一种增程式电动四驱系统及汽车的制作方法

本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是指一种增程式电动四驱系统及汽车。

背景技术：

电动汽车发展的主要矛盾是纯电续航里程与安全性的对立，以及全生命周期内的高能耗和高排放与节能减排初始宗旨的对立。增程式电动汽车具备纯电汽车的所有优势，如加速快，动力平顺等，又避免了续航里程焦虑问题。在纯电模式下同样零排放、零污染，在增程模式下，相比传统燃油汽车，可以节油50％以上。

目前的增程式电动汽车动力系统通常采用两种形式。第一种，在纯电动车上加装发动机来用作增程器，单纯延长续驶里程。这种动力系统在动力电池的电量低于某剩余电量soc阈值时，启动发动机工作给电池充电。这种系统需要很大的动力电池容量和重量，以及很大增程器功率，同时电池的充电放电过程存在约10％的能量损耗。第二种增程式电动系统通过对电力系统的优化，采用小于等于预设值的发动机和电池容量，并使之工作区间固定在经济性较高的功率范围内以提升增程模式下的油耗水平。通过充电策略的优化可以使动力电池避免过充和过放，提升力电池寿命。但是这种系统依然无法避免电池充电-放电过程中的能量损耗，而且最高车速的性能要求决定了动力电池的容量无法进一步下降。电池容量大，重量大，成本高。同时，电池始终在高负荷工作，循环寿命受到大于预设值影响。

目前的纯电动汽车和混动汽车四驱系统共有两大类。一类是通过在前轴或后轴增加一个电驱动桥，或者是一对轮毂电机，形成四驱结构，通过电子系统实现驱动力分配和差速等功能。另一类是采用轮毂电机的分布式驱动，也是通过电子系统实现差速和扭矩分配。这两类电动四驱系统完全依靠电子和电控系统，需要复杂的控制逻辑，在恶劣的野外场地下可靠性和稳定性远低于传统的机械四驱系统。对于为适应非铺装路面和路面而采用整体桥的汽车，车桥或车轮上的电驱系统会显著增大整车的簧下质量，并要求随整体桥上下跳动的电驱系统具有极高的耐冲击振动性能、密封防污性能、结构耐久性能等。因此这两类电动四驱系统都不适用于非铺装路面和路面，不适用于汽车。同时在温度较低的环境下，电池会出现亏电等不稳定情况，因此目前的电动四驱系统相比传统机械四驱系统存在可靠性差、系统复杂度高、环境适应性差等不足。

技术实现要素：

本发明提供了一种增程式电动四驱系统及汽车，现有增程式动力系统能效低、电池重量大寿命小，以及现有电动四驱系统可靠性差、复杂度高、不适应汽车的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案:

一种增程式电动四驱系统，包括：

发动机，所述发动机与发电机连接，所述发电机分别与驱动电机和动力电池连接，所述驱动电机与所述动力电池连接，且所述驱动电机与两档电驱动变速器连接，所述两档电驱动变速器分别连接机械式前驱动桥和机械式后驱动桥，所述机械式前驱动桥与行走前轮连接，所述机械式后驱动桥与行走后轮连接；

整车控制器连接发动机控制单元、发电机控制单元、电池管理系统、驱动电机控制单元和换挡及差速锁控制单元；

其中，所述发动机控制单元控制发动机，所述电池管理系统控制所述动力电池，所述驱动电机控制单元控制所述驱动电机，所述换挡及差速锁控制单元控制所述两档电驱动变速箱；

所述整车控制器根据系统负载需求的功率、所述动力电池的剩余电量soc以及用户输入的指令，执行功率跟随策略，所述发动机控制单元和所述发电机控制单元对所述发动机和所述发电机进行转速和输出功率控制。

进一步地，所述两档电驱动变速器机械集成中央差速装置及中央差速锁；

所述机械式前驱动桥集成前桥主减速器和前差速锁；

所述机械式后驱动桥集成后桥主减速器、后桥差速装置和后差速锁。

进一步地，所述整车控制器还控制所述前差速锁控制器和所述后差速锁控制器；

所述前差速锁控制器控制所述机械式前驱动桥，所述后差速锁控制器控制所述机械式后驱动桥。

进一步地，当整车控制器检测到整车处于稳定制动过程并且动力电池的剩余电量soc低于第一设定阈值时，所述整车控制器向所述发动机控制单元和所述发电机控制单元发出降低转速和降低输出功率指令，同时向所述驱动电机控制单元发出指令，所述发电机的剩余功率流向所述动力电池进行反向充电。

进一步地，当所述整车控制器检测到所述机械式前驱动桥和所述机械式后驱动桥中的其中一个驱动桥空转或负载扭矩小于等于预设值时，所述整车控制器通过向所述换挡及差速锁控制单元发出锁止中央差速锁指令，或发出需手动切换锁止中央差速锁的提示，所述机械式前驱动桥和所述机械式后驱动桥之间变成刚性连接，将部分或全部扭矩传递到不空转或负载扭矩大于预设值的驱动桥。

进一步地，所述当械式前驱动桥正常工作时，所述前桥主减速器放大所述中央差速装置传递来的驱动力，所述前桥差速装置向两侧的两个行走前轮传递驱动力，两个行走前轮之间的驱动力和转速匹配；

当所述整车控制器检测到所述两个行走前轮中的其中一个出现空转或负载扭矩小于等于预设值时，所述整车控制器通过所述向前差速锁控制器发出锁止前差速锁指令或发出手动切换锁止前差速锁的提示，所述机械式前驱动桥两侧的两个输出轴变成刚性连接，将所述前桥部分或全部扭矩传递到不空转或负载扭矩大于预设值的另一个行走前轮上。

进一步地，当所述机械式后驱动桥正常工作时，所述后桥主减速器放大中央差速装置传递来的驱动力，所述后桥差速装置向两侧的两个行走后轮传递驱动力，所述两个行走后轮之间的驱动力和转速匹配；

当所述整车控制器检测到所述两个行走后轮中的其中一个出现空转或负载扭矩小于等于预设值时，所述整车控制器通过向所述后差速锁控制器发出锁止后差速锁指令或发出手动切换锁止后差速锁的提示，所述机械式后驱动桥两侧的两个输出轴变成刚性连接，所述后桥部分或全部扭矩传递到不空转或负载扭矩大于预设值的另一个行走后轮上。

进一步地，所述机械式前驱动桥和所述机械式后驱动桥均采用断开式或非断开式机械驱动桥结构。

进一步地，所述发动机的曲轴与所述发电机的输入轴以同轴方式直接连接或通过联轴器加离合机构的方式组合传动连接；

所述驱动电机的输出轴与所述两档电驱动变速器的输入轴以同轴直接连接或通过联轴器加离合机构的组合方式组合传动连接；

所述两档电驱动变速箱的差速装置输出轴与所述机械式前驱动桥的主减速器输入轴连接；

所述两档电驱动变速箱的差速装置输出轴与所述机械式后驱动桥的主减速器输入轴通过传动轴同轴直接连接或通过传动轴加联轴器的组合传动连接；

所述机械式后驱动桥所集成的所述后差速装置的输出轴与所述行走后轮之间通过传动轴同轴直接连接或通过传动轴、联轴器、离合机构的组合传动连接；

所述机械式前驱动桥所集成的所述前差速装置的输出轴与所述行走前轮之间通过传动轴同轴直接连接或者通过传动轴、联轴器、离合机构的组合传动连接。

一种汽车，包括如上所述的增程式电动四驱系统。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明的上述方案，本实施例的增程式电动四驱系统完全兼容传统汽车的机械四驱结构，控制逻辑简单可靠，零部件通用化高，成本低；本实施例的增程式电动四驱系统前驱动桥和后驱动桥均可采用成熟的断开式或非断开式机械驱动桥，结构简单可靠，路面和气候适应性强，耐冲击振动性能、密封防污性能、结构耐久性能易于保证。

附图说明

图1为本发明的增程式电动四驱系统的实施例一的原理框图；

图2为本发明的增程式电动四驱系统的实施例二的原理框图。

附图标记：

100、发动机；101、发动机控制单元；200、发电机；201、发电机控制单元；300、驱动电机；301、驱动电机控制单元；400、两档电驱动变速箱；401、换挡及差速锁控制单元；500、动力电池；501、电池管理系统；600、整车控制器；700、机械式前驱动桥；701、前差速锁控制器；800、机械式后驱动桥；801、后差速锁控制器；900、行走前轮；901、行走后轮。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在本发明中，“传动连接”是指两个部件之间能够直接传递驱动力/扭矩或者通过必要的联轴器、齿轮传动机构、皮带传动机构、链条传动机构、离合机构中的一种方式传递驱动力/扭矩。

如图1所示的，本发明的实施例提供一种增程式电动四驱系统，包括发动机100，发动机100连接发电机200，发电机200分别连接驱动电机300和动力电池500，驱动电机300连接动力电池500，驱动电机300连接两档电驱动变速器，两档电驱动变速器分别连接机械式前驱动桥700和机械式后驱动桥800，机械式前驱动桥700连接行走前轮900，机械式后驱动桥800与行走后轮901连接；整车控制器600连接发动机控制单元101、发电机控制单元201、电池管理系统501、驱动电机控制单元301和换挡及差速锁控制单元401，发动机控制单元101控制发动机100，发电机控制单元201控制发电机200，电池管理系统501控制动力电池500，驱动电机控制单元301控制驱动电机300，换挡及差速锁控制单元401控制两档电驱动变速箱400。整车控制器600根据系统负载需求的功率、动力电池500的soc以及用户输入，执行功率跟随策略，发动机控制单元101和发电机控制单元201对发动机100和发电机200进行转速和输出功率控制。具体地，机械式前驱动桥700和机械式后驱动桥800均采用断开式或非断开式机械驱动桥结构。

本实施例的整车控制器600根据系统负载需求的功率、动力电池500的soc以及用户输入，如驾驶模式等，采用功率跟随策略通过发动机控制单元101和发电机控制单元201对发动机100和发电机200进行转速和输出功率控制。在该策略下，以发电机200提供的输出功率为主满足系统负载需求的功率。在发电机200的当前输出功率通过反馈控制增大或减小到系统负载当前需求功率的过程中，动力电池500起到“削峰填谷”的作用。

本实施例的增程式电动四驱系统完全兼容传统汽车的机械四驱结构，控制逻辑简单可靠，零部件通用化高，成本低；本实施例的增程式电动四驱系统前驱动桥和后驱动桥均可采用成熟的断开式或非断开式机械驱动桥，结构简单可靠，路面和气候适应性强，耐冲击振动性能、密封防污性能、结构耐久性能易于保证。

本实施例的发动机100为高压缩比四缸发动机100，并采用米勒循环和冷却技术来提高其全范围内燃油经济性。但是该发动机100不限于四缸发动机100，也不限于使用节油技术的发动机100，还可以是其他类型和使用其他技术的发动机100。在发动机100正常工作时，发电机200的转子同时随发动机100曲轴旋转产生高压电动势。

本实施例的驱动电机300既能够实现电机功能，又能够实现发电功能。具体地，驱动电机300采用集成电机控制器的电机系统，作为驱动电机300的控制单元，驱动电机控制单元301集成的内容包括电机控制器和发电机200控制器。

本实施例的两档电驱动变速器机械集成中央差速装置及中央差速锁；具体地，两档电驱动变速器通过同轴直接连接或者联轴器、齿轮传动机构、皮带传动机构、链条传动机构中的一种传动方式机械集成中央差速装置及中央差速锁。机械式前驱动桥700集成前桥主减速器和前差速锁，具体地，机械式前驱动桥700通过同轴直接连接或者联轴器、齿轮传动机构中的一种或多种传动方式机械集成前桥主减速器、前桥差速装置及前差速锁。机械式后驱动桥800集成后桥主减速器、后桥差速装置和后差速锁，具体地，机械式后驱动桥800通过同轴直接连接或者联轴器、齿轮传动机构中的一种或多种传动方式机械集成后桥主减速器、后桥差速装置及后差速锁。本实施例的增程式电动四驱系统集成了中央差速锁、前桥差速锁、后桥差速锁，具有极强的脱困能力和性能。

本实施例的驱动电机300既能够实现电机功能，又能够实现发电功能；在发动机100正常工作时，除了提供动力附件所需功率，主要功率用于发电；整车控制器600根据系统负载需求的功率、动力电池500的soc以及用户输入，如驾驶模式等，采用功率跟随策略通过发动机控制单元101和发电机控制单元201对发动机100和发电机200进行转速和输出功率控制；在该功率跟随策略下，以发电机200提供的输出功率为主满足系统负载需求的功率，动力电池500起到削峰填谷的作用；两档电驱动变速箱400正常工作时，通过集成的中央差速装置同时向机械式前驱动桥700和机械式后驱动桥800传递驱动力/扭矩，形成全时四驱结构；前驱动桥和后驱动桥均集成主减速器及差速锁，并采用成熟的断开式或非断开式机械驱动桥结构。解决了现有增程式动力系统能效低、电池重量大寿命小，以及现有电动四驱系统可靠性差、复杂度高、不适应汽车的问题。

本实施例的发动机100的曲轴与发电机200的输入轴以同轴方式直接连接或通过联轴器加离合机构的方式组合传动连接；驱动电机300的输出轴与两档电驱动变速器的输入轴以同轴直接连接或通过联轴器加离合机构的组合方式组合传动连接。两档电驱动变速箱400的差速装置输出轴连接机械式前驱动桥700的主减速器输入轴；两档电驱动变速箱400的差速装置输出轴与机械式后驱动桥800的主减速器输入轴通过传动轴同轴直接连接或通过传动轴加联轴器的组合传动连接。机械式后驱动桥800所集成的后差速装置的输出轴与行走后轮901之间通过传动轴同轴直接连接或通过传动轴、联轴器、离合机构的组合传动连接；机械式前驱动桥700所集成的前差速装置的输出轴与行走前轮900之间通过传动轴同轴直接连接或者通过传动轴、联轴器、离合机构的组合传动连接。

本实施例的整车控制器600与发动机控制单元101之间电气连接；整车控制器600与发电机控制单元201之间电气连接；整车控制器600与驱动电机控制单元301之间电气连接；整车控制器600与换挡及差速锁控制单元401之间电气连接；整车控制器600与电池管理系统501之间电气连接。

本实施例的增程式电动四驱系统，当发电机200当前提供的功率低于或者滞后于驱动电机300的需求时，需求功率的差额通过动力电池500向驱动电机300放电进行满足。当发电机200提供的功率高于或者提前于驱动电机300的需求时，发电机200的功率向动力电池500分流，即发电机200的剩余功率用于向动力电池500充电。

在满足某些条件时，例如，当整车控制器600检测到整车处于稳定制动过程并且动力电池500的soc低于某设定阈值时，整车控制器600向发动机控制单元101和发电机控制单元201发出降低转速和降低输出功率，同时向驱动电机控制单元301发出指令，将驱动电机300的功能转换为发电机200，向动力电池500进行反向充电，达到制动能量回收的功能。本实施例的增程式电动四驱系统，两档电驱动变速箱400正常工作时，通过集成的中央差速装置同时向机械式前驱动桥700和机械式后驱动桥800传递驱动力/扭矩，形成全时四驱结构。

当整车控制器600检测到其中一个驱动桥空转或负载扭矩小于等于预设值时，整车控制器600通过向换挡及差速锁控制单元401发出锁止中央差速锁指令，或者通过提示用户手动切换的方式锁止中央差速锁，使机械式前驱动桥700和机械式后驱动桥800之间变成刚性连接，把大部分的扭矩甚至全部扭矩传递到不空转或负载扭矩大于预设值的驱动桥，从而产生足够牵引力，使汽车能够继续行驶。机械式前驱动桥700正常工作时，通过集成的前桥主减速器放大中央差速装置传递来的驱动力/扭矩，并通过集成的前桥差速装置向两侧的两个行走前轮900传递驱动力/扭矩，实现两个行走前轮900之间的驱动力和转速匹配。

当整车控制器600检测到两个行走前轮900中的其中一个出现空转或负载扭矩小于等于预设值时，整车控制器600通过向前差速锁控制器701发出锁止前差速锁指令的方式或者通过提示用户手动切换的方式锁止前差速锁，使机械式前驱动桥700两侧的两个输出轴变成刚性连接，把前桥大部分的扭矩甚至全部扭矩传递到不空转或负载扭矩大于预设值的另一个行走前轮900上，从而使前桥产生足够的牵引力。机械式后驱动桥800正常工作时，通过集成的后桥主减速器放大中央差速装置传递来的驱动力/扭矩，并通过集成的后桥差速装置向两侧的两个行走后轮901传递驱动力/扭矩，实现两个行走后轮901之间的驱动力和转速匹配。

当整车控制器600检测到两个行走后轮901中的其中一个出现空转或负载扭矩小于等于预设值时，整车控制器600通过向后差速锁控制器801发出锁止后差速锁指令的方式或者通过提示用户手动切换的方式锁止后差速锁，使机械式后驱动桥800，即集成前桥主减速器、前差速锁两侧的两个输出轴变成刚性连接，把后桥大部分的扭矩甚至全部扭矩传递到不空转或负载扭矩大于预设值的另一个行走后轮901上，从而使后桥产生足够的牵引力。

如图2所示的，本实施例二提供了一种增程式电动四驱系统，在上述实施例的基础上，整车控制器600还控制前差速锁控制器701和后差速锁控制器801；前差速锁控制器701控制机械式前驱动桥700，后差速锁控制器801控制机械式后驱动桥800。整车控制器600与前差速锁控制器701之间电气连接；整车控制器600与后差速锁控制器801电气连接。

汽车启动时，发动机100立即启动，并且只用于发电，相比于动力电池500提供驱动能量的系统而言，低温冷启动性能更好；发动机100的工作区间一直处于燃油经济性的高效区间，相比于传统发动机100直驱系统，燃油经济性有明显提高；发动机100与发电机200产生的电能直接驱动驱动电机300，避免了电能充入动力电池500再放电的过程，可以减少充放电过程带来的约10％的能量损耗，并且避免了动力电池500低温充放电效率低下的问题；发动机100发电后直接驱动电动机的系统架构，减少了对动力电池500容量的需求，降低了动力电池500体积、重量和成本，避免了动力电池500频繁充放电，能够大幅度延长动力电池500的循环寿命。发动机100发电后直接驱动电动机的系统架构，减少了对动力电池500容量的需求，降低了动力电池500体积、重量和成本，避免了动力电池500频繁充放电，能够大幅度延长动力电池500的循环寿命。

本实施例的增程式电动四驱系统完全兼容传统汽车的机械四驱结构，控制逻辑简单可靠，零部件通用化高，成本低；增程式电动四驱系统集成了中央差速锁、前桥差速锁、后桥差速锁，具有极强的脱困能力和性能；增程式电动四驱系统的前驱动桥采用成熟的断开式或非断开式机械驱动桥，后驱动桥采用成熟的非断开式机械驱动桥。结构简单可靠，路面和气候适应性强，耐冲击振动性能、密封防污性能、结构耐久性能易于保证。

本实施例还提供一种汽车，包括上述的增程式电动四驱系统。

需要强调的是，汽车达到的技术优势和效果包括上述增程式电动四驱系统所达到的技术优势和效果。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。