CN102050001A - 四模无级变速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四模无级变速混联式混合动力驱动系统，包括：发动机、离合器、两组电机及其对应传动链、动力传递切换装置、行星齿轮差速装置、减速差速装置、储能装置和电机控制装置。本发明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，具有四模驱动、无级变速和混联系统功能，解决了现有同类技术驱动力不足、坡道起步能力不足、系统体积大和成本高、无法实现对发动机无级调速以及因机电部件制造困难而难于批量产业化的问题，实现了高性能、低开发成本、低系统成本、易于规模产业化实现的有机结合。

Description

四模无级变速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，具体是一种四模无级变速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，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，中国专利文献号CN201021118Y，公告日为2008.02.13，专利名称为：混联式混合动力汽车，该技术主要包括发动机，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，在车辆行驶过程中，不能实现对发动机的调速优化控制，系统能量效率难于进一步提高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种四模无级变速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，解决现有同类技术驱动力不足、坡道起步能力不足、系统体积大和成本高、无法实现对发动机无级调速以及因机电部件制造困难而难于批量产业化的问题，实现了高性能、低开发成本、低系统成本、易于规模产业化实现的有机结合。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：发动机、离合装置、两组电机及其对应传动链、动力传递切换装置、行星齿轮差速装置、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离合装置的输入端相连接，离合装置的输出端与第一电机的转子相连接，第一传动链的输入端与第一电机相连，第二传动链的输入端与第二电机相连、减速差速装置的输出端与车轮相连接，电机控制装置的输入端与储能装置相连接并进行电能传递，电机控制装置的输出端分别与第一电机和第二电机相连接并输出控制指令，动力传递切换装置与行星齿轮差速装置连接并实现第一传动链和第二传动链的动力传递控制，第一传动链的输出端与行星齿轮差速装置的壳体或第二动力传动端活动连接，第二传动链的输出端与行星齿轮差速装置的第一动力传动端相连，行星齿轮差速装置的第二动力传动端或壳体与减速差速装置的输入端相连接。

所述的行星齿轮差速装置的第二动力传动端与机体之间设有锁止离合装置且所述第一传动链的输出端与行星齿轮差速装置的第二动力传动端活动连接，并由行星齿轮差速装置的壳体与减速差速装置的输入端相连接。

所述的行星齿轮差速装置与减速差速器的输入端之间设有第三传动链。

所述的传动链为齿轮传动结构、链传动结构、复合传动链结构或传动速比为1的直接连接结构。

所述的行星齿轮差速装置为对称式行星齿轮差速器、不对称式行星齿轮差速器、轴间行星齿轮差速器或具有与行星齿轮差速器相同连接关系的行星齿轮系。

所述的动力传递切换装置为基于变速箱换档装置原理的常啮合齿轮以结合套的方式或加同步器的方式或离合器。

所述的离合装置为离合器、所述动力传递切换装置、常结合型扭转减振装置或常结合型机械连接装置。

所述的锁止离合装置为锁止离合器或制动器并实现行星齿轮差速装置的第二动力传动端的运动锁止控制。

所述的储能装置为动力蓄电池、超级电容、动力蓄电池与超级电容的复合电源或设有外接充电装置的储能电源装置。

所述的发动机的曲轴输出端设有起动马达，该起动马达依次与离合装置和发动机的曲轴输出端相连接并实现在系统故障、低温等特定条件下起动发动机。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1)取消了变速器，实现了无级变速，结构紧奏、易于模块化设计、减小了所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统中的动力总成的长度、改善其整车搭载性，提高了驾驶的舒适性和降低了驾驶员劳动强度。

2)通过对第二电机的调速控制，在任何车速下均可实现发动机工作在最佳效率的转速点，实现对发动机的无级变速控制，将显著提高系统效率。

3)低成本和高动力性、高性能价格比。本发明巧妙地解决了同类双电机混联系统对主驱电机特大转矩需求以及由于动力总成太长而使整车集成应用困难等重大技术瓶颈。通过第一传动链对第一电机、第二传动链对第二电机的减速增矩以及双电机纯电驱动模式，实现了电机小型高速化、总成小型化，降低了对电机的驱动转矩要求，使系统重量、尺寸、成本大幅度减小，电机效率、功率密度显著提高。在达到了燃油车辆相当的动力性的同时，对电机转矩要求却可减小50％～70％。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3500Nm。满足3500Nm转矩要求的电机体积大、重量大、成本极高，因此现有技术通常采用1600Nm至2500Nm的电机，不仅成本高，而且整车低速动力性还极为不佳，利用本发明所述的四模无级变速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800Nm、第一传动链的减速比为1.6、第二传动链的减速比为3.5，即可满足车辆起步时的减速差速器的输入转矩3600Nm的要求。

4)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，可基于现有车辆的差速器、换档机构、离合器、传动齿轮等成熟零部件及其工作模式，从而降低了开发难度、易于产业化实现。

5)高可靠性、低维修成本。采用可控自动离合装置，减小了离合装置结合与分离的频次，并实现了离合装置小滑差或无滑差结合，最大程度地避免了离合装置的磨损损坏，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。离合装置采用离合器，还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。

6)灵活混合动力系统，可方便变型为新型的串联、并联无级变速混合动力驱动系统，以及plug-in四模无级变速混联、plug-in串联、plug-in双模无级变速并联等混合动力驱动系统。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；保持离合装置结合，固定动力传递切换装置的结合套在单电机纯电动模式时的位置，即为典型的串联混合动力系统；取消第一电机，即可形成典型的无级变速并联混合动力系统；加入外接充电系统，就是各类典型的Plug-in混合动力系统。

7)与国际上著名同类产品相比，节油率更高、性能价格比更高，更具有市场竞争优势、更易于产业化实现。本发明的系统具有四模驱动能力，通过对第一电机和第二电机运行转速的控制和转矩的分配，提高了纯电驱动的效率。突破了行星齿轮机构中齿圈、行星架和太阳轮之间的速比约束关系，通过对第一传动链和第二传动链的传动速比的优化，可使系统性能得到进一步的优化。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。

应用本发明的车辆的节油率可达45％以上，相对于串联和并联混合动力系统，节油率分别可提高25％和20％，相对于基于日本丰田和美国通用汽车公司的行星齿轮机构混合动力系统构型，节油率可提高约3～5％，动力性不低于现有燃油车辆、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32％。

附图说明

图1是本发明的实施例1的结构示意图。

图2是本发明的实施例1的发动机无级调速原理图。

图3是本发明的实施例2的结构示意图。

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基于对称式行星齿轮差速器的混合动力驱动系统

如图1所示，本实施例包括：发动机1、离合器2、第一电机3、第一齿轮传动链4、第二齿轮传动链5、第二电机6、同步换档装置7、行星齿轮差速器8、减速差速装置9、储能装置12和电机控制装置13，其中：发动机1的曲轴输出端与离合器2的输入端相连接，离合器2的输出端与第一电机3的转子31相连接，第一电机3的转子31与第一齿轮传动链4的输入端41相连接，第一齿轮传动链4的输出端42空套在行星齿轮差速器8的壳体83相连接的部件上，第二电机6的转子61与第二齿轮传动链5的输入端51相连接，第二齿轮传动链5的输出端52与行星齿轮差速器8的第一半轴齿轮81相连接，行星齿轮差速器8的第二半轴齿轮82与减速差速装置9的输入端相连接，减速差速装置9的输出端通过半轴10与车轮11相连接，电机控制装置13的一端通过电路与储能装置12相连接、另一端通过电路分别与第一电机3和第二电机6相连接，同步换档装置7的传动部件71与行星齿轮差速器8的壳体83相连接，通过移动其结合套72将其传动部件与第一齿轮传动链4的输出端42相连接、或将其传动部件与第二齿轮传动链5的输出端52相连接。

所述的行星齿轮差速器8为对称式行星齿轮差速器。

所述的同步换档装置7采用变速箱中的同步换档装置，也可以采用常啮合齿轮以结合套的方式。

所述的电机控制装置13为对第一电机3和第二电机6的集成驱动控制装置或由第一电机3的驱动控制装置和第二电机6的驱动控制装置组成。

所述的储能装置12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12上设有外接充电装置。

所述的发动机1的曲轴输出端设有起动马达14，该起动马达14具体通过离合器2的主动盘与发动机1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1。

所述的离合器2为干式离合器。

本实施例的工作过程和工作原理为：

(1)系统参数设置：发动机1功率、第一电机3功率≥车辆运行工况所需的平均功率。第二电机6功率≥车辆运行工况所需的功率。第一电机3峰值转矩≥起动发动机1要求的转矩，第二电机6的峰值转矩×第二齿轮传动链5的传动速比≥车辆平坦路面行驶动力性指标要求的最大转矩，第一电机3峰值转矩×第一齿轮传动链4的传动速比+第二电机6峰值转矩×第一齿轮传动链4的传动速比≥车辆动力性指标要求的最大转矩。第一齿轮传动链4的传动速比、第二齿轮传动链5的传动速比按车辆最高车速、第二电机6和发动机1的最高允许转速要求来设置。储能装置12的功率≥第一电机3的最大功率+第二电机6的最大功率。

(2)无级调速原理：如图2所示，根据行星齿轮差速器8的第一半轴齿轮81的转速+行星齿轮差速器8的第二半轴齿轮82的转速＝2×行星齿轮差速器8的壳体83的转速，在任意的车速(对应任意的减速差速器9的输入端的转速)下，通过控制第二电机6的转速，即可将第一齿轮传动链4的输入端41的转速调节在任意期望的转速。当离合器2处于接通状态时，第一齿轮传动链4的输入端41的转速也就是发动机1的转速。所以，在任意车速下，通过控制第二电机6的转速即可对发动机1实现无级调速，使其在最佳转速下运行，实现发动机1的节油减排的最优化。

(3)四模运行原理：

单电机纯电动模式：移动同步换档装置7的结合套72，将同步换档装置7的传动部件71与第二齿轮传动链5的输出端52相连接后，行星齿轮差速器8的壳体83与其第一半轴齿轮81相连接，行星齿轮差速器8为锁止相当于一个整体、第一齿轮传动链4的输出端42与行星齿轮差速器8的连接被断开，第二电机6通过第二齿轮传动链5通过行星齿轮差速器8与减速差速器9的输入端之间进行动力传递。

双电机纯电动模式：使离合器2处于断开状态，向另一方向移动同步换档装置7的结合套72，将同步换档装置7的传动部件71与第一齿轮传动链4的输出端42相连接，第一电机3通过第一齿轮传动链4与行星齿轮差速器8的壳体83进行动力传递，第二电机6通过第二齿轮传动链5与行星齿轮差速器8的第一半轴齿轮81进行动力传递，经行星齿轮差速器8耦合到行星齿轮差速器8的第二半轴齿轮82，进而与减速差速器的输入端进行动力传递。

串联混合驱动模式：使离合器2结合，移动同步换档装置7的结合套72到上述单电机纯电动模式时的位置，并使第二电机6按电动模式工作，第一电机3通过离合器2与发动机1所的曲轴输出端间进行动力传递并按发电模式运行。

并联混合驱动模式：使离合器2结合，移动同步换档装置7的结合套72到双电机纯电动模式时的位置，第一电机3通过离合器2与发动机1的曲轴输出端间进行动力传递，并对发动机1进行无级调速，使发动机1、第一电机3和第二电机6在系统能耗排放最佳点运行。根据第一电机3和第二电机6的运行状态，还可进一步实现单电机并联驱动模式、双电机并联驱动模式等子模式。

该实施例1的四模运行的具体实现见下表：

表1

(4)第一电机3、第二电机6分别通过电路与电机控制装置13、储能装置12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12提供，按发电方式运行时发出的电能由储能装置12接收。第二电机6按电动方式运行时需要的电能由储能装置12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12接收。

(5)在发动机1、第一电机3、第二电机6等全部动力部件与车轮11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，实现了真正的无级调速。即，不仅在纯电动模式和串联驱动下实现了无级变速，而且在并联驱动模式下也实现了对发动机1的无级变速。

(6)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6也可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作，离合器2可按结合、分离等2种方式工作，移动同步换档装置7具有2种位置以选择行星齿轮差速器8的壳体83与第一齿轮传动链4或第二齿轮传动链5相连接。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、无级变速纯电驱动、无级变速串联驱动、无级变速并联驱动、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。

实施例2  基于轴间行星齿轮差速器的混合动力驱动系统

如图3所示，本实施例中所述的第一齿轮传动链4的输出端42空套在行星齿轮差速器8的第二半轴齿轮82相连接的部件上，第二齿轮传动链5的输出端52与行星齿轮差速器8的第一半轴齿轮81相连接，行星齿轮差速器8的壳体83与减速差速器9的输入端相连接，同步换档装置7的传动部件71与行星齿轮差速器8的第二动力传动端相连接，通过移动其结合套72将其传动部件与第一齿轮传动链4的输出端42相连接，行星齿轮差速器8的第二动力传动端再与用于固定行星齿轮差速器8的第二动力传动端的锁止离合器15的一端相连接，锁止离合器15的另一端固定在机体上，控制锁止离合器15将行星齿轮差速器8的第二动力传动端固定或松开。表2是该实施例2的四模运行的具体实现方式。

表2

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，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种四模无级变速混联式混合动力驱动系统，包括：发动机、离合装置、两组电机及其对应传动链、动力传递切换装置、行星齿轮差速装置、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离合装置的输入端相连接，离合装置的输出端与第一电机的转子相连接，第一传动链的输入端与第一电机相连，第二传动链的输入端与第二电机相连、减速差速装置的输出端与车轮相连接，电机控制装置的输入端与储能装置相连接并进行电能传递，电机控制装置的输出端分别与第一电机和第二电机相连接并输出控制指令，动力传递切换装置与行星齿轮差速装置连接并实现第一传动链和第二传动链的动力传递控制，第一传动链的输出端与行星齿轮差速装置的壳体或第二动力传动端活动连接，第二传动链的输出端与行星齿轮差速装置的第一动力传动端相连，行星齿轮差速装置的第二动力传动端或壳体与减速差速装置的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的行星齿轮差速装置的第二动力传动端与机体之间设有锁止离合装置且所述第一传动链的输出端与行星齿轮差速装置的第二动力传动端活动连接，并由行星齿轮差速装置的壳体与减速差速装置的输入端相连接。

3.根据权利要求1所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的行星齿轮差速装置与减速差速器的输入端之间设有第三传动链。

4.根据权利要求1或3所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的传动链为齿轮传动结构、链传动结构、复合传动链结构或传动速比为1的直接连接结构。

5.根据权利要求1所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的行星齿轮差速装置为对称式行星齿轮差速器、不对称式行星齿轮差速器、轴间行星齿轮差速器或具有与行星齿轮差速器相同连接关系的行星齿轮系。

6.根据权利要求1所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的离合装置为离合器、动力传递切换装置、常结合型扭转减振装置或常结合型机械连接装置。

7.根据权利要求1或6所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的动力传递切换装置为基于变速箱换档装置原理的常啮合齿轮以结合套的方式或加同步器的方式或离合器。

8.根据权利要求2所述的四模无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述的锁止离合装置为锁止离合器或制动器并实现行星齿轮差速装置的的第二动力传动端的运动锁止控制。

9.根据权利要求1所述的四模无级变速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、动力蓄电池与超级电容的复合电源或设有外接充电装置的储能电源装置。

10.根据权利要求1所述的四模无级变速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，该起动马达依次与离合装置和发动机的曲轴输出端相连接并实现在系统故障、低温等特定条件下起动发动机。

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