CN101870258A - 混合动力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力驱动装置，包括：发动机、发动机输出轴、第一离合器、行星齿轮构件、电动机、中空电动机轴、传动轴，其特征在于，发动机、发动机输出轴、第一离合器、行星齿轮构件、电动机、传动轴依次连接在同一轴线上，发动机输出轴与行星齿轮构件的齿圈通过第一离合器机械相连，电动机的中空电动机轴被连接到行星齿轮构件的太阳轮上，传动轴穿过中空电动机轴与行星架相连，传递发动机和电动机的输出扭矩；行星架与中空电动机轴间通过第二离合器机械相连。

Description

混合动力驱动装置

技术领域

本发明涉及一种混合动力驱动装置，特别是同轴式行星齿轮串并联混合动力驱动装置，特别适用于具有较好燃油经济性的混合动力汽车。

背景技术

混合动力汽车的动力来源于发动机和驱动电动机，通过储能装置(蓄电池、超级电容等)和控制系统对能量流进行管理，达到最佳的能量分配，实现整车的低油耗、低排放和较高的动力性。

混合动力汽车有两个动力来源，在启动及低速行驶时，由于发动机的效率不高，混合动力系统仅利用电动机的动力来行驶。在一般行驶时发动机效率很高，发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力，同时也用来带动电动机发电，并给储能装置充电。在减速或制动时，混合动力系统以车轮的旋转力驱动电动机发电，将能量回收到储能装置中。

电动机的动力辅助作用保证了汽车具有较好的动力性能，同时减小了混合动力汽车发动机的功率需求，油电两个系统的相互配合可以进一步优化发动机的工作点，使发动机工作在燃油最经济的状态，进而减少汽车的尾气排放和燃油消耗；同时，具有再生及制动能量的回收功能可减少汽车的能量损失和燃油消耗。

现有技术的基于行星齿轮结构的混合动力汽车驱动系统包括发动机、电动机、发电机、行星齿轮构件、传动装置、离合器、锁定器、控制器和蓄电池，采用行星齿轮机构和电动机调节发动机转速使其运行在最佳转速范围，可望获得燃油的高经济性。

该类结构的缺点是，传动轴需经过多组齿轮或皮带和行星齿轮构件相连接，混合动力车的传动效率受到影响，不同工作模式时离合器和锁定器相互配合，结构复杂，布置到现有传统车动力底盘中的难度大，生产成本以及后期维护的费用比较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种适应性强、结构简单、工作模式灵活的混合动力驱动装置，获得更佳的燃油经济性的混合动力汽车驱动系统。采用同轴式行星齿轮构件对发动机的输出功率进行重新分配，从而达到合理平衡发动机负荷的目的。

本发明通过一种混合动力驱动装置解决上述技术问题，所述混合动力驱动装置，包括：发动机、发动机输出轴、第一离合器、行星齿轮构件、电动机、中空电动机轴、传动轴，其特征在于，发动机、发动机输出轴、第一离合器、行星齿轮构件、电动机、传动轴依次连接在同一轴线上，所述行星齿轮构件包括行星架、齿圈和太阳轮，发动机输出轴与行星齿轮构件的齿圈通过第一离合器机械相连，电动机的中空电动机轴被连接到行星齿轮构件的太阳轮上，传动轴穿过中空电动机轴与行星架相连，传递发动机和电动机的输出扭矩；行星架与中空电动机轴间通过第二离合器机械相连。

根据本发明的一个方面，本发明同轴式行星齿轮串并联混合动力驱动装置，包括：发动机1、发动机输出轴2、离合器3、机壳4、行星齿轮5、行星架5A、齿圈5B、太阳轮5C、离合器6、电动机7、中空电动机轴8、传动轴9、十字轴10、主减速器11、储能装置12、电动机控制器13。发动机1、发动机输出轴2、离合器3、行星齿轮构件5、电动机7、传动轴9依次连接在同一轴线上。

其中，发动机输出轴2与行星齿轮构件的齿圈5B通过离合器3机械相连，电动机的中空电动机轴8被连接到行星齿轮构件5的太阳轮5C上。传动轴9穿过中空电动机轴8与行星架5A相连，传递发动机1和电动机7的输出扭矩。行星架5A与中空电动机轴8之间通过离合器6机械相连。行星齿轮构件的齿圈5B与机壳4间通过第一离合器3锁紧，当电动机7处于发电工作状态时，第一离合器3把齿圈5B锁死在机壳4上。传动轴9通过万向轴向主减速器11输出扭矩驱动车辆行驶。第一离合器3实现发动机输出轴或者机壳的双位置离合器，通过离合器输出轴的外花键与两切换位置处的内花键相连接。

本发明的优点在于：

与传统的串并联式混合动力驱动装置相比，本发明的技术方案采用同轴方式将发动机和电动机输出轴连接，取消了齿轮或者皮带连接。第一离合器实现齿圈与发动机输出轴或者机壳的双位置连接，其独特设计满足了发动机在不同工作模式下的机械连接与切换，其结构更容易布置到现有传统车动力底盘中，结构更加简单、紧凑，机械损耗减少，传动效率提高。

具有两种动力混合模式，比传统混合动力系统更加优越。通过行星齿轮构件使发动机的转速和车速解耦，使发动机始终工作在高效率状态，提高了混合动力系统的燃油经济性。根据车辆的行驶状态，可在转速耦合和转矩耦合两种工作模式中自由切换。转速耦合工作方式下，输出轴的转速为发动机和电动机的转速叠加，可使发动机的工作点处于高速高效区域，一方面能够提高发动机的效率，另一面能够减小电动机的体积，从而显著提高电动汽车的燃油经济特性。转矩耦合工作方式下，输出轴的转矩为发动机和电动机的转矩叠加，从而降低了发动机的扭矩负担，同时能够满足大扭矩的工况运行。

不仅具有动力耦合的功能，还具有两档变速的功能。选择更加优化的电动机参数，在保证输出功率等级不变的基础上，减小电动机的额定扭矩，增大额定转速，进而提高电动机工作效率并减少其体积与重量。

附图说明

图1是本发明同轴式行星齿轮串并联混合动力驱动装置的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来进一步说明本发明的技术方案。本发明同轴式行星齿轮串并联混合动力驱动装置如图1所示，包括发动机1、发动机输出轴2、离合器3、机壳4、行星齿轮5、行星架5A、齿圈5B、太阳轮5C、离合器6、电动机7、中空电动机轴8、传动轴9、十字轴10、主减速器11、储能装置12、电动机控制器13。发动机1、发动机输出轴2、离合器3、行星齿轮构件5、电动机7、传动轴9依次连接在同一轴线上。

发动机输出轴2与行星齿轮构件5的齿圈5B通过离合器3机械相连，电动机的中空电动机轴8被连接到行星齿轮构件5的太阳轮5C上。传动轴9穿过中空电动机轴8与行星架5A相连，传递发动机1和电动机7的输出扭矩。行星架5A与中空电动机轴8间通过离合器6机械相连。行星齿轮构件的齿圈5B与机壳4间通过第二离合器6锁紧，当电动机7处于发电工作状态时，锁紧装置把齿圈5B锁死在机壳4。传动轴9通过万向轴向主减速器11输出扭矩驱动车辆行驶。第一离合器实现齿圈与发动机输出轴或者机壳的双位置连接，即将齿圈和发动机输出轴相连时，实现发动机的动力传输；将齿圈固定在机壳上时，实现单电动机的工作模式；当第一离合器至于空挡时，可以满足在单电动机工作时的转矩耦合方式。其独特设计和第二离合器相互配合满足了电动汽车不同工作模式的机械连接与切换，结构更加简单、紧凑，机械损耗减少，传动效率提高。

此装置安装在混合动力汽车上可按以下的方式工作。

混合牵引工作模式。

当车辆的牵引功率需求大于发动机1在油门全开情况下所能产生的功率时，此时驱动装置采用混合牵引模式，即牵引功率由发动机1和电动机7两者提供，电动机7供给附加功率以满足车辆行驶的需求。

混合牵引时可以借助行星齿轮构件5工作在转矩耦合或者转速耦合工作模式下。当车速低于预定速度时，应用转速耦合工作模式。离合器3将发动机输出轴2与齿圈5B相连，离合器6将行星架5A和中空电动机轴8脱开。在此工作模式下，发动机1的转速和车速解耦，其转速可由电动机转矩和油门开度予以控制，在给定电动机转矩时，可通过改变油门开度以调节发动机转速，而在给定油门开度时，可通过改变电动机转矩来调节发动机转速。扭矩输出轴的角速度满足：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{1}{1+R}{\mathrm{\ω}}_s+\frac{R}{1+R}{\mathrm{\ω}}_r---\left(1\right)$

其中，R表示行星齿轮5的传动比，ω_c、ω_r和ω_s分别表示行星架5A、齿圈5B以及太阳轮5C的旋转角速度。在忽略行星齿轮构件5传输损耗的条件下，作用于行星架5A、齿圈5B和太阳轮5C上的转矩关系如下：

$T_c=(1+R)T_s=\frac{1+R}{R}{T}_r---\left(2\right)$

T_c、T_r和T_s分别表示行星架5A、齿圈5B和太阳轮5C上的转矩。

根据公式(1)，行星架5上的角速度为太阳轮5C的角速度和齿圈5B角速度的累加，因为传动比R＞1，故和太阳轮5C相连的电动机7可以工作在高转速状态下，性能得到提高，并因为承载最小的转矩可以减小电动机7的体积和重量。

当车速高于预定速度时，应用转矩耦合的工作模式将发动机1和电动机7的转矩累加。离合器3将发动机输出轴2与齿圈5B相连，离合器6闭合，将中空电动机轴8和行星架5A相连，此时电动机7、发动机1和传动轴9同轴运转，太阳轮5C和行星架5A相当于被锁死，电动机7输出的扭矩经太阳轮5C和行星架5A传递到传动轴9，两种动力在传动轴9完全叠加，通过十字轴10和主减速器11驱动车辆行驶。它们的角速度和转矩满足下面公式：

ω_c＝ω_s＝ω_r                      (3)

T_c＝T_s+T_r                          (4)

单发动机牵引工作模式。

单发动机牵引模式，即车辆牵引功率仅源于发动机，既可在转速耦合，又可在转矩耦合模式下实现。当工作在转速耦合模式时，离合器3将发动机输出轴2与齿圈5B相连接，离合器6将中空电动机轴8和行星架5A脱开，此时电动机7不提供动力，仅发动机1向驱动装置提供动力，发动机1输出的扭矩经过发动机输出轴2、离合器3，经过行星齿轮5的行星架5A、齿圈5B，传递到传动轴9。

当运行在转速耦合模式时，传动轴9的角速度和转矩表示为：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{R}{1+R}{\mathrm{\ω}}_r---\left(5\right)$

$T_c=\frac{1+R}{R}{T}_r---\left(6\right)$

当运行在转矩耦合模式时，第二离合器6将中空电动机轴8和行星架5A相连，传动轴9的角速度和转矩表示为：

ω_c＝ω_r                         (7)

T_c＝T_r                           (8)

行星齿轮构件5相当于一个两档传动装置，转速耦合相当于低档工作状态，传动比为

转矩耦合相当于高档工作状态，传动比为1。

电动机单独牵引工作模式

电动机单独牵引工作模式，即车辆牵引功率仅源于电动机，既可在转速耦合，又可在转矩耦合模式下实现。离合器3将齿圈5B锁定在机壳4上，离合器6将中空电动机轴8和行星架5A脱开，电动机7的输出扭矩，经过行星齿轮5的行星架5A、齿圈5B和太阳轮5C传递到传动轴9上，再通过十字轴10、主减速器11驱动车辆行驶。电动机7为具有驱动和发电双重功能的电动机，可选用交流异步变频电动机，也可选用永磁电动机或开关磁阻电动机。

当运行在转速耦合模式时，传动轴9的角速度和转矩满足：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{1}{1+R}{\mathrm{\ω}}_s---\left(9\right)$

T_c＝(1+R)T_s                                      (10)

当运行在转矩耦合模式时，离合器3置于空档，离合器6将太阳轮5C和行星架5A连接时，电动机7直接带动传动轴9输出扭矩，传动轴9的角速度和转矩满足：

ω_c＝ω_s                                         (11)

T_c＝T_s                                           (12)

再生制动工作模式

混合动力汽车制动期间靠惯性行驶，把车辆的动能转化及储存起来，而不是变成无用的热。离合器3将齿圈5B锁定在机壳4上，发动机1和传动轴9解耦。传动轴9经过行星架5A、太阳轮5C后，带动电动机7的中空电动机轴高速旋转。电动机7被控制为发电运行状态，以产生负功率。再生制动既可以工作在转速耦合模式，也可以工作在转矩耦合模式。

在转速累加模式的运行过程中，离合器6将太阳轮5C和行星架5A脱开，电动机7的角速度和转矩相互关联如下：

T_c＝(1+R)T_s                                      (14)

此时电动机7被控制产生负功率。

在转矩累加模式的运行过程中，离合器3置于空档，离合器6将太阳轮5C和行星架5A结合，传动轴9直接带动中空电动机轴8，使其工作在发电状态。电动机7的角速度和转矩相互关联如下：

ω_c＝ω_s                                         (15)

T_c＝T_s                                           (16)

在制动模式时，行星齿轮构件5相当于一个两档传动装置，转速耦合相当于低档工作状态，传动比为1+R。转矩耦合相当于高档工作状态，传动比为1。

启动发动机

当车辆处于停止状态时，发动机1可由电动机7以转速耦合或转矩耦合模式启动。离合器3将发动机输出轴2与齿圈5B相连，离合器6将中空电动机轴8和行星架5A脱开，电动机7的输出转矩经行星齿轮5的太阳轮5C、齿圈5B、离合器3传递给发动机1，电动机7的角速度和转矩相互关联如下：

${\mathrm{\ω}}_r=-\frac{1}{R}{\mathrm{\ω}}_s---\left(17\right)$

T_r＝RT_s                              (18)

为起动发动机1，电动机7以负转速旋转，在发动机1与电动机7之间引入的传动比为R，也就是说起动发动机1需要不大的电动机扭矩，无论车辆是否处于停止状态，正的电动机转矩总是导致正的发动机转矩，这意味即使车辆在运行中发动机1也可起动。

通过离合器3和离合器6的相互配合，该发明的实施方式为

混合动力汽车起动及低速行驶时

从静止起步到车速低于预定车速时，发动机1不启动，行星齿轮5只有一个自由度，车辆由储能装置12提供能量电动机7驱动，为纯电动工况。当储能装置12中的电量不足时，发动机1启动，电动机7以负转速运行发电，发动机功率一部分用于驱动车辆低速行驶，另一部分用来向储能装置12充电。

混合动力汽车中速行驶时

当车速超过预定速度时即中速行驶，应用转速耦合模式，发动机1启动并运行在高转速状态，电动机7以负转速和负功率运行，发动机1的部分输出功率用以给储能装置12充电，且以部分输出功率推进车辆。

混合动力汽车高速行驶时

应用同步的转矩耦合模式，发动机1和中空电动机轴8连接在一起，传到传动轴9上的转矩是从齿圈5B上得到的发动机转矩和电动机7输出转矩的矢量和。这样行星齿轮构件5的功能相当于一个两档传动装置，转速耦合模式为低档，转矩耦合模式为高档工作方式。

混合动力汽车巡航行驶时

使用发动机1作为主要动力源工作在转速耦合模式下。由于采用行星齿轮构件5使发动机1转速不随车速变化，发动机1可工作于最优的工作点，提供恒定的功率输出，而剩余的功率需求则由电动机7提供，避免了发动机1频繁动态调节带来的损失。

混合动力汽车减速制动时

当松开油门并踩下制动器时，混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机7运转，使其作为发电使用，向储能装置12充电。

Claims (7)

1.一种混合动力驱动装置，包括：发动机(1)、发动机输出轴(2)、第一离合器(3)、行星齿轮构件(5)、电动机(7)、中空电动机轴(8)、传动轴(9)，其特征在于，发动机(1)、发动机输出轴(2)、第一离合器(3)、行星齿轮构件(5)、电动机(7)、传动轴(9)依次连接在同一轴线上，所述行星齿轮构件(5)包括行星架(5A)、齿圈(5B)和太阳轮(5C)，发动机输出轴(2)与行星齿轮构件(5)的齿圈(5B)通过第一离合器(3)机械相连，电动机的中空电动机轴(8)被连接到行星齿轮构件(5)的太阳轮(5C)上，传动轴(9)穿过中空电动机轴(8)与行星架(5A)相连，传递发动机(1)和电动机(7)的输出扭矩；行星架(5A)与中空电动机轴(8)间通过第二离合器(6)机械相连。

2.如权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述混合动力驱动装置还包括机壳(4)，行星齿轮构件的齿圈(5B)与机壳(4)间通过第一离合器(3)锁紧，当电动机(7)处于电驱动或者发电工作状态时，第一离合器(3)把齿圈(5B)锁死在机壳(4)。

3.如权利要求2所述的混合动力驱动装置，其特征在于，当所述混合动力驱动装置工作在混合牵引工作模式时或单发动机牵引模式时，第一离合器(3)将发动机输出轴(2)与齿圈(5B)相连，而第二离合器(6)则根据车速将行星架(5A)和中空电动机轴(8)相连或脱开。

4.如权利要求2所述的混合动力驱动装置，其特征在于，当所述混合动力驱动装置工作在电动机单独牵引工作模式时或再生制动工作模式时，第一离合器(3)将齿圈(5B)锁定在机壳(4)上或者置于空档，第二离合器(6)则根据车速将行星架(5A)和中空电动机轴(8)相连或脱开。

5.如权利要求3或4所述的混合动力驱动装置，其特征在于，当车速低于预定速度时，第二离合器(6)将行星架(5A)和中空电动机轴(8)脱开。

6.如权利要求3或4所述的混合动力驱动装置，其特征在于，当车速高于预定速度时，第二离合器(6)将行星架(5A)和中空电动机轴(8)相连。

7.如权利要求2所述的混合动力驱动装置，其特征在于，当所述混合动力驱动装置启动时，第一离合器(3)将发动机输出轴(2)与齿圈(5B)相连，第二离合器(6)将中空电动机轴(8)和行星架(5A)脱开。