CN103963627A - 一种串并联插电式混合电动汽车电气驱动***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串并联插电式混合电动汽车电气驱动***及方法，该驱动结构中包括驱动电机、储能单元、内燃机、功率分离器、功率变化器、充电器，驱动电机兼作发电机和电动机，其中电机的一端通过功率变化器与储能单元相连，另一端与功率分离器相连，所述功率分离器与内燃机相连。使用该驱动结构和驱动方法，能有效简化机械连接机构，缩小体积和降低重量，并且使该电机根据车辆的不同运行工况和储能单元的电容量来选择性地驱动，可保证能量在内燃机、电机、储能单元之间有效流动，进而提高电气驱动***效率，并减小其故障发生率。

Description

一种串并联插电式混合电动汽车电气驱动***及方法

技术领域

本发明属于电动汽车电气驱动***领域，更具体地，涉及插电式混合动力汽车电气驱动***和该***的驱动方法，属于电动汽车驱动及控制领域。

背景技术

随着经济的迅速发展，汽车已成为日常生活的必需品。但目前大多数汽车都依靠内燃机驱动，导致出现了能源紧缺和环境污染等问题。电动汽车(Electric Vehicle，简称EV)由于其能源利用率高、低污染等优点，近年来被各国政府部门和相关商家大力推广。

插电式混合电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，简称PHEV)采用电气驱动为主，内燃机为辅的驱动模式(受能量管理策略的控制，仅在启动、加速、爬坡等大力矩需求时投入工作)，既明显降低内燃机工作时间和相关碳化气体环境污染问题，又有效提高了电动汽车的行驶里程，该类汽车特别适合城市交通，但是由于该类汽车以电气驱动为主，因而对电机驱动性能和其驱动的能效要求较高。

传统的插电式混合电动汽车的电气驱动***(以丰田公司的“普锐斯”系列为例)主要包括：一个内燃机、一套功率电子变换器、一个高能量密度电池储能单元、一个发电机和一个电动机(H.Oba,T.Kotani,M.Tabata,and O.Komeda,“Characteristics andanalysis of efficiency of various hybrid systems”,ToyotaMotor Corporation,pp.935-957,2004.)。该类电气驱动***具有良好的稳态性能和故障冗余性，但在实际运行中存在如下不足：(1)发电机(Generator，简称G)和电动机(Motor，简称M)分开工作，机械连接复杂，占用空间较大，电机整体能量损耗相对较高；(2)能量储存单元仅含电池，由于它的能量密度大而功率密度小，电池充放电时间较长，电气***动态响应速度较慢；(3)其与发电机、电动机、内燃机相应的电气驱动方法不利于能量在***中的有效流动，其电气驱动***效率较低，能耗较高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种改进型串并联插电式混合电动汽车电气驱动***及驱动方法，其具有结构简单，可有效提高能量储存和释放速率，提高驱动***动态响应速度，并保证能量在内燃机、电机、储能单元间有效流动，进而提高电气驱动***效率，并减小其故障发生率。

按照本发明的一个方面，提供了一种改进型串并联插电式混合电动汽车电气驱动***，该***包括驱动电机1、储能单元2、内燃机3、功率分离器4、功率变化器5以及充电器6，其特征在于:

驱动电机1根据控制兼作发电机和电动机，其一端通过所述功率变化器5与所述储能单元2相连，另一端通过功率分离器4与内燃机3相连；所述功率分离器4还与车轮8的齿轮箱7相连；所述储能单元2另一端与所述充电器6相连；

进一步地，所述储能单元2由高功率密度超级电容器和高能量密度电池单元组成；

进一步地，所述内燃机3作为能量辅助驱动单元；

进一步地，所述功率分离器4为自动传输功率分离器，用于能量在内燃机3、驱动电机1、功率分离器4、功率变换器5、储能单元2之间传输流动；

进一步地，所述功率变化器5包括逆变器、整流器、DC/DC变换器；

进一步地，可以将充电器介入各类电网，对储能单元2进行充电；

本发明还提供了一种用于上述改进型串并联插电式混合电动汽车的电气驱动***的驱动方法，该方法包括：

(1)在车辆运行过程中，实时检测车体制动状态和能量单元的电荷状态高低；

(2)根据上述步骤(1)中的检测结果综合判断进行是否驱动电机和内燃机工作的控制；

(3)若检测出车辆制动状态是在减速或刹车中，同时检测储能单元的电荷含量，若含量高于预设的第一阈值，制动过程中产生的能量以热量消耗掉；若含量处于预设的第一阈值与第二阈值之间，则制动过程中产生的能量回馈到储能单元中存储起来；

(4)若检测出车辆制动状态在一般运行状态下，同时检测储能单元的电荷含量，若含量高于预设的第一阈值，此时控制储能单元输出电能，带动电机驱动车辆，内燃机不工作；若含量处于预设的第一阈值与第二阈值之间，此时控制内燃机工作，对能量储存单元进行充电；

(5)若检测出车辆在高速运行状态下，同时检测储能单元的电荷含量，若含量高于预设的第二阈值，控制电机和内燃机同时工作；若储能单元电荷低于预设的第二阈值，控制内燃机单独工作。

进一步地，当车辆处于步骤(4)或(5)的状态时，当内燃机在工作的状态下，内燃机的部分能量通过功率分离器-电机-电力电子变换器相关路径，对能量储存单元进行充电。

本发明达到的有益效果：

(1)本发明提供的结构采用一个电机兼作发电机和电动机(M/G)，可有效简化机械连接，缩小体积和降低重量。由于整体线路布置紧凑，新结构中的电机铜耗降低，整体效率有所提高；

(2)能量储能由高功率密度超级电容器和高能量密度电池单元完成；电池和超级电容的有机结合，使储能***具有较好能量和功率密度，有利于制动和加速过程中能量被快速回收和释放，可提高充放电速率和动态响应能力；

(3)内燃机作为能量辅助驱动单元，其体积相对HEV中的内燃机明显减小；新***不再采用丰田“普锐斯”系列HEV中的电子式无级变速器(e-CVT)，而是相应地提出一种更加安全可靠的新型自动传输功率分离器(automatic transmission,AT)，确保能量在内燃机、电机、储能单元和车辆齿轮装置间的有效流动，可有效减小故障发生率；

(4)同时该***在本发明的驱动方法的控制下，多在加速、爬坡、给储能单元充电等工况下协调内燃机和电机的驱动工作，可有效降低废气排放量。

附图说明

图1为本发明改进型串并联PHEV驱动***的整体结构示意图；

图2为本发明适用于改进型串并联PHEV电气驱动***的能量驱动方法示意图；

图3为本发明的电气***的能量驱动方法的逻辑示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为改进型串并联插电式混合电动汽车驱动***结构图。相对已有的丰田公司“普锐斯”电动车结构，新型驱动拓扑主要在驱动电机和能量储存***两个方面做了相应改进。新***具有机械连接结构简单、***运行效率高的优点。主要工作和具体实施方式详述如下：

1.驱动模型

驱动模型决定了汽车的期望速度，控制电机的输入、内燃机油门、发电机负载和机械刹车负载。驱动模型输入信号为汽车实际速度，驱动模型控制器通过期望转速与实际转速差值的比例-积分-差分(PID)调节器来控制输出。当PID调节输出负信号，则汽车刹车；当PID调节输出正信号，则汽车加速。

2.能量储存单元

串并联插电式混合电动汽车驱动***储能单元由高功率密度超级电容器和高能量密度电池单元组成。能量储存单元功率P_ESS(t)由电池功率P_B(t)和电容器功率P_UC(t)组成。

P_ESS(t)＝P_B(t)+P_UC(t)(1)

高能量密度电池单元

高能量密度电池单元的电荷状态(State-of-charge，简称SOC)，由最大电荷容量Max_Capacity和已用电荷容量Ah_used获得：

${\mathrm{SOC}}_{\_d}=\frac{(\mathrm{Max}\_\mathrm{Capacity}-\mathrm{Ah}\_\mathrm{used})}{\mathrm{Max}\_\mathrm{Capacity}}---\left(2\right)$

电池输出电压V_{out_b}由电池开路电压V_{OCpack_b}与电池内阻R_{pack_b}求得,具体计算式为

V_{out_b}＝V_{OCpack_b}-R_{pack_b}I_{out_b} (3)

相应的输出功率P_{out_b}，即需求功率P_D的大小为

$P_D=P_{\mathrm{out}\_b}=V_{\mathrm{out}\_b}{I}_{\mathrm{out}\_b}=V_{\mathrm{OCpack}\_b}{I}_{\mathrm{out}\_b}-R_{\mathrm{pack}\_b}{I}_{\mathrm{out}\_b}^2---\left(4\right)$

输出电流I_{out_b}由电池开路电压V_{OCpack_b}与需求功率P_D求得，表达式为

$I_{\mathrm{out}\_b}=\frac{(V_{\mathrm{OCpack}\_b}-\sqrt{V_{\mathrm{OCpack}\_b}^2-{4R}_{\mathrm{pack}\_b}{P}_D})}{{2R}_{\mathrm{pack}\_b}}---\left(5\right)$

高功率密度超级电容

与(3)相同，电容的输出电压V_{out_C}由电容开路电压V_{OCpack_C}减去内阻R_{pack_C}压降获得，表达式为

V_{out_C}＝V_{OCpack_C}-R_{pack_C}I_{out_C}(6)

在充电状态和放电状态下的每个单元电容的内阻R_charge和R_discharge的表达式为

$R_{\mathrm{pack}\_C}=R_{\mathrm{ch}\arg e}\·\frac{K_{\mathrm{num}\_\mathrm{cell}\_\mathrm{series}}}{K_{\mathrm{num}\_\mathrm{cell}\_\mathrm{parallel}}}---\left(7\right)$

$R_{\mathrm{pack}\_C}=R_{\mathrm{disch}\arg e}\·\frac{K_{\mathrm{num}\_\mathrm{cell}\_\mathrm{series}}}{K_{\mathrm{num}\_\mathrm{sell}\_\mathrm{parallel}}}---\left(8\right)$

其中，K_{num_cell_series}为串联电容数量，K_{num_cell_parallel}为并联电容数量。超级电容的电荷状态SOC_{_C}，可由电容开路电压V_oc，最大电压V_max，最小电压V_min求得，其表达式为

${\mathrm{SOC}}_{\_C}=\frac{(V_{\mathrm{oc}}-V_{\min })}{(V_{\max }-V_{\min })}---\left(9\right)$

因此，本发明中的储能单元可以采用高功率密度超级电容，如Maxwell公司生产的超级电容，525Wh，2.1Ah；高能量密度电池，如NiMH电池，7.5kWh,28Ah。

3.驱动电机

电机功率P与角速度ω和转矩T相关，其中转速ω由汽车实际速度转换得到。当电机加速时，其输出转矩T_output为

$T_{\mathrm{output}}=\frac{\left[(P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{loss}})\right]}{\mathrm{\ω}}-J_{\mathrm{motor}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ang}}---\left(10\right)$

其中，P_in为电机输入功率，P_loss为电机损耗，J_motor为电机转动惯量，α_ang为电机角加速度。

目前，电动汽车的驱动电机主要包括感应电机、转子永磁同步电机(即永磁体放在转子上)和开关磁阻电机等。感应电机加工技术成熟，结构简单可靠，但电机的功率和转矩密度较低，体积庞大，同时电机参数存在非线性变化(如转子电阻因受滑差频率和温升的影响而波动)，因而较难获得高性能驱动能力。转子永磁同步电机的气隙磁场主要靠永磁体建立，其功率转矩密度较高，控制方法相对容易，但其气隙磁场不易改变，弱磁能力较差(一般为2-3倍)；同时永磁体表贴或内嵌在转子上，永磁体散热能力弱，转子机械强度较差，不适合驱动***持续高速运行。开关磁阻电机结构简单，机械鲁棒性强，弱磁范围宽(可达5倍以上)，特别适合电动车高速巡航运行，但由于定转子双凸极结构的影响，其电感大小随转子位置不同和励磁电流大小而呈非线性变化，特别是在大电流工况下，磁路存在严重局部磁饱，最后导致输出转矩脉动较大，且噪声随转速增加不断增大。

新型串并联电动汽车驱动拓扑，要求驱动电机具有散热能力强、机械鲁棒性好、运行效率高、运行范围宽(弱磁能力强)、转矩波动小等特点，因此，应该选用弱磁能力强、散热性能好、转矩密度高的永磁同步电机作为本发明的驱动电机。

因此，综合上述的理论分析，本发明提出的驱动******包括驱动电机1、储能单元2、内燃机3、功率分离器4、功率变化器5以及充电器6、电网10，其特征在于:驱动电机1根据控制兼作发电机和电动机，其一端通过所述功率变化器5与所述储能单元2相连，另一端通过功率分离器4与内燃机3相连；功率分离器4还与车轮8的齿轮箱7相连；储能单元2另一端与所述充电器6相连，充电器6，在必要时，可以将充电器6并入电网9对储能单元2进行充电。

驱动电机1兼作发电机和电动机(M/G)；储能单元2由高功率密度超级电容器和高能量密度电池单元组成；内燃机3作为能量辅助驱动单元；功率分离器4为自动传输功率分离器；功率变化器5包括逆变器、整流器、DC/DC变换器；

驱动电机在任何情况下都处于工作状态，即兼做发电机和电动机。在车辆启动、加速、高速巡航等情况下，能量从内燃机或储能单元(或者两者同时工作)提供给驱动电机，做电动机运行；在车辆减速过程中，动能通过驱动电机，回馈到储能***中，驱动电机做发电机运行。

4.串并联插电式混合电动汽车驱动***驱动方法

在新型电动车串并联驱动拓扑的基础上，本发明根据车体需求功率大小(按照运行速度不同，主要分为刹车和巡航两种状况)和储能单元的电荷状态高低，提出一种驱动方法，如图2所示。该驱动方法一共包括六种不同工作状态和操作模式：(1)机械制动模式；(2)能量回馈模式；(3)电机单独工作模式；(4)内燃机充电工作模式；(5)内燃机和电机共同工作模式；(6)内燃机单独工作模式。具体工作模式阐述如下：

(1)机械制动模式

车辆在减速或刹车过程中，若能量单元的电荷高于预设的第一阈值如在饱和含量的95％，制动过程中的能量直接采取机械制动的方式，以热量消耗掉。

(2)能量回馈模式

车辆在减速或刹车过程中，若能量单元的电荷含量处于预设的第一阈值与第二阈值之间，如在饱和含量的50％-95％之间，制动过程中的能量回馈到电池或超级电容单元中存储起来，即该过程为能量再生制动过程。

(3)电机单独工作模式

当车辆在一般运行工况下，例如速度在45km/h-65km/h(一般加速度下，需求能量中等)，若能量单元的电荷含量处于高于预设的第一阈值如在饱和含量的95％，此时能量单元释放电能，带动电机直接驱动车辆运行，而内燃机不工作。能量单元电能的释放过程，可以一直持续到能量单元的电荷含量变到较低的时候。

在该类工作模式下，电动汽车的废气(如二氧化碳、氮氧化物气体等)排放量为零。

(4)内燃机充电工作模式

当车辆在一般运行工况下，例如速度在45km/h-65km/h(如一般加速度下，需求能量中等)，若能量单元的电荷含量处于低于预设的第二阈值如25％以下，此时内燃机投入工作，它可运行在较高速度下(具有较高的转换效率)。内燃机的部分能量通过功率分离器-电机-电力电子变换器相关路径，对能量储存单元进行充电；另外部分能量，通过功率分离器直接驱动车辆运行。内燃机充电工作模式可以一直持续到能量储存单元的电荷含量到达高于预设的第一阈值之前。

在该类工作模式下，由于内燃机的运行速度和工作效率较高，车辆的废气排放量适中。

(5)内燃机和电机共同工作模式

当车辆在高速运行工况下，例如速度大于65km/h，还希望进一步加速，或者车辆瞬间需求很大的加速度(即很大的推力，比如驶过坡度很大的路段)，此时车辆需求很高的能量。此时，如果储能单元电荷含量处于预设的第一阈值与第二阈值之间，如在饱和含量的50％-95％之间，电机和内燃机将同时工作，具体表现为：

储能单元电荷含量高于预设的第一阈值95％，储能单元释放电能到电机，同时内燃机工作在较高转速和较高效率下，和电机一起同时驱动车辆运行；

储能单元电荷含量高于预设的第二阈值50％，储能单元释放电能到电机，同时内燃机工作在较高转速和较高效率下，和电机一起同时驱动车辆运行；

储能单元电荷含量高于预设的第二阈值50％，内燃机工作在较高转速和较高效率下，一部分能量通过功率分离器直接驱动车辆运行；同时，内燃机另外一部分能量，通过功率分离器-电机-电力电子变换装置相关路径，对能量储存单元进行充电。

在该类工作模式下，由于内燃机的运行速度和工作效率较高，同时大多数情况下，电机也做电动机驱动车辆运行，因此车辆的废气排放量较少。

(6)内燃机单独工作模式。

当车辆在高速运行工况下，还希望进一步加速，或者车辆瞬间需求很大的加速度(即很大的推力，比如驶过坡度很大的路段)，此时车辆需求很高的能量。此时，如果储能单元电荷含量处于很低水平，内燃机将启动工作。由于车辆需要较大推力，内燃机必须工作在低速大转矩区域，部分能量通过功率分离器直接驱动车辆运行；同时，内燃机另外一部分能量，通过功率分离器-电机-电力电子变换装置相关路径，对能量储存单元进行充电。

由于内燃机工作效率较低，车辆的废气排放量很严重。该种情况，一般通过图2所示的驱动方法，按照图3的逻辑顺序图，并且综合考虑不同工况下的能量需求，通过优化措施得到有效避免。

由此可见，本发明提出的驱动方法可以全面考虑车辆在不同运行工况下的能量需求，对相关驱动路径进行有效选择，并对驱动能量大小进行灵活高效的控制，从而确保新型串并联结构电动车运行在低排放、高效率的工作状态下。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种串并联插电式混合电动汽车电气驱动***，该***包括驱动电机(1)、储能单元(2)、内燃机(3)、功率分离器(4)、功率变化器(5)以及充电器(6)，其特征在于:驱动电机(1)根据控制兼作发电机和电动机，其一端通过所述功率变化器(5)与所述储能单元(2)相连，另一端通过功率分离器(4)与内燃机3相连；所述功率分离器(4)还与车轮(8)的齿轮箱(7)相连；所述储能单元(2)另一端与所述充电器(6)相连。

2.如权利要求1所述的串并联插电式混合电动汽车电气驱动***，其特征在于，所述功率分离器(4)为自动传输功率分离器，用于能量在内燃机(3)、驱动电机(1)、功率分离器(4)、功率变换器(5)、储能单元(2)之间传输流动。

3.一种驱动如权利要求1-2任意一项所述的串并联插电式混合电动汽车电气驱动***的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在车辆运行过程中，实时检测车体制动状态和能量单元的电荷状态高低；

(2)根据上述步骤(1)中的检测结果综合判断进行是否驱动电机和内燃机工作的控制；

(3)若检测出车辆制动状态是在减速或刹车中，同时检测储能单元的电荷含量，若含量高于预设的第一阈值，制动过程中产生的能量以热量消耗掉；若含量处于预设的第一阈值与第二阈值之间，则制动过程中产生的能量回馈到储能单元中存储起来；

(4)若检测出车辆制动状态在一般运行状态下，同时检测储能单元的电荷含量，若含量高于预设的第一阈值，此时控制储能单元输出电能，带动电机驱动车辆，内燃机不工作；若含量处于预设的第一阈值与第二阈值之间，此时控制内燃机工作，对能量储存单元进行充电；

(5)若检测出车辆在高速运行状态下，同时检测储能单元的电荷含量，若含量高于预设的第二阈值，控制电机和内燃机同时工作；若储能单元电荷低于预设的第二阈值，控制内燃机单独工作。

4.如权利要求3所述的串并联插电式混合电动汽车电气驱动方法，其特征在于，当车辆处于步骤(4)或(5)的状态时，当内燃机在工作的状态下，内燃机的部分能量通过功率分离器-电机-电力电子变换器相关路径，对能量储存单元进行充电。