CN101734139B - 一种混合动力车辆动力耦合传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力车辆动力耦合传动装置，其特征在于采用固定轴固定减速比的变速器作为动力耦合和传动装置。通过本发明装置车辆可以实现三种工作模式：A.混合动力模式、B.纯电动模式和C.驻车发电模式。本发明避免了车辆发动机的启动、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，大幅度降低驾驶员劳动强度。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。

Description

一种混合动力车辆动力耦合传动装置

技术领域

本发明涉及汽车的动力传动系统领域，具体涉及混合动力车辆的动力传动系统，特别是混联式混合动力车辆的动力耦合与驱动装置。

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，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的不同，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。

串联式HEV动力传动系(Series Schedule，又称SHEV)的结构组成如图1所示。由于串联式HEV动力传动系统中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作。该结构尤其适合于那些与驱动轮难于进行机械连接的高效发动机，比如燃气轮机、斯特林发动机等。但串联式HEV动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。

并联式HEV动力传动系(Parallel Schedule，又称PHEV)的结构组成如图2所示。在并联式HEV动力传动系中，发动机与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式HEV动力传动系中的发电机，因此更像传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点：①由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少。②电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大大减小。③假定汽车所要求的最大功率为P，则每台动力总成的功率总和往往是在P～2P之间，由于设备功率较小，所需的设备费用也较小。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则控制系统和控制策略较复杂。

混联式HEV动力传动系(Series-Parallel Combined Schedule)布置方案简图如图3所示，该系统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(Split，如丰田公司THS系统)。但现有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，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。又如某些采用机械式工作模式切换的串并联式总成，仅较适合采用对应少数给定典型工况进行简单模式切换的初级控制策略，难以在多种工作模式间快速、平顺和频繁切换，不利于采用先进的优化控制策略从而实现超低排放、提高燃油经济性及动力性等整车性能优化目标。

本发明要解决的是探讨一种拓扑布局与控制相对简单、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、适于采用先进的优化控制策略的混联式动力总成装置，以克服现有混联式HEV动力总成的上述不足。

发明内容

本发明涉及混联式混合动力车辆的动力耦合与驱动装置。该装置为常啮合固定减速比的变速箱，相当于一个两个档位的变速箱，但有三个动力输入轴，一个动力输出轴。动力输入轴分别为发动机输入轴、低速电机输入轴、高速电机输入轴，分别将发动机、低速电动机、高速电动机的动力输入，动力输出轴将耦合后的动力传到车辆主减速器驱动车辆。低速电机输入轴、高速电机输入轴和一个发动机输入轴，通过不同的离合器或齿套(同步器)接合实现不同的动力输入。内部齿轮传动采用两对常啮合齿轮，分别为低速传动齿轮对和高速传动齿轮对，两个大齿轮分别空套在动力输出轴上，电动机动力的传递和切断由输出轴上两个同步器或齿套的移动来实现，发动机的动力由常规的干摩擦盘式离合器实现传递或切断。同步器(齿套)的移动和发动机离合器分离或结合的动力由布置在外面的气缸(液压缸)提供。

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。

本发明的特征是采用固定轴固定减速比的变速器作为动力耦合和传动装置，其换档机构是自动控制机构。克服了旋转轴的行星齿轮差动机构的加工控制复杂、只适用于小型轻载的缺点，也克服了采用传统机械变速箱驾驶员工作强度大，不适合自动控制的缺点。克服了采用自动变速箱(AMT)加工复杂，成本高、传动效率低的缺点。

本发明装置具体包含有高速小齿轮1、高速轴2、高速电机连轴器3、低速大齿轮4、输出轴5、车辆传动轴连轴器6、低速轴7、低速电机连轴器8、低速小齿轮9、低速齿套10、高速齿套11、高速大齿轮12、发动机输出轴13等组成；

高速齿套11和低速齿套10通过花键安装在输出轴5上，能够沿轴线在输出轴5上左右移动；

其中高速齿套11能够和高速大齿轮12对应齿圈啮合，低速齿套10能够和低速大齿轮4对应齿圈啮合；

发动机输出轴13左端通过轴承空套在发动机飞轮上；

发动机的动力通过发动机离合器由发动机输出轴13输入；

低速电机、高速电机的动力分别通过低速电机连轴器8、高速电机连轴器3由低速轴7和高速轴2输入；

动力由输出轴5通过车辆传动轴连轴器6输出。

本发明的基本结构是低速大齿轮4空套在输出轴5上，其他齿轮都是固定在其所在轴上。高速齿套11和低速齿套10(也可以是同步器)是通过花键安装在输出轴5上，可以沿轴线在输出轴上左右移动。其中高速齿套11可以和高速大齿轮12对应齿圈啮合，低速齿套10可以和低速大齿轮4对应齿圈啮合。发动机输出轴13左端通过轴承空套在发动机飞轮上。发动机的动力通过发动机离合器由发动机输出轴输入，发动机离合器是由控制器通过气缸实现离合动作。两个电动机(同时也是发电机)的动力分别通过低速电机连轴器8、高速电机连轴器3由低速轴7和高速轴2输入。动力由输出轴5通过车辆传动轴连轴器6输出。

进一步的，通过本装置车辆可以实现三种工作模式：A.混合动力模式、B.纯电动模式和C.驻车发电模式。

进一步的，当采用混合动力模式时，低速电机为动力源，完成起步和正常行驶；当车速大于设定速度V时，发动机离合器结合，发动机为主要动力源。

进一步的，当需要大功率驱动时，高速电机提供辅助动力，需要驱动功率小于发动机输出功率时，高速电机处于发电机状态，为电池充电；当电池电量SOC小于设定值时，发动机离合器结合，高速电机处于发电机状态，由发动机驱动，为低速电机和蓄电池提供电能。

进一步的，当采用纯电动模式时，发动机离合器分离，车速低于设定速度V时，低速电机驱动车辆；车速高于设定速度V时，高速电机驱动车辆。

进一步的，当采用驻车发电模式时，车辆停止，高速齿套11与高速大齿轮12分离，切断输出轴5的动力输出，发动机离合器结合，发动机以经济油耗点转速带动高速电机发电，完成对动力电池组的充电或对外提供额定功率的市电。

进一步的，当车辆处于无电网的区域或临时网电停电情况下，可以由高速电机发电，经过DC-AC转换为符合要求的网电，提供一定功率的网电给用户的用电器。

进一步的，发动机离合器、高速齿套11与高速大齿轮12、低速齿套10与低速大齿轮4它们结合或分离时的控制原则是控制两端的动力源不输出动力，且两端轴的转速差在一个设定的范围内；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。

本发明的优点是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。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。

当需要倒车时，控制器根据指令使电动机反转即可。

制动或下坡时，高速电机、低速电机转变为发电机状态，由车辆向前的惯性力带动处于发电机状态的高速电机、低速电机发电，将适当的机械能转化电能储存在动力电池内。

附图说明

图1是串联式混合动力汽车系统示意图。

图2是并联式混合动力汽车系统示意图。

图3是混联式混合动力汽车系统示意图。

图4是一种混合动力车辆动力耦合传动装置示意图。

图中，1-高速小齿轮，2-高速轴，3-高速电机连轴器，4-低速大齿轮，5-输出轴，6-车辆传动轴连轴器，7-低速轴，8-低速电机连轴器，9-低速小齿轮，10-低速齿套，11-高速齿套，12-高速大齿轮，13-发动机输出轴。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明作以下详细地说明。

实施例1

本发明涉及混合动力车辆的动力传动系统装置。该装置为固定轴固定减速比的变速器，包含了三个动力输入轴，一个动力输出轴。动力输入轴分别为发动机输入轴、低速电机输入轴、高速电机输入轴，分别将发动机、低速电动机、高速电动机的动力输入，动力输出轴将耦合后的动力传到车辆主减速器驱动车辆。

图4为本装置的传动示意图。低速大齿轮4空套在输出轴5上，其他齿轮都是固定在其所在轴上。高速齿套11和低速齿套10(也可以是同步器)是通过花键安装在输出轴5上，可以沿轴线在输出轴5上左右移动。其中高速齿套11可以和高速大齿轮12对应齿圈啮合，低速齿套10可以和低速大齿轮4对应齿圈啮合。发动机输出轴13左端通过轴承空套在发动机飞轮上。发动机的动力通过发动机离合器由发动机输出轴输入，发动机离合器是由控制器通过气缸实现离合动作。两个电动机(同时也是发电机)的动力分别通过低速电机连轴器8、高速电机连轴器3由低速轴7和高速轴2输入。动力由输出轴5通过车辆传动轴连轴器6输出。

通过本装置车辆可以实现三种工作模式：A.混合动力模式、B.纯电动模式和C.驻车发电模式。

A.混合动力模式

当车速低于设定速度V(V的范围一般可以设定为25～35km/h)时，低速齿套10与低速大齿轮4接合，高速齿套11与高速大齿轮12分离，低速电动机为动力源，完成起步和正常行驶。当电池电量SOC(STATE OF CHARGE)小于设定值(一般为35％)时，发动机离合器结合，高速电动机作为发电机，由发动机驱动，为低速电动机和蓄电池提供电能。

当车速大于设定速度V(V的范围一般可以设定为25～35km/h)时，低速电机离合器分离，低速电机停止工作，高速齿套11与高速大齿轮12结合，发动机离合器结合，发动机为主要动力源，当需要大功率驱动(爬坡或加速)时，高速电动机提供辅助动力。需要驱动功率小于发动机输出功率时，高速电动机作为发电机为电池充电。

一般制动情况下，当制动踏板行程在0～15度之间时(满行程一般在45度)，高、低速电动机转变为发电机状态，由车辆向前的惯性力带动发电机发电，根据制动踏板行程大小将适当的机械能转化电能储存在动力电池内。当制动踏板行程大于15度时，发电机以全功率发电，多余制动能量由气压驱动的机械制动器作用吸收。

紧急制动时，发电机以全功率发电，气压机械制动器起主要制动作用。

B.纯电动模式

发动机离合器分离，车速低于设定速度V(25～35km/h)时，低速齿套10与低速大齿轮4接合，低速电机驱动车辆。车速高于设定速度V(25～35km/h)时，高速齿套11与高速大齿轮12接合，低速齿套10与低速大齿轮4分离，高速电机驱动车辆。制动时当制动踏板行程在0～15度之间时(满行程一般在45度)，高、低速电动机转变为发电机状态，由车辆向前的惯性力带动发电机发电，根据制动踏板行程大小将适当的机械能转化电能储存在动力电池内。当制动踏板行程大于15度时，发电机以全功率发电进行充电，多余制动能量由气压机械制动器作用吸收。

C.驻车发电模式

车辆停止时，高速齿套11与高速大齿轮12分离，切断输出轴5的动力输出，发动机离合器结合，发动机以经济油耗点转速带动高速电动机发电，可以完成对动力电池组的充电或对外提供额定功率的市电(通常为50HZ，380V/220V)。

当车辆处于无电网的区域或临时网电停电情况下，可以利用此功能由高速电动机发电，经过DC-AC转换为符合要求的网电，提供一定功率的网电给用户的用电器。

发动机离合器、高速齿套11与高速大齿轮12、低速齿套10与低速大齿轮4它们结合或分离时的控制原则是控制两端的动力源不输出动力，且两端轴的转速差在一个设定的范围内(通常小于50转/分)，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。

例如纯电动情况下车速小于设定速度V(25～35km/h)时，低速齿套10与低速大齿轮4接合，低速电机驱动车辆。当速度到达设定速度V(25～35km/h)时且要继续提高速度时，先控制高速电机空转起来，转速为此时车速对应的空转转速，当检测到高速电机对应的空转转速处于设定的转速差范围内(小于50转/分)时，控制高速齿套与高速大齿轮结合，减少了结合时的震动和冲击。然后使高速电机输出动力，驱动车辆，同时降低低速电机扭矩直至为0空转，然后控制低速齿套10与低速大齿轮4分离。分离后将低速电机转速降为0停机。这个转换过程中保证任何时刻都有一个电机在输出动力，车辆在任何时刻不会因动力暂时中断而失控。

Claims (9)

1.一种混合动力车辆动力耦合传动装置，其特征在于：

采用固定轴固定减速比的变速器作为动力耦合和传动装置；

所述动力耦合和传动装置包含高速小齿轮（1）、高速轴（2）、高速电机连轴器（3）、低速大齿轮（4）、输出轴（5）、车辆传动轴连轴器（6）、低速轴(7)、低速电机连轴器(8)、低速小齿轮(9)、低速齿套(10)、高速齿套(11)、高速大齿轮(12)、发动机输出轴(13)；

高速齿套(11)和低速齿套(10)通过花键安装在输出轴(5)上，能够沿轴线在输出轴(5)上左右移动；

其中高速齿套(11)能够和高速大齿轮(12)对应齿圈啮合，低速齿套(10)能够和低速大齿轮（4）对应齿圈啮合；

发动机输出轴（13）左端通过轴承空套在发动机飞轮上；

发动机的动力通过发动机离合器由发动机输出轴(13)输入；

低速电机、高速电机的动力分别通过低速电机连轴器(8)、高速电机连轴器(3)由低速轴(7)和高速轴(2)输入；

动力由输出轴(5)通过车辆传动轴连轴器(6)输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：制动或下坡时，高速电机、低速电机转变为发电机状态，由车辆向前的惯性力带动处于发电机状态的高速电机、低速电机发电，将适当的机械能转化电能储存在动力电池内。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：通过本装置车辆可以实现三种工作模式：A.混合动力模式、B.纯电动模式和C.驻车发电模式。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：当采用混合动力模式时，低速电机为动力源，完成起步和正常行驶；当车速大于设定速度V时，发动机离合器结合，发动机为主要动力源。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：当需要大功率驱动时，高速电机提供辅助动力，需要驱动功率小于发动机输出功率时，高速电机处于发电机状态，为电池充电；当电池电量SOC小于设定值时，发动机离合器结合，高速电机处于发电机状态，由发动机驱动，为低速电机和蓄电池提供电能。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：当采用纯电动模式时，发动机离合器分离，车速低于设定速度V时，低速电机驱动车辆；车速高于设定速度V时，高速电机驱动车辆。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：当采用驻车发电模式时，车辆停止，高速齿套（11）与高速大齿轮（12）分离，切断输出轴（5）的动力输出，发动机离合器结合，发动机以经济油耗点转速带动高速电机发电，完成对动力电池组的充电或对外提供额定功率的市电。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：当车辆处于无电网的区域或临时网电停电情况下，可以由高速电机发电，经过DC-AC转换为符合要求的网电，提供一定功率的网电给用户的用电器。

9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的装置，其特征在于：发动机离合器、高速齿套（11）与高速大齿轮（12）、低速齿套（10）与低速大齿轮（4）它们结合或分离时的控制原则是控制两端的动力源不输出动力，且两端轴的转速差在一个设定的范围内；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。

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