CN102009590A - 具有三档变速功能的电力无级变速器及其动力驱动模式 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于运输车辆上的具有三档变速功能的电力无级变速器及其动力驱动模式，包括双转子电机与两组行星齿轮机构，第一组行星齿轮机构通过发动机输出轴连接发动机，第二组行星齿轮机构通过太阳轮轴连接主减速器；双转子电机设置在两组行星齿轮机构之间，双转子电机是同轴心布置的三层结构，由第一组行星齿轮机构实现纯电动、全混合动力、并联混合动力驱动模式间的切换，由第二组行星齿轮机构改变传动比，扩大了传动比范围，减小双转子电机的体积，提高了功率密度，实现制动时能量的回收。

Description

具有三档变速功能的电力无级变速器及其动力驱动模式

技术领域

本发明属于汽车交流电机及其控制技术领域，具体涉及一种具有双转子的电力无级变速器，应用于公路运输车辆上。

背景技术

为了使内燃机ICE能在整个运行工况下均保持最佳效率运行，同时又可以减少装置的复杂程度，采用双转子电机，双转子电机由内转子、外转子、定子三个主要部分组成。三个主要部分可以组成两个径向布置的电机，其中内转子与外转子构成内电机，外转子与定子组成外电机。一般情况下内转子与发动机输出轴连接，外转子与主减速器轴连接，就形成了电力无级变速器EVT。采用电力驱动控制两个转子的转矩与转速，可以实现转矩与转速比连续可调，具有较高的传动效率，无需通常的启动装置（如离合器或液力耦合器等）。当变速箱的无级变速与内燃机控制有效的配合时，可大幅度的提高汽车燃油效率。在动力调节方面，EVT可通过储能器有效的补充动力轮所需的驱动动力而无需改变对内燃机的动力要求，从而保持内燃机的工作状态不受或少受路况的影响。内燃机可始终工作在设定的最佳状态，以提高整车的效率。同时EVT还可回收制动时的动能，返送回储能器中，大幅度地提高车辆的燃油效率。

但是电力无级变速器也存在一定程度上的缺陷：首先，相较于机械式或者液压式变速器可以在较紧凑的空间内实现较大的调速范围，由于空间尺寸的限制，电力无级变速器的调速范围也受到限制；其次，电力无级变速的输入轴一般与发动机轴固定连接，在需要给汽车施加动力时，不管是发动机单独驱动还是电机单独驱动汽车，发动机和电机都要转动，当只用电机单独驱动汽车或者电机发电回收制动时的动能时，电机都会带动发动机随之空转，造成浪费，并对发动机造成影响。在专利号200810223615.5、名称是“一种集成有双速比输出机构的电力无级变速器”与专利号200820123600.7，名称是“一种集成基于行星齿轮两档变速机构的电力无级变速器”中提出了有两个档位变化的无级变速器，但发动机与电力无级变速器的输入轴仍然为固定连接。专利号200710121112.2、名称是“一种电力无级变速器”通过一组行星齿轮结构与专利号是200710074741.4、名称是“混合动力汽车动力总成”通过离合器虽然解决了发动机与电力无极变速器的固定连接的问题，但是并不能扩大电力无级变速器的变速比范围。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种新型的具有三档变速功能的电力无级变速器，提高其调速范围，具有较高的传动效率和燃油效率。 

本发明的另一目的是提出上述电力无级变速器的动力驱动模式，可使电力无级变速器以并联混合动力、纯电动动力、全混合动力三种模式切换工作。

本发明具有三档变速功能的电力无级变速器采用的技术方案是：包括双转子电机与两组行星齿轮机构，第一组行星齿轮机构通过发动机输出轴连接发动机，第二组行星齿轮机构通过太阳轮轴连接主减速器；双转子电机设置在两组所述行星齿轮机构之间，双转子电机是同轴心布置的三层结构，最外层是固定设置在双转子电机输入轴上的外转子，中间是固定设置在双转子电机输出轴上的内转子，最内层是固定设置在定子轴上的定子；第一组行星齿轮机构由太阳轮、行星架、齿圈组成，太阳轮与外转子固接，行星架与发动机输出轴固接，齿圈与内转子通过第一离合器连接，定子轴上具有第一制动器，行星架上具有第一制动器摩擦片与第一离合器第一摩擦片，齿圈具有第二制动器摩擦片与第一离合器第二摩擦片，定子轴与齿圈之间具有第二制动器，第一离合器第三摩擦片设置在双转子电机外转子上，第一离合器第四摩擦片设置在定子轴上，第五摩擦片设置在内转子上；第二组行星齿轮机构由另一太阳轮、另一行星架、另一齿圈组成，双转子电机输出轴通过第三离合器与另一行星架连接或通过第二离合器与另一齿圈连接；另一太阳轮固定设置在太阳轮轴上，另一齿圈旁固定有第三制动器、另一行星架旁固定有第四制动器，另一齿圈上具有第三制动器摩擦片，另一星架上具有第四制动器摩擦片，双转子电机输出轴与太阳轮轴在同一条轴线上；双转子电机输入轴上设有滑环，滑环电连接外部蓄电池，在蓄电池两侧分别接主交直流转换器和副交直流转换器，蓄电池另一端接入外转子的电枢绕组。

上述电力无级变速器的动力驱动模式采用的技术方案是：由第一组行星齿轮机构实现三种动力驱动模式间的切换；第一种动力驱动模式是全混合动力驱动模式：当第一制动器松开，第二制动器制动，第一离合器松开时，发动机自由旋转，行星齿轮中齿圈固定不动，外转子、内转子均自由转动； 第二种动力驱动模式是纯电动驱动模式：当第一制动器结合，第二制动器、第一离合器脱开时，发动机制动，外转子、内转子均自由旋转，蓄电池由滑环经外转子上的电枢绕组向外转子提供电能，由内转子输出到车轮，当车辆制动时，制动能量由车轮经过双转子电机回收到蓄电池；第三种动力驱动模式是并联混合动力驱动模式，当第一制动器、第二制动器均脱开，第一离合器结合时，发动机自由旋转，第一离合器结合，五个所述摩擦片结合，使发动机输出轴、外转子、内转子连接成一体且以同转速旋转；外转子不通电，发动机动力直接通过第一行星齿轮机构传递到内转子输出。

本发明有机结合了双转子电机与行星齿轮机构的优点，第一组与第二组行星齿轮机构分别起到动力模式切换与改变传动比的作用。通过这两组行星齿轮机构实现了三个功能：第一，电力无级变速器的内转子转速增高，使得双转子电机传递的转矩下降，由于双转子电机的体积与传递的转矩成正比关系，所以可以减小双转子电机的体积，提高功率密度；第二，传统的电力无级变速器的输入轴与发动机输出轴是固定连接的，汽车只能局限地工作在全混合动力模式下，本发明采用一组行星齿轮机构使得汽车还可以工作在并联混合动力模式下和纯电动动力模式下，此外还能实现制动时能量的回收；第三，采用一组行星齿轮机构实现三档变速，扩大了电力无极变速器的传动比范围。

附图说明

图1是本发明电力无级变速器及其与车辆搭载连接示意图；

图2是图1中第一组行星齿轮机构放大图；

图3是图1中第二组行星齿轮部分放大图；

图4是本发明工作在全混合动力模式下的动力传递示意图；

图5是本发明工作在并联混合动力模式下的动力传递示意图；

图6是本发明工作在传电动模式下的动力传递示意图；

图7是图1中蓄电池21的连接结构示意图；

图中：1.发动机；2.发动机输出轴；3.滑环；4.第一组行星齿轮太阳轮；5.第一组行星齿轮行星架；6.第一组行星齿轮齿圈；7.第一制动器；8.第二制动器；9.双转子电机外转子； 10.双转子电机内转子；11.双转子电机定子；12.双转子电机输出轴；13.第三离合器；14.第二组行星齿轮太阳轮；15.第二组行星齿轮行星架；16.第二组行星齿轮齿圈；17.双转子电机输入轴；18.定子轴；19.第一离合器；20.主交直流转换器；21.蓄电池；22.副交直流转换器；23.第二离合器；24.动力总成壳体；25.第三制动器；26.太阳轮轴；27.第四制动器；28.主减速器；29.车轮；30.第一制动器摩擦片；31.第二制动器摩擦片；32.第一离合器第一摩擦片；33.第一离合器第二摩擦片；34.第一离合器第三摩擦片；35.第一离合器第四摩擦片； 36.第一离合器第五摩擦片；37.第三制动器摩擦片；38.第四制动器摩擦片。

具体实施方式

如图1所示，本发明的电力无级变速器主要包括动力总成壳体24，双转子电机与两组行星齿轮机构，双转子电机与两组行星齿轮机构均设置在动力总成壳体24中，其中，双转子电机设置在两组行星齿轮机构之间。第一组行星齿轮机构实现车辆在各个驱动模式间的切换，第二组行星齿轮机构实现三档变速。第一组行星齿轮机构通过发动机输出轴2连接发动机1，第二组行星齿轮机构通过其输出轴太阳轮轴26连接主减速器28，主减速器28控制车轮29。

双转子电机是同轴心布置的三层结构，最外层是外转子9，中间是内转子10，最内层是定子11。其中，内转子10的内外两侧镶有磁钢，定子11与外转子9上安装有电枢绕组。外转子9固定设置在双转子电机输入轴17上，双转子电机输入轴17通过第一组行星齿轮机构与发动机输出轴2连接，由双转子电机输入轴17上带动外转子9旋转。在双转子电机输入轴17上安装滑环3，滑环3电连接外部蓄电池21，在蓄电池21两侧分别接主交直流转换器20和副交直流转换器22，蓄电池21另一端接入外转子9的电枢绕组，电流通过滑环3从外部的主交直流转换器20、蓄电池21和副交直流转换器22 通入外转子9的电枢绕组中。内转子10固定设置在双转子电机输出轴12上，双转子电机输出轴12通过第二组行星齿轮机构连接太阳轮轴26。定子11固定设置在定子轴18上，定子轴18伸入第一组行星齿轮机构中。

参见图2，第一组行星齿轮机构由太阳轮4、行星架5、齿圈6组成。其中，太阳轮4与外转子9固定连接。行星架5与发动机输出轴2固定连接。在齿圈6与双转子电机的内转子10之间安装第一离合器19，齿圈6与双转子电机的内转子10通过第一离合器19连接，第一离合器19通过双转子电机输出轴12工作。定子轴18上安装有第一制动器7。行星架5上还安装有第一制动器摩擦片30与第一离合器第一摩擦片32。第一制动器7通过与第一制动器摩擦片30的结合脱开来控制行星架5的结合与脱开。齿圈6安装有第二制动器摩擦片31与第一离合器第二摩擦片33。定子轴18与齿圈6之间装有第二制动器8，第二制动器8通过与第二制动器摩擦片31的结合脱开来控制齿圈6的结合脱开。第一离合器第三摩擦片34装在双转子电机外转子9上，第一离合器第四摩擦片35安装在固定的定子轴18上，第五摩擦片36安装在内转子10上。当第一离合器19工作时五片上述摩擦片由于摩擦力而结合时，会使发动机输出轴2、外转子9、内转子10同速转动。此电力无级变速器的动力由双转子电机输入轴17输入，由双转子电机输出轴12输出。

当第一制动器7结合，第二制动器8、第一离合器19脱开时，发动机不出力，这种电力无级变速器工作在纯电动模式；当第一制动器7脱开，第二制动器8结合，第一离合器19脱开时这种电力无级变速器工作在全混合动力模式；当第一制动器7、第二制动器8均脱开，第一离合器19结合时这种电力无级变速器工作在并联混合动力模式，因此，第一组行星齿轮结构实现车辆在各个驱动模式间的切换。

参见图3，第二组行星齿轮机构由太阳轮14、行星架15、齿圈16组成。双转子电机输出轴12通过第三离合器13与行星架15连接或者通过第二离合器23与齿圈16连接；太阳轮14固定在太阳轮轴26上，太阳轮轴26是此行星齿轮机构的输出轴，与主减速器连接，将动力传递至车轮29。在动力总成壳体24上，位于齿圈16旁固定有第三制动器25、位于行星架15旁固定有第四制动器27，齿圈16上装有第三制动器摩擦片37，行星架15上安装有第四制动器摩擦片38。第三制动器25通过与第三制动器摩擦片37的脱开与结合来控制齿圈16的脱开与结合，第四制动器27通过与第四制动器摩擦片38的脱开与结合来控制行星架15的脱开与结合；双转子电机输出轴12与第二组行星齿轮太阳轮轴26在同一条轴线上。

双转子电机内转子轴12即三挡变速器的输入轴，与输出轴太阳轮轴26之间有三种动力传动方法：一种动力传动方法是：当第三制动器25、第四制动器27脱开，第二离合器23、第二离合器13结合时，因为第二组行星齿轮机构中的齿圈16与第二离合器23连接、行星架15与第三离合器13连接，第一、二离合器19、23又均与双转子电机输出轴12连接，所以当这两个离合器都结合时，齿圈16与行星架15与双转子电机输出轴12绑定，以同转速旋转，这样根据行星齿轮机构的结构，太阳轮14也与齿圈16、行星架15一样具有相同的转速，这时此行星齿轮的传动比为1。第二种动力传动方法是：当第二离合器23、第四制动器27结合，第三离合器13、第三制动器25脱开时，行星架15制动，齿圈16通过第二离合器23与双转子电机输出轴12绑定，动力从齿圈16输入、由太阳轮14输出，设齿圈16的齿数为                                                

、太阳轮14的齿数为

，则此时行星齿轮的传动比为。第三种动力传动方法是：当第三离合器13、第三制动器25结合，第二离合器23、第四制动器27脱开时，齿圈16制动，行星架15通过第三离合器13与双转子电机输出轴12绑定，动力由行星架15输入、由太阳轮14输出，则此时行星齿轮的传动比为（1+

）。由此，通过两个制动器、两个离合器，第二组行星齿轮机构实现了三档变速，在速比1、

、（1+

）之间切换。

图4、图5、图6是当第一制动器7、第二制动器8、第一离合器19工作在不同状态下，混合动力总成对应的运行状态示意图。

如图4所示，当第一制动器7松开，第二制动器8制动，第一离合器19松开。这时，发动机1可以自由旋转，行星齿轮中齿圈6固定不动。外转子9、内转子10均可以自由转动，因此动力系统总成运行在全混合动力模式下。设太阳轮4的齿数为

、齿圈齿数为，这样在行星架5与太阳轮4之间形成一个升速环节，也即发动机输出轴2和外转子9之间形成一个升速环节，升速比为（i=）。因此外转子9的输出转矩为发动机1输出转矩的1/i。由于电机的体积与电机的转矩成正比，因此本发明可以获得更小的外转子9，缩小双转子电机的整体体积。

如图5所示，当第一制动器7、第二制动器8均松开，第一离合器19结合。这时发动机1可以自由旋转。由于第一离合器19结合，即五个摩擦片结合，与摩擦片连接的发动机输出轴2、外转子9、内转子10连接成一体，以同转速旋转。此时，外转子9不通电，发动机1动力直接通过第一行星齿轮机构传递到内转子10输出。整个动力系统总成工作在并联混合动力模式下。

如图6所示，当第一制动器7结合，第二制动器8、第一离合器19松开。这时发动机1制动，不能提供动力。而双转子电机的内外转子均可以自由旋转。此时蓄电池21由滑环3经外转子9上的电枢绕组向外转子9提供电能，由内转子10输出到车轮29，以纯电动方式驱动车辆。当车辆制动时，制动能量还可以由车轮29经过双转子电机回收到蓄电池21或者储能装置内。

参见图7，滑环3安装在双转子电机的外转子9上，然后通过到导线与主交直流转换器20连接，主交直流转换器20将交流电转换为直流电存储入蓄电池21，蓄电池21又通过导线与副交直流转换器22连接，副交直流转换器22通过导线与双转子电机的定子11连接。副交直流转换器22又可以将蓄电池21中的直流电转换为交流电传至定子11。当外转子9转速高于内转子10转速时，发动机1的一部分能量直接传递给内转子10用于驱动车辆，其余能量通过外电机磁场传递到主交直流转换器20存储入蓄电池21中，在内转子10所需转矩增加时，可以从蓄电池21中取出能量，通过副交直流转换器22内供给内电机，提供附加转矩。因此当发动机1提供的功率不足时，蓄电池21向外放电像汽车驱动系统提供能量；当汽车所需的功率较小时或者回收制动能量时，多余的能量由蓄电池21储存。所以可以通过控制双转子电机的内外转子的转速来控制蓄电池21的充放电。

Claims (3)

1.一种具有三档变速功能的电力无级变速器，包括双转子电机与两组行星齿轮机构，其特征是：第一组行星齿轮机构通过发动机输出轴（2）连接发动机（1），第二组行星齿轮机构通过太阳轮轴（26）连接主减速器（28）； 

所述双转子电机设置在两组行星齿轮机构之间，是同轴心布置的三层结构，最外层是固定设置在双转子电机输入轴（17）上的外转子（9），中间是固定设置在双转子电机输出轴（12）上的内转子（10），最内层是固定设置在定子轴（18）上的定子（11）；

所述第一组行星齿轮机构由太阳轮（4）、行星架（5）、齿圈（6）组成，太阳轮（4）与外转子（9）固接，行星架（5）与发动机输出轴（2）固接，齿圈（6）与内转子（10）通过第一离合器（19）连接，定子轴（18）上具有第一制动器（7），行星架（5）上具有第一制动器摩擦片（30）与第一离合器第一摩擦片（32），齿圈（6）具有第二制动器摩擦片（31）与第一离合器第二摩擦片（33），定子轴（18）与齿圈（6）之间具有第二制动器（8），第一离合器第三摩擦片（34）设置在双转子电机外转子（9）上，第一离合器第四摩擦片（35）设置在定子轴（18）上，第五摩擦片（36）设置在内转子（10）上； 

所述第二组行星齿轮机构由另一太阳轮（14）、另一行星架（15）、另一齿圈（16）组成，双转子电机输出轴（12）通过第三离合器（13）与另一行星架（15）连接或通过第二离合器（23）与另一齿圈（16）连接；另一太阳轮（14）固定设置在太阳轮轴（26）上，另一齿圈（16）旁固定有第三制动器（25）、另一行星架（15）旁固定有第四制动器（27），另一齿圈（16）上具有第三制动器摩擦片（37），另一星架（15）上具有第四制动器摩擦片（38），双转子电机输出轴（12）与太阳轮轴（26）在同一条轴线上；

双转子电机输入轴（17）上设有滑环（3），滑环（3）电连接外部蓄电池（23），在蓄电池（23）两侧分别接主交直流转换器（20）和副交直流转换器（22），蓄电池（21）另一端接入外转子（9）的电枢绕组。

2.根据权利要求1所述的具有三档变速功能的电力无级变速器，其特征是：当第三制动器（25）、第四制动器（27）脱开，第二离合器（23）、第二离合器（13）结合时，第二组行星齿轮机构的传动比为1；当第二离合器（23）、第四制动器（27）结合，第三离合器（13）、第三制动器（25）脱开时，第二组行星齿轮机构的传动比为                                               ；当第三离合器（13）、第三制动器（25）结合，第二离合器（23）、第四制动器（27）脱开时，第二组行星齿轮机构的传动比为（1+

）；

是另一齿圈（16）的齿数，

是另一太阳轮（14）的齿数。

3.一种具有三档变速功能的电力无级变速器的动力驱动模式，其特征是：由第一组行星齿轮机构实现三种动力驱动模式间的切换；

第一种动力驱动模式是全混合动力驱动模式：当第一制动器（7）松开，第二制动器（8）制动，第一离合器（19）松开时，发动机（1）自由旋转，齿圈（6）固定不动，外转子（9）、内转子（10）均自由转动； 

第二种动力驱动模式是纯电动驱动模式：当第一制动器（7）结合，第二制动器（8）、第一离合器（19）脱开时，发动机（1）制动，外转子（9）、内转子（10）均自由旋转，蓄电池（21）由滑环（3）经外转子（9）上的电枢绕组向外转子（9）提供电能，由内转子（10）输出到车轮（29），当车辆制动时，制动能量由车轮（29）经过双转子电机回收到蓄电池（21）；

第三种动力驱动模式是并联混合动力驱动模式，当第一制动器（7）、第二制动器（8）均脱开，第一离合器（19）结合时，发动机（1）自由旋转，第一离合器（19）结合，五个所述摩擦片结合，使发动机输出轴（2）、外转子（9）、内转子（10）连接成一体且以同转速旋转；外转子（9）不通电，发动机（1）动力直接通过第一行星齿轮机构传递到内转子（10）输出。

Images