CN104029672B - 一种机电混合变能装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机电混合变能装置及其控制方法，该装置主要包括一个行星排(2)、离合结构和两个电机，太阳轮的输入端通过离合结构与发动机的输出端连接，齿圈与第一电机的转轴连接，行星架与第二电机的转轴连接，该转轴也是机电混合变能装置的动力输出端。本发明的控制方法通过对各种工况下电机的控制，从而实现车辆在各种工况下的正常运行。本发明结构简单，成本较低，可以实现机械能和电能的综合高效输出，并能够实现车辆的制动能量回收再利用，车辆动力性能得到很大提高，同时提高了车辆行驶的经济性能和环保性能；能够实现无级变速这一目标；而且能够实现车辆纯电动行驶的特殊功能要求。

Description

一种机电混合变能装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种将机械能和电能综合的装置及其控制方法，能够将机械能和电能综合之后高效输出驱动车辆并实现车辆的自动无级调速功能，也能够将车辆减速或制动过程中的机械能量转化为电能回收储存以便再利用，属于一种高效传动装置。
背景技术
传统汽车使用造成能源紧张和环境污染问题，电动车可以使用非石油能源取代部分或全部石油能量作为能量源，能够很大程度上减轻石油能源紧张的局势，同时也可以有效解决传统汽车使用石油能源所造成的严重环境污染问题。由于电池技术发展的局限性，纯电动车的发展和广泛使用受到了限制，兼电动车和传统汽车优势的混合动力车技术得到了广泛应用。
混合动力技术发展的关键是实现混合动力的综合高效传输装置，充分发挥混合动力技术的优势，在保证车辆动力性能的前提下，提高车辆行驶的经济性能和环保性能。目前，车辆混合驱动技术的结构一般有串联式、并联式和混联式。串联式混合动力结构形式具有结构布置方便、控制简单的特点，主要应用于多轮驱动的轮式车辆，其发动机的工作与具体的路况没有直接的关联可以始终工作在经济工况下；缺陷是该结构形式要求动力部件的性能参数较大，能量转换经历化学能转化为机械能、机械能转化为电能、电能再转化为机械能的过程，所以能量转换效率较低。并联式混合动力结构形式和混联式混合动力结构形式则采用了电驱动和机械驱动的混合形式，一路为电驱动路径，另一路为机械驱动路径，这两路驱动路径共同汇入到综合传动装置，最后输出动力到车轮。其中，履带车辆结构更适 用于采用混联式混合动力结构，关键技术在于实现混联技术的动力综合传输装置，但是现有的上述装置结构形式复杂，成本较高。
发明内容
本发明是一种机电混合变能装置及其控制方法，解决了现有的混联式混合动力结构形式复杂成本较高的问题，能够实现机械能和电能的综合高效输出；发动机始终工作在经济工况下；并能够实现自动无级调速功能；以及制动能量回收再利用功能；动力部件的性能参数要求较小，能量传递效率较高。
本发明所采用的技术方案如下：一种机电混合变能装置，其特征在于：主要包括一个行星排、离合结构和两个电机，所述行星排包括太阳轮、行星轮、齿圈、行星架；太阳轮的输入端通过离合结构与发动机的输出端连接，齿圈的转轴与第一电机的转轴连接，行星架与第二电机的转轴连接；行星排的转速确定如下：r1*n1+r3*n3＝(r1+r3)*nH，其中，r1、n1分别是太阳轮的半径、转速，r3、n3分别是齿圈的半径、转速，nH是行星架的转速；第二电机的转轴也是机电混合变能装置的动力输出端，动力综合输出到后续的传动装置再到达车辆的行动部分。
所述离合结构包括一个动力输入端、一个动力输出端、一个换挡执行机构和壳体；所述换挡执行机构有左、中、右三个挡位可控制，当换挡执行机构处于左挡位时，换挡执行机构与动力输入端啮合，同时换挡执行机构与动力输出端啮合，则动力输入端和动力输出端实现连通；当换挡执行机构处于中挡位时，换挡执行机构与动力输入端脱离，同时换挡执行机构与动力输出端啮合，则动力输入端和动力输出端不连通且动力输出端为无约束转动状态；当换挡执行机构处于右挡位时，换挡执行机构与壳体实现静摩擦制动，同时换挡执行机构与动力输出端啮合，则动力输出端受约束静止不转动。
一种机电混合变能装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)车辆起步加速工况：控制发动机首先启动，设定发动机转速方向为正方向，控制离合机构处于左挡位置，控制第二电机处于电动模式，输出转矩为峰值转矩状态、转速从零递增正方向运行即车辆开始起步加速；控制第一电机处于发电状态，转速随动发电模式吸收存储多余能量；
2)车辆急加速工况：控制第二电机为电动模式输出峰值转矩，与行星架输出转矩综合，提供车辆的高驱动转矩需求，转速递增；驱动功率需求大则控制第一电机为电动模式、转矩峰值输出，转速随动 n 3 = ( r 1 + r 3 ) * n H - r 1 * n 1 r 3 ;
3)车辆匀速行驶工况：控制第二电机为电动模式、转速恒定；控制第一电机以发电模式工作或不工作以平衡车辆的转矩需求，转速随动 n 3 = ( r 1 + r 3 ) * n H - r 1 * n 1 r 3 ;
4)车辆爬坡工况：控制第二电机为电动模式输出峰值转矩，与行星架输出转矩综合，提供车辆爬坡时的高驱动转矩需求；第一电机转速随动 按车辆功率需求高或低工作于电动模式或发电模式；
5)车辆制动行驶工况：车辆减速或是制动过程中，控制发动机处于怠速工作状态并使离合机构处于中挡位置；第一电机和第二电机均为发电模式，把机械能转化为电能储存在蓄电池组中；由此实现制动能量的回收再利用。
6)车辆倒退行驶工况：控制发动机处于怠速工况并控制离合机构处 于右挡位置，行星排机构的太阳轮锁止；控制第二电机为电动模式、转速方向为反方向，则车辆倒退行驶：当车辆倒退加速时，第二电机输出转矩为峰值转矩状态、转速递增；当匀速行驶时，第二电机转速恒定；根据上述车辆倒车行驶工况的功率需求，确定第一电机为电动模式或不工作，转速随动 n 3 = ( r 1 + r 3 ) * n H - r 1 * n 1 r 3 .
本发明的有益效果是：本发明的机电混合变能装置结构简单，成本较低，并且可以实现机械能和电能的综合高效输出，并能够实现车辆的制动能量回收再利用，车辆动力性能得到很大提高，同时提高了车辆行驶的经济性能和环保性能；本发明的离合结构不仅可以实现动力传输，还可以切断功率，实现车辆制动，还可以在倒车时锁止太阳轮，实现倒车工况的运行。另外，由于电机的转速是可以实现无级变速的，所以机电混合变能装置动力输出端的转速能够实现无级变速这一目标；而且能够实现车辆纯电动行驶的特殊功能要求。通过本发明的控制方法可以实现车辆在各种工况下的正常运行，并且能够实现能量回收再利用。
附图说明
图1是本发明的机电混合变能装置的结构示意图。
图2是本发明的机电混合变能装置的离合结构示意图。
图3是本发明的机电混合变能装置的行星排结构示意图。
图4是本发明的应用示意图。
图中：1.离合结构，2.行星排，3.第一电机，4.第二电机；
11.动力输入轴，12.动力输出轴，13.换挡执行机构；
21.太阳轮，22.行星轮，23.齿圈，24.行星架；
31.机电混合变能装置，32.发动机，33.蓄电池组。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1、3所示，机电混合变能装置主要包括一个行星排2、离合结构1和两个电机，利用了一个离合结构1实现该装置和机械输入端的通断，利用了一个行星排2实现能量的分流或汇流；所述行星排包括太阳轮21、行星轮22、齿圈23、行星架24；发动机32的输出端连接离合结构1的输入端，离合结构1的输入端即是本发明机电混合变能装置的机械输入端，离合结构1的输出端和太阳轮转轴连接，齿圈23的转轴与第一电机3的转轴连接，行星架24与第二电机4的转轴连接；行星排的转速关系如下：r1*n1+r3*n3＝(r1+r3)*nH，其中，r1、n1分别是太阳轮的半径、转速，r3、n3分别是齿圈的半径、转速，nH是行星架的转速；第二电机4的转轴也是机电混合变能装置的动力输出端，动力输出到后续的传动装置再到达车辆的行动部分。
图2中，所述离合结构包括一个动力输入端11、一个动力输出端12、一个换挡执行机构13和壳体；所述换挡执行机构13有左、中、右三个挡位可控制，当换挡执行机构13处于左挡位时，换挡执行机构13与动力输入端11啮合，同时换挡执行机构13与动力输出端12啮合，则动力输入端11和动力输出端12实现连通；当换挡执行机构13处于中挡位时，换挡执行机构13与动力输入端11脱离，同时换挡执行机构13与动力输出端12啮合，则动力输入端11和动力输出端12不连通且动力输出端12为无约束转动状态；当换挡执行机构13处于右挡位时，换挡执行机构13与壳体实现静摩擦制动，同时换挡执行机构13与动力输出端12啮合，则动力输出端12受约束静止不转动。
如图4所示，本发明应用于车辆混合动力驱动时，机电混合变能装置31的机械输入端与发动机32的输出端连接，蓄电池组33的电缆输出与机电混合变能装置31的电缆输入端连接，机械混合变能装置31的动力输出端与后续的传动装置连接，驱动车辆工作。
结合车辆驱动工况分析，该装置具体的控制方法如下：
1)车辆起步加速工况：要求机电混合变能装置具有低速大转矩特性，但此时驱动功率需求较低。设定发动机转速方向为正方向，控制离合机构处于左挡位置，机电混合变能装置的输出转速即行星排的转速开始为0，齿圈的转速即第一电机的转速为负方向开始为此时车辆的驱动功率需求较小而驱动转矩需求大，控制第二电机处于电动状态，输出转矩为峰值转矩状态、转速从零递增正方向运行即车辆开始起步加速；控制第一电机处于发电状态、转速随动发电模式吸收存储多余能量。
2)车辆急加速工况：车辆急加速时，驱动转矩需求高，驱动功率需求大。驱动转矩需求高，则控制第二电机为电动模式输出峰值转矩，与行星架输出转矩综合，提供车辆的高驱动转矩需求，转速递增；驱动功率需求大则控制第一电机为电动模式、峰值转矩输出，补充***的高转矩、高功率需求，转速随动 n 3 = ( r 1 + r 3 ) * n H - r 1 * n 1 r 3 .
3)车辆匀速行驶工况：车辆匀速行驶时，驱动转矩需求较低，要求机电混合变能装置具有高速小转矩特性。控制第二电机为电动模式、转速恒定。控制第一电机以发电模式工作或不工作以平衡车辆的转矩需求，转速随动 n 3 = ( r 1 + r 3 ) * n H - r 1 * n 1 r 3 .
4)车辆爬坡工况：车辆爬坡时，一般车速不高，但驱动转矩要求很大，驱动功率需求大。驱动转矩需求高，则控制第二电机为电动模式输出峰值转矩，与行星架输出转矩综合，提供车辆爬坡时的高驱动转矩需求， 转速较低。第一电机转速随动按车辆功率需求工作于发电模式或电动模式：所说的车辆功率需求可以通过已有公式计算得出，车辆功率需求高也就是车辆需求功率大于发动机和第二电机可以提供的功率，则第一电机为电动模式，反之则为发电模式。
5)车辆制动行驶工况：车辆减速或是制动过程中，控制发动机处于怠速工作状态并和机电混合变能装置脱离，即离合机构处于中挡位置；第一电机和第二电机均为发电模式把机械能转化为电能储存在动力辅助装置中，由此实现制动能量的回收再利用；此即为电制动功能，配合车辆的机械制动模式实现车辆的制动要求。
6)车辆倒退行驶工况：车辆倒车行驶时，一般车速较低，车辆功率需求不大。可以控制发动机处于怠速工况并和机电混合变能装置脱离，控制离合机构处于右挡位置，行星排机构的太阳轮锁止；控制第二电机为电动模式、转速方向为反方向，则车辆倒退行驶：当车辆倒退加速时，第二电机输出转矩为峰值转矩状态、转速递增；当匀速行驶时，第二电机转速恒定；根据上述车辆倒车行驶工况的功率需求，确定第一电机为不工作或电动模式，转速随动

Claims (1)

1.一种机电混合变能装置的控制方法，其特征在于：机电混合变能装置主要包括一个行星排(2)、离合结构(1)和两个电机，所述行星排包括太阳轮(21)、行星轮(22)、齿圈(23)、行星架(24)；太阳轮(21)的输入端通过离合结构(1)与发动机(32)的输出端连接，齿圈(23)的转轴与第一电机(3)的转轴连接，行星架(24)与第二电机(4)的转轴连接；行星架(24)、太阳轮与齿圈的转速关系如下：r1*n1+r3*n3＝(r1+r3)*nH，其中，r1、n1分别是太阳轮的半径、转速，r3、n3分别是齿圈的半径、转速，nH是行星架的转速；第二电机(4)的转轴也是机电混合变能装置的动力输出端，动力输出到后续的传动装置再到达车辆的行动部分；所述离合结构包括一个动力输入端(11)、一个动力输出端(12)、一个换挡执行机构(13)和壳体；所述换挡执行机构(13)有左、中、右三个挡位可控制，当换挡执行机构(13)处于左挡位时，换挡执行机构(13)与动力输入端(11)啮合，同时换挡执行机构(13)与动力输出端(12)啮合，则动力输入端(11)和动力输出端(12)实现连通；当换挡执行机构(13)处于中挡位时，换挡执行机构(13)与动力输入端(11)脱离，同时换挡执行机构(13)与动力输出端(12)啮合，则动力输入端(11)和动力输出端(12)不连通且动力输出端(12)为无约束转动状态；当换挡执行机构(13)处于右挡位时，换挡执行机构(13)与壳体实现静摩擦制动，同时换挡执行机构(13)与动力输出端(12)啮合，则动力输出端(12)受约束静止不转动；
控制方法具体包括以下步骤：
1)车辆起步加速工况：控制发动机首先启动，设定发动机转速方向为正方向，控制离合机构处于左挡位置，控制第二电机处于电动模式，输出转矩为峰值转矩状态、转速从零递增；控制第一电机处于发电状态，转速n3随动；
2)车辆急加速工况：控制第二电机为电动模式输出峰值转矩，转速递增；驱动功率需求大则控制第一电机为电动模式、转矩峰值输出，转速n3随动；
3)车辆匀速行驶工况：控制第二电机为电动模式、转速恒定；控制第一电机以发电模式工作或不工作，转速n3随动；
4)车辆爬坡工况：控制第二电机为电动模式输出峰值转矩，第一电机转速随动，按车辆功率需求高或低工作于电动模式或发电模式；
5)车辆制动行驶工况：车辆减速或是制动过程中，控制发动机处于怠速工作状态并使离合机构处于中挡位置；第一电机和第二电机均为发电模式，把机械能转化为电能储存在蓄电池组中；
6)车辆倒退行驶工况：控制发动机处于怠速工况并控制离合机构处于右挡位置，行星排机构的太阳轮锁止；控制第二电机为电动模式、转速方向为反方向，则车辆倒退行驶：当车辆倒退加速时，第二电机输出转矩为峰值转矩状态、转速递增；当匀速行驶时，第二电机转速恒定；根据上述车辆倒车行驶工况的功率需求，确定第一电机为电动模式或不工作，转速n3随动。
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