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CN102897029B - 一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统 - Google Patents

一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，包括汽车驱传动子系统和整车控制子系统，所述的汽车驱传动子系统包括发动机、第一电控离合器、前轴电机、第二电控离合器、变速箱、差速器、两个后轮毂电机、动力蓄电池组和外接充电器，所述的发动机的动力输出轴通过第一电控离合器与前轴电机的动力输入轴连接，所述的前轴电机的动力输出轴依次连接第二电控离合器、变速箱和差速器，所述的差速器与前轴连接，所述的前轴与前轮连接，所述的后轮毂电机与后轮连接，所述的前轴电机、后轮毂电机、动力蓄电池组和外接充电器均与整车控制子系统连接。与现有技术相比，本发明具有提高传动效率、充分地回收制动能量、有效地实现车辆节能减排等优点。

Description

一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统
技术领域
本发明涉及一种汽车动力系统，尤其是涉及一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统。
背景技术
随着全球能源问题的日益突显和越来越严重的大气污染，节能和新能源汽车已被提上了议事日程，目前世界各大汽车制造商均已投入到新能源汽车的研发和制造中。纯电动汽车虽然具有零排放、零污染的优点，但由于动力蓄电池技术的制约，车辆存在制造成本高和单次充电续驶里程短等问题。常规混合动力汽车虽具有节能减排的优点，但仍需燃油来提供动力，并且其排放效果也不太显著。
而增程式电动汽车综合了纯电动汽车和混合动力汽车的优点，既可以纯电动模式行驶，满足人们日常上下班的短距离行驶需求。也可以在增程模式下行驶，即控制发动机工作在其最佳经济区域，带动发电机发电，给动力蓄电池充电的同时并驱动电机运转，满足人们长距离行驶的需求。此外，在夜晚用电低峰期，可使用外接充电器通过居民电网给动力蓄电池组充电，降低了使用成本。
目前市场上出现的增程式电动汽车的动力系统多采用两轮驱动方案，极少采用结构甚为复杂的四轮驱动方案，并且其增程器多采用发动机和发电机直接机械相连的结构，造成发动机的起动惯量很大。中国专利公开号为CN202174928U的已授权专利阐述了一种增程式混合动力汽车动力系统，该方案采用了两个电机、一个发动机、一个行星齿轮系、两个电磁离合器、一个电池和一个逆变器，通过两个电磁离合器的结合和分离，配合行星齿轮系的动作，实现纯电动、串联、并联三种工作模式的切换。该方案由于采用两轮驱动模式，不能充分利用路面牵引附着率，也不能实现制动能量的充分回收。中国专利公开号为CN102514479A的在审核专利阐述了一种增程式混合动力汽车动力系统，该方案采用了前桥、后桥、前驱动装置、后驱动装置、动力耦合装置、控制器和蓄电池组等，通过前驱动装置和后驱动装置的配合，实现四轮驱动。该方案由于采用前驱动装置、后驱动装置、动力耦合装置，存在着部件多、结构复杂、成本高的缺点。
增程器采用发动机+电控离合器C1+前轴电机、前轴采用前轴电机+电控离合器C2+变速器+差速器、后轴采用轮毂电机、可外接电网充电的增程式四轮纯电驱动汽车动力系统尚未有人提出。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高传动效率、充分地回收制动能量、有效地实现车辆节能减排的增程式四轮纯电驱动汽车动力系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，包括汽车驱传动子系统和整车控制子系统，所述的汽车驱传动子系统包括发动机、第一电控离合器、前轴电机、第二电控离合器、变速箱、差速器、两个后轮毂电机、动力蓄电池组和外接充电器，所述的发动机的动力输出轴通过第一电控离合器与前轴电机的动力输入轴连接，所述的前轴电机的动力输出轴依次连接第二电控离合器、变速箱和差速器，所述的差速器与前轴连接，所述的前轴与前轮连接，所述的后轮毂电机与后轮连接，所述的前轴电机、后轮毂电机、动力蓄电池组和外接充电器均与整车控制子系统连接，通过整车控制子系统调节前轴电机、后轮毂电机和动力蓄电池组的工作状态。
所述的前轴电机为电动/发电一体机，用于发电、快速起动发动机或驱动前轮。
所述的前轴电机用于发电时，发动机带动前轴电机发电，并为动力蓄电池组充电，通过调节前轴电机使发动机工作在最佳工况区。
所述的快速起动发动机是指：发动机起动时，第二电控离合器分离，发动机通过第一电控离合器与前轴电机结合，前轴电机快速起动发动机。
所述的整车控制子系统包括前轴电机控制器、轮毂电机控制器、电池管理控制器和整车控制器，所述的前轴电机控制器与前轴电机连接，所述的轮毂电机控制器与后轮毂电机连接，所述的电池管理控制器分别连接动力蓄电池组和外接充电器，所述的整车控制器分别与前轴电机控制器、轮毂电机控制器和电池管理控制器通信连接。
该系统根据行驶工况，具有多种运行模式，包括
纯电动驱动模式：由前轴电机和轮毂电机中的至少一个进行车辆的驱动，包括前轴电机前轮驱动模式、后轮毂电机后轮驱动模式和前轴电机+轮毂电机四轮驱动模式；
增程驱动模式：该模式包括串联增程模式、发动机增程模式和发动机驱动+前轴电机发电增程模式；
并联四轮驱动模式：由发动机输出机械能至前轴电机驱动前轮，动力蓄电池组输出电功率至后轮毂电机驱动后轮，实现并联四轮驱动；
再生制动模式：该模式前轴电机前轮再生制动模式、后轮毂电机后轮再生制动模式、前轴电机+后轮毂电机四轮再生制动模式；
停车充电模式：发动机输出机械功率给前轴电机，前轴电机将机械能转化为电能输送给动力蓄电池组，为动力蓄电池组充电；
夜晚插电模式：在夜晚用电低峰时期，电网的电能通过外接充电器为动力蓄电池组充电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明采用前轴电机和后轮毂电机的架构，省去了复杂的后轴驱传动元件，提高了传动效率，充分利用了轮胎的牵引附着率，实现了四轮驱动，同时在制动时，可以实现四轮再生制动，充分地回收制动能量；
2)本发明采用了两个电控离合器，通过协调两个离合器的分离与结合，可以实现发动机和前轴电机的多种组合模式，可以实现纯电动驱动模式、增程驱动模式和再生制动等多种工作模式，使控制方式更加多样化，能够有效地实现车辆的节能减排；
3)本发明采用外接充电器，在夜晚用电低峰时期，通过居民电网给动力蓄电池组充电，降低了用户的使用成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为纯电动驱动模式(前轴电机前轮驱动)下的能量传递路径示意图；
图3为纯电动驱动模式(轮毂电机后轮驱动)下的能量传递路径示意图；
图4为纯电动驱动模式(前轴电机+轮毂电机四轮驱动)下的能量传递路径示意图；
图5为增程驱动模式(串联增程模式)下的能量传递路径示意图；
图6为增程驱动模式(发动机增程模式)下的能量传递路径示意图；
图7为增程驱动模式(发动机驱动+前轴电机发电)的能量传递路径示意图；
图8为并联四轮驱动模式下的能量传递路径示意图；
图9为再生制动模式(前轮再生制动)下的能量传递路径示意图；
图10为再生制动模式(轮毂电机后轮再生制动)下的能量传递路径示意图；
图11为再生制动模式(前轴电机+轮毂电机四轮再生制动)下的能量传递路径示意图；
图12为停车充电模式下的能量传递路径示意图；
图13为夜晚插电模式下的能量传递路径示意图。
图中标号说明：
1-发动机、2a-第一电控离合器、3-前轴电机、2b-第二电控离合器、4-变速箱、5-差速器、6-前轴电机控制器、7-动力蓄电池组、8-轮毂电机控制器、9-后轮毂电机、10-电池管理控制器、11-外接充电器、12-整车控制器、13-前轴；
表示机械连接，表示高压电气连接，表示CAN总线，表示部件与其控制器的连接，表示能量流。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，包括汽车驱传动子系统和整车控制子系统，所述的汽车驱传动子系统包括发动机1、第一电控离合器2a、前轴电机3、第二电控离合器2b、变速箱4、差速器5、两个后轮毂电机9、动力蓄电池组7和外接充电器11，所述的发动机1的动力输出轴通过第一电控离合器2a与前轴电机3的动力输入轴连接，所述的前轴电机3的动力输出轴依次连接第二电控离合器2b、变速箱4和差速器5，所述的差速器5与前轴13连接，所述的前轴13与前轮连接，所述的后轮毂电机9与后轮连接。左右两个后轮毂电机9可以用来驱动左右后轮并回收制动能量。前轴电机用作电动机，与后轮毂电机一起可以实现车辆的四轮驱动。另外，在夜晚用电低峰时期，可以使用外接充电器通过居民电网给动力蓄电池组充电。
所述的整车控制子系统包括前轴电机控制器6、轮毂电机控制器8、电池管理控制器10和整车控制器12，所述的前轴电机控制器6与前轴电机3连接，所述的轮毂电机控制器8与后轮毂电机9连接，所述的电池管理控制器10分别连接动力蓄电池组7和外接充电器11，所述的整车控制器12分别与前轴电机控制器6、轮毂电机控制器8和电池管理控制器10通信连接。整车控制子系统调节前轴电机3、后轮毂电机9和动力蓄电池组7的工作状态。
所述的前轴电机3为电动/发电一体机，用于发电、快速起动发动机或驱动前轮。所述的前轴电机3用于发电时，发动机1带动前轴电机3发电，并为动力蓄电池组7充电，通过调节前轴电机使发动机工作在最佳工况区，必要时发动机也可直接驱动车辆。所述的快速起动发动机是指：发动机1起动时，第二电控离合器2b分离，发动机通过第一电控离合器2a与前轴电机结合，前轴电机3快速起动发动机1。
图2至图4所示为纯电动驱动模式，当动力蓄电池组7的SOC处于设定限值范围内时运行该模式。该模式分为三种情况，分别为：前轴电机前轮驱动、轮毂电机后轮驱动和前轴电机+轮毂电机四轮驱动模式。
(1)前轴电机前轮驱动模式，在该模式下，第一电控离合器2a分离，第二电控离合器2b接合，动力蓄电池组7输出电功率经前轴电机控制器6、前轴电机3、第二电控离合器2b输送给变速器4，再经差速器5驱动前轴13，进而驱动前轮。其能量传递路径示意图如图2所示。
(2)轮毂电机后轮驱动模式，在该模式下，第一电控离合器2a分离，第二电控离合器2b分离，动力蓄电池组7输出电功率经轮毂电机控制器8、后轮毂电机9，进而驱动左右后轮。其能量传递路径示意图如图3所示。
(3)前轴电机+轮毂电机四轮驱动模式，在该模式下，第一电控离合器2a分离，第二电控离合器2b接合，动力蓄电池组7输出电功率，一部分电功率通过前轴电机3转化为机械功率来驱动前轮，另一部分电功率通过后轮毂电机9转化为机械功率来驱动后轮，实现四轮驱动模式。其能量传递路径示意图如图4所示。
图5-7所示为增程驱动模式，当动力蓄电池组7的SOC小于设定下限值时运行该模式。该模式分为三种情况，分别为：串联增程模式、发动机增程模式、发动机驱动+前轴电机发电增程模式。
(1)串联增程模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b分离，发动机1输出机械能给前轴电机3，前轴电机3将机械能转化为电能并将电能输送给动力蓄电池组7充电，动力蓄电池组7将电功率输送给后轮毂电机9，经电机转化为机械功率，从而驱动后轮。其能量传递路径示意图如图5所示。
(2)发动机增程模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b接合，发动机1输出机械能给前轴电机3，经第二电控离合器2b输送给变速器4，再经差速器5驱动前轴13，进而驱动前轮。其能量传递路径示意图如图6所示。
(3)发动机驱动+前轴电机发电增程模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b接合，发动机1输出机械能一部分输送给前轴电机3，前轴电机3将机械能转化为电能并将电能输送给动力蓄电池组7充电。发动机1输出机械能另一部分经第二电控离合器2b输送给变速器4，再经差速器5驱动前轴13，进而驱动前轮。其能量传递路径示意图如图7所示。
图8所示为并联四轮驱动模式，当车辆需求功率较大且动力蓄电池组7的SOC接近设定下限值时运行该模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b接合，发动机1输出机械能，经第一电控离合器2a、前轴电机3、第二电控离合器2b、变速器4、差速器5、前轴13，从而驱动前轮。动力蓄电池组7将电功率输送给后轮毂电机9，经电机转化为机械功率，从而驱动后轮。实现并联四轮驱动。其能量传递路径示意图如图8所示。
图9至图11所示为再生制动模式，当车辆在进行制动时运行该再生制动模式。该模式分为三种情况，分别为：前轴电机前轮再生制动、轮毂电机后轮再生制动、前轴电机+轮毂电机四轮再生制动模式，具体如下：
(1)前轴电机前轮再生制动模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b接合，前轴电机3将前轮制动产生的机械能转变为电能输送给动力蓄电池组7，实现能量回收。其能量传递路径示意图如图9所示。
(2)轮毂电机后轮再生制动模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b接合，后轮毂电机9将后轮制动产生的机械能转变为电能输送给动力蓄电池组7，实现能量回收。其能量传递路径示意图如图10所示。
(3)前轴电机+轮毂电机四轮再生制动模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b接合，制动产生的机械能同时通过前轴电机3和后轮毂电机9转变为电能输送给动力蓄电池组7，实现制动能量的充分回收。其能量传递路径示意图如图11所示。
图12所示为停车充电模式。当车辆停止不动且动力蓄电池组7的SOC较低时，运行该模式，在该模式下，第一电控离合器2a接合，第二电控离合器2b分离，发动机1输出机械功率给前轴电机3，前轴电机3将机械能转化为电能输送给动力蓄电池组7，为动力蓄电池组7充电。
图13所示为夜晚插电模式。当车辆停在车库里且动力蓄电池组7的SOC允许充电时，在夜晚用电低峰时期运行该模式，在该模式下，电网的电能通过外接充电器11、电池管理控制器10输送给动力蓄电池组7，为动力蓄电池组7充电。

Claims (5)

1.一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，包括汽车驱传动子系统和整车控制子系统，其特征在于，所述的汽车驱传动子系统包括发动机、第一电控离合器、前轴电机、第二电控离合器、变速箱、差速器、两个后轮毂电机、动力蓄电池组和外接充电器，所述的发动机的动力输出轴通过第一电控离合器与前轴电机的动力输入轴连接，所述的前轴电机的动力输出轴依次连接第二电控离合器、变速箱和差速器，所述的差速器与前轴连接，所述的前轴与前轮连接，所述的后轮毂电机与后轮连接，所述的前轴电机、后轮毂电机、动力蓄电池组和外接充电器均与整车控制子系统连接，通过整车控制子系统调节前轴电机、后轮毂电机和动力蓄电池组的工作状态；
该系统根据行驶工况，具有多种运行模式，包括：
纯电动驱动模式：由前轴电机和后轮毂电机中的至少一个进行车辆的驱动，包括前轴电机前轮驱动模式、后轮毂电机后轮驱动模式和前轴电机+后轮毂电机四轮驱动模式；
增程驱动模式：该模式包括串联增程模式、发动机增程模式和发动机驱动+前轴电机发电增程模式；
并联四轮驱动模式：由发动机输出机械能至前轴电机驱动前轮，动力蓄电池组输出电功率至后轮毂电机驱动后轮，实现并联四轮驱动；
再生制动模式：该模式包括前轴电机前轮再生制动模式、后轮毂电机后轮再生制动模式、前轴电机+后轮毂电机四轮再生制动模式；
停车充电模式：发动机输出机械功率给前轴电机，前轴电机将机械能转化为电能输送给动力蓄电池组，为动力蓄电池组充电；
夜晚插电模式：在夜晚用电低峰时期，电网的电能通过外接充电器为动力蓄电池组充电。
2.根据权利要求1所述的一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，其特征在于，所述的前轴电机为电动/发电一体机，用于发电、快速起动发动机或驱动前轮。
3.根据权利要求2所述的一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，其特征在于，所述的前轴电机用于发电时，发动机带动前轴电机发电，并为动力蓄电池组充电，通过调节前轴电机使发动机工作在最佳工况区。
4.根据权利要求2所述的一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，其特征在于，所述的快速起动发动机是指：发动机起动时，第二电控离合器分离，发动机通过第一电控离合器与前轴电机结合，前轴电机快速起动发动机。
5.根据权利要求1所述的一种增程式四轮纯电驱动汽车动力系统，其特征在于，所述的整车控制子系统包括前轴电机控制器、后轮毂电机控制器、电池管理控制器和整车控制器，所述的前轴电机控制器与前轴电机连接，所述的后轮毂电机控制器与后轮毂电机连接，所述的电池管理控制器分别连接动力蓄电池组和外接充电器，所述的整车控制器分别与前轴电机控制器、后轮毂电机控制器和电池管理控制器通信连接。
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