一种传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法

摘要

本发明公开了一种传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法，旨在解决现有技术中开发混合动力汽车投资成本高、研发周期长的现状，在传统前置后驱内燃机汽车上加装电助力系统，其中包括蓄电池、动力耦合器、电机、混合动力控制器、电机控制器、电源管理控制器，在不改变原有整车控制系统的前提下，混合动力控制器根据整车状态信号，实时控制电机输出合适的转速和转矩，通过人‑车这一闭环系统，调节整车工作在不同模式。在增加少量部件的前提下，不仅利用了原有传统汽车的动力系统，而且具有良好的节油效果，改装快速、控制简单，可靠性高的特点。

权利要求

1.一种传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法，在传统前置后驱结构中增加电助力系统(5)，包括动力耦合器(8)，电机(9)，混合动力控制器(10)，电机控制器(11)，电池管理控制器(12)，蓄电池(13)，其特征在于，所述的电助力系统(5)不影响原有传统汽车动力系统正常工作，所述的混合动力控制器(10)控制电机(9)工作在不同模式下，配合发动机共同驱动整车，尽可能的减少整车燃油消耗；

所述的电机工作的不同模式包括以下四种模式，其一：电机工作在电动机状态，蓄电池为电机提供能量，电机和发动机同时输出动力驱动整车；其二：发动机单独工作，电机空转，蓄电池不放电也不充电；其三：电机工作在发电机状态，发动机不工作，实现制动能量回收，蓄电池充电；其四：电机和发动机都不工作，整车进行纯机械制动；对于不同模式的工作条件和工作步骤，包括以下内容：步骤一、对驾驶员意图进行识别；所述的混合动力汽车控制器采集驾驶员输入，包括加速踏板开度AccPed，制动踏板开度BrkPad，判断BrkPad是否大于零，如果大于零，则判读驾驶员需求为制动，否则判断AccPed是否大于零，如果大于零，则判断驾驶员需求为驱动，否则驾驶员需求为滑行或者停车；

步骤二、划分汽车的工作模式,并在每个工作模式下控制电机输出期望的转矩；当驾驶需求为驱动而且SOC＞SOClow时，其中SOC为蓄电池的荷电状态，SOClow为蓄电池荷电状态下门限值，汽车工作在模式二，发动机和电机共同驱动整车；所述的混合动力控制器按照式(1)计算发动机当前的输出功率，由式(2)计算电机期望的输出功率，进一步由式(3)确定电机期望的输出转矩；

式中，ig——变速箱速比

i0——主减速比

r——车轮半径

ua——汽车的车速

n——发动机的转速

Te——发动机的转矩

Pe——发动机的输出功率

式中，a——发动机输出功率变化量与电机输出功率变化量的比例系数ΔPe——发动机在相邻控制时间点的输出功率变化量

ΔPm——电机在相邻控制时间点的输出功率变化量

Pm(k)——第k次控制时电机期望的输出功率

Tm(k)＝9549Pm(k)igim/n                                               (3)式中，im——动力耦合器的减速比Tm(k)——第k次控制时电机期望的输出转矩

当驾驶需求为驱动且SOC＜SOClow时，汽车工作在模式一，发动机单独驱动整车，电机空转；

当驾驶需求为制动且SOC＜SOChigh时，其中SOChigh为蓄电池荷电状态上门限值，汽车工作在模式三，电机制动能量回收，所述的混合动力控制器由式(4)计算电机期望的制动力矩；

Tmbrk＝Tmaxbrk·b                                                      (4)式中，b——制动踏板开度占总制动踏板开度的百分比Tmaxbrk——制动能量回收时允许电机输出的最大制动阻力矩Tmbrk——制动能量回收时期望电机输出的制动阻力矩

当驾驶需求为制动且SOC＞SOChigh时，汽车工作在模式四，整车进行纯机械制动，电机不发电也不助力，以防蓄电池过充。

说明书

一种传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法

技术领域

[0001] 本发明属于汽车节能技术及新能源汽车领域，主要涉及一种传统前置后驱内燃机汽车的改装方法，更确切的说，本发明涉及一种传统前置后驱内燃机汽车快速改装成混合动力汽车的方法并具有良好节油效果，控制简单，可靠性高的特点。

背景技术

[0002] 混合动力汽车具有良好的经济性和动力性，不仅解决了纯电动汽车续驶里程短，充电频繁且充电时间长等缺点，而且还能保证发动机尽可能的工作在高效区间内，提高整车燃油经济性。但是为了实现混合动力汽车的诸多优点，量产混合动力汽车需要巨额的投资成本和漫长的研发周期，进而导致混合动力汽车相比传统汽车，市场价格偏高，难以被广大消费者接受。如果借助现有的传统内燃机汽车技术，在其上稍加改装，仅仅增加一些零部件，例如动力耦合机构、电机、动力电池等装置，在整车结构变化不大的情况下，改装后的混合动力汽车具有良好的节油效果，改装快速、控制简单，可靠性高的特点。

[0003] 当前技术针对传统内燃机汽车的改装，主要是利用原有的动力系统，外加电池、电机及其控制器等装置组合成一套电助力系统。根据现有的改装方法，一般会出现两方面的问题：一方面，改装后的汽车携带着较大的电池包，造成车重和成本增加，而且难以摆脱充电频繁、时间长等缺点，同时可靠性较差。另一方面，发动机和电机总是分时驱动的方式，进而不能利用发动机和电机之间的能量协调，造成发动机和电机工作效率普遍较低，难以达到较好的节油效果。

[0004] 现有的一些专利，如中国专利公开号为CN 104627014B，公开日为2017年11月07日，发明名称为“将燃油动力汽车改装成插电式混合动力汽车的装置”，该发明在后轮驱动结构上加装轮毂电机，与原有的动力系统分时驱动整车，提供了一种将燃油动力汽车改装为插电式混合动力汽车的方法。中国专利公开号CN 104401197A，公开日为2015年3月11日，发明名称为“一种混合动力卡车自供电系统”，该发明通过对卡车加装一套能量回收系统，实现了对振动能量和制动能量的回收，用来为卡车特定工况下提供能量补充。

[0005] 综上所述，现有改装传统内燃机汽车为混合动力汽车方面的专利，单纯的在原有的动力系统上叠加，并没有同时考虑所增加的电动系统与原有动力系统，使得这两套系统协调运行，尽可能的减少燃油消耗。因此，有必要提供一种传统内燃机汽车改装方法来弥补现有技术的不足。

发明内容

[0006] 本发明旨在缓解现有技术中开发混合动力汽车投资成本高、研发周期长的现状，而且考虑到现有的传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法较少，不能体现出混合动力汽车明显节油的效果，提出一种传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法，既利用了原有传统汽车的动力系统，而且在增加少量部件的前提下，具有良好节油效果、改装快速、控制简单的特点。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

[0008] 一种传统前置后驱内燃机汽车改装成混合动力汽车的方法，加装的部件包括蓄电池、动力耦合器、电机、混合动力控制器(HCU)、电机控制器(MCU)、电源管理控制器(BMS)，所述的动力耦合器为一对互相啮合的齿轮，所述的电机连接电机控制器，所述的电机控制器与混合动力控制器连接，接收混合动力控制器的控制指令，所述的蓄电池和电机控制器连接，用于给电机提供驱动能量以及回收制动能量，所述的电源管理控制器与蓄电池连接，控制蓄电池稳定工作，所述的混合动力控制器一方面连接电机控制器，令一方面与整车CAN总线连接，采集整车的运行状态信息。

[0009] 在传统前置后驱内燃机汽车上，不改变原有汽车本身的控制方法，仅改变机械结构，在传统内燃机动力汽车的变速器后、主减速器前加装动力耦合器，电机起到对传动轴的助力作用。发动机不受改装后所加混合动力控制器的控制，完全取决于汽车原有的控制逻辑。混合动力控制器通过CAN总线采集汽车速度、电池电压、电池电流、制动踏板开度、节气门开度、档位、离合器位置信息，通过这些信息，对电机控制器发送控制指令，电机控制器根据接收到的控制指令，对电机进行转矩控制。电机控制器仅接受混合动力控制器的控制指令。利用动力耦合器把电机的转矩和发动机的转矩整合在一起并传递给差速器，进而驱动整车运行。

[0010] 改装后的混合动力汽车有四种工作模式，其一：发动机单独工作，电机空转，不对外输出能量也不吸收能量，这种模式下完全和改装前传统内燃机汽车一样；其二：电机和发动机同时输出动力，此时电机工作在电动机状态；其三：汽车处于制动工况下，实现再生制动能量回收，电机工作在发电机状态；其四：汽车处于纯机械制动工况下，电机空转。

[0011] 在保证和传统内燃机汽车相同的驾驶方式的条件下，使得整体改装小且简单，同时具有一定程度的节油能力，是改装后的混合动力汽车期望达到的效果。下面根据期望达到的改装效果对不同模式的控制方法进行说明：

[0012] 首先对驾驶员意图进行识别，通过采集驾驶员踩下驱动踏板和制动踏板的开度，确定当前的驾驶需求。当驾驶需求为驱动而且SOC＞SOClow时，其中SOC为蓄电池的荷电状态，SOClow为蓄电池荷电状态下门限值，汽车工作在模式二，发动机和电机共同驱动整车。此模式下混合动力控制器根据接收CAN总线上的信号，使得发动机和电机的功率变化量成一定的比例关系，实现电机助力的效果。具体计算按照式(1)得到发动机当前的输出功率，然后计算发动机的功率变化量，由于规定电机的功率变化量与发动机的功率变化量成一定的比例关系，进而由式(2)计算出电机期望的输出功率，进一步由式(3)确定电机期望的输出转矩。

[0013]

[0014] 式中，ig——变速箱速比

[0015] i0——主减速比

[0016] r——车轮半径

[0017] ua——汽车的车速

[0018] n——发动机的转速

[0019] Te——发动机的转矩

[0020] Pe——发动机的输出功率

[0021]

[0022] 式中，a——发动机输出功率变化量与电机输出功率变化量的比例系数[0023] ΔPe——发动机在相邻控制时间点的输出功率变化量

[0024] ΔPm——电机在相邻控制时间点的输出功率变化量

[0025] Pm(k)——第k次控制时电机期望的输出功率

[0026] Tm(k)＝9549Pm(k)igim/n  (3)

[0027] 式中，im——动力耦合器的减速比

[0028] Tm(k)——第k次控制时电机期望的输出转矩

[0029] 当驾驶需求为驱动且SOC＜SOClow时，汽车工作在模式一，发动机单独驱动整车，电机空转。

[0030] 当驾驶需求为制动且SOC＜SOChigh时，其中SOChigh为蓄电池荷电状态上门限值，汽车工作在模式三，电机制动能量回收。此模式下混合动力控制器通过CAN总线采集制动踏板开度，并计算该开度下占总制动踏板开度的百分比，由式(4)计算电机期望的制动力矩。

[0031] Tmbrk＝Tmaxbrk·b  (4)

[0032] 式中，b——制动踏板开度占总制动踏板开度的百分比

[0033] Tmaxbrk——制动能量回收时允许电机输出的最大制动阻力矩

[0034] Tmbrk——制动能量回收时期望电机输出的制动阻力矩

[0035] 当驾驶需求为制动且SOC＞SOChigh时，汽车工作在模式四，整车进行纯机械制动，电机不发电也不助力，以防蓄电池过充。

[0036] 与现有技术相比本发明的有益效果是：

[0037] 1.避开了现有混合动力汽车技术开发周期长，开发难度大的现状，通过改装已有的传统内燃机汽车，借助原有的技术，加速生产研发周期；

[0038] 2.仅增加一套电助力系统，成本低而且机械结构改动小，便于加工和改装；

[0039] 3.采用简单的控制方法，可靠性高，开发时间短，而且与传统内燃机汽车相比，具有动力性强，明显节油效果的特点。

[0040] 4.蓄电池不必通过外部进行充电，容量不必很大，减少整车重量和成本；

附图说明

[0041] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：

[0042] 图1为本发明所述的改装后的混合动力汽车整体结构原理图；

[0043] 图2为本发明所述的改装后的混合动力汽车不同模块之间连接信号关系原理图；

[0044] 图3为本发明所述的改装后的混合动力汽车宏观控制关系图；

[0045] 图4为本发明所述的改装后的混合动力汽车工作在模式一下的能量流动示意图；

[0046] 图5为本发明所述的改装后的混合动力汽车工作在模式二下的能量流动示意图；

[0047] 图6为本发明所述的改装后的混合动力汽车工作在模式三下的能量流动示意图；

[0048] 图7为本发明所述的驾驶需求的确定流程图；

[0049] 图8为本发明所述的模式之间切换关系图；具体实施方式：

[0050] 下面结合附图对本发明作详细的描述：

[0051] 参阅图1，虚线框(5)为改装原有前置后驱汽车后添加的电助力系统，其中包括动力耦合器(8)，电机(9)，混合动力控制器(10)，电机控制器(11)，电池管理控制器(12)，蓄电池(13)。图中虚线框(5)以外的图形，即为传统内燃机汽车的结构原理图，其中包括车轮(1)，内燃机(2)，离合器(3)，变速器(4)，传动轴(6)，主减速器(7)。图中(14)为CAN总线示意图。所述的动力耦合器(8)为一对互相啮合的齿轮，其中一个齿轮的中心轴线与传动轴(6)共线，且该齿轮与传动轴固定连接在一起，可以采用花键或者销连接，另外一个齿轮的轴线与电机的动力输出轴线共线，且该齿轮与电机输出轴固定连接在一起，可以采用花键或者销连接。所述的电机控制器(11)连接电机(9)、蓄电池(13)、混合动力控制器(10)，所述的电机控制器(11)控制电机运行在特定的转矩和转速下，所述的混合动力控制器(10)向电机控制器(11)发送控制指令，所述的蓄电池(13)给电机控制器(11)提供电能，所述的电池管理控制器(12)连接蓄电池(13)，控制蓄电池按照指令稳定工作，所述的电池管理控制器连接汽车CAN总线(14)接收相关信号，用于控制蓄电池(13)工作，所述的混合动力控制器连接汽车CAN总线(14)，用于接收汽车相关状态信号，并结合这些信息，向电机控制器(11)发送控制指令。

[0052] 参阅图2，对传统内燃机汽车改装成混合动力汽车后的各个模块连接信号关系分析。把整个改装后的混合动力汽车系统分为以下模块，分别为驾驶员模块、制动器模块、发动机模块、离合器/变速器模块、电池/电池管理模块，电机/电机控制器模块，耦合器模块、混合动力控制器模块、差速器模块、车轮模块。图中实线连接代表机械连接，虚线连接为电路信号连接。与驾驶员正常驾驶传统内燃机汽车相同，驾驶员通过操作制动踏板、驾驶踏板、离合器和档位等动作，使得驾驶员模块对制动器发送制动踏板开度，向发动机发送加速踏板开度、向离合器/变速器模块发送离合器位置，档位位置信号，然后发动机输出转矩给离合器/变速器模块。混合动力控制器通过接收汽车速度、电池电压、电池电流、制动踏板开度、节气门开度、档位、离合器位置等信息，控制电机/电机控制器模块输出响应的转矩和转速，然后通过耦合器模块，整合离合器/变速器模块输出的力矩和电机/电机控制器模块输出的力矩，最后把力矩输出给差速器，最后差速器输入给车轮，车轮同时也受到制动器的机械制动控制。

[0053] 参阅图3，对改装后的混合动力汽车宏观控制层面进行解释，在一般传统内燃机汽车下，驾驶员通过不同的驾驶操作，把驾驶员输入给传统汽车控制逻辑，进而传递给整车，整车输出车速反馈给驾驶员，进而形成一个闭环系统，在改装后的混合动力汽车下，驾驶员的驾驶操作不仅输入给了传统的控制逻辑，而且也输入给了混合动力控制逻辑，同时CAN总线上的一些汽车状态信号也输入给了混合动力控制逻辑，根据这些输入信号，控制算法对电机实时的控制，使其输出最优转矩，然后结合发动机输出的转矩最后传递给整车，实现电机的助力效果，然后经过整车响应，反馈车速给驾驶员，形成一个新的改装后的混合动力汽车控制闭环系统。当驾驶员的需求车速一定的情况下，改装后的汽车由于电机助力的效果，驾驶员油门踏板开度比驾驶原有汽车的踏板开度要小。而且由于电机能够在汽车制动时实现制动能量回收，因此改装后的混合动力汽车具有良好的节油效果。

[0054] 参阅图4，改装后的混合动力汽车工作在模式一下的能量流动示意图。在该模式下，发动机单独工作，电机既没有助力也不起阻力作用，但是由于动力耦合器的结构，电机只能处于空转状态，不对外输出能量也不吸收能量，此模式下改装后的混合动力汽车完全和改装前传统内燃机汽车的工作特性一样。

[0055] 参阅图5，改装后的混合动力汽车工作在模式二下的能量流动示意图。该模式下，电机和发动机同时输出动力，此时电机工作在电动机状态下，蓄电池处于放电状态，动力耦合器接收发动机和电机传递的转矩，合并后驱动整车运行。

[0056] 参阅图6，改装后的混合动力汽车工作在模式三下的能量流动示意图。在该模式下，电机再生制动能量回收，电机工作在发电机状态下，电机转速和转矩方向相反。

[0057] 参阅图7，根据混合动力汽车控制器，采集驾驶员输入，图中AccPed代表加速踏板开度，BrkPad代表制动踏板开度，首先判断BrkPad是否大于零，如果大于零，则判读驾驶员需求为制动，否则判断AccPed是否大于零，如果大于零，则判断驾驶员需求为驱动，否则驾驶员需求为滑行或者停车。

[0058] 参阅图8，其中A代表模式一，B代表模式二，C代表模式三，D代表模式四，a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、m、n分别代表不同模式之间相互转化的条件，A到B切换条件为a，B到A切换条件为b，A到C切换条件为d，C到A切换条件为c，C到D切换条件为e，D到C切换条件为f，D到B切换条件为g，B到D且切换条件为h，A到D切换条件为k，D到A切换条件为j，C到B切换条件为m，B到C切换条件为n。不同条件代表的含义如下。

[0059] 其中：条件a，g，m为驾驶需求为驱动且SOC＞SOClow，条件b，c，j为驾驶需求为驱动且SOC＜SOClow，条件d，f，n为驾驶需求为制动且SOC＜SOChigh，条件e，h，k为驾驶需求为制动且SOC＞SOChigh。其中SOC为蓄电池的荷电状态，SOClow为蓄电池荷电状态下门限值，SOChigh为蓄电池荷电状态上门限值。

[0060] 当工作在A和D时，汽车的工作方式和改装之前的一致，改装后的电助力系统不影响原有部件的工作，当工作在B时，按照式(5)得到发动机当前的输出功率，然后计算发动机的功率变化量，由于规定电机的功率变化量与发动机的功率变化量成一定的比例关系，进而由式(6)计算出电机期望的输出功率，进一步由式(7)确定电机期望的输出转矩。

[0061]

[0062] 式中，ig——变速箱速比

[0063] i0——主减速比

[0064] r——车轮半径

[0065] ua——汽车的车速

[0066] n——发动机的转速

[0067] Te——发动机的转矩

[0068] Pe——发动机的输出功率

[0069]

[0070] 式中，a——发动机输出功率变化量与电机输出功率变化量的比例系数[0071] ΔPe——发动机在相邻控制时间点的输出功率变化量

[0072] ΔPm——电机在相邻控制时间点的输出功率变化量

[0073] Pm(k)——第k次控制时电机期望的输出功率

[0074] Tm(k)＝9549Pm(k)igim/n  (7)

[0075] 式中，im——动力耦合器的减速比

[0076] Tm(k)——第k次控制时电机期望的输出转矩

[0077] 当工作在C时，电机制动能量回收。此模式下混合动力控制器通过CAN总线采集制动踏板开度，并计算该开度下占总制动踏板开度的百分比，由式(8)计算电机的制动力矩。

[0078] Tmbrk＝Tmaxbrk·b  (8)

[0079] 式中，b——制动踏板开度占总制动踏板开度的百分比

[0080] Tmaxbrk——制动能量回收时允许电机输出的最大制动阻力矩

[0081] Tmbrk——制动能量回收时期望电机输出的制动阻力矩