專利名稱：混合動力電動汽車(hev)輪轂驅(qū)動裝置的制作方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域一種混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，屬電動的交通車輛。
背景技術(shù)：
混合動力電動汽車(HEV)，是介于燃油發(fā)動機驅(qū)動與車載蓄電池驅(qū)動之間的車型，也是燃油發(fā)動機汽車向純電池EV電動汽車過度產(chǎn)品。由于目前全世界石化能源的緊缺，并在幾十年后面臨枯竭，而純電池能源在EV電動汽車上的應(yīng)用，還處于技術(shù)不成熟階段；為了減少石化能源的過多消耗，補充電池能源技術(shù)未成熟缺陷，混合動力電動車(HEV)的推出，是當前研發(fā)的熱點?，F(xiàn)有技術(shù)的HEV車，主要有串聯(lián)式混合動力電動汽車(SHEV)，并聯(lián)式混合動力電動汽車(PHEV)和混聯(lián)式(串、并聯(lián)式)混合動力電動汽車(PSHEV)。SHEV是由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電機三大動力總成組成，三大動力總成采用“串聯(lián)”的方式組成SHEV的驅(qū)動系統(tǒng)，而發(fā)動機-發(fā)電機組只能看作一種電能供應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)動機并不直接參與SHEV的驅(qū)動。由于SHEV必須裝置一個大功率的發(fā)動機-發(fā)電機組，再用驅(qū)動電動機來驅(qū)動車輛，發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驅(qū)動功率，在熱能→電能→機械能之間的轉(zhuǎn)換過程中，總效率低于內(nèi)燃機汽車，三大動力總成的體積大、質(zhì)量重，還配有龐大的動力電池組，在中小型HEV上不適用是其主要缺點，而且兩大能源動力不能并動。并聯(lián)式混合動力電動汽車(PHEV)，是由發(fā)動機、電動/發(fā)電機或驅(qū)動電機兩大動力總成組成，兩者采用“并聯(lián)”的方式組成PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)大致可分為發(fā)動機-驅(qū)動系統(tǒng)(變速器和驅(qū)動橋-驅(qū)動輪等)，電動機的動力要與車輛驅(qū)動系統(tǒng)相組合，其方式可分①在發(fā)動機輸出軸處進行組合；②在變速器(包括驅(qū)動橋)處進行組合；③在驅(qū)動輪處進行組合。上述第①種組合式，只有發(fā)動機和電動/發(fā)電機兩大動力設(shè)備，發(fā)動機和電動/發(fā)電機的動力在發(fā)動機輸出軸上進行組合，然后通過由離合器、變速器、驅(qū)動橋和半軸組成的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)帶動車輪行駛，稱為發(fā)動機軸動力組合式PHEV；第②種又稱動力組合器動力組合式PHEV，該系統(tǒng)只有發(fā)動機和驅(qū)動電動機兩大動力設(shè)備，由于它們是在動力組合器上進行組合，然后通過差速器和半軸帶動車輪行駛；第③種為驅(qū)動輪動力組合式PHEV，它的發(fā)動機通過離合器、變速器和驅(qū)動橋獨立驅(qū)動PHEV的后(前)驅(qū)動輪，驅(qū)動電動機通過減速器獨立地驅(qū)動PHEV前(后)驅(qū)動輪。在PHEV模式中，發(fā)動機與驅(qū)動電動機共同組成4輪驅(qū)動模式，由于驅(qū)動動力(牽引力)是在驅(qū)動輪上組合，故稱為驅(qū)動輪動力組合式PHEV。
以上三種動力組合驅(qū)動模式的HEV，都存在傳統(tǒng)汽車上的機械驅(qū)動裝置，降低了整車傳動效率，并使整車重量、制造成本增大，這是其主要缺點。另有一種叫混聯(lián)式(串、并聯(lián)式)混合動力電動汽車(PSHEV)，與前述的SHEV和PHEV一樣，存在笨重的機械傳統(tǒng)裝置[1]。
另有一種叫電動輪的電動汽車，它不用傳統(tǒng)的機械傳動系，在車輪內(nèi)把電機和行星輪變速器制造為一體，直接安裝在電動輪上，電機軸輸出的扭矩經(jīng)行星減速器后直接驅(qū)動車輪，其主要特點是省去了現(xiàn)有汽車上傳統(tǒng)的差速器和半軸[2]，但存在車輪內(nèi)部的行星齒輪變速器，缺點是行星齒輪制造精度高、磨損大、壽命短、而且噪聲隨使用時間延長而增大，維修不便，電機功率損耗大。
三菱汽車日前宣布，該公司配備輪內(nèi)馬達，屬外轉(zhuǎn)子式輪內(nèi)馬達，把該馬達裝入車輪內(nèi)，其優(yōu)點是無須任何機械傳動和齒輪變速器，具有出色的省空間效率，可增大電機的輸出功率及扭矩，使整車重量減輕，提高行車效率[3]，其主要缺點是在HEV混合動力車上無法直接與電動/發(fā)電機相匹配，只作為一種EV(純電動車)的概念車研究。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)在混合動力電動汽車(HEV)上存在的機械傳動系如動力→離合器→變速器→傳動軸→主減速器→差速器→半軸→車輪方案中，多而笨重的機械傳動系缺點；電動輪內(nèi)存在的行星齒輪機械結(jié)構(gòu)噪聲大的缺點；國外輪內(nèi)馬達與HEV發(fā)電機輸出電源，不能直接利用而使能源效率降低的缺點。本發(fā)明提出一種具有四大特點的新方案，即①從發(fā)電機輸出三相交流電源，可直接輸入至輪轂電機中，同時又可達到發(fā)電機的高轉(zhuǎn)速至輪轂電機低轉(zhuǎn)速運行，并且能實現(xiàn)SPWM(正弦脈寬調(diào)制)和保持V/F恒定，提高能源利用效率；②發(fā)電機輸出能對電池浮充電；③低速行車可實現(xiàn)電池供電行駛；④大轉(zhuǎn)矩爬坡或超車時，發(fā)電機與電池兩種動力源同時投入(并動)，或單獨投入的靈活選擇。
實現(xiàn)本發(fā)明需解決的技術(shù)問題(1)發(fā)動機與電動/發(fā)電機同軸安裝；(2)電動/發(fā)電機設(shè)計為4或6極高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型，要求采用稀土永磁NaFeB或SmCo在轉(zhuǎn)子上為深埋式結(jié)構(gòu)[4]；(3)電動/發(fā)電機可運行在電動機工況下，作為發(fā)動機的啟動電機；(4)電動/發(fā)動機又可運行在發(fā)電機工況，在該工況下，須使發(fā)動機運行在經(jīng)濟油耗特性段，直接供電給輪轂電機行駛；
(5)要求高速運轉(zhuǎn)的發(fā)電機供電給輪轂電機具有V/F特性；(6)發(fā)電機向輪轂電機供電由可控硅控制，即相當于具有機械裝置中“離合器”的作用；(7)發(fā)電機供電給輪轂電機有一定范圍的無級變頻調(diào)速功能；(8)發(fā)電機具有對電池的浮充電功能；(9)當發(fā)電機供電給輪轂電機運行過程中，因突然剎車停止向輪轂電機供電時，會使發(fā)電機突然切除負荷，同軸拖動的原動力—發(fā)動機因突然拋載，其轉(zhuǎn)速將升至危險的高速—“飛車”。因此，必須安裝有防止發(fā)動機產(chǎn)生“飛車”的安全保護裝置；(10)HEV制動剎車工況時，應(yīng)具有能量回饋裝置；(11)當電池通過逆變控制器向輪轂電機提供三相交流電源時使用的是SPWM正弦脈寬調(diào)制，它具有隨機的電壓/頻率關(guān)系，若把電池切除轉(zhuǎn)換投入發(fā)電機供電時，為防止輪轂電機因兩種電源切換時的頻率不同而產(chǎn)生失步，應(yīng)解決兩種動力源的頻率同步指示器問題；(12)當電池與發(fā)動機兩種動力源轉(zhuǎn)換時，HEV驅(qū)動裝置具備可選擇動力源的選擇功能；(13)當HEV輪轂驅(qū)動裝置具有兩種動力源時，可任意選擇一種動力源工作，也可以兩種動力源并動工作的功能；(14)當HEV輪轂驅(qū)動裝置在同一車軸上，安裝有兩臺輪轂電機時，該HEV輪轂驅(qū)動裝置車應(yīng)具有電子差速功能(即兩臺輪轂電機具有功率自動分配控制系統(tǒng))；本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案(1)在混合動力電動汽車(HEV)的輪轂驅(qū)動裝置上，汽油發(fā)動機的功率可以采用比同級別的汽車發(fā)動機功率小、并要求選用高速的(6000-9000r/min左右)四沖程發(fā)動機，在其伸出軸上直接安裝內(nèi)轉(zhuǎn)子式永磁體深埋式結(jié)構(gòu)。
(2)電動/發(fā)電機設(shè)計為4極或6極，采用稀土永磁體(NdFeB)深埋式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[4]，外定子為三相繞組結(jié)構(gòu)。
(3)要求電動/發(fā)電機在啟動發(fā)動機工作時，電動/發(fā)電機通過電池供電，經(jīng)逆變控制器向電動/發(fā)電機提供三相逆變電流，并使電動/發(fā)電機運行在電動機工況，此時電動/發(fā)電機作為發(fā)動機的啟動電機工作，當發(fā)動機啟動后逆變控制器停止工作，發(fā)動機啟動后，帶動同軸的電動/發(fā)動機工作在發(fā)電機工況，作好向車輪上的輪轂電機提供三相交流電源準備。
(4)要求電動/發(fā)動機運行在發(fā)電機工況時，發(fā)動機應(yīng)工作在該型號發(fā)動機的經(jīng)濟油耗范圍，可由發(fā)動機的“油門”控制其轉(zhuǎn)速范圍，每種型號的發(fā)動機都有一條“船形”特性燃油消耗曲線[5]，在該曲線底部范圍，稱為經(jīng)濟油耗區(qū)域，使發(fā)動機工作在該范圍調(diào)速，達到油耗最省。
(5)由于電動/發(fā)電機工作在發(fā)動機工況，是在“船形”曲線經(jīng)濟油耗區(qū)域，通過“油門”調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機同軸安裝，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機一致，“船形”曲線區(qū)域[5]轉(zhuǎn)速約6000-9000r/min范圍，三相發(fā)電機若為4極設(shè)計，其頻率為100-300Hz；6極設(shè)計頻率為150-450Hz范圍；顯然，發(fā)電機輸出頻率與其轉(zhuǎn)速高低成正比，而發(fā)電機產(chǎn)品制成后，其輸出電壓高低與轉(zhuǎn)速高低也成正比，因而使得發(fā)電機輸出有V/F是一個基本定值，對車輪電機調(diào)速有利。
(6)發(fā)電機工況下，輸出的三相交流V/F電源，可直接向永磁同步外轉(zhuǎn)子式輪轂電機供電，該電源必須要求有可控性，這是HEV輪轂驅(qū)動裝置車在不同的行車狀態(tài)下必須的；因此在發(fā)電機與輪轂電機的三根供電線路上，串聯(lián)三只可控硅元件，即可完成控制要求，它相當于機械傳動系中的“離合器”功能，而三相中的三根供電線，就相當于機械傳動系中的傳動軸的功用—傳輸能量。
(7)電動/發(fā)電機應(yīng)設(shè)計為永磁同步電機特性。在發(fā)電機工況時，發(fā)出的三相交流電源，應(yīng)為三相正弦交流電勢波形，這樣可實現(xiàn)對輪轂電機實施變頻調(diào)速功能；即V/F SPWM調(diào)速。
(8)在該電動/發(fā)動機的輸出線上，不僅接有三根向輪轂電機供電的導線；還接有三根向電池浮充電的導線。其目的是使電池可吸收富余電能。在行車不同工況(輪轂電機負載變化)時，電機的載荷是隨機的，且變化大，而電池可平衡用電的“低谷”，有利于發(fā)電機輸出電能突變的變化，使端電壓平衡，有利于電池的浮充電，可延長電池的使用壽命。
(9)電動/發(fā)動機既可向輪轂電機供電，同時又可對電池浮充電，當發(fā)電機供電高速行車時，發(fā)電機的主要載荷是輪轂電機；由于HEV輪轂電機裝置行車時常因不同路況，需要突然剎車，此時發(fā)電機會突然拋載，而電池處于滿充電狀態(tài)下，導致同軸的發(fā)動機因突然失去載荷，轉(zhuǎn)速迅速升高至危險轉(zhuǎn)速-“飛車”故障。發(fā)動機“飛車”會導致嚴重破壞后果。因此，本發(fā)明的電動/發(fā)電機上并聯(lián)接有超大容量的電容器[6]，當主控制器可檢測發(fā)電機端電壓變化時，其端電壓因發(fā)電機拋載，使轉(zhuǎn)速升高引起端電壓升高，主控制器便可將超大容量電容器9投入，吸收發(fā)電機電能，消除發(fā)電機因突然拋載導致發(fā)動機“飛車”危險。超大容量電容器吸收的電能還可以向電池浮充電。
(10)由電池通過逆變控制器向輪轂電機供電工況下，該逆變控制器內(nèi)部設(shè)有剎車制動的能量回饋電路，即具有向電池充電的電路[7]。
(11)本發(fā)明HEV輪轂驅(qū)動裝置，在低速行車時，采用電池供電；當高速行車時，采用電動/發(fā)電機供電行駛。由于在這兩種電能的轉(zhuǎn)換時，會因電源的頻率不同，造成輪轂電機失步。為保持兩種電源的頻率接近或一致，進行轉(zhuǎn)換供電，主控制器中應(yīng)裝有同步指示器(相當于電力系統(tǒng)中并網(wǎng)發(fā)電投入的同步指示器的功能)，這是現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品。
(12)由于行車工況是多變的隨機參數(shù)，該混合動力電動汽車HEV輪轂驅(qū)動裝置，具有電池與燃油兩種動力源的選擇和隨時轉(zhuǎn)換功能。低速行車時選用電池動力，轉(zhuǎn)換至高速行車時，選用燃油發(fā)動機動力；而在爬坡或超速時，兩種動力可并用。
(13)對于HEV輪轂驅(qū)動裝置用在兩輪電動摩托車或三輪電動摩托車上，可以前后各裝一臺輪轂電機，兩種動力源并動時，可以選擇前輪一種動力源，后輪另一種動力源驅(qū)動車輛行駛；對于四輪汽車，可以選擇前、后各一臺或前、后各兩臺輪轂電機驅(qū)動行車。
(14)兩種動力源并動時，無論是前后單臺輪轂電機驅(qū)動行車或多臺電機驅(qū)動行車，都由主控制器中的電子差速器來完成車輛拐彎的控制功能。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明混合動力電動車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置的有益效果是(1)由于電動/發(fā)電機與燃油發(fā)動機同軸安裝，并采用四沖程高速發(fā)動機，與同等功率的燃油發(fā)動機相比，其重量減輕約40％；(2)電動/發(fā)電機處于發(fā)電機工況時，對車輪上的輪轂電機直接供電行車，由于不需要機械傳動系統(tǒng)，可提高有效能量約10％(一般汽車的機械傳動系統(tǒng)消耗的能量，約占總的有效能量的10％[10])，(3)輪轂電機可實現(xiàn)多擋[8]、[9]變頻寬調(diào)速控制，提高電機效率和行車的速度范圍。


附圖1、HEV輪轂驅(qū)動裝置原理框圖1電動/發(fā)電機；2電池；3輪轂電機(一臺至多臺)；4、5逆變控制器(含整流器)；6主控制器；7可控硅開關(guān)；8發(fā)動機。
工作方式說明發(fā)動機8與電動/發(fā)電機1同軸組裝在同一殼體內(nèi)，電動/發(fā)電機1發(fā)出三相交流電源，通過可控硅開關(guān)7直接向輪轂電機3供電行駛；電池2通過逆變控制器5向輪轂電機3供電行駛；1和2可同時向3供電行駛；逆變控制器4由2供電向電動/發(fā)電機1提供啟動電源，啟動發(fā)動機8工作；1工作在發(fā)電機工況時，又可通過4向2提供充電電源(浮充電)；2與3是并接在1的三相輸出線上的兩種負載；主控制器6可控制輪轂電機3，處在制動發(fā)電狀態(tài)時向電池2充電(再生能量反饋)，承擔整車驅(qū)動系統(tǒng)的行車方式轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)控制。
附圖1的工作方式有(1)電池動力行車工況；(2)發(fā)動機發(fā)電動力行車工況；(3)電池與發(fā)電機兩種動力混合并動行車工況。
附圖1的具體說明(1)電池動力行車工況6發(fā)出指令，2通過5向3提供SPWM電源；當剎車制動時，整車的慣性能通過3轉(zhuǎn)為發(fā)電機工作，通過5整流功能向2浮充電(再生發(fā)電制動方式回收能量)；(2)發(fā)動機發(fā)電動力行車工況6發(fā)出指令，2通過4向1供電，啟動發(fā)動機8(1處于電動機啟動工況)，當8正常工作，2停止供電，此時1處于發(fā)電機工況，它可同時向3和2兩種并接的負載供電；當3低速行車功耗小時，1的端電壓升高(指發(fā)動機保持穩(wěn)態(tài)時)，通過4向2供電多。1向2的供電(浮充電)時充電電流大小，決定于主負載(輪轂電機)行車狀態(tài)，當行車的電機功率消耗大時，并接的電池浮充電電流就小，它們是成反比的，兩種負載起到了基本穩(wěn)定發(fā)電機輸出負荷的作用；(3)電池與發(fā)電機兩種動力混合并動行車工況。在多輪(如4輪轎車和兩輪雙驅(qū)動電動摩托車)同時驅(qū)動的車輛中，電池2通過5向前(后)輪電機供電；同時發(fā)電機通過7向后(前)輪電機供電工況，HEV輪轂驅(qū)動裝置可提高爬坡能力和超車性能，當剎車制動時，前、后輪都可轉(zhuǎn)為發(fā)電再生制動狀態(tài)，分別通過4和5的整流功能向2浮充電。
附圖2、HEV輪轂驅(qū)動裝置用于四輪驅(qū)動原理框圖1電動/發(fā)電機；2電池；3輪轂電機(共有4臺)；4、5逆變控制器(含整流器)；6主控制器；7可控硅開關(guān)。
工作方式與附圖1中基本相同，不同的是在前后車軸上各裝有兩臺輪轂電機，主控制器的功能增加了輪轂電機的功率自動分配系統(tǒng)(電子差速器)。
附圖3、為4極電動/發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面圖圖中示出，該電機為4極永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外定子為12槽，每槽一個集中繞組(即每齒一個集中繞組)，繞組跨距Y＝1，4極永磁體為扇形截面，長條形深埋式，其材料為銣鐵硼(NaFeB)或釤-鈷(SmCo)。
附圖4、為6極電動/發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面圖
外定子與附圖3相同，內(nèi)轉(zhuǎn)子為6極永磁體扇形截面，長條形深埋式，其材料為銣鐵硼(NaFeB)或釤-鈷(SmCo)。
附圖5，輪轂電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面示圖圖中輪轂電機3是永磁同步外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子為多極數(shù)的分數(shù)槽模塊化鐵芯徑向結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子是由40極(或60極)的銣鐵硼(NaFeB)材料，并由矩形截面的長條形永磁體，使其N、S極相鄰貼在外轉(zhuǎn)子鐵圈的內(nèi)園周上，形成多邊形結(jié)構(gòu)；內(nèi)定子模塊化鐵芯為36(或48)槽結(jié)構(gòu)。
由于該設(shè)計發(fā)明中，有電動/發(fā)電機1與輪轂電機3的磁極數(shù)配合問題，目的是利用1與3的磁極數(shù)比值的大小，造成1與3之間的轉(zhuǎn)速差。例如，當1為4極，3為40極，磁極數(shù)之比為4/40，等于10倍的轉(zhuǎn)速差；當1為6極，3為60極，也是10倍的轉(zhuǎn)速差。也就是高速發(fā)動機與同軸的電動/發(fā)電機轉(zhuǎn)速相同，發(fā)動機選用6000-9000r/min范圍，則輪轂電機為600-900r/min范圍。達到利用兩臺電機磁極數(shù)比值的減速目的，而且這種減速方式，完全消除了現(xiàn)有汽車技術(shù)上，采用機械齒轉(zhuǎn)減速的許多弊端和笨重的結(jié)構(gòu)。
因此，設(shè)計電動/發(fā)電機1為4極時，輪轂電機3為40極；電動/發(fā)電機為6極時，輪轂電機3為60極。
附圖6、輪轂電機3的剖面組裝圖。它可以在組裝完成后直接壓裝在現(xiàn)有汽車鋁輪轂中；圖中11和12為左、右端蓋，鋁合金材料擠壓成型；13為空芯軸，它可以直接安裝在汽車的固定軸上；14為支撐軸套，用于固定空芯軸和內(nèi)定子鐵芯16，15為緊固螺栓，16定子鐵芯是采用電機專用硅鋼片，17為定子繞組，采用分數(shù)槽電機設(shè)計；18外轉(zhuǎn)子鐵芯，可直接壓入現(xiàn)有轎車的鋁合金輪轂中；9外轉(zhuǎn)子永磁體，按設(shè)計的電機磁極數(shù)來確定。
附圖7，該圖9為吸收電容器，20是由超大容量電容器CFGOO系列，用三組聯(lián)接成Y接法20，其三根引出線通過內(nèi)部可控硅開關(guān)21，并接在電動/發(fā)電機1的三相輸出線上，由可控硅21的觸發(fā)電路22控制，電容器的放電電路，通過內(nèi)部整流器23可對電池2放電。
附圖1至7綜合說明發(fā)動機8與電動/發(fā)電機1同軸組裝在同一殼體內(nèi)，電動/發(fā)電機1發(fā)出的三相交流電源，通過可控硅開關(guān)7直接向輪轂電機3供電行駛；還可電池2通過逆變器5向輪轂電機3供電行駛；1和2可同時向3供電行駛(并動)，1和2也可分別單獨向3供電行駛；逆變控制器4由2供電向電動/發(fā)電機1提供啟動電源，啟動發(fā)動機8工作；1工作在發(fā)電機工況時，又可通過4向2提供充電電源(浮充電)；2與3是并接在1三相輸出線上的兩種負載；主控制器6可控制輪轂電機3處在制動發(fā)電狀態(tài)時向電池2充電(再生能源反饋)，承擔整車驅(qū)動系統(tǒng)的行車方式轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)控制，吸收電容器9是并接在電動/發(fā)電機1上，防止發(fā)電機工況因故突然拋載造成發(fā)動機“飛車”故障。具體工作方式①電池動力行車工況②發(fā)動機發(fā)電動力行車工況，當主控制器6發(fā)生指令，電池2通過逆變控制器5向輪轂電機3提供SPWM電源調(diào)速控制行車；當剎車制動時，行車慣性能通過3轉(zhuǎn)為發(fā)電機工況，通過5整流功能向2浮充電；第②種工況當主控制器發(fā)出指令，2通過4向1供電，啟動發(fā)動機8(1處于電動機啟動工況)，當8正常工作，2停止供電，此時1轉(zhuǎn)為發(fā)電機工況，1可同時向3和2兩種并接的負載供電；當3高速行車，需更大輸入功率時，發(fā)電機1輸出因負載增大端電壓下降，并接的電池2浮充電流減??；當3負載小(即行車速度降低)時，1的端電壓升高，對2浮充電電流增大，即并接的2和3起到了相互制約，相互平穩(wěn)的作用。第③種工況電池2與電動/發(fā)電機1兩種動力混合并動行車工況，在多輪(如4輪轎車和兩輪雙驅(qū)動電動摩托車)同時驅(qū)動的車輛中，電池2通過5向前(后)輪電機供電；同時發(fā)電機通過7向后(前)輪電機供電工況，HEV可提高爬坡能力和超車性能，當剎車制動時，前、后輪電機都可轉(zhuǎn)為發(fā)電再生制動狀態(tài)，分別通過4和5的整流功能向2浮充電。
電動/發(fā)動機1是由6極(或4極)永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外定子為12槽。6極(或4極)永磁體為扇形截面長條形深埋式，永磁體材料為銣鐵硼(NaFeB)或釤-鈷(SmCo)。
輪轂電機3是永磁同步外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子為多極數(shù)的分數(shù)槽繞組，鐵芯為模塊化徑向結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子是由40極(或60極)的銣鐵硼(NaFeB)材料，并由矩形截面的長條形永磁體，使其N、S極相鄰貼在外轉(zhuǎn)子鐵圈的內(nèi)園周上，形成多邊形結(jié)構(gòu)；內(nèi)定子模塊化鐵芯為36(或48)槽結(jié)構(gòu)。當設(shè)計選擇電動/發(fā)電機1為4極時，輪轂電機3為40極；當設(shè)計電動/發(fā)電機1為6極時，輪轂電機3為60極。這樣可保持電動/發(fā)電機與輪轂電機存在10/1轉(zhuǎn)速降低10倍的減速特性，利用這種電機中改變磁極數(shù)比來達到機械齒輪減速器完全相同的效果，兩臺電機之間磁極數(shù)比在電機制作完成后是不變的，而且不必外部增加一個笨重的減速裝置，這不僅減輕了整車重量，減少維修運行費用，還可消除傳動噪聲和提高系統(tǒng)效率；不僅大量節(jié)省材料、加工費用，還可節(jié)省潤滑油。它只要求電動/發(fā)電機1和輪轂電機3都是永磁同步電機的參數(shù)，屬正弦波電勢，當發(fā)動機由“油門”調(diào)速過程，同軸的電機/發(fā)電機1輸出的電壓和頻率同時變化，(即保持V/F比值不變)，輪轂電機3的轉(zhuǎn)速也跟隨變速，這樣就達到了既是電磁減速，又可變頻調(diào)速。
在電動/發(fā)電機1與輪轂電機3的供電三相線路上，串接有可控硅開關(guān)7，是由三組交流雙向可控硅元件及其柵極驅(qū)動電路組成，由主控制器6發(fā)出指令信號，直接控制電動/發(fā)電機1與輪轂電機3的三相交流電源接通或斷開。
為了達到電動/發(fā)電機1有兩種工作方式的轉(zhuǎn)換，即1為電動機工況，可啟動同軸的發(fā)動機，這樣就無須發(fā)動機另外增加專用的啟動電機，1為電動機工作啟動時，必須通過電池DC轉(zhuǎn)換為三相AC電源輸入給1。本發(fā)明設(shè)計中，配有逆變控制器4和5，4為啟動發(fā)動機用逆變控制器，5為行車用逆變控制器，它是把電池DC轉(zhuǎn)換為三相AC給輪轂電機行車用。
逆變控制器4和5是由場效應(yīng)晶體(MOSFET)模塊或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊或智能電力模塊(IPM)等電子功率元件，以及它們的驅(qū)動器集成電組成SPWM三相橋式或半橋式逆變器，把電池2的直流DC通過4轉(zhuǎn)換成三相AC電源，并向1提供啟動電流，使其運行在電動機工況，啟動發(fā)動機8；電池2也可通過5向3提供行車工作電源，并以SPWM正弦脈寬調(diào)制方式無級調(diào)速，控制輪轂電機3行駛。
為了達到電動/發(fā)電機1和輪轂電機3都可以在發(fā)電機工況時，可向電池充電，在逆變控制器4和5的內(nèi)部，同時具有DC→AC逆變和AC→DC整流的雙重功能，即可以把電池2的直流電源通過MOS或IGBT或IPM及其驅(qū)動模塊構(gòu)成的逆變電路，向電動/發(fā)電機1提供三相交流AC電源，使1運行在電動機工況；又可通過4和5內(nèi)部的功率硅整流管(SR)模塊及其組件，把電動/發(fā)電機1運行在發(fā)電機工況時的三相交流AC電源轉(zhuǎn)換成DC直流電源向電池2浮充電。
在混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置中，整車的控制、行駛、剎車制動等各種方式的轉(zhuǎn)換指令，都是由主控制器6發(fā)出指令來完成的。因此主控制器6是整車控制的核心，簡化的可以用單片機如8000系列，較為復雜的控制可用計算機來完成，因在HEV輪轂驅(qū)動裝置中不僅要完成VVVF.V/F四象限控制功能，還須完成電子差速(即同軸按裝的兩臺輪轂電機功率自動分配功能)及電子ABS剎車(滾動剎車)等功能。
在本發(fā)明設(shè)計中，采用較簡單的功能控制裝置，主控制器6是由計算器8000系列單片機芯片，或由電機控制專用的芯片TMS320F240及輔助電路和驅(qū)動電路等組成，接收上位機的信號，由該控制器系統(tǒng)完成電動控制，發(fā)電控制及制動控制等功能。構(gòu)成對逆變控制器4、5和可控硅開關(guān)7工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)指令控制；并可協(xié)調(diào)電動/發(fā)電機1與輪轂電機3之間的頻率同步控制；即當電動車(HEV)處在啟步和低速運行時，由蓄電池2通過5向輪轂電機3供電；當電動車(HEV)需要高速運行時，由主控制器6根據(jù)輪轂電機3當時轉(zhuǎn)速的頻率，指令逆變器4啟動電動/發(fā)動機1，并在發(fā)動機8穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況下，發(fā)電機1的頻率與輪轂電機頻率一致時，指令可控硅開關(guān)7投入工作，同時切出逆變控制器5；當電動車(HEV)處在大轉(zhuǎn)矩爬坡或短時加速超車運行工況，主控制器6需指令1和2同時向3供電(發(fā)動機與電池雙動力同時工作)，或并動式運行工況；當電動車剎車制動時，主控制器6指令5和7切除向3供電，此時輪轂電機3處于電動車慣性發(fā)電工況，可通過逆變控制器5內(nèi)部的三相整流器向電池2浮充電，回收電動車的再生發(fā)電能量。
由于本發(fā)明設(shè)計中的HEV輪轂驅(qū)動裝置中，發(fā)動機動力帶動電動/發(fā)電機，處于發(fā)電機供電給輪轂電機工況下，發(fā)電機3是由三相輸電線通過可控電子開關(guān)7通態(tài)時供電給輪轂電機3，無任何機械減速傳動等裝置，發(fā)電機有輪轂電機負載時，發(fā)電機內(nèi)部有較大的電磁扭矩阻力，同軸的發(fā)動機屬帶載工作狀態(tài)；但當剎車或轉(zhuǎn)換為電池供電行車工況，可控電子開關(guān)7處于斷態(tài)，發(fā)電機突然丟失大的負載(雖然有另一電池可充電的并接負載，當電池充滿時，無法過充，否則將燒壞電池)，電磁扭力很小，發(fā)動機將因突然拋載，造成轉(zhuǎn)速劇升，即“飛車”故障，損壞發(fā)動機。因此，必須有一裝置來吸收能量。本發(fā)明設(shè)計中采用了超大容量電容器，吸收發(fā)電機的拋載能量，這是必要的保護措施。具體是吸收電容器9是由超大容量電容器CFGOO系列，由三組聯(lián)接成“Y”形接法20，其三根引出線通過內(nèi)部可控開關(guān)21，并接在電動/發(fā)電機1的三相輸出線上，由可控硅開關(guān)21的觸發(fā)電路22控制電容器是否投入充電吸收，放電時通過內(nèi)部整流器23對電池2放電。
超大電容器是否投入，是由主控制器6對三相線路上電壓突然上升(發(fā)電機拋載時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高使端電壓上升)，采樣信號來完成的。
具體實施例方式
若按現(xiàn)有微型轎車實施本發(fā)明HEV輪轂驅(qū)動裝置，當選擇奧拓微型車改造實施時，則發(fā)動機8可選用春蘭CL250系列摩托車用高速發(fā)動機，250mL水冷四沖程，電噴雙缸，最高轉(zhuǎn)速可達12000r/min，采用這種高速小型發(fā)動機，不僅可以減輕發(fā)動機本身重量和尺寸，而且對發(fā)電機的體積和重量也減??；不利因素是要加強風冷和改善排氣管產(chǎn)生的噪聲，在微型車上允許把排氣管按汽車發(fā)動機的排氣結(jié)構(gòu)方式改造，在允許功率損失范圍，可以大大降低排氣管噪聲，把電動/發(fā)電機按裝在該發(fā)動機輸出軸上。
輪轂電機的結(jié)構(gòu)尺寸，按奧拓鋁合金輪轂殼體的內(nèi)腔尺寸來設(shè)計，如附圖6中，把輪轂電機的外形尺寸，作成可以壓入現(xiàn)有奧拓輪轂殼體內(nèi)腔，圖6的右蓋上還應(yīng)考慮剎車盤的按裝和固定位置，這點可以參考現(xiàn)有奧拓車輪轂內(nèi)部碟剎的結(jié)構(gòu)和尺寸。
輪轂電機可以設(shè)計為后(前)輪車軸上各裝一臺的兩輪驅(qū)動方式；或在前、后車軸上各裝兩臺，四輪驅(qū)動方式。但無論是選擇兩輪或四輪驅(qū)動方式，本發(fā)明輪轂驅(qū)動裝置的控制系統(tǒng)，都應(yīng)在主控制器6中，設(shè)計有多臺電機的功率自動分配系統(tǒng)(電子差速器)。另外電機的參數(shù)設(shè)計，應(yīng)根據(jù)整車要求來考慮。
逆變控制器4和5，采用現(xiàn)有成熟的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)集成電路，如HEF4752V(英國Mullard.荷蘭PHLIPS公司)SLE4520(德國SIEMENS公司)、SA8281或SA8282、SA866A、SA868(英國Mitel公司生產(chǎn))[11]等均可，在4和5中增加三相整流橋電路以及保護電路。
權(quán)利要求
1.一種混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，屬電動交通車輛。它由發(fā)動機、電動/發(fā)電機、輪轂電機、電池、逆變控制器、主控制器、可控硅開關(guān)、吸收電容器組成，其特征是發(fā)動機8與電動/發(fā)電機1同軸組裝在同一殼體內(nèi)，電動/發(fā)電機1發(fā)出三相交流電源，通過可控硅開關(guān)7直接向輪轂電機3供電行駛；電池2通過逆變控制器5向輪轂電機3供電行駛；1和2可同時向3供電行駛(并動)，1和2也可分別單獨向3供電行駛；逆變控制器4由2供電向電動/發(fā)電機1提供啟動電源，啟動發(fā)動機8工作；1工作在發(fā)電機工況時，又可通過4向2提供充電電源(浮充電)；2與3是并接在1三相輸出線上的兩種負載；主控制器6可控制輪轂電機3處在制動發(fā)電狀態(tài)對向電池2充電(再生能量反饋)，承擔整車驅(qū)動系統(tǒng)的行車方式轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)控制，吸收電容器9是并接在電動/發(fā)電機1上，防止發(fā)電機工況因故突然拋載造成發(fā)動機“飛車”故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是電動/發(fā)動機1是由6極(或4極)永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外定子為12槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動/發(fā)動機1是由6極(或4極)永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外定子為12槽，其特征是6極或4極永磁體為扇形截面長條形深埋式，永磁體材料為銣鐵硼(NdFeB)或釤-鈷(SmCo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是電動/發(fā)動機1為4極時，輪轂電機3為40極；電動/發(fā)電機為6極時，輪轂電機3為60極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是輪轂電機3是永磁同步外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子為多極數(shù)的分數(shù)槽繞組，模塊化鐵芯徑向結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子是由40極(或60極)的銣鐵硼(NdFeB)材料，并由矩形截面的長條形永磁體，使其N、S極相鄰貼在外轉(zhuǎn)子鐵圈的內(nèi)圓周上，形成多邊形結(jié)構(gòu)；內(nèi)定子模塊化鐵芯為36(或48槽)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是可控硅開關(guān)7是由三組交流雙向可控硅元件及其柵極驅(qū)動電路組成，由主控制器6發(fā)出指令信號，直接控制電動/發(fā)動機1與輪轂電動機3的三相交流電源的接通或斷開。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是逆變控制器4和5是由場效應(yīng)晶體管(MOSFET)模塊或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊或智能電力模塊(IPM)等電子功率元件，以及它們的驅(qū)動器集成電路組成SPWM三相橋式或半橋式逆變器，把電池2的直流DC通過4轉(zhuǎn)換成三相AC電源，并向1提供啟動電流，使其運行在電動機工況，啟動發(fā)動機8；電池2也可通過5向3提供行車工作電源，并以SPWM(正弦脈寬調(diào)制)方式無級調(diào)速，控制輪轂電機3行駛。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是逆變控制器4和5的內(nèi)部，同時具有DC-AC逆變和AC-DC整流的雙重功能，即可以把電池2的直流電源通過MOS或IGBT或IPM及其驅(qū)動模塊構(gòu)成的逆變電路，向電動/發(fā)電機1提供三相交流AC電源，使1運行在電動機工況；又可通過4和5內(nèi)部的功率硅整流管(SR)模塊及其組件，把電動/發(fā)電機1運行在發(fā)電機工況時的三相交流AC電源轉(zhuǎn)換成DC直流電源向電池2浮充電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是主控制器6是由計算器8000系列單片機芯片，或由電機控制專用的芯片TMS320F240及輔助電路和驅(qū)動電路等組成，接收上位機的信號，由該控制器系統(tǒng)完成電動控制，發(fā)電控制及制動控制等功能，構(gòu)成對逆變控制器4、5和可控硅開關(guān)7工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)指令控制；并可協(xié)調(diào)電動/發(fā)電機1與輪轂電機3之間的頻率同步控制；即當電動車(HEV)處在啟步和低速運行時，由蓄電池2通過5向輪轂電機3供電；當電動車(HEV)需要高速運行時，由主控制器6根據(jù)輪轂電機3當時轉(zhuǎn)速的頻率，指令逆變器4啟動電動/發(fā)動機1，并在發(fā)動機8穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況下，發(fā)電機1的頻率與輪轂電機頻率一致時，指令可控硅開關(guān)7投入工作，同時切出逆變控制器5；當電動車(HEV)處在大轉(zhuǎn)矩爬坡或短時加速超車運行工況，主控制器6需指令1和2同時向3供電(發(fā)動機與電池雙動力同時工作)，或并動式運行工況；當電動車剎車制動時，主控制器6指令5和7切除向3供電，此時輪轂電機3處于電動車慣性發(fā)電工況，可通過逆變控制器5內(nèi)部的三相整流器向電池2浮充電，回收電動車的再生發(fā)電能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，其特征是吸收電容器9是由超大容量電容器CFGOO系列，由三組聯(lián)接成“Y”接法20，其三根引出線通過內(nèi)部可控開關(guān)21，并接在電動/發(fā)電機1的三相輸出線上，由可控硅開關(guān)21的觸發(fā)電路22控制電容器是否投入充電吸收，放電時可通過內(nèi)部整流器23可對電池2放電。
全文摘要
一種混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅(qū)動裝置，屬電動交通車輛。它由發(fā)動機8、電動/發(fā)電機1、輪轂電機3、逆變控制器4、5、主控制器6、可控硅開關(guān)7、吸收電容器9組成。無機械傳動、變速、差速裝置；可2輪或4輪直接驅(qū)動，電池、燃油發(fā)電，單一動力或并動靈活選擇；具有電子差速、多擋變頻寬調(diào)速、電啟動、發(fā)電行駛和浮充電、剎車能量回收等功能。整車系統(tǒng)效率高，整車自重輕，節(jié)能、環(huán)保、安全。也可用在混合動力摩托車上。
文檔編號B60K17/12GK1958329SQ20051011978
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月6日
發(fā)明者萬德鴻, 萬紅 申請人:萬德鴻, 萬紅