专利名称：电磁耦合混合动力汽车驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明与汽车动力系统有关，尤其是用于油电混合动力汽车的驱动装置。
背景技术：
随着社会的高速发展，人类对能源过度开采和消耗，已使地球上的化石燃料资源日趋贫乏和枯竭，由此引发的能源危机制约了世界各国的经济发展。当前，许多国家都在进行二次能源和替代能源的研究，尤其在燃料资源消耗比较高的汽车领域。现在，世界各大汽车制造强国都在争先恐后地发展氢动力汽车，但是，由于目前氢动力汽车制造和运用的成本较高，技术的完善还需20年左右，因而，国外自二十世纪九十年代就开始研发油—电混合动力汽车，以作为氢动力汽车性能完善前的过渡产品。油—电混合动力汽车作为其替代产品被相继推出。例如，中国一汽丰田引进的日本混联式混合动力汽车—“普锐斯”。
混合动力汽车可分为串联模式、并联模式和混联模式(串联、并联的复合模式)三种。
串联模式通常用于大型和中型客车上，这种模式的汽车是发动机驱动发电机，输出电能，与蓄电池共同供给牵引电动机电能。由于串联模式混合动力汽车采用电耦合的方式提供动力，所以也称作电耦合混合动力汽车。
并联模式混合动力汽车是发动机驱动混合动力驱动桥，再由混合动力驱动桥驱动汽车，同时，蓄电池供电的电动机的输出轴也与混合动力驱动桥联接，从而实现动力混合。实际上这是一种机械耦合模式，所以也称作机械耦合混合动力汽车。
混联模式混合动力汽车就是以上两种模式混合动力汽车的复合方式。
当前，各汽车大国都在竞相开发双模式混合动力汽车。但是，并联模式和双模式的混合动力汽车的制造工艺比较复杂，尤其是混合动力驱动桥属于机电一体化的精密装置，制造工艺复杂，成本高，不利于市场推广。例如一汽丰田产“普锐斯”在销售地售价达31万元，不适于做为我国大力推广节能环保汽车技术的示范产品。另外，由于串联模式混合动力汽车在机械能转换成电能，再转换为机械能的过程中，能量转换的效率较低，故目前在小轿车领域尚未推广。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种结构简单、节能环保，并且具有制造成本低、售价低的显著优势，能大大提高小轿车“机—电—机”转换的总体效率的电磁耦合混合动力驱动装置。
本发明的目的是这样来实现的本发明电磁耦合混合动力汽车驱动装置，包括发动机，离合器，其特征是装置中还有通过离合器与发动机离、合的机械输入端和驱动车轮的机械输出端的电磁耦合混合动力驱动桥，通过导线与电磁耦合混合动力驱动桥连接的变频器，与变频器连接的通过变频器向电磁耦合混合动力驱动桥提供频率可变的交流电或励磁的蓄电池。发动机是汽车常用的汽油机或柴油机，它与离合器轴联结。若离合器分离，可单独利用蓄电池的电能供给电磁耦合混合动力驱动桥以驱动汽车，若离合器结合，一方面，发动机与电磁耦合混合动力驱动桥通过轴进行机械耦合，直接将动力传送至车轮以驱动汽车；另一方面，可以将蓄电池的电能同时加至电磁耦合混合动力驱动桥进行动力合成共同驱动汽车。该驱动装置中的蓄电池采用锂电池。如果车辆处于停止状态，可利用普通的市电通过内置充电机对蓄电池充电。
上述的电磁耦合混合动力驱动桥由笼形异步电机和带动力输入轴和动力输出轴的变速箱组成，笼形异步电机中有带机座和端盖的机壳，与端盖上的轴承配合的电机轴，位于电机轴上的转子铁心支架，装在转子铁心支架上的有转子铁心的笼形转子绕组，固定在机壳相对于笼形转子绕组位置上的带定子铁心的定子绕组，电机轴一端通过离合器与发动机连接而另一端与变速箱输入轴连接。电磁耦合混合动力驱动桥是笼形异步电机与变速箱的一体化组合。笼形异步发电机是笼形异步电机的一种特定工作方式。当异步电机接通电源后，处于电动机状态，若给电动机施以外动力，使其转速超过同步转速，此时电机会向电源输出电能，同时从电网上吸收无功励磁电能，这时，笼形异步电动机就变成了笼形异步发电机。它结构简单、牢固可靠，具有发电效率高、制造成本低、免维护等特点。笼形异步发电机还具备与其它发电机所不同的特点，即可以从发电状态转换成电动状态，或从电动状态转换成发电状态，其过程非常简单。这个特点给本发明电磁耦合混合动力驱动桥的设计和制造提供了有利条件。蓄电池的电能通过变频器加于笼形异步电机，以电磁耦合的方式将电能与发动机经离合器传来的机械能进行动力合成，这与其它机械耦合混合动力驱动桥的动力混合方式显然不同，整体结构被大幅度简化。变速箱可采用公知的技术进行简化，变速箱的简化设计以车辆传动系统的总变速比不低于1∶15为原则，确保笼形异步电动机在汽车起步时具有足够的转矩。电磁耦合混合动力驱动桥的变速箱部分简化，是为了缩小笼形异步电机和变速箱的一体化组合的体积，使之与一个常规变速箱的体积相当。变速箱部分其实有足够的二次开发空间，在不增加整体尺寸的前提下，可尽量完善变速箱的功能。
上述的笼形异步电机的极对数为2对。
上述的变频器由用于电机控制的数字信号处理器和驱动异步电机的智能功率模块组成。变频器与电磁耦合混合动力驱动桥是导线联接，具有两个功能一是从蓄电池获得电能以变频的方式向笼形异步电机提供频率可变的三相交流电，驱动电动机以不同转速运转，从而改变汽车速度；另一个是给笼形异步电机提供励磁，使其从电动机状态转变成发电机状态，实现车辆的再生制动，同时发出的电能经专用变频器的续流二极管对蓄电池进行充电。
上述的数字信号处理器中有接收发动机光电编码式转速传感器输出的数字脉冲信号的捕获单元输入端CAP1_QER1，PWM输出控制端，通过电量转换器和分压电路接收蓄电池输出的电压、电流信号的模拟信号输入端ADCINA1及ADCINA2，通用输入输出端GPIOB0-GPIOB3；智能功率模块通过高速光耦受数字信号处理器驱动，笼形异步电机通过导线接于智能功率模块的交流三相输出端U、V、W，智能功率模块的电源端子N通过分流器与蓄电池连接，上三桥故障信号输出端Ufo、Vfo、Wfo和下三桥故障信号输出端Fo通过光耦将故障信号输入数字信号处理器中的通用输入输出端GPIOB0-GPIOB3。
上述的变频器有电源，其输入端直接连接蓄电池两个输出端B+和BG，即可输出智能功率模块所需的驱动电源和数字信号处理器所需的供电电源，变频器电源可采用型号为JS158的电源。
上述的数字信号处理器中的通信网络端eCAN与汽车中央控制器连通，它们之间通过CAN总线进行通信。
上述的数字信号处理器采用型号为TMS320F2812或TMS320LF2407或ADSP21xx或DSP56001等的数字信号处理器，智能功率模块采用型号为PM300RLA060或7MBP300RA060的智能功率模块。
按照小轿车的一般行驶要求，以本发明电磁耦合混合动力驱动装置为动力驱动系统的小轿车的工作模式如下1.一般起步工况当小轿车起步或者低速(如速度≤40km/h)行驶时，离合器分离，一般由蓄电池独立供电，专用变频器控制电磁耦合混合动力驱动桥以驱动小轿车，这适于小轿车仅作为城市上下班的代步交通工具的情况。而蓄电池欠电或者车速超过一定值(如40km/h)时，由异步电机拖动发动机快速启动，离合器结合，进入混合动力驱动方式，也可由专用变频器控制异步电机转换为发电机状态并向汽车供电，同时给蓄电池充电。这种起步方式可避免发动机怠速高油耗、高排放的缺点，此外当小轿车以较低速度行驶且蓄电池电量充足时，车辆也可处于纯电动驱动方式，以满足一些特殊要求，如发动机出现故障或者需要实现一定里程的零排放。
2.正常行驶工况在一般行驶工况下，小轿车的中央控制器根据控制策略的优化目标、整车当前的实际功率需求和蓄电池电量状态，控制混合动力合成的输出总功率以及发动机与异步电机之间的功率分配。根据小轿车的一般行驶情况，发动机和异步电机的工作状态不断切换，可能有三种运行方式1)当小轿车在平路或高速公路上恒速行驶时，可按照控制策略的最佳功率分配发动机和电机的输出功率。可以是发动机独立驱动，异步电机转为发电状态供车辆用电或给电量不足的蓄电池充电；也可以按一定输出功率分配比例共同驱动汽车，最低限度地节省燃油消耗量。
2)当小轿车在公路上行驶超车、加速或爬坡时，无论笼形异步电机之前处于何种工作状态，都立即转变为电动机状态或者增加电动机励磁功率，以帮助发动机加速，或提供更大的爬坡转矩。
3)当小轿车在公路上行驶下坡或减速时，无论笼形异步电机之前处于何种工作状态，都立即转变为发电机状态或者增加发电机励磁功率，产生负转矩，对车辆进行制动，避免了机械刹车的磨耗，同时也给蓄电池充电。若车辆继续减速至停止，则机械制动系统也开始工作。
3.故障工况小轿车在行驶中出现动力系统故障时，可立即进行动力切换。若发动机出现故障，可切换至蓄电池供电的纯电动驱动方式继续运行；若电磁耦合混合动力驱动桥的异步电机或专用变频器、蓄电池等出现故障，可切换至纯发动机驱动模式。
本发明采用了电磁耦合混合动力驱动桥，电磁耦合混合动力驱动桥仅有两个连接端口一个机械输入端(动力合成)，一个机械输出端(驱动车轮)。整个驱动桥既具有电能和机械能的动力合成功能，又具有发电及驱动汽车的功能。因此，它完全具备机械耦合的混合动力驱动桥的全部功能。具有结构简单、节能环保，并且具有制造成本低、售价低的显著优势，能有效地提高小轿车“机—电—机”转换的总体效率。
图1电磁耦合混合动力驱动装置系统框2电磁耦合混合动力驱动桥中笼形异步电机结构示意3电磁耦合混合动力驱动装置的电路工作原理示意图
具体实施例方式参见图1，本发明装置中有通过离合器2与发动机1离、合的机械输入端和驱动车轮的机械输出端的电磁耦合混合动力驱动桥3，通过导线与电磁耦合混合动力驱动桥连接的变频器4，与变频器连接的通过变频器向电磁耦合混合动力驱动桥提供频率可变的交流电或励磁的蓄电池5，内置充电机6。电磁耦合混合动力桥由笼形异步电机7和带动力输入轴和动力输出轴的变速箱8组成。变速箱通过动力输出轴和汽车上的前桥(或后桥)19驱动车轮20行驶。
本发明电磁耦合混合动力驱动装置中以轴连接的机械耦合部件，如发动机、离合器、变速箱等均为小轿车常规使用的部件，而进行电磁耦合的主要部件笼形异步电机、变频器则和以前使用的部件有所不同，是专门研制的。这两个部件涉及机械技术和电力电子、电子电路、嵌入式系统等技术。下面将分别说明具体实现方式。
1.笼形异步电机参见图2，笼形异步电机中有机壳9，与机壳配装的机座10、端盖11，装在机壳上的与端盖上的轴承12配合的电机轴13，位于电机轴上的转子铁心支架14，装在转子铁心支架上的有转子铁心15的笼形转子绕组16，固定在机壳相对于笼形转子绕组位置上的带定子铁心17的定子绕组18，电机轴一端通过离合器与发动机连接而另一端与变速箱输入轴连接。笼形异步电极的极对数为2对。为了减轻转子的重量和降低铁心的成本，采用转子铁心支架结构，即轮辐结构。笼形异步电机工作时有发电机和电动机两种状态。实际工作中，电动机额定功率比发电机大2倍以上，极对数的设计应该以电动机的技术要求为主，如工作频率0～200Hz的要求，兼顾发电机的技术要求，即对蓄电池充电的额定功率、额定电压等。因此，极对数可设计为2对。定子铁心和转子铁心应该选择有较大电阻率和较高导磁率的导磁材料，例如铁基非晶态导磁材料能使电机铁损降至最低，再配合合理的结构设计和冷却方式，可以提高电机的功率密度(≥1kW/kg)和效率(≥95％)。
2.变频器变频器主要由用于电机控制的数字信号处理器DSP(Digital SignalProcessor)和驱动异步电机的智能功率模块IPM(Intelligent PowerModule)组成。
DSP采用了TI公司2002年末推出的最新一代基于Flash的工业级32位DSP——TMS320F2812。TMS320F2812具有150MHz的时钟频率，低功耗设计(内核1.8V，I/O 3.3V)，支持JTAG技术，片内集成了一个高性能32位CPU(TMS320C28x)。片上存储器包括128K×16Flash、1K×16OTPROM、L0和L12块4K×16的SARAM、H01块8K×16单口RAM、M0和M12块1K×16的SARAM，Boot ROM(4K×16)带有软件加载模式和标准数学表。外部接口带有总计1M的存储器，具有可编程等待模式，以及可编程读/写跳闸定时器和三个相互独立的片选。其时钟与系统控制模块支持动态锁相环比率变化、片上振荡器和看门狗定时器模块。该器件带有支持45个外设中断的外设中断扩展(PIE)模块，3个32位CPU定时器。电机控制外设包括两个事件管理器(EVA，EVB)。串口设备有串行外设接口(SPI)、两个串行通讯接口(SCIs)、标准uART、优化控制局域网(eCAN)、SPI模式的多通道缓冲型串行接口(McBSP)。具有16通道的12位ADC，即2×8通道多路输入、两个采样/保持、单转换时间200ns、流水线转换时间60ns。56个独立可编程，多路通用输入/输出(GPIO)管脚。
IPM采用三菱的PM300RLA060，输出电流/电压为300A/600V，额定功率30KW。该智能功率模块采用了第5代低功耗IGBT管芯；有完整的功率输出电路，直接连接负载；内置优化后的栅级驱动电路和短路，过流、过热，驱动电压欠压等保护电路。
专用变频器原理性电路如图3所示，工作过程如下笼形异步电机的电动和发电状态的转换由TMS320F2812控制。TMS320F2812的事件管理器中有专门用来检测速度信号的正交编码器(QEP)，它可以用来与一个光学编码器接口以获取一个转动机构的位置和速度信号。图3中，发动机转速传感器采用光电编码传感器，输出的数字脉冲信号直接送至TMS320F2812事件管理器中的捕获单元输入端CAP1_QEP1，经过适当计算后就可以获得发动机转速值，并通过f＝n·60/p换算出它所对应的频率fE，然后与异步电机的励磁频率fL相比较，当fL≥fE时，笼形异步电机就处于电动机状态；反之，处于发电机状态。显然，根据驱动装置不同的工作模式，只需要适时改变异步电机的励磁频率fL就可以转换笼形异步电机的状态。
当笼形异步电机处于电动机状态(fL≥fE)时，TMS320F2812的EVA事件管理器输出6路PWM控制信号，通过6只高速光耦HCPL4504驱动IPM模块PM300RLA060。蓄电池提供IPM输出端6只IGBT(P1，...，P6)的直流源，由IPM逆变后驱动异步电机M。这里DSP对电动机的控制采取了空间电压矢量控制算法。
当笼形异步电机处于发电机状态(fL＜fE)时，一方面，变频器实际上是一个给异步发电机提供励磁的三相交流电源。蓄电池电能通过变频器的IGBT对异步电机的定子绕组励磁，旋转的转子上的笼形转子绕组产生感应电流，该电流产生的磁场又在定子绕组上产生感应电动势，这一电动势的相位较励磁电流的相位滞后90°，因此，从时域上看，定子绕组的励磁电流和输出电流各行其道，即励磁电流和输出电流可以共用异步电机的U、V、W三相线。另一方面，上述发电机定子绕组输出的电能则通过IPM中的6只续流二极管(D1，...，D6)回馈至蓄电池，并在DSP的控制下自动对蓄电池采取恒流恒压的方式充电。从IPM电源N端至蓄电池负端BG之间的分流器RS两端BI+和BI-可取出蓄电池输出的电流值BI，从B+和BG两端可取出蓄电池的输出电压值BV，它们分别经电量转换器WBV334U01-75mV/5V和WBV334U01-500V/5V得到标准的DC 0-5V电压信号，再由R1、R2和R3、R4构成的分压电路衰减至DSPI/O端的电平范围0-3.3V，然后加至TMS320F2812的模拟输入端ADCINA1和ADCINA2。对这2个输入信号测量计算后，可作为蓄电池是否需要充电和充电控制策略的判据。首先，蓄电池电压低于设定的最低电压限值时，TMS320F2812开始对蓄电池恒流充电，根据反馈的电流值BI调整输出的PWM脉冲宽度，即调节励磁大小，从而使发电机输出电流恒定；当充电至蓄电池的最大电压时，则根据反馈的电压值BV来调整输出的PWM脉冲宽度，即调节励磁大小，从而使发电机输出电压恒定。这样就实现了发电机状态下变频器对蓄电池的自动充电。另外，该状态下也能够实现车辆的减速制动。当小轿车在行驶过程中减速时，TMS320F2812调整输出PWM脉冲宽度，继续降低励磁频率，并始终保持fL＜fE，同时加大励磁电流，使得此时的异步发电机以大电流输出对蓄电池充电，并对主传动轴产生较大的制动转矩，从而实现车辆制动和能量回收。如果车辆进入紧急制动工况，还需机械刹车装置配合共同完成。
当IPM发生短路、过流、过热、驱动电压欠压等故障时，上三桥故障信号Ufo、Vfo、Wfo和下三桥故障信号Fo经光耦PC817传输至TMS320F2812的输入端GPIOB0～GPIOB3，则TMS320F2812立即停止输出PWM信号，关断IPM，以保护IPM和电机。
JS158是变频器电源，输入直接连至蓄电池两端B+和BG，即可输出4路15V互相独立的IGBT驱动电源和1路5V电源。5V电源经电压变换电路转换后可以提供DSP所需的1.8V核电压和3.3VI/O电压。
若驱动装置用于混合动力轿车时，轿车的中央控制器通过TMS320F2812的eCAN模块可以和变频器进行通信，对它发出起步、加速、减速、刹车等控制信号，TMS320F2812接收到这些工作指令后，经过判断和计算即可对笼形异步电机进行适当地控制。
3.其它锂电池的大电流充放电能力是任何其它蓄电池所不能比拟的。我国是世界上锂电池生产大国，锂电池的价格比国外低。因此，采用锂电池作为电磁耦合混合动力汽车的蓄电池是适当选择。蓄电池的额定电量应该设计为可保证小轿车纯电动方式下行驶60公里以上的距离。车辆入库或条件允许的场合均可利用内置充电机对锂电池进行补充充电，最大程度地做到节能和环保。内置式充电机是一个开关电源，体积小、重量轻(约5kg)，其三芯插头与电源插座有严格的地线连接，以防车体带电。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
权利要求
1.电磁耦合混合动力汽车驱动装置，包括发动机，离合器，其特征在于装置中还有通过离合器与发动机离、合的机械输入端和驱动车轮的机械输出端的电磁耦合混合动力驱动桥，通过导线与电磁耦合混合动力驱动桥连接的变频器，与变频器连接的通过变频器向电磁耦合混合动力桥提供频率可变的交流电或励磁的蓄电池。
2.如权利要求1所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征在于电磁耦合混合动力驱动桥由笼形异步电机和带动力输入轴和动力输出轴的变速箱组成，笼形异步电机中有带机座和端盖的机壳，与端盖上的轴承配合的电机轴，位于电机轴上的转子铁心支架，装在转子铁心支架上的有转子铁心的笼形转子绕组，固定在机壳相对于笼形转子绕组位置上的带定子铁心的定子绕组，电机轴一端通过离合器与发动机连接而另一端与变速箱输入轴连接。
3.如权利要求2所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征在于笼形异步电机的极对数为2对。
4.如权利要求2所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征在于变频器由用于电机控制的数字信号处理器和驱动异步电机的智能功率模块组成。
5.如权利要求4所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征在于数字信号处理器中有接收发动机光电编码式转速传感器输出的数字脉冲信号的捕获单元输入端CAP1_QER1，PWM输出控制端，通过电量转换器和分压电路接收蓄电池输出的电压、电流信号的模拟信号输入端ADCINA1及ADCINA2，通用输入输出端GPIOB0-GPIOB3；智能功率模块通过高速光耦受数字信号处理器驱动，笼形异步电机通过导线接于智能功率模块的交流三相输出端U、V、W，智能功率模块的电源端子N通过分流器与蓄电池连接，上三桥故障信号输出端Ufo、Vfo、Wfo和下三桥故障信号输出端Fo通过光耦将故障信号输入数字信号处理器中的通用输入输出端GPIOB0-GPIOB3。
6.如权利要求4所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征还在于有变频器电源，其输入端直接连接蓄电池两个输出端B+和BG，即可输出智能功率模块所需的驱动电源和数字信号处理器所需的供电电源。
7.如权利要求6所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征在于汽车中央控制器与数字信号处理器中的通信网络端eCAN连通，它们之间通过CAN总线进行通信。
8.如权利要求4～7之一所述的电磁耦合混合动力汽车驱动装置，其特征在于数字信号处理器采用型号为TMS320F2812或TMS320LF2407或ADSP21xx或DSP56001的数字信号处理器，智能功率模块采用型号为PM300RLA060或7MBP300RA060的智能功率模块。
全文摘要
本发明电磁耦合混合动力汽车驱动装置，包括发动机，离合器，有通过离合器与发动机离、合的机械输入端和驱动车轮的机械输出端的电磁耦合混合动力驱动桥，通过导线与电磁耦合混合动力驱动桥连接的变频器，与变频器连接的通过变频器向电磁耦合混合动力驱动桥提供频率可变的交流电或励磁的蓄电池。本发明结构简单、节能环保，并且具有制造成本低、售价低的显著优势，能大大提高小轿车“机－电－机”转换的总体效率。
文档编号F16D27/00GK101037093SQ20071004890
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月20日 优先权日2007年4月20日
发明者高嵩, 王绪本, 高荫川 申请人:成都理工大学