CN101450607B - 混合动力驱动系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力驱动系统，包括发动机、电机、行星齿轮机构和车轮驱动轴，行星齿轮机构包括第一至第三转动元件，第一转动元件连接到发动机的输出轴，第二转动元件连接到车轮驱动轴，第三转动元件连接到电机的输出轴。该系统还包括：第一离合器，布置在所述发动机的输出轴与所述行星齿轮机构的第一转动元件之间；以及第二离合器，布置在所述车轮驱动轴与所述行星齿轮机构的第二转动元件之间。本发明还提供一种混合动力驱动系统的驱动方法。在各种驱动模式下，根据行星齿轮机构的三个转动元件之间的转速关系，通过控制电机的转速，可以控制发动机的转速，使之总是处于油耗经济区运行，从而最大限度地降低发动机的油耗。

Description

混合动力驱动系统及其驱动方法

技术领域

本发明涉及混合动力车领域，尤其涉及一种混合动力驱动系统及其驱动方法。 

背景技术

USP 5,433,282公开了一种由发动机和电机驱动的混合动力车，包括发动机，电机，变速器和车轮驱动轴。变速器包括具有第一至第三转动元件的行星齿轮机构以及单向离合器。行星齿轮机构的第一转动元件(如太阳轮)连接到发动机的输出轴，第二转动元件(如齿圈)连接到电机的输出轴，第三转动元件(如行星架)连接到车轮驱动轴。单向离合器布置在第一转动元件与发动机之间，保证发动机沿一个方向旋转，避免太阳轮反转时拖动发动机反转。 

根据上述技术方案，车辆可以由发动机和电机共同驱动，由发动机单独驱动，以及由电机单独驱动。在车辆由电机单独驱动时，可以使变速器在低档运行，从而电机能够提供足够的驱动力来驱动车辆行驶，同时单向离合器避免发动机不工作时被反拖。 

在USP 5,433,282所公开的其它实施方式中，还可以在行星齿轮机构的齿圈与太阳轮之间布置离合器，或者在齿圈与变速器壳体之间布置制动器，或者在齿圈与太阳轮之间布置单向离合器，或者在齿圈与车轮驱动轴之间布置单向离合器，等等，以满足不同的车辆设计要求。 

在上述各个技术方案中，能够实现不同的车辆驱动模式，在由电机单独驱动车辆行驶的情况下能够提供充足的驱动力驱动车辆行驶。但是，在USP5,433,282中并没有充分考虑到发动机的燃油经济性问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种混合动力驱动系统及其驱动方法，其中在发动机工作时，所述发动机能够总是处于油耗经济区运行，从而能够最大限度地降低油耗。 

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种混合动力驱动系统，该系统包括发动机、电机、行星齿轮机构和车轮驱动轴，所述行星齿轮机构包括第一转动元件、第二转动元件和第三转动元件，所述第一转动元件连接到所述发动机的输出轴，所述第二转动元件连接到所述车轮驱动轴，所述第三转动元件连接到所述电机的输出轴。该系统还包括：第一离合器，所述第一离合器布置在所述发动机的输出轴与所述行星齿轮机构的第一转动元件之间；以及第二离合器，所述第二离合器布置在所述车轮驱动轴与所述行星齿轮机构的第二转动元件之间。其中所述第一转动元件为齿圈，第二转动元件为行星架，第三转动元件为太阳轮；该系统还包括同步器，该同步器布置在所述行星架与所述太阳轮之间。 

本发明另一方面提供一种混合动力驱动系统的驱动方法，该方法包括：提供发动机、电机、行星齿轮机构、第一离合器、第二离合器和车轮驱动轴，所述行星齿轮机构包括第一转动元件、第二转动元件和第三转动元件；所述发动机的输出轴通过第一离合器连接到所述第一转动元件；所述第二转动元件通过第二离合器连接到所述车轮驱动轴；所述电机的输出轴连接到所述第三转动元件。根据所述第一至第三转动元件之间的转速关系，通过调节电机的转速，使所述发动机的转速总是在油耗经济区运行。其中所述第一转动元件为齿圈，第二转动元件为行星架，第三转动元件为太阳轮；该方法还包括在所述行星架与所述太阳轮之间布置同步器。 

对于发动机而言，根据万有特性曲线，每一种发动机具有确定的油耗经济区，其与发动机的转速范围相对应。当发动机工作在其油耗经济区时，燃油最经济、油耗最低。 

在上述技术方案中，所述发动机的输出轴通过第一离合器连接到第一转动元件，所述电机的输出轴连接到所述第三转动元件，所述第二转动元件通过第二离合器连接到所述车轮驱动轴。因此，在各种驱动模式下，根据行星 齿轮机构的三个转动元件之间的转速关系，通过控制电机的转速，可以控制发动机的转速，使之总是处于油耗经济区运行，从而最大限度地降低发动机的油耗。 

下面将结合附图通过具体的实施方式对本发明进行详细说明。 

附图说明

图1是根据本发明一种实施方式的结构示意图； 

图2是根据本发明一种实施方式的表示太阳轮、行星架和齿圈之间转速关系的示意图。 

具体实施方式

下面通过具体的实施方式对本发明进行详细说明。 

如图1所示，本发明提供一种混合动力驱动系统，该系统主要包括发动机1、电机5、行星齿轮机构3和车轮驱动轴7。 

所述行星齿轮机构3通常包括第一转动元件31、第二转动元件32和第三转动元件33。所述第一离合器2布置在发动机1的输出轴与第一转动元件31之间，所述第二离合器6布置在车轮驱动轴7与第二转动元件32之间。 

如图所示，作为一个具体的例子，所述第一转动元件31为齿圈；所述第二转动元件32为行星架；所述第三转动元件33为太阳轮。所述齿圈31可以通过第一离合器2与所述发动机1的输出轴连接。所述行星架32可以通过第二离合器6与所述车轮驱动轴7连接。所述太阳轮33可以直接与所述电机5的输出轴连接。 

当车辆起步或者以低速运行时，通常由电机5单独驱动。此时，第一离合器2分离，第二离合器6接合，发动机1不工作，由电机5的输出轴输出的动力经过太阳轮33和行星架32输出给车轮驱动轴7，驱动车轮8转动。 此时，通常要通过行星齿轮机构中公知的控制机构(例如制动器)使齿圈31处于静止状态。当车速升高或者车辆需求扭矩增大而需要发动机1参与驱动时，第一离合器2接合，由发动机1的输出轴输出的动力通过第一离合器2和齿圈33输入到行星齿轮机构3，并通过行星架32和第二离合器6输出给车轮驱动轴7。此时，根据行星架32的转速(由车速决定)，通过调节电机5的转速(即太阳轮33的转速)，可以使发动机1总是在油耗经济区运行，从而最大限度地降低发动机1的油耗。 

图2是三个转动元件之间的转速关系的示意图。其中，n_a表示发动机1或者齿圈31的转速；n_j表示行星架32的转速；n_t表示电机5或者太阳轮33的转速；n_a0表示发送机1对应油耗经济区的转速。三个转动元件之间的转速关系为：n_t+kn_q＝(1+k)n_j，k＝z_q/z_t，其中z_q为齿圈齿数，z_t为太阳轮齿数。如图2所示，当行星架转速n_j确定时，通过调节电机转速n_t，可以使发动机转速n_q总是处于油耗经济区的转速n_q0。如虚线A表示，此时发动机1和电机5共同驱动车辆行驶，通过调节电机转速可以使发动机总是处于油耗经济区运行。如虚线B所示，此时行星架转速n_j为零，即车辆处于静止状态或者怠速状态，此时通过控制电机2使之反转，同样可以维持发动机在油耗经济区运行。因此，通过本发明的技术方案，可以最大限度地降低发动机1的油耗，提高整个驱动系统的燃油经济性。 

根据本发明的一种优选的实施方式，混合动力驱动系统还可以包括同步器4，该同步器布置在所述行星架32与所述太阳轮33(即电机5的输出轴)之间。 

在本发明中，同步器4可以采用传统变速器中通常使用的同步器结构，例如摩擦式惯性同步器。作为例子，同步器4可以包括固定在电机5输出轴上的花键毂，可以在花键毂上轴向滑动的接合套，以及可以与行星架32(通常是行星架32上的行星轮)摩擦接合的锁环。当需要通过同步器4来接合 行星架32与太阳轮33或者电机5的输出轴时，可以通过现有的拨叉机构来拨动接合套，使锁环与行星架32接合，从而使行星架32与花键毂能够一起旋转，实现行星架32与电机输出轴之间的动力传递。 

在这种实施方式中，当行星架32与太阳轮33通过同步器4接合而同步旋转时，整个行星齿轮机构3将作为一个整体进行旋转。此时，发动机1可以提供动力，一部分动力通过行星齿轮机构3输出给车轮驱动轴7，另一部分动力可以用于驱动电机5发电。此时，电机5也可以提供动力，与发动机1一起将动力输出给车轮驱动轴7。或者，在第一离合器2断开时，还可以由电机5单独驱动车辆行驶。或者，在第一离合器2接合而第二离合器6断开时，还可以使用电机5来启动发动机1。或者，在第一离合器2接合而第二离合器6断开时，还可以使用发动机1来驱动电机5发电。因此，通过这种结构，可以很方便地实现混合动力驱动系统的各种工作模式。 

本发明还提供一种混合动力驱动系统的驱动方法，该方法包括提供发动机1、电机5、行星齿轮机构3、第一离合器2、第二离合器6和车轮驱动轴7，所述行星齿轮机构3包括第一转动元件31、第二转动元件32和第三转动元件33；所述发动机1的输出轴通过第一离合器2连接到所述第一转动元件31；所述第二转动元件32通过第二离合器6连接到所述车轮驱动轴7；所述电机5的输出轴连接到所述第三转动元件33。根据所述第一至第三转动元件之间的转速关系：n_t+kn_q＝(1+k)n_j，k＝z_q/z_t，当所述发动机1工作时，通过调节电机5的转速n_t，使所述发动机转速n_q总是在油耗经济区运行；其中，n_t 为太阳轮转速；n_q为齿圈转速；n_j为行星架转速；z_q为齿圈齿数，z_t为太阳轮齿数。 

如上所述，所述第一转动元件31可以为齿圈，第二转动元件32可以为行星架，第三转动元件33可以为太阳轮。另外，可以在所述行星架32与所述太阳轮33之间布置同步器4。 

另外，所述行星齿轮机构3还可以包括控制机构(未图示)，用于控制所述第一转动元件31、第二转动元件32或第三转动元件33的运动状态。优选地，所述控制机构可以为制动器，用于控制所述第一转动元件31、第二转动元件32或第三转动元件33为定轴状态，即使之固定不动。 

下面通过一种具体的实施例来描述本发明混合动力驱动系统的操作过程。 

在车辆起步时，第一离合器2分离，第二离合器6接合。此时，同步器4可以接合，使三个转动元件同步转动，电机5通过行星齿轮机构3将动力输出给车轮驱动轴7，驱动车辆起步或行驶。另外，同步器4也可以断开，此时需要使用行星齿轮机构3中的控制机构，例如制动器使齿圈31处于定轴状态，从而电机5通过太阳轮33和行星架32将动力输出给车轮驱动轴7。 

在车速增大到某一特定值时，例如70千米/小时，发动机1可以在油耗经济区运行，此时可以由发动机1单独驱动车辆行驶。因此，可以启动发动机1，使第一离合器2接合，发动机1通过齿圈31和行星架32将动力输出给车轮驱动轴7。此时电机1可以停止，同时通过控制机构使太阳轮33处于定轴状态。 

当车辆加速或者爬坡时，车辆需要更大的输出扭矩，此时发动机1和电机5可以共同驱动车辆行驶。此时，发动机1和电机5的输出动力在行星齿轮机构3中组合，然后一起输出给车轮驱动轴7。 

在车辆行驶过程中，如果电机5的电池电量不足时，可以由发动机1驱动电机5发电。此时，同步器4可以处于接合状态，发动机1的一部分动力通过行星齿轮机构3输出给车轮驱动轴7，另一部分动力用于驱动电机5发电。此时，通过调节电机5的转速，可以使发动机1在油耗经济区运行。 

在车辆停止时，也可以由发动机1带动电机5发电。此时，第二离合器6断开，同步器4接合，发动机1的动力通过行星齿轮机构3输出给电机5， 驱动电机5进行发电。此时，通过调节电机5的转速，可以使发动机1在油耗经济区运行。 

如上所述，由于行星齿轮机构3的三个转动元件(齿圈、行星架、太阳轮)分别与发动机1的输出轴、车轮驱动轴7以及电机5的输出轴相连，因此发动机1、车轮驱动轴7和电机5三者之间的转速关系符合行星齿轮机构3的三个转动元件的转速关系，如图2所示。因此，通过适当控制电机5的转速，可以使发动机1总是在油耗经济区运行，从而能够最大限度地降低发动机1的油耗，提高燃油经济性。 

在上文中通过具体的实施方式对本发明的混合动力驱动系统及其驱动方法进行了详细的描述，但本发明并不局限于上述的实施方式。在上述详细说明的基础上，本领域技术人员可以对本发明进行适当的修改而不脱离本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种混合动力驱动系统，该系统包括发动机、电机、行星齿轮机构和车轮驱动轴，所述行星齿轮机构包括第一转动元件、第二转动元件和第三转动元件，所述第一转动元件连接到所述发动机的输出轴，所述第二转动元件连接到所述车轮驱动轴，所述第三转动元件连接到所述电机的输出轴，其特征在于，该系统还包括：

第一离合器，所述第一离合器布置在所述发动机的输出轴与所述行星齿轮机构的第一转动元件之间；以及

第二离合器，所述第二离合器布置在所述车轮驱动轴与所述行星齿轮机构的第二转动元件之间。

其中所述第一转动元件为齿圈，第二转动元件为行星架，第三转动元件为太阳轮；

该系统还包括同步器，该同步器布置在所述行星架与所述太阳轮之间；

所述行星齿轮机构还包括控制机构，用于控制所述第一转动元件、第二转动元件或第三转动元件的运动状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制机构为制动器，用于控制所述第一转动元件、第二转动元件或第三转动元件为定轴状态。

3.一种混合动力驱动系统的驱动方法，该方法包括：

提供发动机、电机、行星齿轮机构、第一离合器、第二离合器和车轮驱动轴，所述行星齿轮机构包括第一转动元件、第二转动元件和第三转动元件；所述发动机的输出轴通过第一离合器连接到所述第一转动元件；所述第二转动元件通过第二离合器连接到所述车轮驱动轴；所述电机的输出轴连接到所述第三转动元件；

根据所述第一至第三转动元件之间的转速关系，通过调节电机的转速，使所述发动机的转速总是在油耗经济区运行。其中所述第一转动元件为齿圈，第二转动元件为行星架，第三转动元件为太阳轮；

该方法还包括在所述行星架与所述太阳轮之间布置同步器；

所述行星齿轮机构包括控制机构，用于控制所述第一转动元件、第二转动元件或第三转动元件的运动状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述控制机构为制动器，用于控制所述第一转动元件、第二转动元件或第三转动元件为定轴状态。

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