CN101342859B - 混合动力驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力驱动系统,该系统包括发动机,与电池组电连接的第一电机和第二电机,变速器,第一离合器和第二离合器以及传动轴,其中:所述发动机、变速器、第一电机、第一离合器、第二离合器和第二电机依次连接,并且传动轴连接到第一离合器和第二离合器之间。由于在发动机和第一电机之间设置了变速器,因此能够解决发动机与电机之间的转速匹配问题。当整车高速运行时,发动机可以通过变速器与第一电机和/或第二电机进行较好的转速匹配,使三者并联或混联运行,从而使整车在高速下仍能具有较好的加速性能。

Description

混合动カ驱动系统
技术领域
[0001] 本发明涉及ー种混合动カ驱动系统。
背景技术
[0002] 混合动カ车辆同时采用两种不同的动カ源,根据动カ系统的连接方式不同,主要可以分为三种结构形式,即串联、并联和混联。
[0003] 串联结构的特征是以电カ形式进行复合,发动机直接驱动发电机对储能装置和电动机供电,电动机用来驱动车轮;并联结构的特征是以机械形式进行复合,发动机与传动轴相连,电机可同时用作电动机和发电机以平衡发动机所受的载荷。
[0004] 实践中出现的混联模式有一种是通过行星齿轮机构来实现各动力単元的动カ分配。在这种结构中,发动机与行星架相连,发动机的一部分功率通过第一电机转换为电能对第二电机供电或对储能装置进行充电,另一部分机械能直接作用于齿圈上,同时第二电机与齿圈相连,提供部分功率和转矩。在这种模式中,发动机输出动力中总有一部分能量供第一电机发电给蓄电池组充电或供第二电机电动使用。
[0005] 实践中还有通过离合器来实现各动カ单元的动カ分配的混联模式,如CN1857941A公开了ー种用于驱动车辆的混合动カ驱动系统,该系统公开了使用双离合器、双电机以及电池组的驱动系统,其次电机与发动机输出端连接,次电机与主电机之间设置了次离合器,变速箱与主电机之间设置了主离合器。在这种结构中,发动机与电机同轴设置,这样就存在一个发动机与电机的转速匹配问题。如果发动机与电机始終保持同转速,不利于最大限度地使发动机处于高效区工作。此外,电机的转速调节范围可能受到限制。一般而言,电机的运行转速范围宽,可在O〜9000转(甚至更大的转速)范围内可调,而发动机的转速范围比电机窄(一般最高转速在5000〜6000转)。当发动机与电机同轴连接并输出动カ时,由于发动机的转速限制,电机的转速只能工作在一段范围内。
[0006] 另ー方面,根据其说明书的公开可知该驱动系统的次电机具有如下三种功能:一、发动机的启动电机;ニ、输出电功率的发电机;三、辅助发动机输出动力。由此可知:该次电机相当于将传统汽车中的发动机的启动电机(功率较小)与电池组电连接,通过控制,使其具有以上除发动机启动电机之外的功能,还可以作为电动机,此时仅能作为辅助动力,不能作为电动机单独驱动车轮使用,也不存在其単独与主电机共同驱动车轮的驱动状态。这将使得整个驱动系统可实现的驱动模式及功能単一,对于实现最佳的功率输出不利。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供ー种混合动カ驱动系统,该系统能够解决电机和发动机在连接时的转速匹配问题,使整车能够达到更高的转速,同时,可以实现多种驱动模式以提高效率并降低油耗。
[0008] 本发明提供ー种混合动カ驱动系统,该系统包括发动机,与电池组电连接的第一电机和第二电机,变速器,第一离合器和第二离合器以及传动轴,其中:所述发动机、变速器、第一电机、第一离合器、第二离合器和第二电机依次连接,并且传动轴连接到第一离合器和第二离合器之间。
[0009] 由于在发动机和第一电机之间设置了变速器,因此能够解决发动机与电机之间的转速匹配问题。通过变换变速器的档位,可以使发动机最大限度地工作在高效区,有利于提高整车效率并降低油耗。同吋,当整车高速运行时,发动机可以通过变速器与第一电机和/或第二电机进行较好的转速匹配,使整车在高速下仍能具有较好的加速性能。
[0010] 此外,当处于发动机单独驱动模式时,断开与第二电机相连的第二离合器,即 断开第二电机与传动轴之间的连接。此时,发动机可以将能量全部传递到车轮,而不用将一部分能量浪费在第二电机的空转上,从而提高了能源的利用率。
[0011] 此外,第一电机和第二电机均可作为电动机使用,可以单独驱动车轮,也可以共同驱动车轮。在第一电机驱动车轮时,可以将变速器置于空档状态,避免对发动机造成反抱。对于车辆的各种不同行驶エ况,可充分发挥第一电机和第二电机的最佳输出性能,使整个驱动系统实现多种驱动模式,从而优化传动效率,降低油耗。
[0012] 根据本发明的ー种优选实施方式,第一电机可以设计为在高转速下实现的效率优于其低转速下实现的效率;第二电机设计为在低转速下实现的效率优于其高转速下实现的效率。这样不仅可以使这两个电机能以其最佳输出效率协作驱动车轮,而且可以降低两个电机的设计难度(通常,要求电机在低、中、高转速下都能实现高效率输出的设计难度较大)。通过这种实施方式,在车辆起步或低速行驶过程中,可以使用工作效率高的第二电机单独驱动车轮;在车速达到较高时,即达到第一电机可工作在较高效率输出时,则由第一电机単独驱动车轮;而当需要牵引力较大时,第一和第二电机可以共同驱动车轮,实现较大转矩的输出。
[0013] 由此,本发明的驱动系统在纯电カ输出方式下也具备较好的动カ输出能力,可以在不启动发动机的情况下,满足传动轴的需求。这样在车辆的燃料消耗以及有害物排放方面也有很大的改善。
[0014] 根据本发明的另ー种优选实施方式,驱动系统还可以包括设置在第一离合器和第ニ离合器之间的定速比减速机构,该机构的输出动力通过所述传动轴输出给车轮。定速比减速机构可以是常啮合的齿轮传动减速机构、链条传动减速机构或摩擦传动减速机构。这种实施方式在保证驱动系统能够达到高功率输出的同时,不存在因换档引起动カ中断,增加舒适感,减小整个驱动系统的体积,从而降低成本。
[0015] 本发明的其它特征和优点将在下面的具体实施方式中进行描述。
附图说明
[0016] 图I是根据本发明的ー种混合动カ驱动系统的结构示意图;
[0017] 图2至图16是表示图I中混合动カ驱动系统的各种不同工作模式的示意图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
[0019] 如图I所示,根据本发明的ー种混合动カ驱动系统,包括发动机1,与电池组6电连接的第一电机(图中所示为MG1)2和第二电机(图中所示为MG2) 3,变速器4,第一离合器5和第二离合器11以及传动轴8,其中:所述发动机I、变速器4、第一电机2、第一离合器5、第二离合器11和第二电机3依次连接,并且传动轴8连接到第一离合器5和第二离合器11之间。
[0020] 该驱动系统还可以包括设置在第一离合器5和第二离合器11之间的定速比減速机构7,该机构7的输出动力通过所述传动轴8输出给车轮。
[0021] 所述第一电机2和第二电机3可以分别通过第一功率变换器9和第二功率变换器10电连接到电池组6。所述电池组6可以具有外接充电接ロ,用于通过充电站或者市电对电池组6进行充电。 [0022] 发动机I可以采用汽油或柴油等作为燃料,通过第一电机2为电池组6充电,以及通过传动轴8向车轮输出动力。
[0023] 本发明的定速比減速机构7可以是常啮合的齿轮传动减速机构、链条传动减速机构及摩擦传动减速机构等,只要在满足减速的同时减速比恒定即可。
[0024] 发动机I、变速器4、第一电机2、第一离合器5、第二离合器11、第二电机3依次顺序连接,其中第一电机2和第二电机3的转轴可以同轴设置。发动机I的输出轴与第一电机2的转轴通过变速器4连接,第一电机2的转轴与第二电机3的转轴通过第一离合器5和第二离合器11连接,在第一离合器5与第二离合器11之间连接传动轴8。
[0025] 上述第一电机2和第二电机3均可工作于电动和发电模式,电池组6是可控的能量存储单元,可以是蓄电池组、燃料电池组等,在此不作限定。第一电机2和第二电机3可以分别通过第一功率变换器9和第二功率变换器10与电池组6连接,第一功率变换器9和第二功率变换器10可进行双向的功率变换,由此两个电机可以将电池组6中储存的电能转化为动カ输出,也可将动カ转化为电能存储在电池组6中。
[0026] 第一电机2与发动机I、传动轴8和电池组6均相连,可使能量在所述发动机I的输出轴、电池组6及传动轴8之间进行转化或传递。当发动机I需要启动时,第一电机2通过变速器4与发动机I的输出轴结合,并通过将电池组6中的电能转化为动力,用于产生充足的转矩以启动发动机I。当电池组6中的存储能量需要补充时,第一电机2也可通过在发动机I的驱动下产生动力,并输出至电池组6,以电能的形式存储在电池组6中。
[0027] 第一电机2设计为在高转速下实现的效率优于其低转速下实现的效率的电机,可用于独立启动发动机1,还可用于单独以纯电力形式驱动车轮。
[0028] 第二电机3设计为在低转速下实现的效率优于其高转速下实现的效率的电机,其具有比第一电机2大的功率,主要用于在车辆起步或低速行驶过程中単独驱动车轮。例如,第一电机2的功率可以为50kw,第二电机3的功率可以为30kw。当车辆需要较大的牵引力时,第二电机3与第一电机2可以共同驱动车轮,实现大转矩的输出。
[0029] 所述第二电机3能够单独驱动车辆以巡航速度行驶,从而可以最大程度地减少发动机的使用,降低燃油消耗并减少排放。
[0030] 所述第一电机2可以设计为在高转速下的效率高于第二电机3,所述第二电机3则设计为在低转速下的效率高于第一电机2。由此,在车辆低速行驶时,可以使用第二电机3単独驱动车辆行驶,从而提高工作效率。当车辆高速行驶时,则可以使用第一电机2单独驱动车辆行驶,从而提高工作效率。
[0031] 所述第二电机3的功率优选大于所述第一电机2的功率,用于单独驱动车辆在高速下例如巡航速度下行驶。
[0032] 由于发动机的高效率工作区一般位于相对高的转速下,因此,车辆在从停车状态运转到此相对较高的转速这段过程中,使用电机的电动工作来驱动车轮可以使发动机不參与工作,从而可以避免发动机工作在非高效区所引起的油耗及有害排放物的増加。
[0033] 当第一电机2与第二电机3共同以纯电カ驱动车轮时,第一离合器5需转换为结合状态,可以通过电池组6储存的电能使第一电机2的转速与第二电机3的转速接近,通过趋近于零的转速差使得两电机的转轴通过第一离合器5和第二离合器11结合起来。这种结合形式的纯电カ驱动具有较大的输出转矩,对于车辆低转速时的大转矩需求,此第一电机2与第二电机3共同纯电カ驱动的形式也能够满足,而不需要启动发动机,避免发动机エ作在非高效工作区。
[0034] 下面结合图2至图16具体说明上述混合动カ驱动系统的各种工作模式。
[0035] 图2、图3和图4表不仅基于电机的动カ输出对传动轴8驱动的动カ输出形式,这种形式属于混合动カ系统中通常所称的纯电动模式,即发动机I不工作,仅靠电机的工作实现动カ的输出。
[0036] 在本发明的结构下,在这种动カ输出形式中,发动机I不工作,变速器4与第一电机2的旋转轴断开,即变速器4处于空档状态,动カ的输出可通过三种不同的能量流动形式来实现,分别如图2、图3和图4所示。
[0037] 图2所不为第一电机2和第二电机3同时对传动轴8输出动力的形式,此时第一离合器5和第二离合器11均处于结合状态。因此,两电机的旋转轴可同时将动カ传递给传动轴。第一电机2和第二电机3工作在电动模式之下,电池组6为两电机提供可以转化为动カ的电能。如图2中箭头所示,电池组6提供电能给第一电机2和第二电机3,经过电动转化,第一电机2和第二电机3输出动力至传动轴8。
[0038] 图3所示为仅基于第二电机3驱动的动カ输出形式,此时第一离合器5处于断开状态,第二离合器11处于结合状态,第一电机2不工作,第二电机3在电动工作状态之下,电池组6为第二电机3提供可以转化为动カ的电能。如图3中箭头所示,电池组6提供电能给第二电机3,经过电动转化,第二电机3输出动力至传动轴8。
[0039] 图4所不为仅基于第一电机2驱动的动カ输出形式,此时第一离合器5处于结合状态,第二离合器11处于断开状态,第二电机3不工作,第一电机2在电动工作状态之下,电池组6为第一电机2提供可以转化为动カ的电能。如图4中箭头所示,电池组6提供电能给第一电机2,经过电动转化,第一电机2输出动力至传动轴8。由于切断了第二电机3与传动轴8之间的连接,因此也不会引起第二电机3的空转,而造成能量的浪费。
[0040] 图5和图6所示为发动机I工作,但是对传动轴8的驱动仅基于第二电机3的动力输出的形式。这种形式是混合动カ系统中通常所称的串联模式。
[0041] 在这种输出形式中,第一离合器5处于断开状态,第二离合器11处于结合状态,从而断开第一电机2和发动机I与传动轴8的机械连接。发动机I与电机I通过变速器4结合。发动机I产生动力输送给第一电机2,第一电机2处于发电工作状态,第二电机3处于电动工作状态。如图5中箭头所示,第一电机2发出的电能一部分传递给第二电机3,此时 电池组6需要能量补充,第一电机2另一部分电能输送给电池组6用作储存,第二电机3输送动カ至传动轴8。如图6中箭头所示,第一电机2发出的电能传递给第二电机3,电池组6将电能输送给第二电机3,第二电机3输送动力至传动轴8。
[0042] 图7、图8和图9所示为发动机I输出动力至传动轴8,且消耗电池组6的电能来产生驱动カ至传动轴8的动カ输出形式。这种形式是混合动カ系统中通常所称的并联模式。
[0043] 这种动カ输出形式中,发动机I的输出轴通过变速器4与第一电机2的旋转轴结合,第一离合器5处于结合状态,第二离合器11处于结合或断开状态,从而使发动机I的输出轴与第一电机2的旋转轴机械连接,使第一电机2和第二电机3同时与传动轴8机械连接。根据第一、第二电机的工作状态不同,这种动カ输出形式可以有不同的能量流动形式。
[0044] 图7所示为上述的ー种能量流动形式,此时,发动机I通过变速器4參与动カ输出,且第一离合器5和第二离合器11均处于结合状态,第一电机2和第二电机3均工作在电动模式之下,电池组6为它们提供工作所需的电能。如图7中箭头所示,发动机I工作, 将动カ经变速器4后通过第一电机2的旋转轴传递至传动轴8,第一电机2和第二电机3根据驱动所需的动カ将电池组6的电能转化为动力,并同时将动カ输出至传动轴8。
[0045] 图8所示为上述的其它能量流动形式,此时,发动机通过变速器4參与动カ输出,且第一离合器5和第二离合器11均处于结合状态,第一电机2空转,第二电机3工作在电动模式之下,电池组6为其提供工作所需的电能。如图8中箭头所示,发动机I工作,将动力经变速器4后通过第一电机2的旋转轴传递至传动轴8,第二电机3根据驱动所需的动力将电池组6的电能转化为动力,并将动力输出至传动轴8。
[0046] 图9所示为上述的另外ー种能量流动形式,此时,发动机通过变速器4參与动カ输出,第一离合器5处于结合状态,第二离合器11处于断开状态,第二电机3与输出轴8断开机械连接,第一电机2处于工作状态,电池组6为其提供工作所需的电能。如图9中箭头所示,发动机I工作,将动カ经变速器4后通过第一电机2的旋转轴传递至传动轴8,同吋,电池组6为第一电机2提供电能,并与发动机I 一起驱动车轮。
[0047] 图10和图11所示为发动机I输出动力、第一电机2在发电工作状态、第二电机3在电动工作状态的动カ输出形式,这种形式属于混合动カ系统所称的混联模式。
[0048] 此时,发动机I通过变速器4将部分动カ直接输送至传动轴,另一部分动カ用于驱动第一电机2工作在发电模式之下,第二电机3工作在电动模式。如图10中箭头所示,此时第一电机2产生的电能一部分直接传递给第二电机3,使第二电机3电动工作驱动车轮,另一部分电能输送给电池组6用作电能补充。如图11中箭头所示,此时第一电机2产生的电能直接传递给第二电机3,电池组6也输送电能至第二电机3,使第二电机3电动工作驱动车轮。
[0049] 图12和图13所示为仅由发动机I输出动力至传动轴8的动カ输出形式,这种形式属于常称的纯发动机模式。此时,发动机I输出轴通过变速器4与第一电机2的旋转轴连接,第一离合器5结合,第二离合器11断开。由于切断了第二电机3与传动轴8之间的连接,因此在传动轴8输出动力的同时,也不会引起第二电机3的空转,而造成能量的浪费。
[0050] 图12所不为第一离合器5结合,第二离合器11断开,第一电机2空转,其旋转轴将发动机I输出动力传递给传动轴8。如图12中箭头所示,发动机I工作,将动カ通过第一电机的旋转轴传递至传递轴8。
[0051] 图13所示为第一电机2同时将发动机I的部分功率转化为电能储存在电池组6中,用于补充电池组6的能量储备,其旋转轴将发动机I另一部分输出动力传递给传动轴8。如图13中箭头所示,发动机I工作,其一部分动カ通过第一电机2的旋转轴传递至传动轴8,另一部分动カ通过第一电机2转化为动能储存在电池组6中。
[0052] 图14、图15所示为上述混合动カ驱动系统的能量再生形式的说明图。
[0053] 在车辆随着制动器的制动而进行減速行驶或者停止的状态下,本发明的结构可进行能量的再生,此时使电机工作在发电模式之下,将传动轴8回馈的动力转化为动能输送至电池组6,以最大的限度对电池组进行充电。根据第一离合器5的结合/断开状态可以有不同的能量再生形式。
[0054] 图14所示为第一离合器5和第二离合器11均结合时的能量再生形式,此时第一电机2和第二电机3的旋转轴均与传动轴8相连,第一电机2和第二电机3工作在发电模式之下,电池组6存储再生的电能。如图14中箭头所示,传动轴8将动カ回馈给第一电机2和第二电机3,第一电机2和第二电机3分别将动力转化为电能并输送至电池组6,实现能量的再生。
[0055] 图15所示为第一离合器5断开、第二离合器11结合时的能量再生形式,此时第二电机3的旋转轴与传动轴8相连,第二电机3工作在发电模式之下,电池组6存储再生的电能。如图15中箭头所示,传动轴8将动カ回馈给第二电机3,第二电机3将动カ转化为电能并输送至电池组6,实现能量的再生。
[0056] 图16所示为上述混合动カ驱动系统的驻车充电模式。
[0057] 在这种模式中,第一离合器5断开且第二电机3在不工作状态,发动机I驱动第一电机2在发电的工作状态,并将电能储存在电池组6中,如图16中箭头所示,发动机I工作,并将动力传递给第一电机2,第一电机2将动カ转化为电能输送至电池组6。

Claims (6)

1. ー种混合动カ驱动系统,该系统包括发动机(I),与电池组(6)电连接的第一电机(2)和第二电机(3),变速器(4),第一离合器(5)和第二离合器(11)以及传动轴(8),其中: 所述发动机(I)、变速器(4)、第一电机(2)、第一离合器(5)、第二离合器(11)和第二电机(3)依次连接,并且传动轴(8)连接到第一离合器(5)和第二离合器(11)之间; 所述第一电机(2)在高转速下实现的效率优于其低转速下实现的效率,从而在车速较高并能够使所述第一电机(2)工作在较高效率时使用所述第一电机(2)单独驱动车轮;所述第二电机(3)在低转速下实现的效率优于其高转速下实现的效率,从而在车辆起步或低速行驶过程中使用所述第二电机(3)単独驱动车轮;所述第一电机(2)设计为在高转速下的效率高于第二电机(3),所述第二电机(3)设计为在低转速下的效率高于第一电机(2),从而当需要牵引力较大时,使用所述第一电机(2)和所述第二电机(3)共同驱动车轮。
2.根据权利要求I所述的混合动カ驱动系统,其中该系统还包括设置在第一离合器(5)和第二离合器(11)之间的定速比減速机构(7),该机构(7)的输出动力通过所述传动轴⑶输出。
3.根据权利要求I所述的混合动カ驱动系统,其中所述第一电机(2)和第二电机(3)分别通过第一功率变换器(9)和第二功率变换器(10)电连接到电池组(6)。
4.根据权利要求I所述的操作方法,其中所述第二电机(3)能够单独驱动车辆以巡航速度行驶。
5.根据权利要求I所述的操作方法,其中所述第二电机(3)的功率大于所述第一电机(2)的功率。
6.根据权利要求I所述的混合动カ驱动系统,其中所述电池组(6)具有外接充电接ロ。
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