串联式混合动力电动汽车驱动装置及控制方法 【技术领域】
本发明为一种串联式混合动力电动汽车驱动系统及其运行控制方式，该系统结构简单紧凑，运行模式灵活多样，运行效率高、污染小，它属于汽车动力技术领域。
背景技术
在汽车工业飞速发展的今天，能源消耗和环境污染两大问题也随着车辆数量的增加而加剧。当前，人们对汽车节能、排放的要求越来越高，而蓄电池技术和氢气的制取、运输、储存、成本高等严重制约了电动汽车和燃料电池汽车的发展。由于混合动力汽车发动机在低效运行区域时不工作，电动机由蓄电池供电高效驱动车辆运行，而发动机一旦启动则工作在高效运行区域，发动机或驱动车辆或给蓄电池充电，且车辆制动和减速的能量可回收储存于蓄电池中，电动机与发动机两种动力可实现优势互补，车辆需要的蓄电池容量较小，因此混合动力汽车运行效率高、排放低和燃油消耗少。因而混合动力汽车应运而生获得了很大的发展。目前，先进的混合动力汽车的驱动系统主要可分为串联式、并联式和串并联式三类。在串联式混合动力汽车中，发动机发出的机械动力完全用于驱动发电机发电，汽车则完全由电动机发出的机械动力直接驱动，其发动机发出的动力一般需通过发电机、两级电力电子功率变换以及电动机才能转化为汽车的驱动力，而在并联式和串并联式混合动力汽车中，其发动机和电动机发出的机械动力通过星形齿轮等机构耦合均可直接用于汽车的驱动，因此串联式混合动力汽车的驱动系统一般比并联式和串并联式混合动力汽车的驱动系统的运行效率要低，但与并联式和串并联式混合动力汽车相比，串联式混合动力汽车的驱动系统结构更简单、控制要简便许多。目前公共汽车等大型客车多采用串联式混合动力驱动系统。此外，目前多数的混合动力汽车的发动机均配置有专门的小功率启动用电动机，增加了系统的体积和成本。因此，研制开发出一种具有更高效率、控制方便且可省去发动机用专属启动电动机的新型串联式混合动力汽车驱动系统，将有助于串联式混合动力电动汽车的进一步推广和应用。
【发明内容】
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提出一种串联式混合动力电动汽车驱动装置及控制方法，通过减少该驱动系统中发动机至电动机之间功率变换级数以提高系统运行的效率，同时利用发电机启动发动机，从而省去发动机用专属启动电动机，并针对该驱动系统提出合理的运行控制方案，使系统运行效率高、运行控制简便，系统成本、体积和重量较低。
技术方案：本发明的串联式混合动力电动汽车驱动装置包括发动机，离合器，发电机，双向整流器、双向逆变器、电动机，双向DC/DC变换器，蓄电池组，双向功率开关，主减速器以及电子中央控制单元；其中，发动机通过离合器与发电机的转子相连接，发电机的定子绕组通过导线分别与双向整流器、双向功率开关相连接，双向整流器通过直流母线分别与双向逆变器、双向DC/DC变换器相连接，电动机通过导线分别与双向逆变器、双向功率开关相连接，双向DC/DC变换器通过导线与蓄电池组相连接，电动机通过主减速器驱动车轮，电子中央控制单元分别接以上各部分，实施监控汽车驱动系统的运行。
所述的发电机为普通感应电机、永磁同步电机或其它可调速交流电机。
所述的双向整流器为PWM整流器或其它能量可双向流动的AC/DC功率变换器。
所述的双向功率开关为双向可控硅或其它双向电力电子开关。
本发明的串联式混合动力电动汽车驱动装置的控制方法中：该驱动装置在电子中央控制单元控制下的控制方法为：
1)启动发动机模式：蓄电池组通过双向DC/DC变换器、双向整流器提供电力驱动发电机，发电机工作于电动状态并通过离合器带动发动机启动运行；
2)纯电动模式：当车辆行驶速度低于巡航基速VB1且蓄电池组电力充足时，双向功率开关关断，蓄电池组经过双向DC/DC变换器、双向逆变器提供电力驱动电动机运行，电动机通过主减速器驱动车轮转动行驶；
3)发动机驱动模式：当车辆行驶速度低于巡航基速VB1且蓄电池电力不足时，双向功率开关关断，发动机在高速高效区域运行，发动机经离合器、发电机、双向整流器-双向逆变器提供动力驱动电动机，电动机通过主减速器驱动车轮转动行驶，同时发动机经离合器、发电机、双向整流器、双向DC/DC变换器提供功率给蓄电池组充电；
当车辆行驶速度高于巡航基速VB1时，发动机运行于高速高效区域，双向功率开关闭合且双向逆变器不工作，发动机经离合器、发电机、双向功率开关提供电力驱动电动机运行，电动机通过主减速器驱动车轮转动行驶；
4)混合动力模式：当车辆行驶速度低于巡航基速VB1且蓄电池电力充足，车辆欲加速或爬坡行驶等时，双向功率开关关断，发动机在高速高效区域运行，发动机经离合器、发电机、双向整流器、逆变器提供电力驱动电动机，同时蓄电池组经双向DC/DC变换器、双向逆变器提供额外电力驱动电动机，逆变器输出电力驱动电动机运行，电动机通过主减速器驱动车轮转动行驶；
当车辆行驶速度高于巡航基速VB1且蓄电池电力充足，车辆欲加速或爬坡行驶等时，发动机运行于高速高效区域，双向功率开关闭合，发动机经离合器、发电机、双向功率开关提供电力驱动电动机，同时蓄电池组经双向DC/DC变换器、双向逆变器提供额外电力驱动电动机，电动机通过主减速器驱动车轮转动行驶；
5)再生制动模式：当车辆减速或制动时，车辆动能通过车轮、主减速器驱动电动机，电动机工作于发电状态，电动机发出的全部电力通过双向逆变器、双向DC/DC变换器给蓄电池组充电；
6)驻车发电模式：当车辆处于停驻状态，电池组电量不足时，双向功率开关关断，发动机在高速高效区域运行，发动机经离合器、发电机、双向整流器、双向DC/DC变换器提供全部功率给蓄电池组充电。
有益效果：本发明所提供的串联式混合动力电动汽车驱动系统及其运行控制方法的有益效果主要有：
1.本发明所提供的驱动系统结构简单、可靠性高、双动力源协调运行，不仅可以使发动机总是工作于高速高效区域，发动机的燃油效率高，有效地减少燃油消耗和排放，而且本发明在发电机和电动机之间增设了双向功率开关，当汽车的行驶速度高于巡航速度VB1时，发电机至电动机之间的功率变换级数减少，其能量传递效率比其他的串联式混合动力电动汽车驱动系统明显提高。
2.所述的串联混合动力电动汽车驱动系统按上述方式运行，其中的发电机所连接的整流器为双向整流器，在发动机启动阶段，由蓄电池组供电，双向整流器工作在逆变状态，双向整流器输送电力驱动发电机电动运行以启动发动机，系统就节省下了发动机的专用启动电机。
【附图说明】
图1为本发明的系统结构示意图，其中有发动机1，离合器2，发电机3，双向整流器4、双向逆变器5、电动机6，双向DC/DC变换器7，蓄电池组8，双向功率开关9，主减速器10、车轮11以及电子中央控制单元12。
【具体实施方式】
如图1示，串联式混合动力电动汽车驱动系统由发动机1，离合器2，发电机3，双向整流器4、双向逆变器5、电动机6，双向DC/DC变换器7，蓄电池组8，双向功率开关9、主减速器10、车轮11以及电子中央控制单元12所组成。其中，发动机1通过离合器2与发电机3的转子相连接，发电机3的定子绕组通过导线分别与双向整流器4、双向功率开关9相连接，双向整流器4通过直流母线分别与双向逆变器5、双向DC/DC变换器7相连接，电动机6通过导线分别与双向逆变器5、双向功率开关9相连接，双向DC/DC变换器7通过导线与蓄电池组8相连接，电动机6通过主减速器10与车轮11相连接，汽车驱动系统的运行由电子中央控制单元12统一实施监控。所述的发电机3为普通感应电机、永磁同步电机或其它可调速交流电机。所述的双向整流器4为PWM整流器或其它能量可双向流动的AC/DC功率变换器。所述的双向功率开关9为双向可控硅或其它双向电力电子开关。
以一套串联式混合动力电动汽车的驱动系统为例，发动机1经离合器2与永磁同步发电机3相连，双向整流器4、双向逆变器5和DC/DC变换器7均采用IGBT为功率元件以及PWM开关方式，双向功率开关9为双向晶闸管模块，驱动电机6为三相异步电动机，电子中央控制单元12采用DSP微处理器。该驱动系统在电子中央控制单元12监控下按照以下模式运行工作：
1)启动发动机模式。双向功率开关9关断，蓄电池组8通过双向DC/DC变换器7-双向整流器4提供电力驱动发电机3，发电机3工作于电动状态并通过离合器2带动发动机1启动运行；
2)纯电动模式。当车辆行驶速度低于巡航基速VB1且蓄电池组8电力充足时，双向功率开关9关断，蓄电池组8经过双向DC/DC变换器7-双向逆变器5提供变压变频电力驱动电动机6高效运行，电动机6通过主减速器10车轮11转动行驶；
3)发动机驱动模式。当车辆行驶速度低于巡航基速VB1且蓄电池组8电力不足时，双向功率开关9关断，发动机1运行于高速高效区域，发动机1经离合器2-发电机3-双向整流器4-双向逆变器5提供动力驱动电动机6，电动机6通过主减速器10车轮11转动行驶，同时发动机1经离合器2-发电机3-双向整流器4-双向DC/DC变换器7提供功率给蓄电池组8充电；当车辆行驶速度高于巡航基速VB1时，双向功率开关9闭合且双向逆变器6不工作，发动机1运行于高速高效区域，发动机1经离合器2-发电机3-双向功率开关9提供动力驱动电动机6高效运行，电动机6通过主减速器10车轮11转动行驶；
4)混合动力模式。当车辆行驶速度低于巡航基速VB1且蓄电池组8电力充足，车辆欲加速行驶或爬坡行驶等时，双向功率开关9关断，发动机1运行于高速高效区域，发动机1经离合器2-发电机3-双向整流器4-双向逆变器5提供动力驱动电动机6，同时蓄电池组8经双向DC/DC变换器7-双向逆变器5提供额外动力驱动电动机6，双向逆变器5输出变压变频电力驱动电动机6高效运行，电动机6通过主减速器10车轮11转动行驶；当车辆行驶速度高于巡航基速VB1且蓄电池组8电力充足，车辆欲加速或爬坡行驶等时，发动机1运行于高速高效区域，双向功率开关9闭合，发动机经离合器2-发电机3-双向功率开关9提供动力驱动电动机6，同时蓄电池组8经双向DC/DC变换器7-双向逆变器5提供额外动力变压变频驱动电动机6，电动机6通过主减速器10车轮11转动行驶；
5)再生制动模式。当车辆减速或制动时，车辆动能通过车轮11-主减速器10驱动电动机6，电动机6工作于发电状态，电动机6发出地全部电力通过双向逆变器5-双向DC/DC变换器7给蓄电池组充电；
6)驻车发电模式。当车辆处于停驻状态，蓄电池组8电量不足时，双向功率开关9关断，发动机1在高速高效区域运行，发动机1经离合器2-发电机3-双向整流器4-双向DC/DC变换器7提供全部功率给蓄电池组8充电。
本发明所提供的驱动系统在发电机3和电动机6之间增设了双向功率开关9，当汽车的行驶速度高于巡航速度VB1时，发电机3至电动机6之间的功率变换级数由两级变为一级，其能量传递效率明显提高；另外发电机3所连接的整流器4为双向整流器，在发动机1启动阶段，由蓄电池组8供电，双向整流器4工作在逆变状态，双向整流器4输送电力驱动发电机3电动运行以启动发动机1，系统就节省下了发动机的专用启动电机。本发明所提出的串联式混合动力驱动系统结构简单紧凑、可靠性高、双动力源协调运行，不仅可以使发动机总是工作于高速高效区域，发动机的燃油效率高，有效地减少燃油消耗和排放，而且可优化成本。