CN101417606B - 混合动力驱动系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种混合动力驱动系统，其中发动机和第一轴通过离合器连接；电机与第二轴连接；第一轴上具有第一齿轮、第二齿轮和第一同步器，第一和第二齿轮通过轴承套装在第一轴上，第一同步器选择接合第一或第二齿轮；第二轴上具有第三齿轮、第四齿轮和第二同步器，第三齿轮通过轴承套装在第二轴上，第四齿轮固定在第二轴上，第二同步器选择接合第三或第四齿轮；第一齿轮与第三齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮啮合，第三齿轮与输出齿轮啮合。一种混合动力驱动系统的驱动方法，包括控制驱动系统至少处于如下工况之一：纯电动工况，并联工况和发动机驱动工况。通过第一和第二同步器选择接合第一至第四齿轮，能够方便地实现多种工况，并且结构简单、紧凑。

Description

混合动力驱动系统及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种混合动力驱动系统及其驱动方法。 

背景技术

混合动力车辆同时采用两种不同的动力源，根据动力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。 

串联结构的特征是以电力形式进行复合，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，发动机与驱动轴相连，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。串联结构和并联结构的驱动模式相对单一，不能充分发挥混合动力驱动系统的优势。 

目前，在现有技术中经常使用的混合动力驱动系统通常是混联模式。 

现有的一种混联模式是通过行星齿轮机构来实现各动力单元之间的动力分配。在这种结构中，发动机与行星架相连，发动机的一部分机械能通过第一电机转化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。 

现有的另一种混联模式是通过离合器来实现各动力单元之间的动力分配，例如美国专利No.6209672 B1。在这种结构中，发动机与第一电机相连，第一电机和第二电机之间通过离合器相连，整车动力通过第二电机的输出轴连接到车轮。通过控制离合器的接合或者分离，可以实现多种行车模式。 

上述两种混联模式通常都具有两个电机，有时候还需要变速器，对于第一种模式还需要行星齿轮机构，因此结构复杂，占用空间大，不利于整车布置和减轻整车重量。 

现有技术中还有一种混联模式是利用离合器和变速器来实现各动力单元之间的动力分配。 

例如，美国专利申请公开号2006/0254837 A1公开了一种混合动力驱动系统，其中发动机通过离合器连接到变速器的第一输入轴，电机连接到变速器的第二输入轴，发动机和/或电机的动力通过变速器的输出轴传递给车轮。第一输入轴和第二输入轴可以是穿过变速器的一根共用主轴的两个端部，或者是彼此接合在一起的两根独立的轴。离合器接合时，发动机可以单独驱动车辆行驶(此时还可以控制电机进行发电)，或者发动机和电机并联驱动车辆行驶。当离合器分离时，由电机单独驱动车辆行驶。在这种技术方案中，各个动力单元之间的动力分配主要是利用了离合器，变速器主要起到传统的变速作用。因此，这种驱动系统的驱动模式相对比较简单。另外，使用的变速器体积庞大，不利于减轻整车重量。 

另外，美国专利5,337,848和6,019,698也公开了类似的结构，即在发动机和变速器之间设置离合器，通过离合器的接合和断开实现车辆的不同驱动模式。另外，发动机和电机的动力可以通过变速器耦合后传递给车轮。这种结构同样存在上述问题，即驱动模式相对简单，并且由于变速器体积庞大而不利于减轻整车重量。 

发明内容

本发明的一个目的是提供一种混合动力驱动系统，该驱动系统结构简单，占用空间小，并且具有多种驱动模式。 

本发明的另一个目的是提供一种混合动力驱动系统的驱动方法，该驱动方法控制简单，并且具有多种驱动模式。 

为此，本发明一方面提供一种混合动力驱动系统，该驱动系统包括发动机，离合器，相互平行布置的第一轴和第二轴，电机，储能装置以及输出齿 轮，其中：所述发动机和所述第一轴通过所述离合器连接；所述电机与所述第二轴连接，并与所述储能装置电连接；所述第一轴上具有第一齿轮、第二齿轮和第一同步器，所述第一齿轮和第二齿轮通过轴承套装在所述第一轴上，所述第一同步器选择性地接合所述第一齿轮或者第二齿轮；所述第二轴上具有第三齿轮、第四齿轮和第二同步器，所述第三齿轮通过轴承套装在所述第二轴上，所述第四齿轮固定在所述第二轴上，所述第二同步器选择性地接合所述第三齿轮或者第四齿轮；所述第一齿轮与所述第三齿轮啮合，所述第二齿轮与所述第四齿轮啮合，并且所述第三齿轮与所述输出齿轮啮合，以便通过输出齿轮输出动力。 

本发明另一方面提供一种混合动力驱动系统的驱动方法，其中所述驱动系统为根据本发明的驱动系统，所述驱动方法包括控制所述驱动系统处于如下工况之一： 

纯电动工况：由电机单独驱动，发动机停止，离合器分离，第一同步器位于中间位置，第二同步器与第三齿轮接合； 

并联工况：由发动机和电机共同驱动，离合器接合，第一同步器与第一齿轮或者第二齿轮接合，第二同步器与第三齿轮接合； 

发动机驱动工况：由发动机单独驱动，离合器接合，第一同步器与第一齿轮接合且第二同步器)位于中间位置；或者第一同步器与第二齿轮接合，第二同步器与第三齿轮接合。 

优选地，本发明的驱动方法还可以包括控制所述驱动系统处于如下工况之一： 

原地发电工况：由发动机驱动电机发电，离合器接合，第一同步器与第二齿轮接合，第二同步器位于中间位置； 

运行中发电工况：由发动机驱动的同时驱动电机发电，离合器接合，第一同步器与第二齿轮接合，第二同步器与第三齿轮接合； 

回馈发电工况：由来自输出齿轮的动能驱动电机发电，发动机停止，第一同步器处于中间位置，第二同步器与第三齿轮接合。 

优选地，本发明的驱动方法还可以包括控制所述驱动系统处于外接电源充电工况：由外接充电接口为储能装置充电。 

在上述技术方案中，由于巧妙地采用了类似于变速器的结构，即通过第一和第二同步器选择性地接合第一至第四齿轮，能够方便地实现多种驱动模式，并且结构简单、紧凑，有利于整车布置和减轻整车重量。 

本发明的其它特征以及相应的优点在下面的具体实施方式部分进行详细说明。 

附图说明

图1是根据本发明优选实施方式的混合动力驱动系统的结构示意图。 

图2至图7是表示图1中混合动力驱动系统的各种不同工作模式的示意图。 

具体实施方式

下面参照附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。 

如图1所示，根据本发明优选实施方式的混合动力驱动系统主要包括发动机1，离合器2，相互平行布置的第一轴A和第二轴B，电机9，储能装置11以及输出齿轮14。 

发动机1和第一轴A通过离合器2连接。当离合器2接合时，发动机1可以驱动第一轴A旋转；当离合器2分离时，发动机1和第一轴A之间的动力传递被断开。电机9与第二轴B连接，并与储能装置11电连接。当电机9从储能装置11接收电能时，可以驱动第二轴B旋转。另外，第二轴B也可以驱动电机9发电，并将发出的电能储存到储能装置11中。附图标记 10和12分别表示公知的功率变换器。 

第一轴A上具有第一齿轮3、第二齿轮5和第一同步器4，所述第一齿轮3和第二齿轮5通过轴承套装在所述第一轴A上而可以相对于第一轴A自由转动，所述第一同步器4则可以选择性地接合所述第一齿轮3或者第二齿轮5。在此，第一同步器4可以采用传统变速器中使用的同步器，例如通常使用的摩擦式惯性同步器。该同步器一般包括固定在第一轴A上的花键毂，可以在花键毂上轴向滑动的接合套，以及可以与齿轮摩擦接合的锁环。当需要同步器与齿轮(例如第一齿轮3)接合时，则可以通过拨叉来拨动接合套，使锁环与齿轮接合，从而使齿轮与花键毂能够一起旋转，实现齿轮与第一轴A之间的动力传递。 

第二轴B上具有第三齿轮6、第四齿轮8和第二同步器7，所述第三齿轮6通过轴承套装在所述第二轴B上而可以相对于第二轴B自由转动，所述第四齿轮8固定在所述第二轴B上而与第二轴B同步转动，所述第二同步器7可以选择性地接合所述第三齿轮6或者第四齿轮8。所述第一齿轮3与所述第三齿轮6啮合，所述第二齿轮5与所述第四齿轮8啮合，并且所述第三齿轮6与所述输出齿轮14啮合，以便通过输出齿轮14输出动力。第二同步器7与第一同步器4结构相同。 

在上述第一至第四齿轮中，第一至第三齿轮均是通过轴承套装在第一轴或第二轴上而可以相对于第二轴自由旋转，第四齿轮则固定在第二轴上而与第二轴同步旋转。第四齿轮可以通过过盈配合或其它方式固定在第二轴上，也可以与第二轴制成一体，只要能够与第二轴同步旋转即可。 

因此可以看出，上述第一轴A和第二轴B以及设置在它们上面的第一至第四齿轮和第一至第二同步器构成了一个类似于传统变速器的双挡变速机构。但是，这种双挡变速机构与传统的变速器明显不同。对于传统的变速器而言，其功能主要是用于车辆的换挡操作，以适应不同车况的需求。对于 相互啮合的两个齿轮而言，通常是其中一个齿轮固定在第一轴上，另一个齿轮则空套在第二轴上，两个齿轮之间的动力传递通过同步器实现。但是，在本发明中，双挡变速机构的主要功能是用于实现系统的不同驱动模式以及在不同驱动模式之间进行切换。具体而言，在本发明的双挡变速机构中，通过巧妙地设置第一至第四齿轮在第一轴和第二轴上的不同布置方式(第一至第三齿轮可相对于第一轴或第二轴自由旋转，第四齿轮与第二轴同步旋转)，并通过第一同步器4和第二同步器7，可以非常简单地实现不同动力源之间的各种动力匹配，使得本发明的驱动系统具有多种动力驱动模式，并且能够通过简单地操作第一同步器4和第二同步器7而在多种驱动模式之间进行切换。此外，本发明的双挡变速机构在某些动力驱动模式中还具有在高低两挡之间进行切换的功能，从而使动力源能够工作在最优的效率区并适应不同车况的需求。对于本发明双挡变速机构的操作，将在下面作进一步说明。 

在混合动力车中，所述输出齿轮14可以通过差速器15将来自发动机1和/或电机9的动力输出给车轮16，以驱动车辆行驶。在一种实施方式中，所述储能装置11可以具有外接充电接口13。另外，电机9优选能够单独驱动车辆以巡航速度行驶。在城市用电低谷时期，利用外接充电接口13为储能装置11充电，以供电机9单独驱动车辆行驶，从而在最大程度上减少了发动机1的使用，从而可以节约能源和减少环境污染，具有非常有益的效果。 

所述第一齿轮3与所述第三齿轮6的传动比可以根据车辆性能和参数如最高车速、最大爬坡度、整备质量等参数来确定，优选为1。所述第二齿轮5与所述第四齿轮8的传动比可以根据车辆性能和参数如最高车速、最大爬坡度、整备质量等参数来确定，优选为2.45。所述第三齿轮6与所述输出齿轮14的传动比可以根据车辆性能和参数如最高车速、最大爬坡度、整备质量等参数来确定，优选为4.9。在此，通过合理选择上述传动比，可以让发动机1和电机9都在最优转速/功率下运转，这样可以有效提高整个系统的工作效率。 

下面参照图2至图7对本发明混合动力驱动系统的各种工作模式进行说明。 

图2所示为本发明混合动力驱动系统的纯电动工作模式。如图2所示，使第二同步器7与第三齿轮6接合，第一同步器4处于中间位置(即悬空位置)。此时，电机9作为电动机工作，驱动第二轴B旋转。由于第二同步器7与第三齿轮6接合，所以第二轴B带动第三齿轮6旋转，并通过输出齿轮14将动力输出，以驱动车辆行驶。此时，由于第一同步器4处于中间位置，所以与第三齿轮6啮合的第一齿轮3以及与第四齿轮8啮合的第二齿轮5将在第一轴A上空转。在此驱动模式中，发动机1不参与工作，仅由电机9驱动车辆行驶。 

正常情况下，即在储能装置11的荷电量充足且电机9满足车辆对扭矩的需求时，以纯电动模式运行。此时，车辆仅由电机9提供动力，能量来源于储能装置11。在此模式下，可以实现直接启动车辆。在此模式下还可以实现倒挡功能。电机驱动器直接控制电机9反转，使车辆实现倒挡运行。这样可以省去倒挡机构及其倒挡操纵机构，使整个系统体积减小、结构简单、重量减轻、成本降低、可靠性增强。在此模式下，不使用双挡变速机构的换挡功能，可以通过电机驱动器来控制电机9的转速和扭矩从而实现对车辆的控制。 

图3所示为本发明混合动力驱动系统的并联工作模式。如图3所示，使第一同步器4与第一齿轮3接合(如实线所示)，或者与第二齿轮5接合(如虚线所示)；第二同步器7仍然与第三齿轮6接合。此时，电机9驱动第二轴B旋转。同时，离合器2接合，发动机1驱动第一轴A旋转。当第一同步器4与第一齿轮3接合时(低速挡状态)，发动机1的动力通过第一轴A带动第一齿轮3旋转。此时，发动机1输出的动力与电机9输出的动力将在第三齿轮6上复合，并通过输出齿轮14输出，从而实现发动机1和电机9的并联驱动。当第一同步器4与第二齿轮5接合时(高速挡状态)，发动机1的动力将通过第一轴A带动第二齿轮5旋转，此时发动机1的动力将通过第二齿轮5、与第二齿轮5啮合的第四齿轮8以及与第四齿轮8同步旋转的第二轴B传递到第三齿轮6，从而实现发动机1和电机9的并联驱动。 

这种并联工作模式适合于车辆急加速、爬坡或者在高速情况下超车等情况，此时车辆对扭矩的需求大于电机可以提供扭矩的范围，因此需要发动机参与工作，使系统进入并联工作模式。在此种模式下，可以使用双挡变速机构的换挡功能(即使第一同步器4选择接合第一齿轮3或者第二齿轮5)来调节发动机转速使发动机工作在高效率区以及使电机工作在高效率区。 

图4所示为本发明混合动力驱动系统的发动机驱动模式。如图4所示，该驱动模式仍然可以具有双挡工作状态，其中低速挡工作状态如实线所示，使第一同步器4与第一齿轮3接合，第二同步器4处于中间位置；高速挡工作状态如虚线所示，使第一同步器4与第二齿轮5接合，第二同步器4与第三齿轮6接合。由于由发动机1驱动车辆行驶，因此离合器2处于接合状态。在低速挡工作状态，发动机1驱动第一轴A旋转，第一轴A通过第一同步器4带动第一齿轮3旋转，第一齿轮3带动第三齿轮6旋转，第三齿轮6带动输出齿轮14旋转以输出动力，电机9不工作。在高速挡工作状态，发动机1驱动第一轴A旋转，第一轴A通过第一同步器4带动第二齿轮5旋转，第二齿轮5带动第四齿轮8旋转，第四齿轮8带动第二轴B旋转，第二轴B通过第二同步器7带动第三齿轮6旋转，从而带动输出齿轮14旋转以输出动力。此时，电机9的转轴可以空转。 

这种驱动模式仅仅由发动机1提供动力，适合于储能装置11荷电量不足或者损坏而无法提供电能的情况。如上所述，这种驱动模式同样具有高低两挡工作状态，可以调节发动机转速使发动机工作在高效率区。在低速挡工 作状态下，可以直接启动车辆。 

图5所示为本发明混合动力驱动系统的原地发电工作模式。如图5所示，离合器2接合，第一同步器4与第二齿轮5接合，第二同步器7处于中间位置。此时，发动机1驱动第一轴A旋转，第一轴A通过第一同步器4带动第二齿轮5旋转，第二齿轮5带动第四齿轮8旋转，第四齿轮8带动第二轴B旋转，从而驱动电机9发电，将发出的电能储存在储能装置11中。由于第二同步器7处于中间位置，所以第三齿轮6不旋转，从而无动力输出。 

当储能装置11荷电量过低时，可以选择此种模式，即在停车时启动发动机1发电，以保证车辆后续的正常行驶。在通常情况下，发动机1通过启动电机(未显示)启动。在本发明中，发动机1可以通过电机9来启动。也就是说，可以利用储能装置11中的少量电量来启动电机9，由电机9拖动发动机1启动，待发动机1启动后再由发动机1驱动电机9发电。发动机1由电机9拖动启动可以减少发动机1的排放。 

图6所示为本发明混合动力驱动系统的运行中发电工作模式。如图6所示，离合器2接合，第一同步器4与第二齿轮5接合，第二同步器7与第三齿轮6接合。此时，发动机1驱动第一轴A旋转，第一轴A通过第一同步器4带动第二齿轮5旋转，第二齿轮5带动第四齿轮8旋转，第四齿轮8带动第二轴B旋转，第二轴B在驱动电机9发电的同时，通过第二同步器7带动第三齿轮6旋转，从而通过输出齿轮14输出动力。也就是说，在这种工作模式下，发动机1的一部分动力用于驱动电机9发电，另一部分动力通过输出齿轮14输出以驱动车辆行驶。另外，在这种工作模式下，可以通过电机驱动器驱动电机9的发电负载，从而控制车辆的驱动力，使发动机工作在高效率区。 

图7所示为本发明混合动力驱动系统的回馈发电工作模式。如图7所示，第一同步器4处于中间位置，第二同步器7与第三齿轮6接合。来自车轮的 动能经过输出齿轮14、第三齿轮6、第二同步器7以及第二轴B驱动电机9发电以回收能量。通过这种工作模式，可以通过电机9被拖动来实现对车辆的制动。当电机9被拖动发电不足以制动车辆时，还可以通过接合离合器2来反拖发动机1以进一步提高制动能力。当然，也可以使用车辆上的制动器实现车辆的制动操作。 

此外，由于本发明的储能装置11还可以具有外接充电接口13，因此本发明的启动系统还具有外接电源充电工况。即，通过外接充电接口13为储能装置11充电。通过这种工况，在用电低谷时期进行充电，例如晚上或者深夜，可以合理的利用市电。并且，利用市电充电比利用燃油发动机发电成本要低的多，因此降低了车辆的使用成本，并减少了环境污染。 

综上所述，本发明至少具有如下特点： 

1、取消了传统意义上的多挡变速器，采用了结构非常简单的类似于传统变速器的双挡变速机构，并取消了倒挡机构，从而节省了一定的空间，这样使系统更紧凑，占用的空间更小。 

2、本发明使用的电机具有足够的动力，能够驱动车辆在水平路面上以中高速行驶，从而能够保证车辆在通常情况下都可以使用电机来驱动，从而在最大程度上减少了发动机的使用，节省了能源，降低了环境污染。 

3、通过合理选择各个齿轮之间的传动比，可以使发动机和电机都在最优转速下运转，这样可以有效提高系统的工作效率。 

4、储能装置具有外接充电接口，并且设计成能够满足车辆以纯电动工况行驶足够距离，这样在常规使用中，比如上下班、购物等市内驾驶中可以完全不使用发动机。 

5、本方案巧妙地利用了传统变速器中的同步器来完成驱动系统在各个工况之间的转换，因此降低了系统的生产成本，使得系统控制简单，且提高了可靠性。 

Claims (8)

1. 一种混合动力驱动系统，该驱动系统包括发动机(1)，离合器(2)，相互平行布置的第一轴(A)和第二轴(B)，电机(9)，储能装置(11)以及输出齿轮(14)，其中：

所述发动机(1)与所述第一轴(A)通过所述离合器(2)连接；

所述电机(9)与所述第二轴(B)连接，并与所述储能装置(11)电连接；

所述第一轴(A)上具有第一齿轮(3)、第二齿轮(5)和第一同步器(4)，所述第一齿轮(3)和第二齿轮(5)通过轴承套装在所述第一轴(A)上，所述第一同步器(4)可选择性地接合所述第一齿轮(3)或者第二齿轮(5)；

所述第二轴(B)上具有第三齿轮(6)、第四齿轮(8)和第二同步器(7)，所述第三齿轮(6)通过轴承套装在所述第二轴(B)上，所述第四齿轮(8)固定在所述第二轴(B)上，所述第二同步器(7)可选择性地接合所述第三齿轮(6)或者第四齿轮(8)；

所述第一齿轮(3)与所述第三齿轮(6)啮合，所述第二齿轮(5)与所述第四齿轮(8)啮合，并且所述第三齿轮(6)与所述输出齿轮(14)啮合。

2. 根据权利要求1所述的混合动力驱动系统，其中所述输出齿轮(14)通过差速器(15)将动力输出给车轮(16)。

3. 根据权利要求1所述的混合动力驱动系统，其中所述储能装置具有外接充电接口(13)。

4. 根据权利要求1所述的混合动力驱动系统，其中所述电机(9)能够单独驱动车辆以巡航速度行驶。

5. 根据权利要求1所述的混合动力驱动系统，其中所述第一齿轮(3)与所述第三齿轮(6)的传动比为1，所述第二齿轮(5)与所述第四齿轮(8)的传动比为2.45，所述第三齿轮(6)与所述输出齿轮(14)之间的传动比为4.9。

6. 一种混合动力驱动系统的驱动方法，其中所述驱动系统为根据权利要求1-5中任意一项所述的驱动系统，所述驱动方法包括控制所述驱动系统处于如下工况之一：

纯电动工况：由电机(9)单独驱动，发动机(1)停止，离合器(2)分离，第一同步器(4)位于中间位置，第二同步器(7)与第三齿轮(6)接合；

并联工况：由发动机(1)和电机(9)共同驱动，离合器(2)接合，第一同步器(4)与第一齿轮(3)或者第二齿轮(5)接合，第二同步器(7)与第三齿轮(6)接合；

发动机驱动工况：由发动机(1)单独驱动，离合器(2)接合，第一同步器(4)与第一齿轮(3)接合且第二同步器(7)位于中间位置；或者第一同步器(4)与第二齿轮(5)接合，第二同步器(7)与第三齿轮(6)接合。

7. 根据权利要求6所述的驱动方法，其中该驱动方法还包括控制所述驱动系统处于如下工况之一：

原地发电工况：由发动机(1)驱动电机(9)发电，离合器(2)接合，第一同步器(4)与第二齿轮(5)接合，第二同步器(7)位于中间位置；

运行中发电工况：由发动机(1)驱动的同时驱动电机(9)发电，离合器(2)接合，第一同步器(4)与第二齿轮(5)接合，第二同步器(7)与第三齿轮(6)接合；

回馈发电工况：由来自输出齿轮(14)的动能驱动电机(9)发电，发动机(1)停止，第一同步器(4)处于中间位置，第二同步器(7)与第三齿轮(6)接合。

8. 根据权利要求6所述的驱动方法，其中该驱动方法还包括控制所述驱动系统处于如下工况：

外接电源充电工况：由外接充电接口(13)为储能装置(11)充电。

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