CN101544181A - 动力总成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力总成系统，包括：发动机输入轴，其通过发动机离合器与发动机连接，在该发动机输入轴上固定设置有高速大齿轮；动力输出轴，其一端设置有传动轴连轴器，动力输出轴通过所述传动轴连轴器连接至驱动桥，一低速大齿轮和中间档大齿轮空套在动力输出轴上；第一电机输入轴，其一端设置有第一电机连轴器，在该第一电机输入轴上固定设置有高速小齿轮，高速小齿轮与高速大齿轮常啮合；以及第二电机输入轴，其一端设置有第二电机连轴器，在该第二电机输入轴上固定设置有低速小齿轮和中间档小齿轮，低速小齿轮与低速大齿轮常啮合；其中在该动力输出轴上还设置有第一换档机构和第二换档机构。本发明尤其适用于大型复杂工况混合动力车辆。

Description

动力总成系统
技术领域
本发明涉及动力总成系统，尤其涉及用于混合动力车辆的混联式动力总成系统。
背景技术
混合动力汽车(HEV)已成为清洁、高效汽车的发展方向，是解决环保和节能问题的最佳途径之一，也是我国汽车工业可持续发展的必然选择。采用传统内燃机和电池-电机作为动力系统的混合动力车辆以其低能耗、低排放低等优点，已成为当前汽车动力系统技术研究的热点。
由于混合动力汽车采用两种动力源作为动力装置，它的各个组成部件、布置方式及控制策略有所不同，因而形成了各式各样的结构型式。混合动力汽车的分类方法也有多种。根据动力源的数量及动力传递方式的不同，分为串联型、并联型和混联型。
在混联式HEV动力传动系(Series-Parallel Combined Schedule)布置方案中，既装有电动机又装有发电机，具有了串、并联结构各自的特点。可以通过离合器的结合与脱离来实现串联分支与并联分支间的相互切换：离合器分离，切断了发动机和电动机与驱动轮的机械连接，系统以串联模式运行；离合器结合，发动机与驱动轮有了机械连接，系统以并联模式运行。混联式HEV布置方案综合了串、并联两种布置方案的优点，具有了最佳的综合性能，但系统组成庞大，传动系布置困难。另外，实现串、并联分支间合理的切换对控制系统和相关控制策略的设计也提出了更高的要求。
现有的混联式混合动力总成有着不同的类型，最典型的是基于二自由度行星分汇流机构的分割式系统，如丰田公司的THS系统，如图1所示。动力分配装置实际上是一个行星齿轮机构108，其中行星架105与发动机101的输出轴相连，齿圈107与电动机103的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴与一离合器相连，必要时锁死太阳轮104，使行星齿轮机构以一定的传动比工作。发电机的转子刚性连接在发动机的输出轴上。
各工况时机构的工作情况如下：
(1)起步/轻载工况
当汽车起步或以较低的速度运行时，系统以纯电动的形式工作。动力分配装置(行星齿轮机构)不起作用，行星齿轮106空转。
(2)正常行驶工况
当汽车速度达到一定值或电动机输出的功率不能满足汽车行驶要求时，传感器测知这一信息，并将其反馈给ECU，ECU发出指令起动发动机。此时离合器接合，使与之相连的太阳轮104固死，动力由齿圈107输入，由行星架105输出，拖动发动机的曲轴转动，达到一定转速时发动机点火起动。正常行驶时，发动机的动力由行星架105输入，再由齿圈107输出传递给后桥。
(3)最大加速工况
此时动力分配装置的工作形式与正常行驶时相同，发动机的动力仍由行星架105输入，由齿圈107输出。而电动机103的动力则直接由齿圈输出。发动机发出的动力和电动机103发出的动力经行星齿轮106耦合后一起输出。
(4)减速/刹车工况
减速或刹车时，车轮带动电动机，此时的电动机以发电机的形式工作，将这一部分的能量转化为电能，储存于蓄电池中。
但这种混联式动力总成还存在一些不足或缺陷，例如像丰田THS这类总成，因其行星机构“变速不变矩”的特点，在动力性方面有待改进，若不采取重大改良措施则难以实现传动比在较大范围内的变化，且仅适于载荷及其变化均不大的轻型混合动力轿车，其拓扑布局与控制也较复杂。另外行星机构的设计与加工精度相对要求也较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种拓扑布局与控制相对简单的混联式动力总成系统，其适应轻、中、重各型HEV使用要求，便于在多种工作模式间快速频繁切换，适于采用简单而又先进的控制策略，易于设计、加工，利于降低制造成本，以克服现有混联式HEV动力总成的上述不足。
为了达到上述目的，本发明提供一种动力总成系统，包括动力耦合装置，一发动机位于动力耦合装置一侧，在所述动力耦合装置另一侧布置有第一和第二电机；其中所述动力耦合装置包括：
发动机输入轴，其通过发动机离合器与发动机连接，在所述发动机输入轴上固定设置有高速大齿轮；
动力输出轴，其一端设置有传动轴连轴器，所述动力输出轴通过所述传动轴连轴器连接至驱动桥，一低速大齿轮和一中间档大齿轮空套在所述动力输出轴上；
第一电机输入轴，其一端设置有第一电机连轴器，第一电机通过所述第一电机连轴器联接到所述第一电机输入轴上，在所述第一电机输入轴上固定设置有高速小齿轮，所述高速小齿轮与所述高速大齿轮常啮合；以及
第二电机输入轴，其一端设置有第二电机连轴器，第二电机通过所述第二电机连轴器联接到所述第二电机输入轴上，在所述第二电机输入轴上固定设置有低速小齿轮和中间档小齿轮，所述低速小齿轮与所述低速大齿轮常啮合，所述中间档小齿轮与所述中间档大齿轮常啮合；
其中在所述动力输出轴上还设置有第一换档机构和第二换档机构，所述第一换档机构选择性地与所述低速大齿轮或所述中间档大齿轮接合，所述第二换档机构选择性地与所述高速大齿轮接合。
本发明进一步优选的是，所述第一电机和所述第二电机可采用参数相同的电机，并且可采用并列且对称的方式进行布置。
本发明进一步优选的是，所述第一换档机构可为低速齿套，所述第二换档机构可为高速齿套，低速齿套和高速齿套可通过花键安装在所述动力输出轴上。
通过以上技术方案，本发明具有以下的优点：避免了发动机的启动、怠速、低速小负载工况下的油耗高、排放污染物多的工况，充分利用了发动机的经济油耗工作区域，同时发挥电动机的启动扭矩大，在合适转速下能源转换效率高的特点。整个装置采用自动控制，大幅降低驾驶员劳动强度，也可以反向传动，实现倒车和制动能量回收。可根据不同车型、不同使用环境设置不同参数，便于车辆控制标定。系统内零部件设计加工难度较低，种类减少，变型容易，利于降低车辆成本。本发明适用于所有混合动力车辆尤其适合大型复杂工况车辆的动力耦合与传动。
附图说明
图1为现有技术中的混联式动力总成系统的示意图；
图2为本发明的动力总成系统的结构示意图；
图3为图1中的动力耦合装置的结构示意图。
具体实施方式
以下通过优选实施来说明本发明的技术方案，附图供参考。对本发明可以有许多更正、改变或变更，只要不偏离发明重要特征的范围或精神即可。
本发明涉及用于混合动力车辆的混联式动力总成系统，图2为本发明一个实施例的结构示意图。如图所示，所述动力总成系统具有动力耦合装置3，发动机1位于动力耦合装置3一侧，其动力经发动机离合器2传往动力耦合装置3，第一和第二电机5、4布置在动力耦合装置3另一侧。动力耦合装置3的输出轴连接至驱动桥6，将动力传递至驱动桥6。
动力电池箱8、电机控制箱7、整车控制器9分别布置在车辆车身的两侧。整车控制器9通过CAN总线结构对发动机1的ECU、动力耦合装置3的控制器和电机控制箱7进行控制，电机控制箱7控制第一和第二电机5、4的运转。
其中，所述第一和第二电机5、4中每个的动力输入轴和动力输出轴同侧，采用双万向节结构，但动力输出方向相反。
如图3所示，在本发明的优选实施例中，所述动力耦合装置属于固定轴式固定传动比的传动系统，其包括发动机输入轴24、第一电机输入轴11、第二电机输入轴16和动力输出轴14。
第一电机输入轴11的一端设置有第一电机连轴器12，第一电机5通过所述第一电机连轴器12联接到第一电机输入轴11上，第一电机5运转时带动第一电机输入轴11旋转。同样，第二电机输入轴16的一端设置有第二电机连轴器17，第二电机4通过所述第二电机连轴器17联接到第二电机输入轴16上，第二电机4运转时带动第二电机输入轴16旋转。通常由蓄电池供电的第一电机5和第二电机4优选地选用参数相同(具体参数为本领域公知技术，故不再赘述)的电机，并且在结构上采用并列且对称的方式进行布置。在本发明中，第一电机5和第二电机4既可以用作输出动力的电动机，也可以用作由发动机带动的发电机。
在这个实施例中，发动机输入轴24通过发动机离合器2与发动机1连接，当发动机离合器2接合时，发动机1带动发动机输入轴24旋转，当发动机离合器2分离时，切断发动机1的动力输出。所述发动机离合器2可以是由控制器通过气缸实现离合动作。
如图所示，所述动力输出轴14的左端通过轴承空套在发动机输入轴24右端。动力输出轴14的右端设置有传动轴连轴器15，车辆的驱动桥6通过传动轴连轴器15联接到动力输出轴14上，由此将动力传递至车轮。
动力耦合装置中各传动齿轮分布如下：低速大齿轮13空套在动力输出轴14上，低速小齿轮18固定设置在第二电机输入轴16上，高速大齿轮23固定设置在发动机输入轴24上，高速小齿轮10固定设置在第一电机输入轴11上。其中低速大齿轮13与低速小齿轮18常啮合，高速大齿轮23与高速小齿轮10常啮合。
其中，为了适应电机驱动的需要，还可以在动力输出轴14上设置中间档大齿轮21，该中间档大齿轮21空套在动力输出轴14上，相应地，在第二电机输入轴16上固定设置有中间档小齿轮20，中间档小齿轮20和中间档大齿轮21常啮合。
由于目前的永磁直流无刷电机控制器中的弱磁控制技术不成熟，使得在电机的额定转速以上的工作区域运转就很难实现。只有一个低速档位可以满足车辆启动等需求，但是对于车辆在纯电动工况下或串联模式下的车速提高就很难。因此增加由中间档小齿轮20和中间档大齿轮21构成的这个档位是更符合目前永磁直流无刷电机控制器技术水平。或者是将此对齿轮传动比设置的和高速大齿轮23与高速小齿轮10的传动比一致时，当第一电机发生故障时，第二电机临时可以替代其完成相当于并联混合模式的功能。
在所述动力输出轴14上还设置有第一换档机构19和第二换档机构22，第一换档机构19选择性地与低速大齿轮13或中间档大齿轮21接合，第二换档机构22选择性地与高速大齿轮23接合。这两个换档机构可以优选的为气压式自动换档机构。
在如图所示的实施例中，第一换档机构19可为低速齿套，第二换档机构22可为高速齿套，高速齿套和低速齿套可通过花键安装在动力输出轴14上，可以沿动力输出轴14的轴线方向在动力输出轴14上左右移动。在另一个实施例中，所述第一换档机构19和第二换档机构22也可以是同步器，也能取得同样的效果。
当低速齿套与低速大齿轮13或中间档大齿轮21啮合，而高速齿套与高速大齿轮23分离的时候，第二电机4产生的动力传递至动力输出轴14，而第一电机5和发动机1的动力不会传递至动力输出轴14。
同样，当高速齿套与高速大齿轮23啮合，而低速齿套与低速大齿轮13或中间档大齿轮21分离的时候，如果发动机离合器2分离，那么第一电机5产生的动力经高速小齿轮10、高速大齿轮23、高速齿套传递至动力输出轴14，而第二电机4和发动机1的动力不会传递至动力输出轴14，如果发动机离合器2接合，则由第一电机5和发动机1共同提供动力输出，或者由发动机1提供动力同时第一电机作为发电机进行发电。
当低速齿套与低速大齿轮13或中间档大齿轮21啮合，同时高速齿套与高速大齿轮23啮合的时候，如果发动机离合器2分离，那么由第一电机5和第二电机4同时提供动力输出，如果发动机离合器2接合，则由发动机1提供动力输出，而第一电机5和第二电机4选择性地提供动力输出或作为发电机进行发电。
通过本发明的混联式动力总成系统，混合动力车辆可以实现四种工作模式：混合动力模式、纯电动模式、驻车发电模式和驻车网电充电模式。
A.混合动力模式
当车速低于设定速度V时，低速齿套与低速大齿轮13接合，高速齿套与高速大齿轮23分离，第二电机4为动力源，完成起步和正常行驶。当电池电量SOC(state of charge，充电状态)小于设定值时，发动机离合器接合，第一电机5作为发电机，由发动机驱动，为第二电机和蓄电池提供电能。
当车速大于设定速度V时，第二电机4停止工作，高速齿套与高速大齿轮23结合，发动机离合器2接合，发动机1为主要动力源，当需要大功率驱动(比如爬坡或加速)时，第一电机5提供辅助动力。需要驱动功率小于发动机1输出功率时，第一电机5作为发电机为电池充电。
一般制动时，第一、第二电机5、4分别作为发电机，进行能量回收，紧急制动时，电机与机械制动器可以同时起作用。
B.纯电动模式
发动机离合器2分离，车速低于设定速度V之前低速齿套与低速大齿轮13接合，第二电机4驱动车辆。车速高于设定速度V时，低速齿套与中间档大齿轮21接合，低速齿套与低速大齿轮13分离，第二电机4驱动车辆。制动时相应电机转变为发电机状态，回收部分制动能量。
C.驻车发电模式
高速齿套与高速大齿轮23分离，发动机离合器2接合，发动机1以经济油耗点转速带动第一电机发电，对外提供额定功率的市电。
D.驻车网电充电模式
晚间停驶时，利用便宜的电网波谷电能给车辆动力电池充电，以节省发动机燃料消耗。
发动机离合器、高速齿套与高速大齿轮、低速齿套与低速大齿轮或中间档大齿轮它们接合或分离时的控制原则是控制两端的动力源不输出功率，且两端轴的转速差在一个设定的范围内，保证转换迅速平稳，避免引起大的冲击和震动。结合或分离的顺序为保证动力不能中断，车辆任何时刻不失去控制为准。
应当理解，以上结合实施例的说明对本发明而言只是说明性而非限制性的，在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明做出许多变更和修改，其都将落在由权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种动力总成系统，包括动力耦合装置，一发动机位于动力耦合装置一侧，在所述动力耦合装置另一侧布置有第一和第二电机；其中所述动力耦合装置包括：
发动机输入轴，其通过发动机离合器与发动机连接，在所述发动机输入轴上固定设置有高速大齿轮；
动力输出轴，其一端设置有传动轴连轴器，所述动力输出轴通过所述传动轴连轴器连接至驱动桥，一低速大齿轮和一中间档大齿轮空套在所述动力输出轴上；
第一电机输入轴，其一端设置有第一电机连轴器，第一电机通过所述第一电机连轴器联接到所述第一电机输入轴上，在所述第一电机输入轴上固定设置有高速小齿轮，所述高速小齿轮与所述高速大齿轮常啮合；以及
第二电机输入轴，其一端设置有第二电机连轴器，第二电机通过所述第二电机连轴器联接到所述第二电机输入轴上，在所述第二电机输入轴上固定设置有低速小齿轮和中间档小齿轮，所述低速小齿轮与所述低速大齿轮常啮合，所述中间档小齿轮与所述中间档大齿轮常啮合；
其中在所述动力输出轴上还设置有第一换档机构和第二换档机构，所述第一换档机构选择性地与所述低速大齿轮或所述中间档大齿轮接合，所述第二换档机构选择性地与所述高速大齿轮接合。
2.根据权利要求1所述的动力总成系统，其特征在于：所述第一电机和所述第二电机采用参数相同的电机。
3.根据权利要求1所述的动力总成系统，其特征在于：所述第一电机和所述第二电机采用并列且对称的方式进行布置。
4.根据权利要求1所述的动力总成系统，其特征在于：所述第一换档机构为齿套或同步器，通过花键安装在所述动力输出轴上。
5.根据权利要求1所述的动力总成系统，其特征在于：所述第二换档机构为齿套或同步器，通过花键安装在所述动力输出轴上。
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