一种混合动力汽车动力系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种混合动力汽车动力系统，包括发动机(1)、电机(3)、主离合器(4)、变速器(5)、传动轴(6)及动力系统电控单元，其中发动机(1)的曲轴、电机(3)的轴、主离合器(4)的轴及变速器(5)的输入轴按上述的顺序同轴线设置并互相连接，在发动机(1)与电机(3)之间，设电磁离合器(2)，其轴与发动机(1)和电机(3)为同轴线的连接。本发明在从纯电动模式向混合动力模式过渡，或从混合动力模式向纯电动模式过渡时，通过操纵两个离合器可以使过渡平顺，避免产生冲击，减小了油耗，降低了排放。

权利要求

1、一种混合动力汽车动力系统，包括发动机(1)、电机(3)、主离合器(4)、 变速器(5)、传动轴(6)及动力系统电控单元，其中发动机(1)的曲轴、电 机(3)的轴、主离合器(4)的轴及变速器(5)的输入轴按上述的顺序同轴线 设置并互相连接；在发动机(1)与电机(3)之间，设电磁离合器(2)，其轴 与发动机(1)和电机(3)为同轴线的连接；在该动力系统中设高压电池(9) 及高压接线保险盒(10)、逆变器(13)，所述的电机(3)通过逆变器(13)、 高压接线保险盒(10)与高压电池(9)进行电路连接；在该动力系统中设其它 车用电动装置(11)，所述的其它车用电动装置(11)包括电动转向设备、电动 空调设备和电动真空泵，所述的高压电池(9)通过高压接线保险盒(10)与其 它车用电动装置(11)进行电路连接，高压接线保险盒(10)的电流分别提供 给其它车用电动装置(11)，所提供的电力为两相高压电；在该动力系统中设稳 压器(12)，所述的混合动力汽车中设低压电池(8)和车载低压用电装置(7)， 所述的车载低压用电装置(7)包括电控设备、照明设备、信号设备、音响设备 和仪器仪表，所述的高压电池(9)通过高压接线保险盒(10)、稳压器(12) 与低压电池(8)的输入端进行电路连接；所述的低压电池(8)的输出端与车 载低压用电装置(7)进行电路连接，其特征在于：所述的电机(3)集成在发 动机(1)的曲轴或变速器(5)的输入轴上；所述的电机(3)驱动车轮、发电 充电和启动发动机(1)；所述的发动机(1)、电磁离合器(2)、电机(3)、主 离合器(4)、变速器(5)、传动轴(6)及高压电池(9)均设有传感器并均与 动力系统电控单元进行电路连接；所述的发动机(1)、电磁离合器(2)、电机 (3)、主离合器(4)、变速器(5)、传动轴(6)及高压电池(9)均设有接收 动力系统电控单元的指令的电路，并与动力系统电控单元连接；所述的电机(3) 与高压电池(9)的连接电路为两相高压直流电路；电机(3)通过三相电缆与 逆变器(13)相连；高压接线保险盒(10)用来连接所有的外接电路；逆变器 (13)将高压电池(9)的两相高压直流电转变为电机(3)所需的三相高压交 流电，或者将电机(3)产生的交流电转变为直流电，由高压电池(9)存储； 所述的高压接线保险盒(10)的电流供给低压电池(8)，低压电池(8)的电压 为12V；稳压器(12)使高压电池(9)产生的高压电流转换为各车载低压用电 装置(7)所需的12V低压电流。

2、按照权利要求1所述的混合动力汽车动力系统所采用的控制方法，由动 力系统电控单元获取汽车动力系统各部件运行参数，接受操作运行指令，根据 分析、判断的结果向汽车动力系统各部件发出动作指令，采用电磁离合器(2) 使发动机(1)与电机(3)的结合与分离的不同组合，实现混合动力汽车动力 系统的电机(3)驱动模式、发动机(1)驱动模式或其它工作模式之间的互相 转换，其特征在于：所述的混合动力汽车动力系统按以下工作模式，由动力系 统电控单元对汽车运行的不同阶段分别进行控制：模式a、发动机(1)驱动：车辆高速巡航时，电磁离合器(2)和主离合器 (4)结合，电机(3)无电流输入或输出，发动机(1)动力输出，通过电磁离 合器(2)、电机(3)、主离合器(4)、变速器(5)到传动轴(6)，最后驱动车 轮；

模式b、发动机(1)驱动、电机(3)发电：高压电池(9)电量不足或发 动机(1)燃油经济性不高时，电磁离合器(2)和主离合器(4)结合，发动机 (1)的驱动同模式a，同时电机(3)发电产生交流电，通过逆变器(13)转化 为直流电存储在高压电池(9)中；

模式c、电机(3)辅助驱动：在车辆需要较大驱动力时，电磁离合器(2) 和主离合器(4)结合，发动机(1)的驱动同模式a，同时，电机(3)由高压 电池(9)经过逆变器(13)供电，处于驱动状态，其动力经主离合器(4)、变 速器(5)到传动轴(6)，最后驱动车轮；

模式d、电机(3)驱动：在车辆低速或低负荷时，电磁离合器(2)分离， 主离合器(4)结合，发动机(1)停止运行，电机(3)驱动同模式c；

模式e、电机(3)再生发电：在刹车或减速时，电磁离合器(2)分离，主 离合器(4)结合，发动机(1)停止运行，由车轮传来的动力经过传动轴(6)、 变速器(5)和主离合器(4)传递至电机(3)，电机(3)发电产生交流电，通 过逆变器(13)转化为直流电存储在高压电池(9)中；

模式f、零车速电机(3)发电：在车辆停止运行时，电磁离合器(2)结合， 主离合器(4)分离，发动机(1)驱动电机(3)发电产生交流电，通过逆变器 (13)转化为直流电存储在高压电池(9)中；

模式g、行驶中发动机(1)启动：当车辆运行处于模式d)、发动机(1) 停止工作时，电磁离合器(2)分离，主离合器(4)结合，需要启动发动机(1) 时，首先稍微分开主离合器(4)，同时增加电机(3)的扭矩，然后结合电磁离 合器(2)，用电机(3)增加的扭矩来启动发动机(1)，随后逐渐增加发动机(1) 的扭矩，同时逐渐减小电机(3)的扭矩，最后使主离合器(4)结合，发动机 (1)被启动；

模式h、停车后发动机(1)冷启动：长时停车后重新启动时，首先启动电 机(3)，再使电磁离合器(2)结合，发动机(1)被启动，然后再结合主离合 器(4)；

模式i、停车后发动机(1)热启动：在短时停车且暂时停止发动机(1)之 后又迅速启动发动机(1)时，电机(2)连续运行，使电磁离合器(2)结合， 主离合器(4)分开，利用电机(3)的扭矩启动发动机(1)，发动机(1)启动 后再结合主离合器(4)。

说明书

技术领域

本发明属于汽车构造的技术领域，涉及汽车的动力系统，更具体地说，本 发明涉及一种混合动力汽车动力系统。本发明还涉及所述的混合动力汽车动力 系统的控制方法。

背景技术

目前，已经公开运用的混合动力汽车的动力系统有以下几种技术方案：
具备纯电动驱动模式的混合动力车的电动装置由于要实现发电、驱动、启 动发动机等众多功能，往往采用两个电机和两套电机控制系统，其中一个负责 驱动，另一个负责启动和发电，两个电机都采用高压系统，这无疑增加了成本， 造成系统复杂。
而对于将电机集成在发动机和变速箱之间，并与曲轴和变速箱输入轴同轴 的混合动力车(ISG)，虽然结构紧凑，系统简单，ISG混合动力车无纯电动模 式和采用类似行星轮结构的混合动力车结构复杂、成本高的缺点；但都没有采 用纯电动驱动的模式。这是因为在从纯电动模式向纯内燃机模式或其它模式过 渡时，电机一边要负责驱动，一边要负责启动发动机，对系统会造成冲击，影 响驾驶舒适性。
中国专利号为CN1637327的专利文献公开了一种混合动力电动汽车的双离 合器变速装置以及操作该装置的方法，但该专利主要涉及的是变速箱结构，并 未解决上述存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种混合动力汽车动力系统，其目的是采用 一种结构简单、紧凑和高效的混合动力系统，克服具备纯电动模式的混合动力 车在模式切换时的产生的冲击。
为了实现上述目的，本发明采取的一系列的技术方案为：
所提供的这种混合动力汽车动力系统，包括发动机、电机、主离合器、变 速器、传动轴及动力系统电控单元，其中发动机的曲轴、电机的轴、主离合器 的轴及变速器的输入轴按上述的顺序同轴线设置并互相连接，在发动机与电机 之间，设电磁离合器，其轴与发动机和电机为同轴线的连接。
本发明的电机的电源系统的技术方案为：在该动力系统中设高压电池及高 压接线保险盒、逆变器，所述的电机通过逆变器、高压接线保险盒与高压电池 进行电路连接。
车用电动装置的电源技术方案为：在该动力系统中设其它车用电动装置， 包括电动转向设备、电动空调设备和电动真空泵，所述的高压电池通过高压接 线保险盒与其它车用电动装置进行电路连接。
车载低压用电装置的电源技术方案为：在该动力系统中设稳压器，所述的 混合动力汽车中设低压电池和车载低压用电装置，所述的车载低压用电装置包 括电控设备、照明设备、信号设备、音响设备和仪器仪表，所述的高压电池通 过高压接线保险盒、稳压器与低压电池的输入端进行电路连接；所述的低压电 池的输出端与车载低压用电装置进行电路连接。
动力系统电控单元(ECU)与各构件的连接技术方案为：所述的发动机、 电磁离合器、电机、变速器及高压电池均设有传感器并均与动力系统电控单元 (ECU)进行电路连接；所述的发动机、电磁离合器、电机、变速器及高压电 池均设有接收动力系统电控单元(ECU)的指令的电路，并与动力系统电控单 元(ECU)连接。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了这种混合动力 汽车动力系统所采用的控制方法，其技术方案为：
所述的混合动力汽车动力系统所采用的控制方法，由动力系统电控单元获 取汽车动力系统各部件运行参数，接受操作运行指令，根据分析、判断的结果 向汽车动力系统各部件发出动作指令，采用电磁离合器使发动机与电机的结合 与分离的不同组合，实现混合动力汽车动力系统的电机驱动模式、发动机驱动 模式或其它工作模式之间的互相转换。
所述的混合动力汽车动力系统按以下工作模式，由动力系统电控单元对汽 车运行的不同阶段分别进行控制：
模式a、发动机驱动：车辆高速巡航时，电磁离合器和主离合器结合，电机 无电流输入或输出，发动机动力输出，通过电磁离合器、电机、主离合器、变 速器到传动轴，最后驱动车轮；
模式b、发动机驱动、电机发电：高压电池电量不足或发动机燃油经济性不 高时，电磁离合器和主离合器结合，发动机的驱动同模式a，同时电机发电产生 交流电，通过逆变器转化为直流电存储在高压电池中；
模式c、电机辅助驱动：在车辆需要较大驱动力时，电磁离合器和主离合器 结合，发动机的驱动同模式a，同时，电机由高压电池经过逆变器供电，处于驱 动状态，其动力经主离合器、变速器到传动轴，最后驱动车轮；
模式d、电机驱动：在车辆低速或低负荷时，电磁离合器分离，主离合器结 合，发动机停止运行，电机驱动同模式c；
模式e、电机再生发电：在刹车或减速时，电磁离合器分离，主离合器结合， 发动机停止运行，由车轮传来的动力经过传动轴、变速器和主离合器传递至电 机，电机发电产生交流电，通过逆变器转化为直流电存储在高压电池中；
模式f、零车速电机发电：在车辆停止运行时，电磁离合器结合，主离合器 分离，发动机驱动电机发电产生交流电，通过逆变器转化为直流电存储在高压 电池中；
模式g、行驶中发动机启动：当车辆运行处于模式d、发动机停止工作时， 电磁离合器分离，主离合器结合，需要启动发动机时，首先稍微分开主离合器， 同时增加电机的扭矩，然后结合电磁离合器，用电机增加的扭矩来启动发动机， 随后逐渐增加发动机的扭矩，同时逐渐减小电机的扭矩，最后使主离合器结合， 发动机被启动；
模式h、停车后发动机冷启动：长时停车后重新启动时，首先启动电机，再 使电磁离合器结合，发动机被启动，然后再结合主离合器；
模式i、停车后发动机热启动：在短时停车且暂时停止发动机之后又需要启 动发动机时，电机连续运行或从停止状态启动，然后使电磁离合器结合，主离 合器分开，利用电机的扭矩启动发动机，发动机启动后再结合主离合器。
采用上述技术方案，使本发明在从纯电动模式向混合动力模式过渡，或从 混合动力模式向纯电动模式过渡时，通过操纵两个离合器可以使过渡平顺，避 免产生冲击；电机与发动机和变速箱同轴，可以用电机迅速启动发动机；可以 利用电机转子的转动惯量来帮助启动发动机，从而可以取消或减轻发动机的飞 轮；只采用一个高压的电机，负责驱动、发电和启动发动机，大幅降低了成本； 结构紧凑，对车身内的空间占用较少；电机和发动机同轴，转速一致，可以通 过使电机工作来改变发动机的负荷，使发动机工作在最佳燃油效率点；刹车时， 可以使大电机工作在发电状态来回收能量，实现减少排放，提高能源的利用率 的目的。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明的结构及连接关系示意图。
图中标记为：1、发动机，2、电磁离合器，3、电机，4、主离合器，5、变 速器，6、传动轴，7、车载低压用电装置，8、低压电池，9、高压电池，10、 高压接线保险盒，11、其它车用电动装置，12、稳压器，13、逆变器，14、电 源装置。

具体实施方式

下面对照附图，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、 各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺，以 及本发明涉及的混合动力汽车动力系统操作使用和控制方法等，通过对实施例 的描述来作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、 技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所表达的本发明的结构，本发明为一种混合动力汽车动力系统，包 括发动机1、电机3、主离合器4、变速器5、传动轴6及动力系统电控单元， 其中发动机1的曲轴、电机3的轴、主离合器4的轴及变速器5的输入轴按上 述的顺序同轴线设置并互相连接。电机与发动机和变速箱同轴，可以用电机迅 速启动发动机；可以利用电机转子的转动惯量来帮助启动发动机，从而可以取 消或减轻发动机的飞轮。电机集成在发动机曲轴或变速箱输入轴上，结构紧凑， 节省空间和成本。
图1中的虚线表示连接电路。两条虚线表示两相直流电路；三条虚线表示 三相交流电路。
已经公开使用的技术中，具备纯电动模式的混合动力汽车都是采用了两个 电机和两套电机控制系统，其中一个负责驱动，另一个负责启动和发电，两个 电机都采用高压电源系统，这无疑增加了成本，造成系统复杂。本发明只有一 个采用高压电源的大电机，负责驱动车轮、发电充电和启动发动机1，因此有效 节省了成本。
为了实现采用一种结构简单、紧凑和高效的混合动力系统，克服具备纯电 动模式的混合动力车模式在切换时产生冲击的目的，本发明采取的技术方案为： 如图1所示，所提供的这种混合动力汽车动力系统，在发动机1与电机3之间， 设电磁离合器2，其轴与发动机1和电机3为同轴线的连接。在纯电机驱动模式、 再生制动模式等模式时可以将电磁离合器2分开，从而减少发动机空转的损失。 在发动机1驱动以及电机3辅助驱动时，两个离合器同时结合。在发动机1工 作带动电机3发电时可以将主离合器4分开。在从纯电机驱动模式向混合动力 模式过渡，或从混合动力模式向纯电机驱动模式过渡时，通过操纵两个离合器 可以使过渡平顺，避免产生冲击。
本发明中的电机3及其它用电设备和装置由电源装置14提供电能，电源装 置14有以下实施例：
其中，电机3采用高压电池9为动力源，其实施方式为：在该动力系统中 设高压电池9及高压接线保险盒10、逆变器13，高压电池9与高压接线保险盒 10相连。所述的电机3通过逆变器13、高压接线保险盒10与高压电池9进行 电路连接，该电路为两相高压直流电。电机3通过三相电缆与逆变器13相连。 高压接线保险盒10用来连接所有的外接电路，并起到保险作用。逆变器13的 作用是将高压电池9的两相高压直流电转变为电机3所需的三相高压交流电， 或者将电机3产生的交流电转变为直流电，由高压电池存储起来。
在该动力系统中设其它车用电动装置11，包括电动转向设备、电动空调设 备和电动真空泵，所述的高压电池9通过高压接线保险盒10与其它车用电动装 置11进行电路连接，所提供的电力为两相高压电。高压接线保险盒10的电流 分别提供给其它电动装置11，如电动空调设备、电动转向设备和电动真空泵等。 采取上述方法，使得无论是否在纯电动模式下这些系统都可以正常工作。
在该动力系统中设稳压器12，所述的混合动力汽车中设低压电池8和车载 低压用电装置7，高压接线保险盒10的电流供给低压电池8，低压电池8的电 压为12V。稳压器12的作用是用来使高压电池9产生的高压电流转换为各车载 低压用电装置7所需的12V低压电流。所述的车载低压用电装置7包括电控设 备、照明设备、信号设备、音响设备和仪器仪表，所述的高压电池9通过高压 接线保险盒10、稳压器12与低压电池8的输入端进行电路连接；所述的低压电 池8的输出端与车载低压用电装置7进行电路连接。
本发明中，动力系统电控单元(ECU)与各构件的连接技术方案为：动力 系统电控单元(ECU)接受操作运行指令；所述的发动机1、电磁离合器2、电 机3、主离合器4、变速器5、传动轴6及高压电池9均设有传感器并均与动力 系统电控单元(ECU)进行电路连接，动力系统电控单元(ECU)获取汽车动 力系统各部分运行参数；所述的发动机1、电磁离合器2、电机3、主离合器4、 变速器5、传动轴6及高压电池9均设有接收动力系统电控单元(ECU)的指令 的电路，并与动力系统电控单元(ECU)连接，动力系统电控单元(ECU)向 汽车动力系统各部分发出动作指令。动力系统电控单元(ECU)的控制方式在 下面作介绍。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了这种混合动力 汽车动力系统所采用的控制方法，其技术方案为：
所述的混合动力汽车动力系统所采用的控制方法，由动力系统电控单元 (ECU)获取汽车动力系统各部分运行参数，接受操作运行指令，根据分析、 判断的结果向汽车动力系统各部分发出动作指令，采用电磁离合器2使发动机1 与电机3的结合与分离的不同组合，实现混合动力汽车动力系统的电机3驱动 模式、发动机1驱动模式或其它工作模式之间的互相转换。在从纯电机驱动模 式向混合动力模式过渡，或从混合动力模式向纯电机驱动模式过渡时，通过操 纵两个离合器可以使过渡平顺，避免产生冲击。
所述的混合动力汽车动力系统按以下工作模式，由动力系统电控单元 (ECU)对汽车运行的不同阶段分别进行控制：
模式a、发动机1驱动：车辆高速巡航时，电磁离合器2和主离合器4结合， 电机3无电流输入或输出，发动机1动力输出，通过电磁离合器2、电机3、主 离合器4、变速器5到传动轴6，最后驱动车轮。在高速巡航时，负载稳定，无 需电机3提供动力，对发动机1的动力需求也很均匀，所以该模式可以使发动 机1取得最佳燃油经济性。
模式b、发动机1驱动、电机3发电：高压电池9电量不足或发动机1燃油 经济性不高时，电磁离合器2和主离合器4结合，发动机1的驱动同模式a，同 时电机3发电产生交流电，通过逆变器13转化为直流电存储在高压电池9中。 这种模式主要用于高压电池9电能不足，或同时发动机1燃油经济性不高等情 况下。通过电机3发电为发动机1增加负载，又可使高压电池9获得电能储存， 使发动机1工作在燃油经济性最佳的区域。
模式c、电机3辅助驱动：在车辆需要较大驱动力时，电磁离合器2和主离 合器4结合，发动机1的驱动同模式a，同时，电机3由高压电池9经过逆变器 13供电，处于驱动状态，其动力经主离合器4、变速器5到传动轴6，最后驱动 车轮。由于电机3与发动机1同时驱动，使得传递到车轮的驱动力增加，获得 良好的动力性能。该模式主要用于车辆处在重载、爬坡和加速等需求较大驱动 力的情况下。其最大的优点在于较小排量的发动机1可以用于较大的负载的车 辆。
模式d、电机3驱动：在车辆低速或低负荷时，电磁离合器2分离，主离合 器4结合，发动机1停止运行，电机3驱动同模式c。这种模式主要工作在起步 或低负荷的情况下。废气排放为零，不消耗燃油，是最环保的一种模式。由于 发动机1在低速或低负荷时燃油经济性不高且废气排放较大，电机3在这种情 况下单独驱动可以显著减少整个循环工况的油耗和排放。
模式e、电机3再生发电：在刹车或减速时，电磁离合器2分离，主离合器 4结合，发动机1停止运行，由车轮传来的动力经过传动轴6、变速器5和主离 合器4传递至电机3，电机3发电产生交流电，通过逆变器13转化为直流电存 储在高压电池9中。这种工作模式可以回收刹车制动时的动能，将原先浪费的 能量变成电能存储，以备重载或加速时使用，有效利用再生能源。
模式f、零车速电机3发电：在车辆停止运行时，电磁离合器2结合，主离 合器4分离，发动机1驱动电机3发电产生交流电，通过逆变器13转化为直流 电存储在高压电池9中。由于其它车用电动装置11中的电动空调设备、电动转 向设备、电动真空泵以及电机3在纯电动模式的时候都会消耗比较多的电能， 为保证高压电池9有足够的能量，使发动机1带动电机3发电。由于车速为零， 没有地面负载的干扰，发动机1可以恒定在最佳燃油经济性的转速下工作。
模式g、行驶中发动机1启动：当车辆运行处于模式d、发动机1停止工作 时，电磁离合器2分离，主离合器4结合，这时又需要启动发动机1，首先分开 主离合器4，同时增加电机3的扭矩，然后使电磁离合器2结合，用电机3增加 的扭矩来启动发动机1，这个过程中主离合器4稍微分离，产生打滑以减小电机 3扭矩增加对车辆运行造成的冲击。随后逐渐增加发动机1的扭矩，同时逐渐减 小电机3的扭矩，最后使主离合器4结合，发动机1被启动，车辆从电机3驱 动状态进入以发动机1驱动为主的继续运行状态。
模式h、停车后发动机1冷启动：长时停车时，发动机1与电机3均停止工 作，电磁离合器2和主离合器4均分离。车辆启动时，首先启动电机3，再使电 磁离合器2结合，发动机1被启动，然后再结合主离合器4。电机3的先启动比 发动机1的先启动更为合理，更为节能和环保，所以，采用先启动电机3，再利 用电机3启动发动机1，最后使车辆进入以发动机1驱动为主的运行状态。
模式i、停车后发动机1热启动：在短时停车且暂时停止发动机1之后又需 要启动发动机1时，电机3连续运行或停止后重新启动，然后使电磁离合器2 结合，主离合器4分开，利用电机3的扭矩启动发动机1，发动机1启动后再结 合主离合器4。该模式用于在某些汽车不需要发动机1工作的情况下(例如等待 红灯、行人等)暂时停止发动机1之后又迅速启动发动机1的情况。在这种模 式下，当短暂停车的时候可以使发动机1停止工作，随后需要起步时又能够利 用电机3迅速启动发动机1，从而减小了油耗，降低了排放。
通过合理操纵，控制两个离合器的分离或结合状态的不同组合，电机3和 发动机1之间的配合更加合理，使得上述各模式可以相互流畅和顺利地进行切 换，减小了油耗，降低了排放，避免冲击，过渡平稳。实现了汽车在各种工作 状况下的全面的、合理有效的、最经济的和环保节能的控制。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上 述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性 的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在 本发明的保护范围之内。