充電裝置、自帶充電裝置三種充電裝置。在蓄電池9的能量比高于A時，所述的混合動力總成工作在純電動運行狀態(tài)，在上述三種純電運行狀態(tài)下，變速箱4均可根據(jù)不同的工況自動切換到合適的檔位，使驅(qū)動電機3工作在較高效率區(qū)。在蓄電池的能量比低于B時，輔助動力及發(fā)電單元I開始工作， 具體地，啟動發(fā)電一體機12快速拖動內(nèi)燃機11啟動。在頻繁啟停的工況下，所述混合動力總成進入增程式運行狀態(tài)。如果驅(qū)動電機3功率需求較大，由輔助動力及發(fā)電單元I和蓄電池9通過動力總線8同時給驅(qū)動電機3提供電功率；在連續(xù)穩(wěn)定的工況下，離合器2接合，如果驅(qū)動功率需求較小，驅(qū)動電機3不工作，由內(nèi)燃機11直接驅(qū)動,如果驅(qū)動功率需求較大，由內(nèi)燃機11和驅(qū)動電機3并行驅(qū)動運行狀態(tài)。在載荷急速增加時，離合器2接合，輔助動力及發(fā)電單元I和驅(qū)動電機3共同提供動力驅(qū)動。在驅(qū)動系統(tǒng)卸載或制動時，在慣性的作用下，驅(qū)動電機3進入回饋制動，回饋制動產(chǎn)生的電能給蓄電池9充電。在頻繁啟停的工況下，如果動力系統(tǒng)制動時，制動器行程百分比低于X時，驅(qū)動電機3進入滑行制動，滑行制動產(chǎn)生的電能給蓄電池9充電。制動器行程百分比X通常與載荷的加速器轉(zhuǎn)換裝置有關(guān)，典型地，X取值不大于5%。本發(fā)明通過上述各動力單元的多種耦合工種模式，為適應(yīng)復(fù)雜的驅(qū)動工況提供了多樣性的動力輸出，可以使載荷高效運行在連續(xù)穩(wěn)定的工況及頻繁啟停、變化的工況。拓寬了混合動力總成的適用范圍，使混合動力總成最大可能地在穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟的狀態(tài)下工作
權(quán)利要求
1.一種多動力單元耦合的混合動力總成，其特征在于，包括輔助動力及發(fā)電單元(I)、離合器(2)、驅(qū)動電機(3)、變速箱(4)、啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器(6)、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器(7)、動力總線(8)、蓄電池(9)、充電接口(10);輔助動力及發(fā)電單元(I)包括內(nèi)燃機(11)和啟動發(fā)電一體機(12),內(nèi)燃機(11)的飛輪直接與啟動發(fā)電一體機(12)的轉(zhuǎn)子相連,啟動發(fā)電一體機(12)的轉(zhuǎn)子通過離合器(2)直接與驅(qū)動電機(3)的轉(zhuǎn)子輸入端相連，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的輸出端與變速箱(4 )的輸入端相連，變速箱(4 )的輸出端與載荷(5 )相連，向載荷(5 )提供動力，通過控制離合器(2)的接合與分離，實現(xiàn)混合動力總成在純電動運行狀態(tài)、純內(nèi)燃機運行狀態(tài)、增程式運行狀態(tài)及并行運行狀態(tài)下的驅(qū)動電機(3)與輔助動力及發(fā)電單元(I)并行驅(qū)動、純驅(qū)動電機(3 )驅(qū)動、純內(nèi)燃機(11)驅(qū)動、純啟動發(fā)電一體機(12 )驅(qū)動、輔助動力及發(fā)電單元(I)驅(qū)動、內(nèi)燃機(11)與驅(qū)動電機(3)并行驅(qū)動、啟動發(fā)電一體機(12)與驅(qū)動電機(3 )耦合驅(qū)動七種驅(qū)動模式；啟動發(fā)電一體機(12 )、驅(qū)動電機(3 )分別通過啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器(6)、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器(7)連接到動力總線(8)上，在動力總線(8)上還連接蓄電池(9)和充電接口( 10)，充電裝置(13)與充電接口(10)連接，通過380V交流電但不局限于380V交流電給蓄電池(9)充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多動力單元耦合的混合動力總成，其特征在于，所述內(nèi)燃機(11)為燃油型發(fā)動機或燃?xì)庑桶l(fā)動機或混合燃料型發(fā)動機。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種多動力單元耦合的混合動力總成的控制方法，其特征在于，控制混合動力總成為純電動運行狀態(tài)，具體控制方法有以下三種 I.離合器(2)斷開，輔助動力及發(fā)電單元(I)停止工作，由驅(qū)動電機(3)直接驅(qū)動載荷(5)運行； .2離合器(2)接合，驅(qū)動電機(3)和內(nèi)燃機(11)不工作，由啟動發(fā)電一體機(12)直接驅(qū)動載荷(5)運行； !離合器(2)接合，內(nèi)燃機(11)停止工作，啟動發(fā)電一體機(12)和驅(qū)動電機(3)耦合共同驅(qū)動載荷(5)運行。
4.如權(quán)利要求I或2所述的一種多動力單元耦合的混合動力總成的控制方法，其特征在于，控制混合動力總成為純內(nèi)燃機運行狀態(tài)，具體控制方法有以下兩種 I:內(nèi)燃機(11)啟動，離合器(2 )接合，啟動發(fā)電一體機(12 )和驅(qū)動電機(3 )不工作，內(nèi)燃機(11)驅(qū)動載荷(5)運行； I內(nèi)燃機(11)啟動，離合器(2)接合，驅(qū)動電機(3)不工作，內(nèi)燃機(11)驅(qū)動載荷(5)運行，同時根據(jù)驅(qū)動載荷后剩余動力的情況及蓄電池(9)的荷電狀態(tài)，內(nèi)燃機(11)驅(qū)動啟動發(fā)電一體機(12)發(fā)電,適時給蓄電池(9)充電。
5.如權(quán)利要求I或2所述的一種多動力單元耦合的混合動力總成的控制方法，其特征在于，控制混合動力總成為增程式運行狀態(tài)，控制方法是離合器(2)分離，輔助動力及發(fā)電單元(I)啟動并開始發(fā)電，啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器(6 )通過動力總線(8 )給驅(qū)動電機(3 )供電或給蓄電池(9 )充電或給驅(qū)動電機(3 )供電并同時給蓄電池(9 )充電。
6.如權(quán)利要求I或2所述的一種多動力單元耦合的混合動力總成的控制方法，其特征在于，控制混合動力總成為并行運行狀態(tài)，具體控制方法有以下三種X內(nèi)燃機(11)啟動，離合器(2)接合，啟動發(fā)電一體機(12)不工作，內(nèi)燃機(11)與驅(qū)動電機(3)共同驅(qū)動載荷(5)運行 2內(nèi)燃機(11)啟動，離合器(2)接合，驅(qū)動電機(3)不工作，內(nèi)燃機(11)與啟動發(fā)電一體機(12)共同驅(qū)動載荷(5)運行； f內(nèi)燃機(11)啟動，離合器(2)接合，內(nèi)燃機(11)與啟動發(fā)電一體機(12)和驅(qū)動電機(3)共同驅(qū)動載荷(5)運行，輔助動力及發(fā)電單元(I)根據(jù)重電池(9)的荷電狀態(tài)適時給蓄電池(9)充電。
全文摘要
一種多動力單元耦合的混合動力總成及其控制方法，包括輔助動力及發(fā)電單元(1)、離合器(2)、驅(qū)動電機(3)、變速箱(4)、啟動發(fā)電一體機驅(qū)動控制器(6)、驅(qū)動電機驅(qū)動控制器(7)、動力總線(8)、蓄電池(9)、充電接口(10)。通過控制離合器的接合與分離，實現(xiàn)混合動力總成的純電動運行狀態(tài)、純內(nèi)燃機運行狀態(tài)、增程式運行狀態(tài)及并行運行狀態(tài)。本發(fā)明能提高混合動力總成效率、降低單個動力單元要求，增加混合動力適用性、提高可靠性。
文檔編號B63H21/20GK102616128SQ20121005321
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者傅亞力, 劉海風(fēng), 尚高海, 朱朝暉, 李濤, 梁志強, 肖仁鑫, 鄒朝普, 黃云 申請人:昆明船舶設(shè)備集團有限公司