基于传统汽车改造的轮毂电机式混合动力汽车

摘要

本发明涉及一种基于传统汽车改造的轮毂电机式混合动力汽车，包括传统汽车及在传统汽车上添加的由速度及踏板位置检测装置、专用控制器、电机控制器、轮毂电机、能量回收中继电池、能量回收转换器、蓄电池组、发电机充电转换器、工作模式选择装置、充电器、能量回收中继电池、能量回收转换器、语音提示器、档位检测装置、图像显示器、电动油泵、制动装置、助力转向装置等组成的专用控制系统，该全轮驱动的混合动力汽车只需在传统汽车基础上更换轮毂式电机及配备一套专用控制系统就能完成，改造简捷，这对于解决目前混合动力汽车存在的投放市场难问题及如何将占汽车总数99.9％以上的传统汽车改造升级为混合动力汽车提供了一条新的思路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于传统汽车改造的轮毂电机式混合动力汽车，属于新能源车辆领域。其特点是该四轮驱动的混合动力汽车只需在传统汽车基础上更换四个轮毂式电机及配备一套专用控制系统就能完成，改造简捷。

背景技术

当今时代，节能和环保问题一直都是人类可持续发展的两大主题，受到各国政府高度重视，而汽车的发展水平在这两大主题中扮演了重要角色，据我国公安部交通管理局发布的相关信息，截至2009年底中国汽车数量约为7600万辆，预计2010年将突破8000万辆。汽车发动机每燃烧1千克汽油，要消耗15千克新鲜空气，同时排出150-200克的一氧化碳、4-8克的碳氢化合物、4-20克的氧化氮等污染物，所以减少汽车燃油量对整个社会尤为重要。

一般汽车在70～80公里的时速时最省油，低速时油耗明显增大尤其是当汽车起步时油耗是正常行驶的几倍甚至十几倍，据北京市交通局发布的相关信息，在高峰期阶段环路车速约为20km/h，北京路口等待红灯时间相对较长也造成怠速的能源损失。

虽然现实中存在着纯电动汽车，燃料电池汽车等新能源汽车，但是由于这些汽车受到成本、行驶路程、基础设施等情况的限制，短时间内很难在整个社会普及。由传统汽车向清洁能源汽车过渡的过程中，融合了两者优点的混合动力汽车起到了承上启下的作用，对解决上述问题提供了一条新途径。但现存混合动力汽车面临的问题是需重新设计车型，这就意味着在混合动力汽车投放市场的同时会有大量的传统汽车被报废，导致资源浪费，如果能对占我国汽车总量99.9％以上的传统汽车进行混合动力改造，将可能是解决问题的最好办法。

发明内容

在传统汽车基础上更换特殊的轮毂式电机及配备一套专用控制系统，就可组成一种基于传统汽车改造的轮毂电机式混合动力汽车。该特殊的轮毂式电机作为本专利的重要内容，不仅能用于新车生产，最重要的是可用于对传统汽车进行混合动力改造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于传统汽车改造的轮毂电机式混合动力汽车，包括传统汽车及在传统汽车上添加的由速度及踏板位置检测装置、专用控制器、电机控制器、轮毂电机、能量回收中继电池、能量回收转换器、蓄电池组、发电机充电转换器、工作模式选择装置、充电器、能量回收中继电池、能量回收转换器、语音提示器、档位检测装置、图像显示器、电动油泵、制动装置、助力转向装置等组成的专用控制系统；其特征在于：专用控制器通过信号线与双作用电机控制器相连，双作用电机控制器通过导线与双作用轮毂电机相连，专用控制器通过双作用电机控制器控制双作用轮毂电机工作；专用控制器通过信号线与发电机充电转换器相连，发电机充电转换器一端通过导线与汽车发电机相连，另一端通过导线与蓄电池组相连，充电专用控制器通过发电机充电转换器控制汽车发电机向蓄电池组充电；专用控制器通过信号线与图像显示器相连，汽车的工作状态通过专用控制器显示在图像显示器上；工作模式选择装置通过信号线分别与汽车总控制器及专用控制器相连，驾驶员可通过工作模式选择装置选择相应的工作模式；速度及刹车踏板位置检测装置安装在汽车刹车踏板的传动杆件上，将检测信号通过信号线传递到专用控制器；充电器的一端通过导线与蓄电池组相连，另一端连接在充电插座上，当此充电插座与市电相连时即可充电；能量回收中继电池通过导线分别与双作用电机控制器及能量回收转换器相连；专用控制器通过信号线与能量回收转换器相连，专用控制器控制能量回收转换器将能量回收中继电池的电能充到蓄电池组中；专用控制器通过信号线与语音提示器及档位检测装置相连。

所述轮毂电机为盘式永磁无刷直流双作用电机。

该混合动力汽车的能量回收主要在汽车滑行和制动时进行，当速度及制动踏板位置检测装置检测到汽车处在上述两种状态中时，专用控制器通过电机控制器控制轮毂电机置发电状态，所发电能通过能量回收中继电池和能量回收转换器向蓄电池组充电实现能量回收，能量回收中继电池的电量在平时保持较低水平以适应能量回收时的瞬间大蓄电量，从而起到缓冲作用。

该装置采用如下控制方法：

所述混合动力汽车有三种工作模式：纯电动模式、纯内燃机模式、混合模式；

所述的纯电动模式是指在此模式下专用控制器通过双作用电机控制器控制双作用轮毂电机作为驱动单元，通过专用控制器的电子差速模块控制双作用电机控制器及双作用轮毂电机实现电子差速；通过专用控制器的制动模块和助力转向模块控制电动油泵与制动装置、助力转向装置工作实现液压制动和助力转向，当汽车滑行及制动时通过专用控制器、双作用电机控制器、双作用轮毂电机、能量回收中继电池、能量回收转换器、蓄电池组的配合实现能量回收；

所述的纯内燃机模式是指在此模式下汽车以内燃机作为驱动单元，此模式下的汽车工作情况与传统汽车相似，即通过内燃机带动各部件的运转，区别是当汽车滑行及制动时通过专用控制器、双作用电机控制器、双作用轮毂电机、能量回收中继电池、能量回收转换器、蓄电池组的配合实现能量回收；专用控制器通过发电机充电转换器控制汽车发电机向蓄电池组充电；

所述的混合模式是指在此模式下，轮毂电机和内燃机根据已设定的最佳工况程序进行混合驱动。所谓最佳工况程序是指当汽车启动时首先由轮毂电机提供动力，此阶段属于纯电动模式，当速度到达设定值后，专用控制器向汽车总控制器专递启动内燃机的信号，切换到内燃机工作，此阶段属于纯内燃机工作模式。当汽车滑行及制动时通过专用控制器、双作用电机控制器、双作用轮毂电机、能量回收中继电池、能量回收转换器、蓄电池组的配合实现能量回收；

在各模式切换的过程中通过档位检测装置、专用控制器、速度及制动踏板位置检测装置、语音提示器以及图像显示器的配合控制实现切换；另外充电器可以直接接市电为蓄电池组充电。

本发明是将传统汽车在保持原有性能的前提下升级为混合动力汽车，因此在结构上既要保证原机械传动系统的传动比行车速度不变，又要保证轮毂电机能独立工作，基于以上要求本发明对半轴与轮毂之间的连接不做较大改动，仍采用固定连接方式连接。当轮毂电机工作时通过相应的控制与语音提示使档位置空挡，此时轮毂电机在传动结构上与内燃机断开只带动变速箱的部分传动齿轮转动，从而减小了阻力。

轮毂电机属于内置高速盘式非直动类型，具有驱动发电双功能，此轮毂电机参考相应轮毂的国家标准。

此混合动力汽车有三种工作模式：混合模式、纯电动模式、纯内燃机模式。在纯电动模式下轮毂电机作为驱动单元，在纯内燃机模式下内燃机作为驱动单元，在混合模式下，轮毂电机和内燃机根据已设定的最佳工况程序进行混合驱动。所谓最佳工况程序是指当汽车启动时首先由轮毂电机提供动力，此阶段属于纯电动模式，当速度到达设定值后，专用控制器向汽车总控制器专递启动内燃机的信号，切换到内燃机工作，此阶段属于纯内燃机工作模式。在切换的过程中通过档位检测装置、专用控制器、速度及制动踏板位置检测装置、语音提示器以及图像显示器的配合控制，实现精确、简便、可视化的切换。

为解决在内燃机不工作阶段的制动及助力转向问题，本发明在原系统上添加一套电动油泵装置，此装置由蓄电池组供电。在内燃机不工作阶段，对于采用液压助力转向的汽车，电动油泵既可以提供转向助力又可以用于液压制动。对于采用电动液压助力转向和电动助力转向的汽车，蓄电池组可以为其提供助力转向所需电能，而电动油泵用于液压制动。另外当汽车进行能量回收时，轮毂电机通过相应控制系统将汽车动能转化成电能同样起到制动的作用。此电动油泵装置主要用于纯电动模式和混合模式下的电驱动阶段。

能量回收主要在汽车滑行和制动时进行，当速度及制动踏板位置检测装置检测到汽车处在上述两种状态中时，专用控制器通过电机控制器控制轮毂电机置发电状态，所发电能通过能量回收中继电池和能量回收转换器向蓄电池组充电实现能量回收，能量回收中继电池的电量在平时保持较低水平以适应能量回收时的瞬间大蓄电量，从而起到缓冲作用。需要特别指出的是当踩下制动踏板后，能量回收与液压制动协同工作，但是更倾向于能量回收制动的方式，这样在城市中行车时，由于有频繁的加速和减速，用这种方式进行能量回收显得尤为有效。能量回收工作于所有工作模式下。

本发明采用电子差速的方式解决轮毂电机工作阶段的差速问题，对于电子差速控制采用速度控制。实施速度控制策略的基础是采用转速控制的电机驱动系统。对电机进行速度控制，要求当系统给定一个转速目标值时，电机控制系统应以最快响应速度去实现系统要求。电子差速系统的输入装置为方向盘，且通过一个传感器将角度变化输入到控制器，控制器根据这个角度调整电机的转速实现电子差速。电子差速主要用于纯电动模式和混合模式下的电驱动阶段。

所述混合动力汽车蓄电池组的电能主要有三个来源：

1、蓄电池组可以通过充电器直接接市电进行充电；

2、能量回收的电能；

3、在汽车内燃机工作阶段，通过专用控制器与发电机充电转换器的配合，将汽车发电机的冗余发电量存储到蓄电池组中。

本发明的亮点是传统汽车只需对每个轮毂更换上述的的轮毂电机及配备一套专用控制系统就可升级改造为混合动力汽车。通过简单的改造，将占我国汽车总量99.9％以上的传统汽车升级为混合动力汽车，使传统汽车在油耗最高的阶段改用电驱动，节省资源，降低了排放量，并实现了能量回收。

附图说明

图1是本发明基本原理图

图中1.专用控制器，2.蓄电池组，3.双作用电机控制器，4.双作用轮毂电机，5.工作模式选择装置，6.汽车发电机，7.发电机充电转换器，8.速度及刹车踏板位置检测装置，9.汽车总控制器，10.充电器，11.能量回收中继电池，12.能量回收转换器，13.语音提示器，14.档位检测装置，15.图像显示器，16.电动油泵，17.制动装置，18.助力转向装置

具体实施方式：

在图1中，蓄电池组2、能量回收中继电池11放置在座椅下方及后备箱的一侧，双作用轮毂电机4与半轴之间仍采用固定连接方式连接，电动油泵16安装在发动机附近，它通过原管路连接到制动装置17和助力转向装置18，同时专用控制器1通过信号线与电动油泵16相连控制其工作。

专用控制器1通过信号线与双作用电机控制器3相连，双作用电机控制器3通过导线与双作用轮毂电机4相连，专用控制器1通过双作用电机控制器3控制双作用轮毂电机4工作；专用控制器1通过信号线与发电机充电转换器7相连，发电机充电转换器7一端通过导线与汽车发电机6相连，另一端通过导线与蓄电池组2相连，充电专用控制器1通过发电机充电转换器7控制汽车发电机6向蓄电池组2充电；专用控制器1通过信号线与图像显示器15相连，汽车的工作状态通过专用控制器1显示在图像显示器15上；工作模式选择装置5通过信号线分别与汽车总控制器9及专用控制器1相连，驾驶员可通过工作模式选择装置5选择相应的工作模式；速度及刹车踏板位置检测装置8安装在汽车刹车踏板的传动杆件上，将检测信号通过信号线传递到专用控制器1；充电器10的一端通过导线与蓄电池组2相连，另一端连接在充电插座上，当此充电插座与市电相连时即可充电；能量回收中继电池11通过导线分别与双作用电机控制器3及能量回收转换器12相连；专用控制器1通过信号线与能量回收转换器12相连，专用控制器1控制能量回收转换器12将能量回收中继电池11的电能充到蓄电池组2中；专用控制器1通过信号线与语音提示器13及档位检测装置14相连。

所述混合动力汽车有三种工作模式：纯电动模式、纯内燃机模式、混合模式。

所谓纯电动模式是指在此模式下专用控制器1通过双作用电机控制器3控制双作用轮毂电机4作为驱动单元，通过专用控制器1的电子差速模块控制双作用电机控制器3及双作用轮毂电机4实现电子差速；通过专用控制器1的制动模块和助力转向模块控制电动油泵16与制动装置17、助力转向装置18工作实现液压制动和助力转向，当汽车滑行及制动时通过专用控制器1、双作用电机控制器3、双作用轮毂电机4、能量回收中继电池11、能量回收转换器12、蓄电池组2的配合实现能量回收。

所谓纯内燃机模式是指在此模式下汽车以内燃机作为驱动单元，此模式下的汽车工作情况与传统汽车相似，即通过内燃机带动各部件的运转，区别是当汽车滑行及制动时通过专用控制器1、双作用电机控制器3、双作用轮毂电机4、能量回收中继电池11、能量回收转换器12、蓄电池组2的配合实现能量回收；专用控制器1通过发电机充电转换器7控制汽车发电机6向蓄电池组2充电。

所谓混合模式是指在此模式下，双作用轮毂电机4和内燃机根据已设定的最佳工况程序进行混合驱动。所谓最佳工况程序是指当汽车启动时首先由双作用轮毂电机4提供动力，此阶段属于纯电动模式，当速度到达设定值后，专用控制器1向汽车总控制器9专递启动内燃机的信号，切换到内燃机工作，此阶段属于纯内燃机工作模式。当汽车滑行及制动时通过专用控制器1、双作用电机控制器3、双作用轮毂电机4、能量回收中继电池11、能量回收转换器12、蓄电池组2的配合实现能量回收。

在各模式切换的过程中通过档位检测装置14、专用控制器1、速度及制动踏板位置检测装置8、语音提示器13以及图像显示器15的配合控制实现精确、简便、可视化的切换；另外充电器10可以直接接市电为蓄电池组2充电。