專利名稱：混合動力電動汽車(hev)輪轂驅動裝置的制作方法
所屬技術領域一種混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，屬電動的交通車輛。
背景技術：
混合動力電動汽車(HEV)，是介于燃油發(fā)動機驅動與車載蓄電池驅動之間的車型，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電動汽車上的應用，還處于技術不成熟階段；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有技術的HEV車，主要有串聯式混合動力電動汽車(SHEV)，并聯式混合動力電動汽車(PHEV)和混聯式(串、并聯式)混合動力電動汽車(PSHEV)。SHEV是由發(fā)動機、發(fā)電機和驅動電機三大動力總成組成，三大動力總成采用“串聯”的方式組成SHEV的驅動系統(tǒng)，而發(fā)動機-發(fā)電機組只能看作一種電能供應系統(tǒng)，發(fā)動機并不直接參與SHEV的驅動。由于SHEV必須裝置一個大功率的發(fā)動機-發(fā)電機組，再用驅動電動機來驅動車輛，發(fā)動機、發(fā)電機和驅動電動機的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驅動功率，在熱能→電能→機械能之間的轉換過程中，總效率低于內燃機汽車，三大動力總成的體積大、質量重，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。并聯式混合動力電動汽車(PHEV)，是由發(fā)動機、電動/發(fā)電機或驅動電機兩大動力總成組成，兩者采用“并聯”的方式組成PHEV的驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)大致可分為發(fā)動機-驅動系統(tǒng)(變速器和驅動橋-驅動輪等)，電動機的動力要與車輛驅動系統(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(包括驅動橋)處進行組合；③在驅動輪處進行組合。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、驅動橋和半軸組成的傳統(tǒng)驅動系統(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)動機和驅動電動機兩大動力設備，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種為驅動輪動力組合式PHEV，它的發(fā)動機通過離合器、變速器和驅動橋獨立驅動PHEV的后(前)驅動輪，驅動電動機通過減速器獨立地驅動PHEV前(后)驅動輪。在PHEV模式中，發(fā)動機與驅動電動機共同組成4輪驅動模式，由于驅動動力(牽引力)是在驅動輪上組合，故稱為驅動輪動力組合式PHEV。
以上三種動力組合驅動模式的HEV，都存在傳統(tǒng)汽車上的機械驅動裝置，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。另有一種叫混聯式(串、并聯式)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行星減速器后直接驅動車輪，其主要特點是省去了現有汽車上傳統(tǒng)的差速器和半軸[2]，但存在車輪內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，該公司配備輪內馬達，屬外轉子式輪內馬達，把該馬達裝入車輪內，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)明內容
為了克服現有技術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；電動輪內存在的行星齒輪機械結構噪聲大的缺點；國外輪內馬達與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)電機的高轉速至輪轂電機低轉速運行，并且能實現SPWM(正弦脈寬調制)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低速行車可實現電池供電行駛；④大轉矩爬坡或超車時，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。
實現本發(fā)明需解決的技術問題(1)發(fā)動機與電動/發(fā)電機同軸安裝；(2)電動/發(fā)電機設計為4或6極高速內轉子型，要求采用稀土永磁NaFeB或SmCo在轉子上為深埋式結構[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)動機運行在經濟油耗特性段，直接供電給輪轂電機行駛；
(5)要求高速運轉的發(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)動機產生“飛車”的安全保護裝置；(10)HEV制動剎車工況時，應具有能量回饋裝置；(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正弦脈寬調制，它具有隨機的電壓/頻率關系，若把電池切除轉換投入發(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生失步，應解決兩種動力源的頻率同步指示器問題；(12)當電池與發(fā)動機兩種動力源轉換時，HEV驅動裝置具備可選擇動力源的選擇功能；(13)當HEV輪轂驅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輪轂驅動裝置在同一車軸上，安裝有兩臺輪轂電機時，該HEV輪轂驅動裝置車應具有電子差速功能(即兩臺輪轂電機具有功率自動分配控制系統(tǒng))；本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案(1)在混合動力電動汽車(HEV)的輪轂驅動裝置上，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轉子式永磁體深埋式結構。
(2)電動/發(fā)電機設計為4極或6極，采用稀土永磁體(NdFeB)深埋式內轉子結構[4]，外定子為三相繞組結構。
(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)動機應工作在該型號發(fā)動機的經濟油耗范圍，可由發(fā)動機的“油門”控制其轉速范圍，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，稱為經濟油耗區(qū)域，使發(fā)動機工作在該范圍調速，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”曲線經濟油耗區(qū)域，通過“油門”調節(jié)發(fā)動機轉速時，發(fā)電機同軸安裝，其轉速與發(fā)動機一致，“船形”曲線區(qū)域[5]轉速約6000-9000r/min范圍，三相發(fā)電機若為4極設計，其頻率為100-300Hz；6極設計頻率為150-450Hz范圍；顯然，發(fā)電機輸出頻率與其轉速高低成正比，而發(fā)電機產品制成后，其輸出電壓高低與轉速高低也成正比，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)電機應設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，應為三相正弦交流電勢波形，這樣可實現對輪轂電機實施變頻調速功能；即V/F SPWM調速。
(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，轉速迅速升高至危險轉速-“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，該逆變控制器內部設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，進行轉換供電，主控制器中應裝有同步指示器(相當于電力系統(tǒng)中并網發(fā)電投入的同步指示器的功能)，這是現有的成熟產品。
(12)由于行車工況是多變的隨機參數，該混合動力電動汽車HEV輪轂驅動裝置，具有電池與燃油兩種動力源的選擇和隨時轉換功能。低速行車時選用電池動力，轉換至高速行車時，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動行車。
(14)兩種動力源并動時，無論是前后單臺輪轂電機驅動行車或多臺電機驅動行車，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)輪轂電機可實現多擋[8]、[9]變頻寬調速控制，提高電機效率和行車的速度范圍。


附圖1、HEV輪轂驅動裝置原理框圖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；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，電動/發(fā)電機1發(fā)出三相交流電源，通過可控硅開關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)，承擔整車驅動系統(tǒng)的行車方式轉換和協調控制。
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輪轎車和兩輪雙驅動電動摩托車)同時驅動的車輛中，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輪轂驅動裝置用于四輪驅動原理框圖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。
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)電機內部結構平面圖圖中示出，該電機為4極永磁同步內轉子結構，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)電機內部結構平面圖
外定子與附圖3相同，內轉子為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，輪轂電機內部結構平面示圖圖中輪轂電機3是永磁同步外轉子結構，內定子為多極數的分數槽模塊化鐵芯徑向結構，外轉子是由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極相鄰貼在外轉子鐵圈的內園周上，形成多邊形結構；內定子模塊化鐵芯為36(或48)槽結構。
由于該設計發(fā)明中，有電動/發(fā)電機1與輪轂電機3的磁極數配合問題，目的是利用1與3的磁極數比值的大小，造成1與3之間的轉速差。例如，當1為4極，3為40極，磁極數之比為4/40，等于10倍的轉速差；當1為6極，3為60極，也是10倍的轉速差。也就是高速發(fā)動機與同軸的電動/發(fā)電機轉速相同，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比值的減速目的，而且這種減速方式，完全消除了現有汽車技術上，采用機械齒轉減速的許多弊端和笨重的結構。
因此，設計電動/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，采用分數槽電機設計；18外轉子鐵芯，可直接壓入現有轎車的鋁合金輪轂中；9外轉子永磁體，按設計的電機磁極數來確定。
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，用三組聯接成Y接法20，其三根引出線通過內部可控硅開關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，電動/發(fā)電機1發(fā)出的三相交流電源，通過可控硅開關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)，承擔整車驅動系統(tǒng)的行車方式轉換和協調控制，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電源調速控制行車；當剎車制動時，行車慣性能通過3轉為發(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輪轎車和兩輪雙驅動電動摩托車)同時驅動的車輛中，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)永磁同步內轉子結構，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是永磁同步外轉子結構，內定子為多極數的分數槽繞組，鐵芯為模塊化徑向結構，外轉子是由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極相鄰貼在外轉子鐵圈的內園周上，形成多邊形結構；內定子模塊化鐵芯為36(或48)槽結構。當設計選擇電動/發(fā)電機1為4極時，輪轂電機3為40極；當設計電動/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轉速降低10倍的減速特性，利用這種電機中改變磁極數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，屬正弦波電勢，當發(fā)動機由“油門”調速過程，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的轉速也跟隨變速，這樣就達到了既是電磁減速，又可變頻調速。
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7，是由三組交流雙向可控硅元件及其柵極驅動電路組成，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轉換為三相AC電源輸入給1。本發(fā)明設計中，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正弦脈寬調制方式無級調速，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及其驅動模塊構成的逆變電路，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)輪轂驅動裝置中，整車的控制、行駛、剎車制動等各種方式的轉換指令，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。構成對逆變控制器4、5和可控硅開關7工作狀態(tài)的協調指令控制；并可協調電動/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根據輪轂電機3當時轉速的頻率，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7投入工作，同時切出逆變控制器5；當電動車(HEV)處在大轉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)明設計中的HEV輪轂驅動裝置中，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)；但當剎車或轉換為電池供電行車工況，可控電子開關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，由三組聯接成“Y”形接法20，其三根引出線通過內部可控開關21，并接在電動/發(fā)電機1的三相輸出線上，由可控硅開關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
若按現有微型轎車實施本發(fā)明HEV輪轂驅動裝置，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小；不利因素是要加強風冷和改善排氣管產生的噪聲，在微型車上允許把排氣管按汽車發(fā)動機的排氣結構方式改造，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。
輪轂電機的結構尺寸，按奧拓鋁合金輪轂殼體的內腔尺寸來設計，如附圖6中，把輪轂電機的外形尺寸，作成可以壓入現有奧拓輪轂殼體內腔，圖6的右蓋上還應考慮剎車盤的按裝和固定位置，這點可以參考現有奧拓車輪轂內部碟剎的結構和尺寸。
輪轂電機可以設計為后(前)輪車軸上各裝一臺的兩輪驅動方式；或在前、后車軸上各裝兩臺，四輪驅動方式。但無論是選擇兩輪或四輪驅動方式，本發(fā)明輪轂驅動裝置的控制系統(tǒng)，都應在主控制器6中，設計有多臺電機的功率自動分配系統(tǒng)(電子差速器)。另外電機的參數設計，應根據整車要求來考慮。
逆變控制器4和5，采用現有成熟的正弦脈寬調制(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)[11]等均可，在4和5中增加三相整流橋電路以及保護電路。
權利要求
1.一種混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，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、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，電動/發(fā)電機1發(fā)出三相交流電源，通過可控硅開關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)，承擔整車驅動系統(tǒng)的行車方式轉換和協調控制，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.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，其特征是電動/發(fā)動機1是由6極(或4極)永磁同步內轉子結構，外定子為12槽。
3.根據權利要求2所述的電動/發(fā)動機1是由6極(或4極)永磁同步內轉子結構外定子為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.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，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.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，其特征是輪轂電機3是永磁同步外轉子結構，內定子為多極數的分數槽繞組，模塊化鐵芯徑向結構，外轉子是由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極相鄰貼在外轉子鐵圈的內圓周上，形成多邊形結構；內定子模塊化鐵芯為36(或48槽)結構。
6.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，其特征是可控硅開關7是由三組交流雙向可控硅元件及其柵極驅動電路組成，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.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，其特征是逆變控制器4和5是由場效應晶體管(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(正弦脈寬調制)方式無級調速，控制輪轂電機3行駛。
8.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，其特征是逆變控制器4和5的內部，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及其驅動模塊構成的逆變電路，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電源轉換成DC直流電源向電池2浮充電。
9.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，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，構成對逆變控制器4、5和可控硅開關7工作狀態(tài)的協調指令控制；并可協調電動/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根據輪轂電機3當時轉速的頻率，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7投入工作，同時切出逆變控制器5；當電動車(HEV)處在大轉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.根據權利要求1所述的混合動力電動汽車(HEV)輪轂驅動裝置，其特征是吸收電容器9是由超大容量電容器CFGOO系列，由三組聯接成“Y”接法20，其三根引出線通過內部可控開關21，并接在電動/發(fā)電機1的三相輸出線上，由可控硅開關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)先權日2005年11月6日
發(fā)明者萬德鴻, 萬紅 申請人:萬德鴻, 萬紅