CN101323242B - 混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械技术领域的混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置。所述装置设置有前后行星排，两行星排均有行星轮、太阳轮、排齿圈，两行星排齿圈由离合器连接。发动机与前行星排行星轮连接，ISG电机与前行星排太阳轮连接，前行星排齿圈与离合器主动盘连接，离合器从动盘与后行星排齿圈相连，后行星排行星轮行星架固接于车架，后行星排太阳轮与驱动电机连接，后行星排齿圈外圈齿轮与动力输出齿轮常啮合。本发明结构紧凑、传动比大、承载能力大、传动平稳、传动效率高，可同时实现功率分流和无级变速。

Description

混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置

技术领域

本发明涉及一种机械技术领域的驱动装置，具体是一种混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置。

背景技术

随着世界能源的紧张与人类环保意识的加强，安全、节能、环保成为当今汽车发展的主题。作为新能源汽车之一的混合动力汽车能够较好的解决上述问题。混合动力汽车是一种由发动机和电机系统共同驱动的车辆。其中发动机可以是使用多种燃料的内燃机；电机既可以是永磁电机也可以是励磁电机，既可以是同步电机也可以是异步电机。混合动力车辆(HEV)的结构主要分为并联式、串联式和混联式。混联形式以及电驱动程序的增加是混合动力发展的大方向，它采用差动行星齿轮，因为行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比，具有质量小、体积小、传动比大、承载能力大、传动平稳及传动效率高等优点，可以同时实现功率分流和变速的目的，单个行星齿轮的机构就可以代替原型车中的离合器和变速器。而双行星排机电耦合驱动装置在具备上述优点的同时，可以更好的减少发动机与电机切换过程中的速度波动，更好地实现无级变速，同时降低对于电机的要求，是一种先进的混合动力汽车驱动装置。

经对现有技术的文献检索发现，专利03128810.3公开了一种混合动力汽车驱动系统，提供了一种较传统车辆而言经济性好、排放低，可实现制动能量回收的混合动力汽车驱动系统，包括发动机、前轮、蓄电池、轮毂电动机、后轮、发电机、后桥，但只是混合动力技术的初步应用，没有较大发挥混合动力的优势；国内专利200610064953.X，200710078132.6及200710047421.X均为基于双行星排的混合动力驱动装置，结构上均采用单电机，双离合器或多离合器以及多制动器，虽能实现机电耦合与无级变速功能，但驱动装置尺寸较大且成本较高，同时对于电机的要求较高。美国专利US 2004/0147365 A1披露了一种在变速箱前后采用双电机的混合动力结构，但未对该结构提出任何机构上的改进以实现利用手动变速箱时实现车辆的纯电动驱动功能，不利于发挥混合动力汽车的优势。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置，通过两个电机、两行星排和一个离合器的不同组合状态实现混合动力汽车的多种工作模式，具有无级变速功能和模式切换功能，这种驱动装置结构紧凑，传递部件少，能够在最大限度的节约制造和改造成本的基础上实现节约燃油和保证整车动力性能的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置，包括：发动机、行星架、集成起动发电机(以下简称ISG)、前行星排行星轮、前行星排太阳轮、前行星排齿圈、后行星排行星轮、驱动电机TM、后行星排太阳轮、动力输出齿轮、后行星排齿圈、离合器。其中发动机通过行星架与前行星排行星轮连接，ISG电机与前行星排太阳轮连接，前行星排齿圈与离合器主动盘连接，离合器从动盘与后行星排齿圈相连，后行星排行星轮行星架固接于车架，后行星排太阳轮与驱动电机TM连接，后行星排齿圈外圈齿轮与动力输出齿轮常啮合。

本发明装置将发动机输出的动力与ISG和TM的动力通过前后两行星排进行耦合，前后行星排与各自的动力源连接，均可视为独立的耦合机构，两行星排的齿圈通过一个可控离合器连接，便于各种工作模式时通过控制策略对可控离合器以及各动力元件进行独立控制，以达到最优效果。后行星排行星轮固接于车架，作为不动件，由外齿圈经一对常啮合齿轮输出动力，相对于单行星齿轮而言，由于前行星排机电耦合装置的参与，可以明显降低对于驱动电机TM的要求，经动力学分析知，其扭矩需求可降低约70％。

本发明装置结构上的创新之处在于以下两点：第一，应用了双行星排结构，结构紧凑、传动比大、承载能力大、传动平稳、传动效率高，并且在双行星排各自的齿圈之间连接一个离合器，从而克服了普通双行星排结构中前后电机或电机与发动机之间在起动或制动过程中的干扰阻力，能够较好实现混合动力汽车各传动部件之间的良好匹配和最优控制。第二，前行星排太阳轮连接集成起动发电机ISG，后行星排太阳轮连接驱动电机TM，能够充分发挥各自优势，且降低了对于TM的要求，实现了机电装置的较好耦合和动力的高效利用。

本发明上述装置，包括以下多种工作模式：

(1)启动模式：启动模式根据车的状态，分为静止启动和纯电动启动两种情况：

静止启动时，离合器结合，ISG做起动机运行，其动力输出通过前行星排太阳轮带动前行星排行星轮转动，再经过行星架拖动发动机启动，根据启动转速的不同决定启动同时充电与否；

纯电动启动时，要求汽车行驶速度超过设定值Vm或者ISG电机蓄电池的电量低于一定值SOC，以及蓄电池的SOC值达到强制充电状态SOCq时，离合器结合，驱动电机的电能，经耦合装置传递至发动机，带动发动机启动，进入发动机运行，功率分流驱动汽车，并对ISG电机蓄电池充电。

(2)纯电动驱动模式：电动机驱动模式(轻度负荷)，指在汽车运行速度小于某设定值，蓄电池的SOC值高于SOC₁时，汽车运行所需要的转矩由驱动电机单独提供。此时，离合器分离，发动机静止，ISG自由转动，驱动电机TM的动力经后行星排太阳轮、后行星排行星轮、后行星排齿圈，外侧常啮合齿圈后，由动力输出齿轮输出到车轮，驱动汽车。

(3)发动机驱动模式：指汽车中低速行驶，蓄电池的SOC值低于SOC₁时，汽车运行所需要的转矩由发动机单独提供；离合器结合，ISG电机作为发电机工作吸收能量至电池，驱动电机自由旋转，动力由发动机经前后行星排传至车轮。

(4)混合驱动模式：在车辆需求功率大于发动机效率优化功率、电池SOC值不低时，离合器结合，发动机、驱动电机共同驱动车辆，ISG电机根据功率的不同需求及电池的SOC值高低来判断作为电动机参与驱动或作为发电机吸收驱动剩余能量，这种模式通常工作于中低速加速和高速区。

(5)制动模式：制动模式根据车的状态，分为驱动电机TM制动和联合制动两种情况：

中低速情况下，离合器分离，发动机静止，ISG自由旋转，由驱动电机TM单独制动，克服地面摩擦阻力矩，做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电；

在高速情况下，离合器结合，发动机和驱动电机TM联合制动，根据电池SOC情况，ISG做发电机或电动机运行，驱动电机TM做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电。

本发明驱动装置，在启动模式中，根据车速、电池SOC值来决定采用静止启动模式或纯电动启动模式，在发动机启动前的时间，实现电能的最大利用，降低了燃油消耗；混合驱动模式发生在高功率需求的情况下，驱动电机参与到高速行驶车辆的驱动过程中，且此时ISG电机根据功率的不同需求及电池的SOC值高低来判断作为电动机参与驱动或作为发电机吸收驱动剩余能量，通过优化控制策略可以实现发动机、驱动电机、ISG电机三者的最优控制，在不影响汽车整体动力性的前提下，提高了车辆的燃油经济性，而这些都源于耦合装置的结构创新和控制策略的优化设计；制动模式，则是根据车速高低来决定离合器的分离与结合，以实现驱动电机TM制动或联合制动，能够在实现制动功能的前提下，更高效的实现能量回收。

与现有混联式混合动力汽车相比，本发明具有以下显著效果：

(1)应用了双行星排结构，结构紧凑、传动比大、承载能力大、传动平稳、传动效率高；

(2)可以同时实现功率分流和无级变速的目的；

(3)采用前后行星排齿圈之间连接一个可控离合器的结构，可以进一步减少发动机与电机切换过程中的速度波动，更好地实现无级变速，提高经济性，同时降低对于电机的要求；

(4)沿用了众多现有行星变速器的结构与开发经验，这样可以大幅降低制造成本。

附图说明

图1混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置结构示意图；

图2静止启动模式的能量传递路线图；

图3纯电动启动模式的能量传递路线图；

图4纯电动驱动模式的能量传递路线图；

图5发动机驱动模式的能量传递路线图；

图6混合驱动模式的能量传递路线图；

图7驱动电机制动模式的能量传递路线图；

图8联合制动模式的能量传递路线图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例混联式混合动力驱动装置，包括发动机1、行星架12、集成起动发电机(以下简称ISG)2、前行星排行星轮3、前行星排太阳轮4、前行星排齿圈5、后行星排行星轮6、驱动电机TM7、后行星排太阳轮8、动力输出齿轮9、后行星排齿圈10、离合器11。其中发动机1通过行星架12与前行星排行星轮3连接，ISG电机2与前行星排太阳轮4连接，前行星排齿圈5与离合器11主动盘连接，离合器11从动盘与后行星排齿圈10相连，后行星排行星轮6行星架固接于车架，后行星排太阳轮8与驱动电机TM 7连接，后行星排齿圈10外圈齿轮与动力输出齿轮9常啮合。

发动机1作为动力单元，其动力可以通过机械系统直接传递给车轮，也可以通过集成起动发电机2或驱动电机TM 7以电能的方式给蓄电池充电。

集成起动发电机2主要是用来启动发动机1和吸收发动机1的能量发电，并能够调节发动机1的转速，减少其转速波动。

前行星排由前行星排行星轮3、前行星排太阳轮4、前行星排齿圈5组成，后行星排由后行星排行星轮6、后行星排太阳轮8、后行星排齿圈10组成，是本发明驱动装置中的动力耦合机构，能够对来自发动机1、集成起动发电机2和驱动电机TM 7的动力进行耦合叠加，并且能够通过控制策略对能量传递进行优化配置，是本发明的核心机构之一。

驱动电机TM 7可作为电动机在启动及驱动过程中驱动车辆，并可作为发电机用来回收车辆制动时的动能。

动力输出齿轮9与后行星排外齿圈10齿轮常啮合，用以在耦合机构与车轮之间的能量传递。

离合器11连接前后行星排，用于传输经行星排传递而来的发动机1、集成起动发电机2和驱动电机TM 7的动力，同时进行自动离合切换，实现能量的合理优化使用，提高能量利用率。

本发明结构上的创新之处在于应用了双星行排结构，并且在双行星排各自的齿圈之间连接一个离合器11，从而克服了普通双星行排结构中前后电机或电机与发动机之间在起动或制动过程中的干扰阻力，能够较好实现混合动力汽车各传动部件之间的良好匹配和最优控制。配置有此种结构混合动力汽车各种模式下的工作过程在图2～8中介绍。

如图2所示，在静止启动模式时，离合器11结合，ISG2做起动机运行，一方面通过前行星排太阳轮4带动前行星排行星轮3转动，再经过行星架12带动发动机1启动；另一方面，其输出能量依次通过前行星排齿圈5、离合器11、后行星排齿圈10、常啮合齿轮副的动力输出齿轮9传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图2中粗实线所示。

如图3所示，在纯电动启动模式时，离合器11结合，ISG2自由旋转，驱动电机TM 7做电动机运行，其动力输出一方面通过后行星排太阳轮8、后行星排行星轮6、后行星排齿圈10、常啮合齿轮副的动力输出齿轮9传递至车轮驱动汽车；另一方面，其输出能量依次通过后行星排太阳轮8、后行星排行星轮6、后行星排齿圈10、离合器11、前行星排齿圈5、前行星排行星轮3、行星架12带动发动机1启动。动力传递路线如图3中粗实线所示。

如图4所示，在纯电动驱动模式时，离合器11分离，发动机1静止，ISG2自由转动，驱动电机TM7的动力输出依次通过后行星排太阳轮8、后行星排行星轮6、后行星排齿圈10、常啮合齿轮副的动力输出齿轮9传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图4中粗实线所示。

如图5所示，在发动机驱动模式时，离合器11结合，ISG2作为发电机工作吸收能量至电池，驱动电机TM7自由旋转，发动机1的动力输出依次通过行星架12、前行星排行星轮3、前行星排齿圈5、离合器11、后行星排齿圈10、常啮合齿轮副的动力输出齿轮9传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图5中粗实线所示。

如图6所示，在混合驱动模式时，离合器11结合，发动机1、驱动电机TM7共同驱动车辆，ISG2作为发电机或电动机工作。发动机1的动力输出依次通过行星架12、前行星排行星轮3、前行星排齿圈5、离合器11、后行星排齿圈10，驱动电机TM7的动力输出依次通过后行星排太阳轮8、后行星排行星轮6、后行星排齿圈10，二者动力在外齿圈处汇合，并经由常啮合齿轮副的动力输出齿轮9传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图6中粗实线所示。

如图7所示，在驱动电机TM制动模式时，离合器11分离，发动机1静止，ISG2自由旋转，来自车轮的车辆动能依次经过动力输出齿轮9、后行星排齿圈10、后行星排行星轮6、后行星排太阳轮8到达驱动电机TM7，使之做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电。动力传递路线如图7中粗实线所示。

如图8所示，联合制动模式时，离合器11结合，发动机1和驱动电机TM7联合制动，根据电池SOC情况，ISG2做发电机或电动机运行。地面制动力一部分，依次经过车轮、动力输出齿轮9、后行星排齿圈10、后行星排行星轮6、后行星排太阳轮8到达驱动电机TM7，使之做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电；另一部分则由发动机1经过行星架12、前行星排行星轮3、前行星排齿圈5、离合器11、后行星排齿圈10的动力输出来平衡。动力传递路线如图8中粗实线所示。

Claims (3)

1.一种混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置，包括：发动机(1)、集成起动发电机(2)、前行星排行星轮(3)、前行星排太阳轮(4)、前行星排齿圈(5)、后行星排行星轮(6)、驱动电机(7)、后行星排太阳轮(8)、动力输出齿轮(9)、后行星排齿圈(10)、离合器(11)、行星架(12)，其特征在于：发动机(1)通过行星架(12)与前行星排行星轮(3)连接，集成起动发电机(2)与前行星排太阳轮(4)连接，前行星排齿圈(5)与离合器(11)主动盘连接，离合器(11)从动盘与后行星排齿圈(10)相连，后行星排行星轮(6)行星架固接于车架，后行星排太阳轮(8)与驱动电机(7)连接，后行星排齿圈(10)外圈齿轮与动力输出齿轮(9)常啮合。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置，其特征是：所述发动机(1)作为动力单元，其动力通过机械系统直接传递给车轮，或通过集成起动发电机(2)或驱动电机(7)以电能的方式给蓄电池充电。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车双行星排机电耦合驱动装置，其特征是：所述前行星排行星轮(3)、前行星排太阳轮(4)、前行星排齿圈(5)组成前行星排，后行星排行星轮(6)、后行星排太阳轮(8)、后行星排齿圈(10)组成后行星排，两行星排是整个驱动装置的动力耦合机构。

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