并联式混合动力驱动系统及其驱动方法 【技术领域】
本发明涉及一种汽车混合动力驱动系统及其驱动方法。
背景技术
目前混合动力电动汽车的驱动方案主要是发动机与动力驱动电池共同驱动整车。其中发动机包括汽油机、柴油机、天然气、液化气、甲醇、乙醇等其它燃料发动机；电机包括A/C交流电机、开关磁阻电机、直流永磁等电机；离合器包括干式、湿式、电控离合器等；耦合器包括齿轮、链条、皮带等；电控变速器包括AMT、AT、CVT等。现有的混合动力驱动方案由于在车辆行驶过程中耦合装置和发动机通过离合器始终相连，在发动机停止工作的情况下，耦合装置将带动发动机轴旋转，产生“倒拖”；现有混合动力电动汽车驱动方案发动机单独工作时，动力由发动机通过耦合器带动空调、转向、制动等附件工作；当发动机与电机共同工作时，动力经过耦合器带动空调、转向、制动等附件工作；但在纯电动工况下，由于发动机不工作，从而使得传统的空调、转向、制动等装置由于无动力输入而无法工作，因而必须另外再加一套电动系统驱动空调、转向、制动等附件才能正常工作。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有混合动力驱动方案的不足，提供一种并联式混合动力电动汽车驱动系统及其驱动方法，使得混合动力电动汽车在纯电动工况下空调、转向、制动等附件仍然能够正常工作而无需另加电动系统，同时利用超级电容提高启动功率、制动能量回收效率，从而提高整车动力性能、降低燃油消耗。
为了达到上述目的，本发明所述并联式混合动力驱动系统采用如下技术方案：
一种并联式混合动力驱动系统，包括车轮、主减速器、自动机械变速箱、后离合器、耦合器、单向超越离合器、发动机、空调压缩机、动力转向装置、变速箱液压泵，电动机、逆变器、电动真空泵、电池、直流直流变换器、电池管理器、充电电池、交流直流变换器、超级电容管理器、超级电容，其中所述车轮与主减速器相连，所述后离合器通过自动机械变速箱与主减速器相连，其中所述发动机的输出端与单向超越离合器的外圈相连，所述单向超越离合器的内圈通过耦合器与电动机、空调压缩机、动力转向装置和变速箱液压泵相连，所述超级电容通过超级电容管理器和交流直流变换器与电动机相连，所述充电电池通过电池管理器和逆变器与电动机相连，所述电动真空泵通过电池和直流直流变换器与充电电池相连。
所述并联式混合动力驱动方法为，采用上述并联式混合动力驱动系统，所述驱动方法包括电动机驱动模式，发动机驱动模式，混合驱动模式，行车充电模式，再生制动能量回馈模式，停车充电模式，其中，发动机驱动模式是车辆的主要驱动模式，电动机驱动模式是辅助驱动模式，辅助动力源是充电电池和超级电容。
(1)电动机驱动模式
在起步阶段或发动机处于低负荷工况时，发动机的热效率较低且尾气排放状况不佳。因此车辆起步时，发动机不工作，单向超越离合器打滑，不传递扭矩，避免了对发动机的倒拖，后离合器接合。动力流经路径：超级电容充电电池→逆变器→电动机→耦合器→后离合器→机械式自动变速箱→主减速器→车轮。另一部分动力经耦合器传递给空调压缩机、动力转向装置、变速器液压泵等附属部件，保证这些部件在车辆起动后的正常工作。当超级电容电能不足时，由充电电池提供电能维持电动机的工作，同时充电电池也通过逆变器向电动真空泵等附属用电设备提供电能。超级电容能够在短时间内向电动机提供大电流，使电动机产生大的起动扭矩，大大减轻了充电电池的负荷，延长了充电电池的寿命。车辆在起步时，电动机产生高扭矩，提高了车辆的起步性能。
(2)发动机驱动模式
当车辆地驱动扭矩达到设定值时，由整车控制器控制，车辆进入发动机驱动模式。发动机起动后，单向超越离合器位于发动机端的扭矩大于耦合器端的扭矩时，单向超越离合器接合，后离合器也接合，电动机停止工作。动力流经的路径：发动机→单向超越离合器→耦合器→后离合器→机械式自动变速箱→主减速器→车轮。发动机发出的动力传到耦合器后另一部分传递给空调压缩机、动力转向装置、变速器液压泵等附属部件，使得动力驱动模式变化后，这些部件也能正常工作。在此工作模式中，由于采用了整车控制系统和机械式自动变速器，发动机工作在中等负荷高效率区，能够获得较高的燃油经济性、较低的排放和平稳的驾驶性能。采用发动机单独驱动车辆，作为车辆的主要驱动模式，可以避免电动机在驱动车辆高速行驶时，充电电池的快速损失，提高了车辆的行驶里程。此时，充电电池也为电动真空泵等附属用电设备提供电能。当充电电池和超级电容的电量过低或电动机不能完成驱动车辆时，也由发动机单独起动和驱动车辆。
(3)混合驱动模式
在车辆急加速或爬坡等需要较大驱动扭矩时，发动机和电动机共同驱动车辆，以满足车辆的动力要求。此时单向超越离合器与后离合器均闭合，发动机与电动机发出的动力在动力耦合器内进行组合，一部分经过后离合器、机械式自动变速器传给车轮以驱动车辆，另一部分动力传递给空调压缩机、动力转向装置、变速器液压泵等附属部件，保证这些部件的正常工作。超级电容能够在短时间内向电动机提供大电流，使电动机产生大的扭矩，因此电动机驱动所需的电能先取自超级电容。在混合驱动模式中，由充电电池向电动真空泵等附属用电设备提供电能。
(4)行车充电模式
在车辆行驶阶段，充电电池和超级电容的电量过低时，由整车控制器控制，发动机在高负荷工况下工作，电动机变成了发电机。动力流经的路径：发动机→单向超越离合器→耦合器→后离合器→机械式自动变速箱→主减速器→车轮；一部分动力经耦合器后传给空调压缩机、动力转向装置和变速器液压泵等附属部件，保证各附属部件完成工作要求；另一部分带动发电机工作，给充电电池和超级电容充电。在行车充电过程中，发电机发出的电能也用于电动真空泵等附属用电设备的工作。当充电电池和超级电容的电量达到设定值时，行车充电模式结束。
(5)再生制动能量回馈模式
在车辆制动或减速行驶时，由整车控制器控制进行制动能量回馈。单向超越离合器位于发动机端的扭矩小于耦合器端的扭矩，单向超越离合器打滑，后离合器闭合，发动机停止输出动力，电动机以发电机的形式工作，将制动能量转化为电能，储存到超级电容和动力电池当中，实现制动能量的回馈。由于超级电容的电压等级小于充电电池，因此在充电时，先给超级电容充电，然后再给充电电池充电。在此工作模式中，部分动力从耦合器传递给空调压缩机、动力转向装置、变速器液压泵等附属部件。发电机发出的电能有部分通过逆变器传给电动真空泵等附属用电设备。
(6)停车充电模式
车辆在停车时，若充电电池与超级电容的电量过低，可以进行停车充电模式，此时单向超越离合器闭合，后离合器断开，动力流经的路径：发动机→单向超越离合器→耦合器→发电机→超级电容动力电池；同时另一部分动力通过耦合器传递给空调压缩机、动力转向装置、AMT液压泵等附属部件。当充电电池和超级电容的电量达到要求后，停车充电模式结束。在此模式中，由充电电池向电动真空泵等附属用电设备提供电能。
由于超级电容具有在极短的时间内实现快速充电的特性，作为上述技术方案的一种改进，所述超级电容15的电压等级小于充电电池12的电压等级。因此在充电过程中先给超级电容充电。
与现有相比，本发明的并联式混合动力驱动系统具有以下显著效果：
该驱动方案保持了发动机和驱动系统的机械连接，整车的动力性能容易得到保证，而且能够对发动机的工作点进行优化，使发动机在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定的运转。发动机与电机通过齿轮及单向超越离合器相连，其中单向超越离合器的外圈与发动机输出端相连，单向超越离合器的内圈与电机输出端相连，当外圈的扭矩大于内圈的扭矩时，单向超越离合器处于接合状态，传递扭矩；外圈的扭矩小于内圈的扭矩时，单向超越离合器处于打滑状态，不能传递扭矩，从而在发动机停止工作时，降低不必要的能量损耗，避免对发动机的倒拖现象，且这种降耗方式不需另加电控装置，方案结构简单。
电驱动系统由超级电容和动力电池共同作用，由于超级电容能够在短时间内接受或放出大电流的特性，在车辆起步、加速和爬坡等需要大扭矩的工况时，首先由超级电容提供动力，后由动力电池提供动力，有效地提供了启动所需的功率；同时，制动时尽可能回收最多的能量，回馈电能首先返回超级电容，然后再逐渐对动力电池进行充电。且由于本发明的驱动方案中，超级电容和动力电池的工作电压区间不同，因而不会产生超级电容中电能向动力电池的倒窜。
该驱动方案的动力耦合装置在停车工况下，仍可通过电机带动空调、转向、制动等附件进行工作，可利用车辆上现有结构，无需另加动力装置，降低制造成本。
【附图说明】
图1是本发明的并联式混合动力驱动方案中各零部件位置关系的示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，一种并联式混合动力驱动系统，包括车轮20、主减速器1、自动机械变速箱2、后离合器3、耦合器4、单向超越离合器5、发动机16、空调压缩机17、动力转向装置18、变速箱液压泵19，其中所述车轮20与主减速器1相连，所述后离合器3通过自动机械变速箱2与主减速器1相连，其特征在于：还包括电动机6、逆变器7、电动真空泵8、电池9、直流直流变换器10、电池管理器11、充电电池12、交流直流变换器13、超级电容管理器14、超级电容15，其中所述发动机16的输出端与单向超越离合器5的外圈相连，所述单向超越离合器5的内圈通过耦合器4与电动机6、空调压缩机17、动力转向装置18和变速箱液压泵19相连，所述超级电容15通过超级电容管理器14和交流直流变换器13与电动机6相连，所述充电电池通过电池管理器11和逆变器7与电动机6相连，所述电动真空泵8通过电池9和直流直流变换器10与充电电池相连，超级电容的电压等级266V小于充电电池的电压等级336V，所述充电电池12选择镍氢Ni-MH电池。
其中主减速器1是汽车传动系中降低转速、增大扭矩的主要部件；
自动机械变速箱2将发动机输出的动力传递到传动装置；
后离合器3保证汽车平稳起步，便于换档防止传动系过载；
耦合器4将多种动力进行耦合叠加；
单向超越离合器5传输发动机的动力同时进行自动离合切换；
电动机6.提供汽车的起步动力及行驶过程中的部分动力；
逆变器7将直流电转换为交流的一种电源转换器；
电动真空泵8增加冷车启动后高怠速运转时车辆真空助力器的真空度，提高真空助力的能力，确保冷车时的行车安全；
24V电池9传统低压电路动力源；
直流直流变换器10用于直流变换；
电池管理器11对电池系统进行管理；
充电电池12提供汽车行驶所需动力，同时将多余动力进行存储；
交流直流变换器13用于交流直流变换；
超级电容管理器14对超级电容系统进行管理；
超级电容15提供汽车起步所需动力，同时将多余动力进行存储；
发动机16提供汽车正常行驶所需动力；
空调压缩机17输送和压缩制冷剂蒸汽、保证制冷循环的正常工作；
动力转向装置18为转向提供动力；
变速箱液压泵19为变速箱执行机构提供液压。
一种并联式混合动力驱动方法，采用上述并联式混合动力驱动系统，所述驱动方法包括电动机驱动模式，发动机驱动模式，混合驱动模式，行车充电模式，再生制动能量回馈模式，停车充电模式，其中，
电动机驱动模式
在车辆起步阶段或动机处于低负荷工况时，电动机6单独工作，单向超越离合器5打滑，不传递扭矩，避免了对发动机16的倒拖，后离合器3接合；一部分动力通过以下途径从超级电容和充电电池12传递给车轮20：超级电容15和充电电池12→逆变器7→电动机6→耦合器4→后离合器3→机械式自动变速器AMT2→主减速器1→车轮20；同时，另一部分动力通过以下途径从超级电容15和充电电池12传递给空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19：超级电容15和充电电池12→逆变器7→电动机6→耦合器4→空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19，保证空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19在车辆起动后的正常工作。当超级电容电能不足时，由充电电池12提供电能维持电动机的工作，同时，充电电池12通过直流直流变换器10、24V电池向电动真空泵8等附属用电设备提供电能。超级电容15能够在短时间内向电动机6提供大电流，使电动机6产生大的起动扭矩，大大减轻了充电电池12的负荷，延长了充电电池12的寿命。车辆在起步时，电动机6产生的高扭矩提高了车辆的起步性能。
发动机驱动模式
当车辆启动后驱动扭矩达到设定值之时，由整车控制器控制，发动机16单独工作，单向超越离合器5位于发动机16一端的扭矩大于单向超越离合器5位于耦合器4一端的扭矩时，单向超越离合器5接合，后离合器3也接合，电动机6停止工作；一部分动力通过以下途径驱动车轮20：发动机16→单向超越离合器5→耦合器4→后离合器3→机械式自动变速器AMT2→主减速器1→车轮20；同时，另一部分动力通过耦合器4从发动机16传递给空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19，使得空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19在动力驱动模式变化后仍能正常工作。此时，充电电池也为电动真空泵8等附属用电设备提供电能。当充电电池12和超级电容15的电量过低或电动机不能完成驱动车辆时，也由发动机单独起动和驱动车辆。在此工作模式中，由于采用了整车控制系统和机械式自动变速器2，发动机16工作在中等负荷高效率区，能够获得较高的燃油经济性、较低的排放和平稳的驾驶性能。采用发动机16单独驱动车辆，作为车辆的主要驱动模式，可以避免电动机6在驱动车辆高速行驶时，充电电池12的快速损失，提高了车辆的行驶里程。
混合驱动模式
在车辆急加速或爬坡等需要较大驱动扭矩时，为了满足车辆的动力要求，发动机16和电动机6共同驱动车辆时，单向超越离合器5与后离合器3均闭合，发动机16与电动机6发出的动力在耦合器4内进行组合，一部分动力经过后离合器3、机械式自动变速器2传给车轮20以驱动车辆，另一部分动力通过耦合器4传递给空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19，保证空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵19正常工作。超级电容15能够在短时间内向电动机6提供大电流，使电动机6产生大的扭矩，因此电动机6驱动所需的电能先取自超级电容15。在混合驱动模式中，充电电池12通过直流直流变换器10、24V电池向电动真空泵8等附属用电设备提供电能。
行车充电模式
在车辆行驶过程中，当充电电池12和超级电容15的电量过低时，由整车控制器控制，发动机16在高负荷工况下工作，电动机6起发电作用。一部分动力通过以下途径驱动车轮：发动机→单向超越离合器→耦合器→后离合器→机械式自动变速器AMT→主减速器→车轮；一部分动力从发动机经耦合器传给空调压缩机17、动力转向装置18和变速器液压泵，保证空调压缩机17、动力转向装置18和变速器液压泵19完成工作要求；另一部分动力通过耦合器4带动电动机6工作，给充电电池12和超级电容15充电。由于超级电容具有在极短的时间内实现快速充电的特性，而且本方案设定超级电容的电压等级266V小于动力电池的电压等级336V，因此在充电过程中先给超级电容充电。在行车充电过程中，电动机6发出的电能通过以下途径驱动电动真空泵8等附属用电设备的工作：电动机6→逆变器7→电池管理器11→充电电池12→直流直流变换器10→24V电池→电动真空泵8。当充电电池12和超级电容15的电量达到设定值时，行车充电模式结束。在此工作模式中，充电电池12通过直流直流变换器10、24V电池向电动真空泵8等附属用电设备提供电能。
再生制动能量回馈模式
在车辆制动或减速行驶时，由整车控制器控制驱动系统进行制动能量回馈：单向超越离合器5位于发动机16一端的扭矩小于单向超越离合器5位于耦合器4一端的扭矩，单向超越离合器5打滑，后离合器3闭合，发动机16停止输出动力，电动机6以发电机16的形式工作，将制动能量转化为电能，储存到超级电容15和充电电池12当中，实现制动能量的回馈。在此工作模式中，充电电池12通过直流直流变换器10、24V电池向电动真空泵8等附属用电设备提供电能。
停车充电模式
车辆停止行驶后，若充电电池12与超级电容15的电量过低，可以进行停车充电模式，此时单向超越离合器5闭合，后离合器3断开，对超级电容15和充电电池12进行充电，同时一部分动力通过耦合器4传递给空调压缩机17、动力转向装置18、变速器液压泵。在此工作模式中，充电电池12通过直流直流变换器10、24V电池向电动真空泵8等附属用电设备提供电能。
由于超级电容15的电压等级小于充电电池12，因此在充电时，先给超级电容15充电，然后再给充电电池12充电。