CN101535075A - 混合动力输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将动力输出至车轮驱动轴的混合动力输出装置，包括发动机、第一电机、第二电机、电池、第一离合器、第二离合器和常啮合的定速比减速机构，其中所述第一电机和第二电机与所述电池电连接；所述发动机通过第一离合器与第一电机连接；所述第一电机通过第二离合器与所述第二电机连接；所述第二电机通过所述常啮合的定速比减速机构与车轮驱动轴连接。本发明的混合动力输出装置可增强整车舒适性，节省空间，成本低，同时，可以实现多种驱动模式以提高效率、降低油耗。

Description

混合动力输出装置
技术领域
本发明涉及一种混合动力输出装置，更具体地，本发明涉及一种将动力输出到车轮驱动轴以驱动车辆行驶的混合动力输出装置。
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或发电机以平衡发动机所受的载荷。
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，另一部分功率直接作用于齿圈上；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电池(即储能装置)充电或供第二电机电动使用。
实践中还有通过离合器来实现各动力单元之间的动力分配的混联模式。例如，中国专利CN 1200824 C公开了一种用于驱动车辆的混合动力驱动系统，该系统公开了使用双离合器、双电机以及电池的驱动系统，其中第一电机、第二电机与内燃机之间分别布置第一离合器及第二离合器，第二电机与一可变速比的变速器永久连接，第一电机、第二电机与电池电连接。根据其说明书的公开内容可知，该驱动系统的第一电机具有如下三种功能：一、内燃机的启动电机；二、输出电功率的发电机；三、驱动变速器液压泵以及其他辅助设备如转向机构等的驱动装置。由此可知：该第一电机相当于将传统汽车中的内燃机的启动电机(功率较小)与电池电连接，通过控制，使其具有以上除内燃机启动电机之外的功能，而作为电动机时也仅能驱动一些辅助设备。而该专利公开的第二电机仅能在车辆启动或低速行使时实现纯电力驱动，而在需要大功率时需要发动机参与驱动。由于第一电机以及第二电机的以上特性和功能，使得整个驱动系统在设计上以及功能实现上受到很大限制：一方面，该第二电机必须与一可变速比的变速器永久连接而输出动力才能达到高效率，即通过不同档位的变换来弥补电机功能上及输出能力上的欠缺；而且，在换档过程中存在动力输出的间断，也使得整车的舒适感降低。另一方面，当第一电机由于不能产生足够的转矩以启动内燃机，而第二电机作为启动内燃机用时，就必须要求该可变速比的变速器处于空档位置，此时，第二电机与车轮必须在无转矩传递状况下，否则第二电机将带动变速器以至带动车轮运动(在停车状态下，如果不将变速器置于空档，就无法实现第二电机启动内燃机的功能)。由于该可变速比的变速器必须被使用，使得该驱动系统体积增大且成本提高。
如前述分析，又由于第一电机功能上的限制，该第一电机不可能作为单独驱动车轮使用，也不存在与第二电机共同驱动车轮的驱动状态，这样将使得整个驱动系统可实现的驱动模式及功能单一，对于车辆的各种不同行驶工况，不能提供最佳功率输出的多功能多模式的驱动，从而传动效率不够优化，对于最佳的功率输出及降低油耗不利。
发明内容
本发明的主要目的是针对以上不足提供一种混合动力输出装置，其不需要变速比的变速器即可实现高效率的动力输出，增强了整车的舒适性，节省了空间，成本低，同时，可以实现多种驱动模式以提高效率、降低油耗。
为实现上述目的，本发明一方面提供一种混合动力输出装置，包括发动机、第一电机、第二电机、电池、第一离合器、第二离合器和常啮合的定速比减速机构，其中：所述第一电机和第二电机与所述电池电连接；所述发动机通过第一离合器与第一电机连接；所述第一电机通过第二离合器与所述第二电机连接；所述第二电机通过所述常啮合的定速比减速机构与车轮驱动轴连接。
由于定速比减速机构为常啮合的减速机构，并且第二电机通过该常啮合的减速机构与车轮驱动轴连接，因此不存在换档操作所导致的电机输出突然中断的情况，电机能够工作在高效率工作区且车辆不会出现行驶过程中速度不连贯的情况，同时增加了整车的舒适性。此外，由于不需要进行换档操作及控制，使得整个动力输出装置的操作和控制简单。又由于不为体积庞大的变速器预留车辆的布置空间，因而可使整个动力输出装置能够有较为理想的布置空间来进行具体的结构布置，且成本降低。
优选地，所述发动机、第一离合器、第一电机、第二离合器、第二电机依次顺序连接且同轴设置。
通过这种设置，发动机的输出轴与第一电机、第二电机同轴设置，由第一和第二离合器对其进行机械连接，由此，可使本发明的动力输出装置的各个动力单元在车辆上的布置紧凑，较容易实现一体化。进一步地，由于各个动力单元的转轴同轴，不需要为机械能的传递提供专门的结构单元(如不同轴的转轴间的齿轮传动结构)，并且可使能量在传递过程中损失较小，进而为整个动力输出装置的高效率做出贡献。
优选地，所述第一电机设计为中高速电机，所述第二电机设计为中低速电机。
第一电机设计为中高速电机，即其在高转速下实现的效率优于其低转速下实现的效率。第二电机设计为中低速电机，即其在低转速下实现的效率优于其高转速下实现的效率。这样不仅可以使两个电机总是能以其最佳工作效率协作实现车轮对于牵引力和转速的要求，而且可以降低两个电机的设计难度(同时要求电机在低、中、高转速下都实现高效率输出的设计难度)。
由此，第一电机和第二电机可以相互协作驱动车轮，并且工作在各自的高效率区域，从而使整个驱动系统高效率运行。例如：在起步或低速行驶过程中，使用工作效率高的第二电机单独驱动车轮；而在车速达到较高时，即达到第一电机可工作在较高效率输出时，由第一电机单独驱动车轮；而当车速适当，第一和第二电机可同时工作在各自的高效率下，共同驱动车轮。当需要牵引力较大时，第一和第二电机共同驱动车轮。由于两电机可共同驱动车轮，实现较大转矩的输出，因此可以将各自的体积设计得较小，从而可以使整个动力输出装置在车辆上排布时更加自由和紧凑。
由此，本发明的动力输出装置在纯电力输出方式下也具备较好的动力输出能力，可以在不启动内燃机的情况下，满足车辆行驶的需求。
另外，将本发明的第一电机设计为中高速电机还可以实现高效率的发电。例如，当第一电机作为发电机为电池充电时，由于发动机在高效率区时其曲轴的转速相当于电机的中高转速，因此由发动机驱动第一电机为电池充电的过程中，可使发动机和第一电机均工作在高效率区，从而也使得本发明的整个动力输出装置效率提高。
本发明另一方面提供一种混合动力输出装置，包括发动机、第一电机、第二电机、电池、第一离合器和第二离合器，其中：所述第一电机和第二电机与所述电池电连接；所述发动机通过第一离合器与第一电机连接；所述第一电机通过第二离合器与所述第二电机连接；所述第一电机设计为中高速电机，所述第二电机设计为中低速电机。
根据这种技术方案，本发明可以将第一电机和第二电机设计为可以相互协作来完成各种工况下的多种驱动模式，并且两电机能够工作在各自的高效率区域，从而来实现整个驱动系统的高效率、低能耗的运行。
本发明结构简单优化，动力输出效率高，且可以实现多种动力输出模式。在车辆的燃料消耗及有害物排放方面也有很大改善。
本发明的其它特征及相应的优点将在下面结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是表示本发明混合动力输出装置的系统示意图。
图2至图12是表示本发明混合动力输出装置的不同动力输出形式的说明图。
图13和图14是表示本发明混合动力输出装置的不同能量再生形式的说明图。
图15是表示本发明混合动力输出装置的驻车充电状态的说明图。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参考图1，所示为根据本发明的优选混合动力输出装置的示意图，此动力输出装置用于输出动力至车轮驱动轴以及车轮，用于驱动车辆行驶。该混合动力输出装置包括发动机1、第一电机2、第二电机3、电池6、第一离合器4、第二离合器5和常啮合的定速比减速机构7，其中：所述第一电机2和第二电机3与所述电池6电连接；所述发动机1通过第一离合器4与第一电机2连接；所述第一电机2通过第二离合器5与所述第二电机3连接；所述第二电机3通过所述常啮合的定速比减速机构7与车轮驱动轴8连接。
所述定速比减速机构7可以是常啮合的齿轮传动减速机构、链条传动减速机构、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。
如图1所示，发动机1、第一离合器4、第一电机2、第二离合器5、第二电机3优选依次顺序连接并同轴布置，即第一电机2和第二电机3的转轴与发动机1的输出轴同轴设置。发动机1的输出轴与第一电机2的转轴通过第一离合器4连接，第一电机2的转轴与第二电机3的转轴通过第二离合器5连接，在第二离合器5与第二电机3之间连接常啮合的定速比减速机构7。
所述第一电机2和第二电机3均可工作于电动和发电模式。电池6为一可控的能量存储单元，可以是蓄电池、燃料电池等，在此不作限定。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与电池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，因而通过功率变换单元的转化，两电机可将电池6中储存的电能转化为动力输出，也可将动力转化为电能存储在电池6中。
如图1所示，当发动机1需要启动时，第一电机2通过第一离合器4与发动机1的输出轴接合，并通过将电池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1。当电池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1的驱动下产生动力，并输出至电池6，以电能的形式存储在电池6中。
第一电机2可以设计为中高速电机，用于独立启动发动机1，且可用于单独以纯电力形式驱动车轮。
第二电机3可以设计为中低速电机，其具有比第一电机2大的功率，主要用于在发动机1断开时进行纯电力驱动，当第二电机3不能满足驱动轴的转矩需求时，第一电机2可与第二电机3共同纯电力地驱动车轮。
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参与工作，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增加。
当第一电机2用于与第二电机3共同纯电力地驱动车轮时，第二离合器5需转换为接合状态，可以通过电池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二离合器5接合起来。这种接合形式的纯电力驱动也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共同纯电力驱动的形式也能够满足，而不需要启动发动机，避免发动机工作在非高效工作区。
按照本发明图1所示的实施例，本发明可实现纯电动驱动、纯发动机驱动、串联驱动、并联驱动或混联驱动输出模式。
下面结合图2至图10来说明本发明混合动力输出装置的不同驱动模式。在后面的附图中，为了简化而省略了常啮合的定速比减速机构7。
图2、图3和图4表示仅基于电机的动力输出对驱动轴8驱动的动力输出形式，这种形式属于混合动力系统中通常所称的纯电动模式，即发动机1不工作，仅靠电机的工作实现动力的输出。
在本发明的结构下，这种动力输出形式中，发动机1不工作，第一离合器4断开，动力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。
图2所示为第一电机2和第二电机3同时对驱动轴8输出动力的形式，此时第二离合器5处于接合状态。因此，两电机的转轴可同时将动力传递给驱动轴8；第一电机2和第二电机3工作在电动模式之下，电池6为两电机提供可以转化为动力的电能。如图2中箭头所示，电池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输出动力至驱动轴8。实际上，第一电机2和第二电机3是经过定速比减速机构7将动力输出给驱动轴8，但由于在附图中省略了定速比减速机构7，所以对描述进行了简化。在后面存在同样的情况，不再另作说明。
图3所示为仅基于第二电机3驱动的动力输出形式，此时第二离合器5处于断开状态，第一电机2不工作，第二电机3在电动工作状态之下，电池6为第二电机3提供可以转化为动力的电能。如图3中箭头所示，电池6提供电能给第二电机3，经过电动转化，第二电机3经过定速比减速机构7输出动力至驱动轴8。
图4所示为仅基于第一电机2驱动的动力输出形式，此时第二离合器5处于接合状态，第二电机3不工作，第一电机2在电动工作状态之下，电池6为第一电机2提供可以转化为动力的电能。如图4中箭头所示，电池6提供电能给第一电机2，经过电动转化，第一电机2经过定速比减速机构7输出动力至驱动轴8。
图5和图6所示为发动机1工作，但是对驱动轴8的驱动仅基于第二电机3的动力输出的形式。这种形式是混合动力系统中通常所称的串联模式。
在这种输出形式中，第二离合器5处于断开状态，从而断开第一电机2和发动机1与驱动轴8之间的机械连接；第一离合器4处于接合状态，连接发动机1的输出轴和第一电机2的转轴；发动机1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6需要能量补充，第一电机2另一部分电能输送给电池6用作储存，第二电机3经过定速比减速机构7输送动力至驱动轴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6将电能输送给第二电机3，第二电机3经过定速比减速机构7输送动力至驱动轴8。
图7和图8所示为发动机1输出动力至驱动轴8，且消耗电池6的电能来产生驱动力至驱动轴8的动力输出形式。这种形式是混合动力系统中通常所称的并联模式。
这种动力输出形式中，第一离合器4、第二离合器5均处于接合状态，从而使发动机的输出轴1与第一电机2的转轴机械连接，使第一电机2和第二电机3同时与驱动轴8机械连接。根据第一、第二电机的工作状态不同，这种动力输出形式可以有不同的能量流动形式。
图7所示为所述一种能量流动形式，此时，第一电机2和第二电机3均工作在电动模式之下，电池6为它们提供工作所需的电能。如图7中箭头所示，发动机1动作，将动力通过第一电机2的转轴传递至驱动轴8，第一电机2和第二电机3根据驱动所需的动力将电池6的电能进行转化，并同时将动力输出至驱动轴8。
图8所示为其它能量流动形式，此时，第一电机2空转，第二电机3工作在电动模式之下，电池6为其提供工作所需的电能。如图8中箭头所示，发动机1动作，将动力通过第一电机2的转轴传递至驱动轴8，第二电机3根据驱动所需的动力将电池6的电能进行转化，并将动力输出至驱动轴8。
图9和图10所示为发动机1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力输出形式，这种形式属于混合动力系统所称的混联模式。
此时，发动机1的部分动力直接输送至驱动轴，另一部分动力用于驱动第一电机2工作在发电模式之下，第二电机3工作在电动模式。如图8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6用作电能补充。如图9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。
图11和图12所示为仅由发动机1输出动力至驱动轴8的动力输出形式，这种形式属于常称的纯发动机模式，此时，第一离合器4和第二离合器5均接合。
图11所示为第一电机2和第二电机3均空转，其转轴将发动机1的输出动力传递给驱动轴8。如图11中箭头所示，发动机1动作，将动力通过第一电机2和第二电机3的转轴传递至驱动轴8。
图12所示为第一电机2同时将发动机1的部分功率转化为电能储存在电池6中，用于补充电池6的能量储备，其转轴将发动机1另一部分输出动力传递给驱动轴8。如图12中箭头所示，发动机1动作，其一部分动力通过第一电机2的转轴传递至驱动轴8，另一部分动力通过第一电机2转化为电能储存在电池6中。
图13和图14所示为本发明能量再生形式的说明图。
在车辆随着制动器的制动而进行减速行驶或者停止的状态下，本发明的驱动装置可进行能量的再生，此时使电机工作在发电模式之下，将驱动轴8回馈的动力转化为电能输送至电池6，以最大的限度对电池进行充电。根据第二离合器5的接合/断开状态可以有不同的能量再生形式。
图13所示为第二离合器5接合时的能量再生形式，此时第一电机2和第二电机3的转轴均与驱动轴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6存储再生的电能。如图13中箭头所示，驱动轴8将动力回馈给第一电机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6，实现能量的再生。
图14所示为第二离合器5断开时的能量再生形式，此时第二电机3的转轴与驱动轴8相连，第二电机3工作在发电模式之下，电池6存储再生的电能。如图14中箭头所示，驱动轴将动力回馈给第二电机3，第二电机3将动力转化为电能并输送至电池6，实现能量的再生。
图15所示为本发明的驻车充电模式。
在这种模式中，第二离合器5断开且第二电机3在不工作状态，发动机1驱动第一电机2在发电的工作状态，并将电能储存在电池6中，如图15中箭头所示，发动机1工作，并将动力传递给第一电机2，第一电机2将动力转化为电能输送至电池6。
虽然已经针对具体的实施方式对本发明进行了说明，但是这些细节并不是限制性的，因为在不脱离本发明的精神和范围的前提下采用不同的实施方式、改变和修改是很明显的，应当理解这种等价的实施方式同样包括在本发明的范围之内。

Claims (9)

1、一种混合动力输出装置，包括发动机、第一电机、第二电机、电池、第一离合器、第二离合器和常啮合的定速比减速机构，其中：
所述第一电机和第二电机与所述电池电连接；
所述发动机通过第一离合器与第一电机连接；
所述第一电机通过所述第二离合器与所述第二电机连接；
所述第二电机通过所述常啮合的定速比减速机构与车轮驱动轴连接。
2、如权利要求1所述的混合动力输出装置，其中所述定速比减速机构是常啮合的齿轮传动减速机构、链条传动减速机构或者摩擦传动减速机构。
3、如权利要求1所述的混合动力输出装置，其中所述发动机、第一离合器、第一电机、第二离合器、第二电机依次顺序连接且同轴布置。
4、如权利要求1、2或3所述的混合动力输出装置，其中所述第一电机设计为中高速电机，所述第二电机设计为中低速电机。
5、如权利要求1、2或3所述的混合动力输出装置，其中所述第一电机或第二电机能够单独驱动车辆行驶。
6、如权利要求1、2或3所述的混合动力输出装置，其中所述第一电机和第二电机能够同时驱动车辆行驶。
7、如权利要求1、2或3所述的混合动力输出装置，其中所述第二电机的功率大于所述第一电机的功率。
8、如权利要求1所述的混合动力输出装置，其中所述第一电机和第二电机分别通过功率变换器与所述电池电连接。
9、一种混合动力输出装置，包括发动机、第一电机、第二电机、电池、第一离合器和第二离合器，其中：
所述第一电机和第二电机与所述电池电连接；
所述发动机通过第一离合器与第一电机连接；
所述第一电机通过第二离合器与所述第二电机连接；
所述第一电机设计为中高速电机，所述第二电机设计为中低速电机。
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