CN110171284B - 一种模块化集成式混合动力*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模块化集成式混合动力***，包括用于输出动力的发动机和对发动机输出端输出的动力进行能量转换的能量传递及转换模块，能量传递及转换模块包括集成在一起的电机模块、速度调控模块和集成式的控制器模块，电机模块包括驱动电机和发电机，速度调控模块包括升速齿轮，升速齿轮连接于发电机与发动机之间，升速齿轮能够提升发动机的输出转速并向发电机传递提升后的输出转速，发电机将机械能转换成电能，并经控制器模块输出至驱动电机或电池。本发明通过将升速齿轮、发电机、驱动电机、发电机控制器、DC/DC转换器、驱动电机控制器和减速器分为小模块并集成在一起，以保证各模块以及各模块内的元件独立工作，结构紧凑且集成度高。

Description

一种模块化集成式混合动力***
技术领域
本发明涉及混合动力领域，尤其涉及一种模块化集成式混合动力***。
背景技术
在减少碳排放、降低石油依赖和发展新能源等背景下，国家大力推动新能源汽车发展，并出台相应政策和法规。其中，“双积分”政策法规督促整车企业发展新能源汽车。2018年7月，国家***发布《汽车产业投资管理规定(征求意见稿)》中明确规定纯电动汽车项目为：增程式电动车(REV)，纯电动汽车(BEV)和燃料电池汽车(FCV)。
然而，纯电动车目前仍面临着动力电池成本高，续航里程短，充电困难等问题，在短期内，电池技术难有突破、电池成本降价的空间有限以及充电基础建设不完善等问题难以解决，这些问题都会限制纯电动车的普及速度；燃料电池汽车面临的问题更多，具体为：氢气制备、提纯、存储、运输和安全措施都不成熟，总之，短期内燃料电池汽车的开发较为局限；相较于前两者，作为混合动力汽车的增程式电动车优势明显，无续航里程焦虑、电池电量小、成本低和充电压力小，此外，增程式电动车拥有纯电动车的驾驶感受，适合中短期发展。
混合动力汽车对动力***的空间布置及成本要求高，特别是乘用车，也就意味着动力***会向结构更紧凑、效率更高的方向发展。然而目前采用的集成式方案，会使得使用行星齿轮组，档位多，复杂，成本高。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种结构紧凑且简单的模块化集成式混合动力***。
本发明提供了一种模块化集成式混合动力***，包括用于输出动力的发动机和对发动机输出端输出的动力进行能量转换的能量传递及转换模块，所述能量传递及转换模块包括集成在一起的电机模块、速度调控模块和集成式的控制器模块，所述电机模块包括驱动电机和发电机，所述速度调控模块包括升速齿轮，所述升速齿轮连接于所述发电机与所述发动机之间，所述升速齿轮能够提升所述发动机的输出转速，并将提升后的所述输出转速传递给所述发电机，所述发电机将机械能转换成电能，并经所述控制器模块将电能输出至所述驱动电机或电池。
进一步地，所述模块化集成式混合动力***包括接收所述驱动电机转换后的能量的车轮，所述车轮在接收所述驱动电机输出的机械能时驱动车辆。
进一步地，所述发动机包括发动机飞轮、用来减轻所述发动机飞轮扭振的飞轮减震器、用来减轻所述发动机飞轮扭振的飞轮减震器和连接于所述发动机飞轮的发动机输出轴，所述发电机还包括通过所述升速齿轮连接于所述发动机输出轴的发电机输入轴，所述发动机飞轮通过所述飞轮减震器和发动机输出轴将转速传递至所述升速齿轮，并经所述发电机输入轴传递至发电机内的定子和转子，所述转子随所述定子的转动而转动。
进一步地，所述控制器模块为硅基底或碳化硅或氮化镓基底的功率器件，且所述控制器模块包括集成为一体的发电机控制器、驱动电机控制器和用于调整电压大小的DC/DC转换器，所述发电机向所述发电机控制器传输电能，在电池充电情况下，所述发电机控制器通过所述DC/DC转换器向所述电池传输电能；在电池不充电情况下，所述发电机控制器通过所述驱动电机控制器向所述驱动电机传输电能；在电池放电情况下，所述电池通过所述DC/DC转换器和所述驱动电机控制器向所述驱动电机传输电能。
进一步地，所述DC/DC转换器包括输入正极、输入负极、输出正极和输出负极，所述发电机控制器包括交流输入端和直流输出端，所述驱动电机控制器包括直流输入端和交流输出端，在电池充电的情况下，所述发电机向所述交流输入端供能，能量通过所述直流输出端流出至所述输入正极，通过所述输出负极流入所述电池；在电池不充电的情况下，能量通过所述直流输出端流出至所述直流输入端，并通过所述交流输出端传输至所述驱动电机；在电池放电情况下，所述电池向所述输入负极供能，通过所述输出正极向所述直流输入端供能，并通过所述交流输出端传输至所述驱动电机。
进一步地，所述交流输入端为三相电U输入端、三相电V输入端和三相电W输入端，且所述三相电U输入端、所述三相电V输入端和所述三相电W输入端相位之间的角度差为120°；所述交流输出端为三相电U输出端、三相电V输出端和三相电W输出端，所述三相电U输出端、所述三相电V输出端和所述三相电W输出端之间的相位角度差为120°。
进一步地，所述动力***还包括差速器，所述速度调控模块还包括减速器，所述驱动电机能够将获取的电能转换成机械能，机械能通过所述减速器降速后传输至所述车轮和所述差速器。
进一步地，所述混合动力***还包括冷却循环泵，所述冷却循环泵包括泵入口和泵出口，所述电机模块的冷却液管道分别连通所述冷却循环泵的泵出口与所述控制器模块的冷却液管道的入口，所述控制器模块的冷却液管道连通于所述泵入口。
进一步地，所述冷却循环泵的泵出口与所述电机模块的冷却液管道入口之间设有第一冷却液输送管道，所述电机模块的冷却液管道出口与所述控制器模块的冷却液管道入口之间设有第二冷却液输送管道，所述控制器模块与所述冷却循环泵的泵入口之间设有第三冷却液输送管道，由冷却循环泵流出的冷却液经第一冷却液输送管道流入所述电机模块，并经第二冷却液输送管道流入所述驱动电机，最后经所述第三冷却液输送管道流入所述冷却循环泵的泵入口。
进一步地，所述发电机的冷却液管道出口与所述驱动电机的冷却液管道入口之间还设有第四冷却液输送管道，第一冷却液输送管道设于所述冷却循环泵的泵出口与所述发电机的冷却液管道的入口之间。
综上，本发明通过将升速齿轮、发电机、驱动电机、发电机控制器、DC/DC转换器、驱动电机控制器和减速器分为小的模块并将其集成在一起，以保证各模块以及各模块内的元件独立工作，且还进一步将发电机控制器、驱动电机控制器以及DC/DC控制器集为一个控制器中中，即本发明而提供了一种多合一高集成度模块化方案，结构紧凑、集成度高、传动效率高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明模块化集成式混合动力***的一具体实施例的结构示意图；
图2为图1中发动机通过升速齿轮向发电机传输能量的结构示意图；
图3为图1中控制器模块中DC/DC转换器、发电机控制器和驱动电机控制器的的结构示意图；
图4为图1中冷却循环泵对控制器模块和电机模块进行冷却的冷却循环结构图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。
如图1和图2所示，本发明提供了一种模块化集成式混合动力***，包括用于输出动力的发动机10、能量传递及转换模块20、车轮30以及差速器40。
其中，能量传递及转换模块20对发动机10输出端输出的动力进行能量转换，并将转换后的能量输出至车轮30和差速器40，驱动车辆。
具体地，本发明中，能量传递及转换模块20包括集为一起的电机模块21、速度调控模块22和控制器模块23，电机模块21能够对接收的能量进行转换(电能与机械能之间的转化)，速度调控模块22能够通过调节转速以调控传输的机械能的大小；控制器模块23能够处理并转换获取的电能(交流电与直流电之间的转化)，以进一步向电池或驱动电机21a供电，即本发明是一种多合一高集成式且多模块化的混合动力***，各模块以及各模块内的各元件能够独立工作，集成度高，传动损失少，传动效率高。
本发明中，电机模块21包括驱动电机21a和发电机21b。
速度调控模块22包括升速齿轮22a和减速器22b。
本发明中，升速齿轮22a用来将发动机10的转速升到发电机21b在高效区间工作时所对应的转速，即升速齿轮22a将发动机10输出的转速提升至发电机21b的对应转速，进而将机械能转换成电能，并通过控制器模块23将电能传输至电池或驱动电机21a；由于驱动电机21a和减速器22b连接，故，驱动电机21a能够将获取的电能转换成机械能，且机械能能够通过特定的减速比将驱动电机21a的转速降低至合适值，然后通过减速器22b输出给车轮30和差速器40，为车辆提供行驶动力。
一优选实施例中，发动机10还包括发动机飞轮10a、用来减轻发动机飞轮10a扭振的飞轮减震器10b和连接于发动机飞轮10a的发动机输出轴10c；发电机21b还包括通过升速齿轮22a连接于发动机输出轴10c的发电机输入端211，发动机飞轮10a通过飞轮减震器10b和发动机输出轴10c将转速传递至升速齿轮22a，并经发电机输入轴211传递至发电机21b的内定子212和转子213，转子213随定子212的转动而转动，以完成发动机10输出的机械能在发电机21b内的转换。详细地，定子212和转子213对称布设于发电机输入轴211的两侧(重点参考图2)，且转子213布设于定子212与发电机输入轴211之间。
本发明中，发动机可为四缸四冲程发动机、三缸四冲程发动机和两缸四冲程发动机和转子发动机等类型发动机；而发电机21b可为永磁同步发动机、感应异步电机、步进电机和开关磁阻电机等类型发电机。
本发明中，升速齿轮22a可优选行星齿轮传动***，也即是将行星齿轮传动***中太阳齿轮、行星齿轮以及行星架的三个基本构件进行不同类型的组合，通过设计不同的传动比，从而达到提升转速的目的。有关于行星齿轮传动***，具体可参考现有技术，具体在此不做赘述。
本发明中，减速器22b可根据增程式电动机的需要来设计减速器22b。在一具体实施例中，若减速器22b机构简单，此时使用单级减速机即可；而在另一实施例中，若驱动电机21a全工况高效率运转，此时需要使用两档或多档减速机构以满足在不同车速下调整档位的需要，与之对应的驱动电机21a转速能在高效区间，这样增程式电动车运行平均效率高，能量利用效率高，增程式电动车行驶里程长。
本发明中，控制器模块23包括集成为一体的发电机控制器23a、驱动电机控制器23b和用于调整电压大小的DC/DC转换器23c，即将发电机控制器23a、驱动电机控制器23b和DC/DC转换器23c集成在一个控制器内，以提高本发明的空间利用率。在其他实施例中，DC/DC转换器还可集成在发电机21b或其他地方，可根据需要设计，具体不做限制。
发电机控制器23a和驱动电机控制器23b即本身为能够将直流电转换为交流电，也能将交流电转换为直流电的DC/AC逆变器，以便于为电池和驱动电机21b提供适应性的电流。
本发明利用发电机21b向发电机控制器23a传输电能，并通过DC/DC转换器23c分别向电池和驱动电机21b传输电能，具体情况如下：
第一种情况下：在电池充电的情况下，发电机21b向发电机控制器23a传输电能，而发电机控制器23a将电能一部分通过DC/DC转换器23c向电池传输。
第二种情况下：在电池不充电的情况下，发电机控制器23a通过驱动电机控制器23b向驱动电机21a传输电能。
第三种情况下：在电池进行放电的情况下，电池通过DC/DC转换器23c和驱动电机控制器23b向驱动电机21a传输电能。
更具体地，一并参考图3，DC/DC转换器23c包括输入正极231、输入负极232、输出正极233和输出负极234；发电机控制器23a包括交流输入端235和直流输出端237；驱动电机控制器23b包括直流输入端236和交流输出端238。
在第一种情况下(电池充电的情况下)，发电机21b向交流输入端235供能，能量通过直流输出端237流出至输入正极231，最后通过输出负极234将直流电流入电池，为电池充电。
在第二种情况下(电池不充电的情况下)，发电机21b向交流输入端235供能，能量通过直流输出端237流出至直流输入端236，最后通过交流输出端238将转换成的交流电传输至驱动电机21a，为驱动电机21a的工作提供能量。
在第三种情况下(电池进行放电的情况下)，电池向输入负极232供能，能量通过输出正极233流入直流输入端236，并通过交流输出端238将交流电传输至驱动电机21a。本发明提供的一优选实施例中，
交流输入端235为三相电U输入端、三相电V输入端和三相电W输入端，三相电V输入端和三相电W输入端相位之间的角度差为120°；同时交流输出端238为三相电U输出端、三相电V输出端和三相电W输出端，且三相电U输出端、三相电V输出端和三相电W输出端之间的相位角度差为120°。本发明提供的一优选实施例中，控制器模块23为硅基底或碳化硅或氮化镓基底的功率器件。
一并参考图4，在本发明中，混合动力***还包括冷却循环泵50，且冷却循环泵50、电机模块21和控制器模块23形成一冷却循环***。
具体地，冷却循环泵50包括泵入口和泵出口，电机模块21的冷却液管道分别连通却循环泵50的泵出口与控制器模块23的冷却液管道的入口，控制器模块23的冷却液管道连通于泵入口，以使得经泵出口流出的冷却液能够经电机模块21流入控制模块23，最后经回流至泵入口，本发明通过共用一套冷却***来冷却混合动力箱。而由于混合动力箱中不同电子电器的工作温度不一样，需要的冷却效果也不一样，故本发明提供的冷却循环***还可通过控制冷却液冷却顺序、流量速度、节温器以及温度调节其等来实现能够分别满足发电机、发电机控制器、驱动电机控制器、DC/DC转换器以及驱动电机的冷却效果，可做到提升利用，以提高冷却液利用率；即热管理***使用的材质少，加工工艺简单。
更详细地，冷却循环泵50的泵出口与电机模块21的冷却液管道入口之间设有第一冷却液输送管道50a，电机模块21的冷却液管道出口与控制器模块23的冷却液管道入口之间设有第二冷却液输送管道50b，控制器模块23与泵入口之间设有第三冷却液输送管道50c，即由冷却循环泵50流出的冷却液经第一冷却液输送管道50a流入电机模块21，并经第二冷却液输送管道50b流入控制器模块23，最后经第三冷却液输送管道50c流入泵入口，以实现冷却对电机模块21、控制器模块23的冷却。
更进一步地，本发明中，发电机21b设于冷却循环泵50与驱动电机21a之间，驱动电机21a设于发电机21b与控制器模块23之间。在发电机21b的冷却液管道出口与驱动电机21a的冷却液管道入口之间还设有第四冷却液输送管道50b，第一冷却液输送管道50a设于冷却循环泵50的泵出口与发电机21b的冷却液管道的入口之间，以使得由冷却循环泵50流出的冷却液流入发电机21b的冷却液管道，并能够经第四冷却液输送管道50b流入驱动电机21a的冷却液管道，以实现驱动电机21a和发电机21b的冷却。
综上，本发明通过将升速齿轮、发电机、驱动电机、发电机控制器、DC/DC转换器、驱动电机控制器和减速器分别分为小的模块并通过将其集成在一起，以保证各模块以及各模块内的元件独立工作；同时，进一步将发电机控制器、驱动电机控制器以及DC/DC控制器集为一个控制器中，以提供一种多合一高集成度模块化方案，结构紧凑、集成度高、传动效率高；且还通过共用一套冷却循环***，而使得冷却液利用率高，且能做到梯次利用。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种模块化集成式混合动力***，其特征在于，包括用于输出动力的发动机(10)和对发动机(10)输出端输出的动力进行能量传递及转换的能量传递及转换模块(20)，所述能量传递及转换模块(20)包括集成在一起的电机模块(21)、速度调控模块(22)和集成式的控制器模块(23)，所述电机模块(21)包括驱动电机(21a)和发电机(21b)，所述速度调控模块(22)包括升速齿轮(22a)，所述升速齿轮(22a)连接于所述发电机(21b)与所述发动机(10)之间，所述升速齿轮(22a)能够提升所述发动机(10)的输出转速，并将提升后的所述输出转速传递给所述发电机(21b)，所述发电机(21b)将机械能转换成电能，并经所述控制器模块(23)将电能输出至所述驱动电机(21a)或电池；
所述发动机(10)包括发动机飞轮(10a)、用来减轻所述发动机飞轮(10a)扭振的飞轮减震器(10b)和连接于所述发动机飞轮(10a)的发动机输出轴(10c)，所述发电机(21b)还包括通过所述升速齿轮(22a)连接于所述发动机输出轴(10c)的发电机输入轴(211)，所述发动机飞轮(10a)通过所述飞轮减震器(10b)和所述发动机输出轴(10c)将转速传递至所述升速齿轮(22a)，并经所述发电机输入轴(211)传递至发电机(21b)内的定子(212)和转子(213)，所述转子(213)随所述定子(212)的转动而转动；
所述控制器模块(23)为硅基底或碳化硅或氮化镓基底的功率器件，且所述控制器模块(23)包括集成为一体的发电机控制器(23a)、驱动电机控制器(23b)和用于调整电压大小的DC/DC转换器(23c)，所述发电机(21b)向所述发电机控制器(23a)传输电能，在电池充电情况下，所述发电机控制器(23a)通过所述DC/DC转换器(23c)向所述电池传输电能；在电池不充电情况下，所述发电机控制器(23a)通过所述驱动电机控制器(23b)向所述驱动电机(21a)传输电能；在电池放电情况下，所述电池通过所述DC/DC转换器(23c)和所述驱动电机控制器(23b)向所述驱动电机(21a)传输电能；
所述DC/DC转换器(23c)包括输入正极(231)、输入负极(232)、输出正极(233)和输出负极(234)，所述发电机控制器(23a)包括交流输入端(235)和直流输出端(237)，所述驱动电机控制器(23b)包括直流输入端(236)和交流输出端(238)，在电池充电的情况下，所述发电机(21b)向所述交流输入端(235)供能，能量通过所述直流输出端(237)流出至所述输入正极(231)，通过所述输出负极(234)流入所述电池；在电池不充电的情况下，能量通过所述直流输出端(237)流出至所述直流输入端(236)，并通过所述交流输出端(238)传输至所述驱动电机(21a)；在电池放电情况下，所述电池向所述输入负极(232)供能，通过所述输出正极(233)向所述直流输入端(236)供能，并通过所述交流输出端(238)传输至所述驱动电机(21a)；
所述混合动力***还包括冷却循环泵(50)，所述冷却循环泵(50)包括泵入口和泵出口，所述电机模块(21)的冷却液管道分别连通所述冷却循环泵(50)的泵出口与所述控制器模块(23)的冷却液管道的入口，所述控制器模块(23)的冷却液管道连通于所述泵入口；
所述冷却循环泵(50)的泵出口与所述电机模块(21)的冷却液管道入口之间设有第一冷却液输送管道(50a)，所述电机模块(21)的冷却液管道出口与所述控制器模块(23)的冷却液管道入口之间设有第二冷却液输送管道(50b)，所述控制器模块(23)与所述冷却循环泵(50)的泵入口之间设有第三冷却液输送管道(50c)，由冷却循环泵(50)流出的冷却液经第一冷却液输送管道(50a)流入所述电机模块(21)，并经第二冷却液输送管道(50b)流入所述驱动电机(21a)，最后经所述第三冷却液输送管道(50c)流入所述冷却循环泵(50)的泵入口；
所述发电机(21b)的冷却液管道出口与所述驱动电机(21a)的冷却液管道入口之间还设有第四冷却液输送管道(50b)，第一冷却液输送管道(50a)设于所述冷却循环泵(50)的泵出口与所述发电机(21b)的冷却液管道的入口之间。
2.根据权利要求1所述的模块化集成式混合动力***，其特征在于，所述模块化集成式混合动力***包括接收所述驱动电机(21a)转换后的能量的车轮(30)，所述车轮(30)在接收所述驱动电机(21a)输出的机械能时驱动车辆。
3.根据权利要求1所述的模块化集成式混合动力***，其特征在于，所述交流输入端(235)为三相电U输入端、三相电V输入端和三相电W输入端，且所述三相电U输入端、所述三相电V输入端和所述三相电W输入端相位之间的角度差为120°；所述交流输出端(238)为三相电U输出端、三相电V输出端和三相电W输出端，所述三相电U输出端、所述三相电V输出端和所述三相电W输出端之间的相位角度差为120°。
4.根据权利要求1所述的模块化集成式混合动力***，其特征在于，所述模块化集成式混合动力***还包括差速器(40)，所述速度调控模块(22)还包括减速器(22b)，所述驱动电机(21a)能够将获取的电能转换成机械能，机械能通过所述减速器(22b)降速后传输至车轮(30)和所述差速器(40)。
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