CN102019847A - 混联式混合动力驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车混合驱动技术领域的混联式混合动力驱动系统，发动机、第一离合器、第一电机、第二离合器、第二电机、第二电机减速装置、减速差速装置、储能装置和电机控制装置，发动机的曲轴输出端与第一离合器的输入端相连接，第一离合器的输出端与第一电机的转子相连接，第一电机的转子与第二离合器的输入端相连接，第二电机的转子与第二电机减速装置的输入端相连接，第二离合器的输出端与第二电机减速装置的输出端相连接，第二电机减速装置的输出端再与减速差速装置相连接，减速差速装置输出动力至车轮，电机控制装置的输入端与储能装置相连接并将电能分别输出至第一电机和第二电机。本发明实现了高性能、低开发成本、低系统成本的有机结合。

Description

混联式混合动力驱动系统

技术领域

本发明涉及的是一种汽车混合驱动技术领域的装置，具体是一种混联式混合动力驱动系统。

背景技术

汽车混联式混合动力系统，集成串联混合动力系统和并联混合动力系统优点、克服了各自的缺点，适用于所有路况，并有极大的性能优势。但现有的混联式混合动力系统，如最具代表性的日本丰田汽车公司的THS(丰田混合动力系统)混合动力系统及其THS2(第二代丰田混合动力系统)混合动力系统、通用汽车公司的EP(电动并联)混合动力系统及其AHS2(第二代先进混合动力系统)系统，发动机输出动力中大都有一部分能量需经系统中的一个电机发电给蓄电池充电或供另一个电机使用，这部分能量经过多次能量转换后造成了较大损失，同时动力合成机构结构复杂、制造成本高。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN201021118，公开日为2008.02.13，专利名称为：混联式混合动力汽车，该专利自述为：“一种混联式混合动力汽车，其主要包括发动机，该发动机通过一离合器与一电动机机械连接，该电动机再与一驱动桥机械连接；另，所述的发动机又与一发电机机械连接，该发动机则通过发电控制器与蓄电池组电气连接；此外，所述的电动机还通过一驱动控制器与所述的蓄电池组电气连接”。其不足之处是：要求电动机转矩大，电动机体积大、重量大，也使系统成本高，否则整车低速动力性不佳；如果采用大减速比的驱动桥解决该问题，整车最高车速又将收到限制；发电机未被用于驱动，电驱动效率难于最优化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种混联式混合动力驱动系统，具有更好的与现有车辆的技术继承性以及整车动力性、燃油经济性和低排放的特点，具有混联系统功能和无级变速功能，解决现有同类技术低速驱动力不足、坡道起步能力不足、系统体积大和成本高的问题，实现了高性能、低开发成本、低系统成本的有机结合。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：发动机、第一离合器、第一电机、第二离合器、第二电机、第二电机减速装置、减速差速装置、储能装置和电机控制装置，其中：发动机的曲轴输出端与第一离合器的输入端相连接，第一离合器的输出端与第一电机的转子相连接，第一电机的转子与第二离合器的输入端相连接，第二电机的转子与第二电机减速装置的输入端相连接，第二离合器的输出端与第二电机减速装置的输出端相连接，第二电机减速装置的输出端再与减速差速装置相连接，减速差速装置输出动力至车轮，电机控制装置的输入端与储能装置相连接并将电能分别输出至第一电机和第二电机。

所述的第一电机与第一离合器之间设有第一电机减速装置，第一电机的转子通过该减速装置与第一离合器的输出端相连接。

所述的储能装置为动力蓄电池、超级电容或动力蓄电池与超级电容的复合电源装置。

所述的储能装置上设有外接充电装置。

所述的发动机的曲轴输出端设有起动马达，该起动马达具体通过第一离合器的主动盘与发动机的曲轴输出端相连接，用于在系统故障、低温等特定条件下起动发动机。

所述的第一离合器采用常结合型扭转减振装置或具有接通与断开动力传动功能的同步切换机构，用于减小所述的混联式混合动力驱动系统中的动力总成的长度，或用于减小所述的混联式混合动力驱动系统中的动力总成的长度，进一步改善系统的整车搭载性。

所述第二离合器采用具有接通与断开动力传动功能的同步切换机构，用于减小所述的混联式混合动力驱动系统中的动力总成的长度，进一步改善系统的整车搭载性。

本发明的工作过程和工作原理为：

(1)系统参数设置：发动机功率、第一电机功率不小于车辆运行工况所需的平均功率。第一电机峰值转矩不小于起动发动机要求的转矩，但在第一电机的转子通过第一电机减速装置与第一离合器的输出端相连接时，第一电机峰值转矩不小于小于起动发动机要求的转矩除以第一电机减速装置的减速比。第二电机功率不小于车辆运行工况所需的功率，其峰值转矩不小于车辆动力性指标要求的最大转矩除以第二电机减速装置的减速比。第一电机减速装置、第二电机减速装置的减速比按车辆最高车速要求来设置。储能装置的功率不小于第二电机的最大功率。

(2)第二电机减速装置的输出端通过减速差速装置、驱动桥与车轮进行动力传递。第二电机通过第二电机减速装置与第二电机减速装置的输出端进行动力传递。发动机通过第一离合器由第一电机起动，或由第一电机经过第一电机减速装置后起动。发动机与第二电机减速装置的输出端之间通过发动机的曲轴输出端、第一离合器、第一电机、第二离合器进行动力传递。第一电机与第二电机减速装置的输出端之间通过第二离合器进行动力传递，亦与发动机之间通过第一离合器、发动机的曲轴输出端进行动力传递。

(3)第一电机、第二电机分别通过高压电路与电机控制装置、储能装置进行电能传递。第一电机按电动方式运行时需要的电能由储能装置提供，按发电方式运行时发出的电能由储能装置接收。第二电机按电动方式运行时需要的电能由储能装置或/和第一电机提供，按发电方式运行时发出的电能亦由储能装置接收。

(4)在发动机、第一电机、第二电机等全部动力部件与车轮之间的动力传递链中，取消现有内燃机汽车的变速器和缓速器，实现无级变速混合驱动。

(5)发动机可按停机、运行等2种方式工作；第一电机可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作；第二电机也可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作；第一离合器可按结合、分离等2种方式工作；第二离合器也可按结合、分离等2种方式工作。可实现全部混合动力系统的运行模式：发动机怠速停机/快速起动、无级变速纯电动驱动、无级变速纯发动机驱动、无级变速串联驱动、无级变速并联混合驱动、无级变速行车充电混合驱动、再生制动能量回馈、停车充电等全部混合动力系统的运行模式。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1)无级变速。取消了变速器，发动机、第一电机、第二电机的动力通过第二电机减速装置的输出端，进而通过差速减速器、驱动桥传递到车轮，实现了无级变速，提高了驾驶的舒适性和降低了驾驶员劳动强度。

2)低成本和高动力性能。可实现的串联混合运行模式，降低了对储能系统的储能量要求，从而降低储能系统及其使用成本。第二电机通过第二电机减速装置参与驱动，减小了对第二电机转矩和功率要求。将第一离合器控制为断开状态，第一电机参与纯电驱动，将减小对第二电机的驱动转矩要求。相对只有第二电机可进行纯电驱动的现有混合动力驱动系统，第二电机的转矩可减小30％。这不仅降低了系统成本、体积和重量，还将显著改善车辆的动力性能。例如，对于城市客车，采用柴油机作唯一动力源时，车辆起步时的减速差速器的输入转矩4000Nm。满足4000Nm转矩要求的电机体积大、重量大、成本高，因此现有技术通常采用1500Nm至2000Nm的电机，不仅成本高，而且整车低速动力性还极为不佳；利用本发明所述的混联式混合动力驱动系统，可以这样配置：第一电机转矩500Nm、第二电机转矩1000Nm、第二电机减速装置的速比3.5，即可满足车辆起步时的减速差速器的输入转矩4000Nm的要求。

3)易于产业化实现。取消了变速器和缓速器，有效避免了混合动力系统开发中自动机械变速系统的技术难题。第二电机的大功率大转矩要求大幅度降低，系统中所涉及的零部件技术比较成熟，从而降低了开发难度、易于产业化实现。

4)高可靠性、低维修成本。采用可控自动离合器，减小了离合器结合与分离的频次，并实现了离合器小滑差或无滑差结合，最大程度地避免了离合器的磨损损坏，降低维护成本。另外，可实现的串联混合运行模式，降低了对储能装置的大功率运行要求，由于储能装置在混合动力系统中是故障率和成本比例都较高的部件，因此进一步降低了系统成本和维护成本。利用第一离合器，避免了传动系统对发动机轴系的扭转振动的不利影响，也避免了发动机散热对第一电机的不利影响。通过设置起动马达，可以在低温和电驱动系统故障情况为发动机提供一个备用的起动途径，可避免储能装置的低温使用损坏。

5)灵活混合动力系统。本发明中，电驱动系统已能满足同类车纯电驱动的要求，因此，通过扩大储能装置储能量、取消发动机系统，即为纯电动动力系统；取消第二离合器，即为典型的串联混合动力系统；仅用变速系统代替第二电机系统，即可形成典型的双离合器并联混合动力系统；用燃料电池发动机代替本发明所述的发动机，则演变为典型的燃料电池电-电混合动力系统；加入外接充电系统，就是各类典型的Plug-in混合动力系统。

6)与国际上著名同类产品相比有比较高的性能价格比，具有较强的市场竞争力。本发明为一种双离合器双电机混联系统结构，实现了混合动力系统的全部运行模式，可适用于各种路况，模式控制比现有的技术更加灵活，使应用本发明的混合动力汽车的动力性、燃油经济性和有害排放达到了综合最佳，显著优于串联系统、并联系统和现有的混联系统。经分析，应用本发明的混合动力客车，节油率可达到36％以上、动力性不低于现有车辆、驾驶平顺性明显优于现有车辆、驾驶员劳动强度显著降低，性能价格比高于现有技术27％。

附图说明

图1是实施例1结构示意图。

图2是实施例2结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例混合动力驱动系统，包括：发动机1、第一离合器2、第一电机3、第二离合器4、第二电机5、第二电机减速装置6、减速差速装置7、驱动桥8、车轮9、储能装置10、电机控制装置11和起动马达12，其中：发动机1的曲轴输出端与第一离合器2的输入端相连接，第一离合器2的输出端与第一电机3的转子相连接，第一电机3的转子与第二离合器4的输入端相连接，第二电机5的转子与第二电机减速装置6的输入端相连接，第二离合器4的输出端与第二电机减速装置6的输出端相连接，第二电机减速装置6的输出端再与减速差速装置7相连接，减速差速装置6再通过驱动桥8与车轮9相连接，储能装置10通过高压电路与电机控制装置11相连接，电机控制装置11通过高压电路分别与第一电机3、第二电机5相连接。起动马达12的输出端通过第一离合器2的输入端连接到发动机1的曲轴输出端。

所述的发动机1提供车辆行驶的大部分动力。

所述的第一电机3用于起动发动机1，也用于提供车辆行驶过程中的部分动力，还可按发电机运行提供第二电机5驱动车辆需要的电能或辅助回收再生制动能量或向储能装置10充电。

所述的第一离合器2为自动可控离合器，用于接通或切断发动机1和第一电机3的机械连接和动力传递。

所述的第二离合器4为自动可控离合器，用于接通或切断第一电机3和第二电机5的机械连接和动力传递。

所述的第二电机5，用于提供车辆行驶过程中的全部或部分动力，还可回收再生制动能量或向储能装置10充电。

所述的第二电机减速装置6用于对第二电机5的减速增矩，减小对第二电机5的转矩要求并提高其效率。

所述的储能装置10，为动力蓄电池、或超级电容、或动力蓄电池与超级电容的复合电源装置，用于向第一电机3、第二电机5提供电能，也可用于接收第一电机3、第二电机5发电发出的电能。

所述的电机控制装置11用于对第一电机3和第二电机5的驱动控制。

所述的起动马达12用于在系统故障、低温等特定条件下起动发动机1。

上述实施例的工作过程为：

(1)第二电机减速装置6的输出端通过减速差速装置7、驱动桥8与车轮9进行动力传递。第二电机5通过第二电机减速装置6与第二电机减速装置6的输出端进行动力传递。发动机1通过第一离合器2由第一电机3起动。发动机1与第二电机减速装置6的输出端之间通过发动机1的曲轴输出端、第一离合器2、第一电机3、第二离合器4进行动力传递。第一电机3与第二电机减速装置6的输出端之间通过第二离合器4进行动力传递，亦与发动机1之间通过第一离合器2、发动机1的曲轴输出端进行动力传递。

(2)第一电机3、第二电机5分别通过高压电路与电机控制装置11、储能装置10进行电能传递。第一电机3按电动方式运行时需要的电能由储能装置10提供，按发电方式运行时发出的电能由储能装置10接收。第二电机5按电动方式运行时需要的电能由储能装置10或/和第一电机3提供，按发电方式运行时发出的电能亦由储能装置10接收。

(3)在发动机1、第一电机3、第二电机5等全部动力部件与车轮9之间的动力传递链中，取消现有内燃机汽车的变速器和缓速器，实现无级变速混合驱动。

(4)发动机1可按停机、运行等2种方式工作；第一电机3可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作；第二电机5也可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作；第一离合器2可按结合、分离等2种方式工作；第二离合器4也可按结合、分离等2种方式工作。

(5)起动马达12通过第一离合器2的输入端连接到发动机1的曲轴输出端，用于在系统故障、低温等特定条件下起动发动机1。

本发明可实现全部混合动力系统的运行模式：发动机怠速停机/快速起动、无级变速纯电动驱动、无级变速纯发动机驱动、无级变速串联驱动、无级变速并联混合驱动、无级变速行车充电混合驱动、再生制动能量回馈、停车充电等全部混合动力系统的运行模式。

系统运行模式和基本驱动控制策略：

(1)发动机怠速停机/快速起动

在车辆减速过程中、或遇红灯或堵车或其它情况而停车时，通过使发动机1断油、停机，避免了现有内燃机汽车此时减速、怠速运行的油耗和尾气排放，是提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放的重要策略之一。根据整车控制策略，在需起动发动机1时，第一离合器2处于结合状态，第二离合器4处于分离状态，可随时通过第一电机3、第一离合器2快速拖动发动机1到某一较高转速后，发动机1才开始喷油，避免了现有发动机1起动过程造成的燃油消耗与尾气有害排放，提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放。

(2)无级变速纯电驱动

车辆起步阶段或低负荷或低速运行时，发动机1处于低负荷工况，其热效率低且尾气排放不佳。由于取消了变速器，在车辆起步阶段或低速运行时，发动机1将因转速过低而不宜输出动力。在这些情况下，可进行纯电驱动：

第二电机5通过第二电机减速装置6的减速增矩效应，提供整车驱动的全部扭矩，满足车辆行驶较大驱动扭矩要求，实现零排放，此时第二离合器4处于分离状态，避免了倒拖发动机1、第一电机3的能量消耗和扭矩损失。

第一电机3、第二电机5共同提供整车驱动的全部扭矩，满足车辆行驶更大的驱动扭矩要求，实现零排放，此时第一离合器2处于分离状态、第二离合器4处于结合状态，避免了倒拖发动机1的能量消耗、扭矩损失。

第一电机3提供整车驱动的全部扭矩，满足车辆行驶中小驱动扭矩要求，实现零排放，此时第一离合器2处于分离状态、第二离合器4处于结合状态，避免了倒拖发动机1的能量消耗、扭矩损失。

该模式对于城市客车降低排放、避免离合器频繁结合而引起的磨损等，具有重要贡献。

由于第一电机3可参与驱动，第二电机减速装置6对第二电机5的减速增矩效应，可大幅度降低对第二电机5的大扭矩要求，同时还能获得更大的车辆驱动扭矩，提高效率、降低成本。相对只有第二电机5可进行纯电驱动的现有混合动力驱动系统，第二电机5的转矩可减小到30％以下。

(3)无级变速纯发动机驱动

在车辆的驱动扭矩达到设定范围、车速高于设定值后，发动机1工作在高效率区，可通过使第一电机3和第二电机5空转而实现无级变速纯发动机驱动，确保将通过制动回馈能量和行车充电优化发动机1效率而对储能装置10的充电电能充分高效地利用于助力混合驱动等工况，提高整车效率，且可避免储能装置10的电量快速损失，延长其使用寿命。

(4)无级变速串联驱动

在任何车速和车辆驱动的动力需求下，当第二电机5驱动能力满足车辆驱动要求，或车辆运行环境要求(如穿越闹市区)时，通过使发动机1工作在高效率点或一个极高效率区间，使第一离合器2被切换到或保持在结合状态、第二离合器4被切换到或保持在分离状态，第一电机3按发电机运行提供第二电机5驱动车辆所需要的主要能量。可使发动机1的尾气排放量达到最低，还可方便地实现储能装置10的电量平衡控制和降低对储能装置10的容量要求，降低零部件成本和维护成本。

在基于第二电机5的纯电驱动模式下，如果储能装置电量低，也可使系统按无级变速串联驱动模式工作。

(5)无级变速直接并联混合驱动

在当车辆急加速或爬坡等需要较大车辆驱动扭矩或所需车辆驱动扭矩快速增大时，如果储能装置10的电量适合提供所需电驱动能量，车速高于设定值后，则可在发动机1输出动力的同时，使第一电机3、第二电机5中任意一个电机或2个电机按电动模式运行，与发动机1的输出动力在第二电机减速装置6的输出端直接耦合，具有3种形式的无级变速直接并联混合驱动模式，可在获得良好整车动力性的同时，提高能量效率优化。

(6)无级变速发电混合驱动

在储能装置10剩余电量较小，发动机1在满足整车驱动扭矩需求后还有剩余的情况下，可通过使第一电机3或第二电机5中的一个按发电机模式运行，补充储能装置电能，或向另一个按电动机模式运行的电机提供部分或全部电能，使发动机1运行效率提高，并同时用于实现储能装置10的电量平衡和满足整车动力性要求。

(7)再生制动能量回馈

在车辆制动或减速过程中，发动机1停油且第一电机3、第二电机5中的任意一个电机或2个电机按发电机工作，进入再生制动能量回馈模式，有3种能量回馈途径(即，单独采用第一电机3，或单独采用第二电机5、或同时采用该二电机)供灵活选择采用。因此，制动能量回馈效率得到显著提高。另外，由于第一离合器2被切换到或保持分离状态，可避免对发动机1的倒拖引起的能量回馈效率损失。

第二电机5为一大功率较大扭矩电机，且与车轮保持为机械连接，因此可根据需要随时进行再生制动而回馈能量。第一电机3也可随时参与再生制动而回馈能量。系统的回馈功率较一般并联系统和混联系统大。因此，可取消现有车辆上的缓速器，降低成本。

(8)停车充电

在停车状态，如所述的储能装置10的电量太低，可以进行停车充电模式。在停车充电模式，第二离合器4处于分离状态、第一离合器2处于结合状态，由与发动机1通过第一离合器2驱动的第一电机3按发电方式工作，给储能装置10充电。当储能装置10的电量超过一个设定值后，停车充电模式结束。

实施例2

如图2所示，本实施例为本发明的一个优化方案，在实施例1的基础上，在第一电机3和第一离合器2之间设有第一电机减速装置13，第一电机3的输出端的通过第一电机减速装置13与第一离合器2的输出端相连接。其它的部件连接、工作过程、系统运行模式和基本控制策略同实施例1。

本实施例由于第一电机减速装置13的存在，用于对第一电机3的减速增矩，减小对第一电机3的转矩要求并提高其效率，也使第二电机5的转矩可以进一步减小。例如，在要求车辆起步时的减速差速器的输入转矩为4000Nm，第一电机减速装置13的速比为3.5∶1，第一电机3的峰值转矩减小到400Nm，第二电机5的峰值转矩可减小到742Nm，可进一步减小第一电机3和第二电机5的重量、体积，降低其成本，提高其效率。

Claims (7)

1.一种混联式混合动力驱动系统，包括：发动机、第一离合器、第一电机、第二离合器、第二电机、第二电机减速装置、减速差速装置、储能装置和电机控制装置，其特征在于：发动机的曲轴输出端与第一离合器的输入端相连接，第一离合器的输出端与第一电机的转子相连接，第一电机的转子与第二离合器的输入端相连接，第二电机的转子与第二电机减速装置的输入端相连接，第二离合器的输出端与第二电机减速装置的输出端相连接，第二电机减速装置的输出端再与减速差速装置相连接，减速差速装置输出动力至车轮，电机控制装置的输入端与储能装置相连接并将电能分别输出至第一电机和第二电机。

2.根据权利要求1所述的混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的第一电机与第一离合器之间设有第一电机减速装置，第一电机的转子通过该减速装置与第一离合器的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的储能装置为动力蓄电池、超级电容或动力蓄电池与超级电容的复合电源装置。

4.根据权利要求1或3所述的混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的储能装置上设有外接充电装置。

5.根据权利要求1所述的混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的发动机的曲轴输出端设有起动马达，该起动马达具体通过第一离合器的主动盘与发动机的曲轴输出端相连接。

6.根据权利要求1所述的混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的第一离合器采用常结合型扭转减振装置或具有接通与断开动力传动功能的同步切换机构。

7.根据权利要求1所述的混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述第二离合器采用具有接通与断开动力传动功能的同步切换机构。

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