双模式机电混合动力系统及其控制技术方案

本发明专利技术介绍一种机电混合动力系统及其动力控制策略和方法。该混合动力系统包括发动机（内燃机）、变速器，储能器和控制器等主要零部件。所述变速器是一个由动力传输装置和动力调节装置构成的动力分流系统。动力调节装置包括两台电机，构成一个局部机电串联系统。该变速器利用调节流经局部串联系统的动力来调控整个动力系统输出端的速度和扭矩组合，即所谓的动力状态。变速器有不少于两种工作模式，至少可提供输出动力分流和复合动力分流两种不同的动力分流形式。控制器包括若干子控制器或控制模块。所述控制器根据动力系统工作情况，调配发动机的输出动力和储能器的输入、输出能量，设定发动机的动力状态（扭矩和转速）。控制器还进一步设定变速器的工作模式，并根据发动机设定转速和实际工作转速的误差信号，通过设置和控制电机工作扭矩来实现对发动机转速的控制。同时，控制器还通过发动机控制器调控发动机的工作扭矩。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术介绍一种混合动力系统及其控制方法，着重介绍一种具有两种动力分流形式的机电混合动力分流系统及其控制方法。该混合动力系统可广泛应用于各种车辆和动力设备。
技术介绍
概述动力系统，又称动力总成，包括动力源和传动系统。内燃机(发动机)为最常见的动力源。传动系统则进一步包括变速器、差速器和传动轴。动力系统的作用是向车辆的驱动轮提供所需的驱动动力。通常，发动机有一定的速度和扭矩范围，并在其中很小的范围内达到最佳的工作状态，这时或是油耗最小，或是有害排放最低，或是俩者皆然。然而，实际路况却千变万化，不但表现在驱动轮的转速上同时还表现在驱动轮所要求的驱动扭矩上。任何一个转速和扭矩的组合定义一种动力状态。不同的动力状态可以有相同的动力。可见，发动机的动力状态与驱动轮的动力状态有着不同变化范围和规律。因此，实现发动机与驱动轮动力状态之间的匹配是变速器的首要任务。目前市场上的变速器主要有有级变速器和无级变速器两大类。有级变速器又分为手动和自动两种。它们大多数通过齿轮系或行星轮系不同齿轮之间的啮合组合来提供有限个离散的输出、输入速比。在相邻两个速比之间，驱动轮速度的调节则依靠发动机转速变化来实现。无级变速器，无论是机械式，液压式，还是机电式的，都能在一定范围内提供无限个连续可选用的速比。从理论上说，驱动轮的速度变化完全可通过变速器来完成。这样，发动机可以尽可能地工作在最佳转速范围内。无级变速器与有级变速器相比，具有调速平稳，能充分利用发动机最大功率等诸多优点。因此，多年来无级变速器一直是各国工程师们研究的对象。目前推向市场的无级变速器有金属摩擦带式和球腔摩擦轮式两种，其中以带式较为普遍。与理想要求的工作情况相比，现有的变速器无论是有级的或是无级的都不能完全满足发动机与驱动轮之间动力状态的匹配要求。这是因为现有的变速器只能完成动力的传输而不能实现动力的调节。变速器的输入与输出功率是相同的(不计变速器内耗)。因此，这样的变速器只能对输入、输出速比或输出、输入扭矩比进行单项调节，而不能同时对二者进行独立的调节。近年来，电机混合动力系统的诞生和迅速发展为实现发动机与驱动轮之间动力和动力状态的完全匹配开拓了新的途径。在众多的动力总成设计方案中，最具代表性的有串联混合系统和并联混合系统两种。机电串联混合系统中，发动机-发电机-电动机-轴系-驱动轮组成一条串联的动力链，动力总成结构极为简单。其-->中，发电机-电动机组合可视为传统意义下的变速器。当与储能器，如电池，电容等联合使用时，该变速器又可作为能量调节装置，完成对速度和扭矩的独立调节。机电并联系统有两条并行、独立的动力链。一条由传统的机械变速器组成，另一条由电池-电机系统组成。机械变速器负责完成对速度的调节，而电池-电机系统则完成对功率(动力)或扭矩的调节。为充分发挥整个系统的潜能，机械变速器还需采用无级变速的方式。串联混合系统的优点在于结构简单，布局灵活。但由于全部动力通过电动机，因此电机的功率要求高，体积大，重量重。同时，由于能量传输过程经过两次机-电，电-机的转换，整个系统的效率较低。并联混合系统，只有部分动力通过电机系统，因此，对电机的功率要求相对较低。整体系统的效率较高。然而，此系统需两套独立的子系统，造价高。通常只用于弱混合系统。
技术实现思路
本专利技术所介绍的是一种以两种动力分流形式为主要工作模式的混合动力分流系统及其控制策略和方法。该系统由发动机、变速器和控制器等主要零部件组成。它采用动力分流原理，利用局部的动力变化控制总系统输出端的动力状态，实现对输出端转速和扭矩的独立调节。动力分流由变速器完成。它由机械传动装置和动力调节装置两部分组成。变速器至少提供两种工作模式，一种是基于输出动力分流的工作模式，一种是基于复合动力分流的工作模式。动力调节装置可有多种形式，即可以是电机-电动机组合，也可以是油泵-油马达组合或摩擦传动装置等等。混合动力系统通常还包括储能器，如电池，电容或气液压力罐等。本说明书将以机电混合动力系统为例介绍一种实用的机电混合动力分流系统及其控制方法。机电混合动力系统采用电机-电动机组合作为变速器的动力调节装置。该动力调节装置相当于一个局部机电串联混合系统。由于动力分流系统仅将部分动力送经动力调节装置，因此，该系统有效地克服了串联混合系统的缺点，具较高的传动效率。本专利技术介绍的动力分流系统的另一个优点是其机械结构简单，对电机系统的扭矩和功率要求低，能够在较宽的范围内对速比(输出/输入)和动力进行连续和独立的调节。在控制方法上，具有稳定、可靠、易于实施的特点。它通过电机能够对发动机的转速实施有效的控制。在速度调节方面，本文所介绍的混合动力系统可实现从倒退、停止到前进的不间断的无级变速。无需传统的摩擦离合器或液力耦合器等启动装置。当变速器的无级变速功能与发动机扭矩控制有效的配合时，可很好地控制发动机工作状态，大幅度的提高整车的燃油效率。在动力(power)调节方面，本文所介绍的系统可通过储能器有效地调节、补充驱动轮所需的驱动动力从而更合理地调配发动机的动力，保持发动机的工作状态不受或少受路况的影响，使其可以始终工作在所设定的优良动力状态，提高整车的效率。此外，该混合动力系统还可以在制动时回收车辆的部分动能，返送回储能器中。所有这些举措都大幅度地提高整体车辆的燃油效率。最后，本专利技术所介绍的混合动力分流系统在生产和制造方面都比目前的自动变速器简单。这将为低价格、高性能产品打下了良好的基础。-->附图说明图1、是混合动力系统实施方案示意框图图2、是机电无级变速器第一实施方案的结构示意框图图3、是四分枝系统转速梯图图4、是电机电力比与变速器输出、输入速比的关系曲线图5、是混合动力系统控制流程框图图6、是驱动扭矩与动力踏板位置和车速的关系示意图图7、是动力系统及发动机工作参数设置流程框图图8、是发动机动力状态以及油耗等值线示意图图9、是发动机转速控制系统示意框图图10、是电机扭矩指令设置流程框图图11、是机电无级变速器第二实施方案结构示意图图12、是机电无级变速器第三实施方案结构示意图图13、是机电无级变速器第四实施方案结构示意图实施方式本专利技术可以有多种具体的实施方案或方式。其控制策略和方法不仅限于所介绍的实施方案。图1为本专利技术所介绍的混合动力系统的典型实施方案示意框图。它包括控制系统和执行装置两部分。执行装置由发动机(或内燃机，100)，机电无级变速器(简称变速器，110)，齿轮轴系(115)，差速器(120)，驱动轴(125)，驱动轮(130)和电池组(160)等主要部件组成。发动机的输出端联接于变速器的输入轴(105)。变速器输出轴(135)通过齿轮轴系(115)与差速器(120)联接。这样，动力系统的动力由变速器(110)，经齿轮轴系(115)、差速器(120)以及与之相联接的驱动轴(125)传送至驱动轮(130)。对于前桥驱动系统，差速器(120)以及齿轮轴系(115)通常整合在变速器(110)中。控制系统包括整车动力系统控制器(系统控制器，150)，发动机控制单元ECU(140)，变速器控制单元TCU(变速器控制器，155)，电池控制单元BCU(165)和制动器控制模块BCM(145)等主要单元和模块。动力系统控制器(150)通过控制区通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种至少具有两种工作模式，向驱动轴提供动力的混合动力系统，包括发动机，变速器和动力控制系统。动力控制系统至少包括变速器控制器和发动机控制器。其特征是：变速器至少包括一个动力分流机构，一个动力输出选择机构，第一、第二两台电机和相应的电机驱动、控制器。所述动力分流机构包括一个复合行星轮系，该复合行星轮系由第一、第二两个行星轮系组成。所述动力输出选择机构包括一个齿轮轴系，它至少提供两个不同的速比，这些速比之间的比例关系由复合行星轮系的特征参数唯一确定。动力控制系统至少提供如下功能：（１）设置系统总动力要求，（２）调配系统动力资源，（３）设置发动机输出动力和动力状态（发动机转速和扭矩）。

【技术特征摘要】
1、一种至少具有两种工作模式，向驱动轴提供动力的混合动力系统，包括发动机，变速器和动力控制系统。动力控制系统至少包括变速器控制器和发动机控制器。其特征是：变速器至少包括一个动力分流机构，一个动力输出选择机构，第一、第二两台电机和相应的电机驱动、控制器。所述动力分流机构包括一个复合行星轮系，该复合行星轮系由第一、第二两个行星轮系组成。所述动力输出选择机构包括一个齿轮轴系，它至少提供两个不同的速比，这些速比之间的比例关系由复合行星轮系的特征参数唯一确定。动力控制系统至少提供如下功能：  (1)设置系统总动力要求，(2)调配系统动力资源，(3)设置发动机输出动力和动力状态(发动机转速和扭矩)。2、根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是：所述动力控制系统直接或通过子控制单元间接设置各电机的工作扭矩指令，并通过电机驱动和控制器控制、调节电机的工作扭矩以实现对发动机转速的控制，同时，动力控制系统还直接或通过发动机控制器间接控制发动机扭矩。3、根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是：组成复合行星轮系的第一、第二两个行星轮系中至少有一个是非完全行星轮系；所述非完全行星轮系包含不多于两个同轴转动件。4、根据权利要求3所述的混合动力系统，其特征是：第一行星轮系的行星轮架与第二行星轮系的行星轮架构成一个公共的行星轮架。第一行星轮系的行星轮与第二行星轮系的行星轮构成行星轮对，由公共行星轮架支承。每对行星轮作外啮合。每一对行星轮中，至少有一个为长行星轮，一个为短行星轮；长行星轮除与短行星轮啮合外，还与太阳轮和圈轮啮合；短行星轮除与长行星轮啮合外，仅与圈轮或太阳轮两者中的一个啮合。5、根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是：复合行星轮系构成一个四分枝系统，具有四个同轴转动部件；这四个同轴转动部件构成第一个旋转中心，形成第一个旋转轴线。齿轮轴系包括从动齿轮，离合器和动力输出轴；从动齿轮通过各自相应的离合器分别与动力输出轴耦合，实现第一、第二种工作模式；从动齿轮，离合器和输出轴同心共轴，构成第二个旋转中心，形成第二个旋转轴线。6、根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是：变速器提供至少两个速比节点和两种不同动力分流形式的工作模式；第一和第二工作模式的切换点为第一速比节点SRswitch＝SR1。在第一和第二工作模式的切换点，输出轴转速连续，电机转速连续。同时，至少一台电机的稳态扭矩(直馈扭矩)连续，无间断。7、根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征是：电机工作扭矩包括直馈扭矩(稳态扭矩)和反馈扭矩(动态扭矩)两部分。直馈扭矩是变速器输出扭矩(驱动扭矩)与发动机输出(参考)扭矩的线性组合。组合系数为复合行星轮系和齿轮轴系特征参数的函数，其中，至少一个组合系数随变速器工作模式的变化而变化，其余的组合系数与变速器工作模式无关。反馈扭矩是发动机转速误差的函数。-->8、根据权利要求6所述的混合动力系统，其特点是：混合动力系统还包括储能器；储能器向电机输出或接受电机输入的能量；电机的额定功率不小于电机电力比的极值与发动机输出功率的乘积PEM_ref，即|PEM1|≥PEM_ref=[φ(1+δ)-1]2φ-1·Peng]]>|PEM2|≥PEM_ref=[φ-1+δ]2φ-1·Peng]]>式中φ=SR2SR1...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾晓志，艾晓林，薛蕊，薛忠和，
申请(专利权)人：艾晓林，
类型：发明
国别省市：11[]