CN102152734A - 一种用于混合动力车辆的三模式动力传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三模式的机电复合变速装置，其具有三个行星齿轮组、两个电动/发电机和多个转矩传递机构。该装置安装有两台具备“电动/发电”模式的电机，通过两台电机自身“发电/电动”状态的不断转换与机械变速装置的配合，可在系统输入转速不变的前提下，分三段连续改变系统输出转速，实现无级变速功能。由于本装置在机电复合传动完整的工作周期内，两电机各自经历三段工作状态，因而将系统非常宽泛的连续无级调速范围转化为电机转速在有限范围内的三次循环往复，极大地降低了对电机的转速、功率要求，同时，由于本装置拥有非常宽泛的连续无级调速能力，本发明从理论上可将发动机始终稳定在一个转速状态下，可以非常好的优化发动机工作状态，特别适用于大吨位、重载混合动力电动车辆。

Description

一种用于混合动力车辆的三模式动力传动装置

技术领域

本发明涉及一种车辆的传动装置，尤其涉及一种混合动力车辆，特别是大吨位、重载混合动力车辆的三模式动力传动装置。

背景技术

目前，先进的混合动力车辆大都采用了混联式动力传动装置，以行星轮系作为动力连接机构，发动机将动力输出至行星轮系的某一构件，行星轮系按固定比例将扭矩分配给发电机，电动机将电能转变为机械能，与输出轴转矩叠加后进行动力输出。由于采用了行星轮系，可以在车速变化的情况下，借助于控制发电机的发电量来调节发电机转速，从而稳定发动机转速，优化发动机工作状态；也可以扩大整套变速装置输出转速范围，从而起到类似无级变速器的作用。

在传统的车辆设计中，对于使用条件复杂的重型车辆、越野车辆，都通过设置更多的档位数目来保证足够的动力性与良好的燃油经济性。同样，随着混合动力电动车辆吨位、载重量的增加，若实现无级变速，则需要采用更大功率的发电机、电动机。如何降低发电机、电动机的功率需求，提高传动系统功率密度，是当前大吨位、重载混合动力电动车辆需要解决的技术问题。

目前最为有效的方法是采用多模式机电复合变速装置，多模式机电复合变速装置利用电机自身“发电/电动”状态的不断转换，通过多台电机与机械变速装置的配合，可在系统输入转速不变的前提下，分段连续改变系统输出转速，实现无级变速功能。

中国专利CN200710078131.1、CN200710078132.6公开的“多模式”传动装置实质为混合动力车辆的多种工作模式，而并非通过电机模式转换扩大传动范围，而现有的多模式传动装置，其结构均相对复杂，本发明的三模式动力传动装置结构形式更为简洁、紧凑，经检索国内外专利，未发现有与本发明相同的结构方案。

发明内容

本发明的主要目的在于克服大吨位、重载混合动力车辆机电复合传动系统的电机功率大、变速范围有限等已有难题，提供一种可以有效降低电机功率、转速，通过电机模式转换扩大传动系统变速范围，增强车辆起步、牵引、加速性能，优化发动机工作状态，提高车辆燃油经济性并且使传动装置结构简单、紧凑、集成度高的三模式动力传动装置。

本发明的三模式动力传动装置利用三个简单行星排与两组制动器、离合器配合，可实现三段工作范围，并且当离合器、制动器作用时，主/被动端的计算相对转速差为0，理论上不存在滑磨，接合平稳，寿命长。

本发明采用如下的技术方案：

用于混合动力车辆的机电复合三模式动力传动装置包括：

发动机，为车辆提供机械动力；

主离合器，该离合器安装于发动机、机电复合变速装置之间，用于接通/切断发动机与变速装置之间的连接；

第一行星排，包括一个太阳轮、一个行星架及行星轮组、一个齿圈；

一个具有电动/发电功能的永磁同步电机A，与第一行星排齿圈相联；

第二行星排，包括一个太阳轮、一个行星架及行星轮组、一个齿圈；

第三行星排，包括一个太阳轮、一个行星架及行星轮组、一个齿圈；

一个具有电动/发电功能的永磁同步电机B，与第一行星排太阳轮、第二行星排太阳轮相联；

第二行星排制动器，可将第二行星排齿圈制动；

第二行星排离合器，可将第二行星排齿圈与第一行星排、电机A连接；

第三行星排制动器，可将第三行星排太阳轮制动；

第三行星排离合器，可将第三行星排太阳轮与电机B连接；

主减速器，将第三行星排行星架输出的动力向后续传动系统传递；

一个电机综合控制器，控制、调整两台电机及蓄电池工作状态；

一个蓄电池组，吸收发电机输出电功率，为电动机提供电功率；

一组高压线缆，连接电机A、电机B、综合控制器和蓄电池组。

发动机、第一行星排、第二行星排、第三行星排同轴布置，机械结构紧凑。电机A同轴地安装于第一行星排、第二行星排之间，电机B同轴地安装于传动系统末端。电机A处于发电状态时，可以在保证发动机输入转速不变的情况下，连续地改变传动系统输出转速，同时，电机A发出的电功率经过处于电动状态 的电机B，可以重新转化为驱动车辆行驶的机械动力。通过综合控制器的控制，使处于发电状态的电机A转速不断降低，从而使传动系统输出转速不断升高，处于电动状态的电机B转速也随传动系统输出转速的升高而升高。当电机A转速降至0时，则处于由发电向电动转化的临界状态，此时，控制相应离合器、制动器的分离与接合，原处于电动状态的电机B将转变为发电状态，原处于发电状态的电机A将转变为电动状态。继而，进入电动状态的电机A转速将由0逐步升高，进入发电状态的电机B转速将逐步降低，传动系统输出转速在电机A、B工作模式发生改变后继续不断升高。

由于在机电复合传动完整的工作周期内，电机A、B各自经历三段工作状态，因而将系统非常宽泛的连续无级调速范围转化为电机转速在有限范围内的三次循环往复，极大地降低了对电机的性能要求。由于拥有非常宽泛的连续无级调速能力，所以本发明从理论上可将发动机始终稳定在一个转速状态下，可以非常好的优化发动机工作状态。

附图说明

图1为本发明实施例的三模式动力传动装置结构简图。

图2为用于图1所示传动系统各模式状态下的制动器、离合器、电机工作状态图。

图3为传动系统输出转速连续增长状态下，电机A转速、电机B转速、输出转速相对发动机输入转速的图示。

图中：1-机电复合三模式动力传动系统，2-发动机，3-主离合器，4-第一行星排，5-永磁同步电机A，6-离合器I，7-制动器I，8-第二行星排，9-第三行星排，10-制动器II，11-离合器II，12-永磁同步电机A，13-综合控制器，14-蓄电池组，15-主减速器，16-主离合器输入轴，17-主离合器输出轴，18-第一行星排太阳轮，19-第一行星排行星轮组，20-第一行星排齿圈，21-套轴，22-第二行星排太阳轮，23-第二行星排行星轮组，24-第二行星排齿圈，25-第三行星排太阳轮，26-第三行星排行星轮组，27-第三行星排齿圈，28-连接轴，29-套轴，30-第三行星排输出齿轮，31-传动齿轮，32-主减速器输入轴，33-主减速器输出轴，34a、34b、34c、34d、34e、34f-线缆，35-变速装置固定的壳体，36-第一机械点，37-第二机械点，38-第三机械点。

具体实施方式

图1所示为本发明的机电复合三模式动力传动装置，以标号1标示。在所示实施例中，发动机2为柴油机，以恒定转速向系统输出动力功率。本机电复合动力传动装置具备车辆前进、倒车两驱动状态，其中，前进状态细分为三段工作模式。

图1所示的为三模式动力传动装置的结构简图，具体说明如下：

该混合动力车辆的三模式动力传动装置，包括：

用于从发动机接受功率的主离合器3，该离合器安装于发动机、机电复合变速装置之间，用于接通/切断发动机与变速装置之间的连接；

主减速器，将第三行星排行星架输出的动力向后续传动系统传递；

三个同轴布置的第一行星排4、第二行星排8、第三行星排9，每个行星排各自均包括一个太阳轮、一个齿圈、一个行星架及行星轮组；

第一行星排的行星架18与主离合器3的输出端17相连；第三行星排的行星架30与主减速器15的输入端31相连；第一行星排的太阳轮18与所述第二行星排的太阳轮22相连；

两个具有电动/发电功能的永磁同步电机A和永磁同步电机B；永磁同步电机A与第一行星排齿圈相联，永磁同步电机B与第一行星排太阳轮、第二行星排太阳轮相联，永磁同步电机A经套轴21与三个行星排同轴地安装于第一行星排4、第二行星排8之间，永磁同步电机B经连接轴28与三个行星排同轴地安装于传动装置末端；

第二行星排制动器7，可将第二行星排的齿圈24制动；

第二行星排离合器6，可将第一行星排的齿圈20与第二行星排的齿圈24连接；

第三行星排制动器10，可将第三行星排的太阳轮25制动；

第三行星排离合器11，可将第三行星排太阳轮25与电机B连接；

一个电机综合控制器13，用于控制、调整两台电机及蓄电池工作状态；

一个蓄电池组14，吸收发电机输出电功率，为电动机提供电功率；

一组高压线缆，连接电机A、电机B、综合控制器和蓄电池组；

其中，永磁同步电机A、永磁同步电机B可相对所述主离合器3正转、反转，在任意旋向可对其所连构件输出驱动转矩，也可提供负载转矩。

以下对混合动力车辆的三模式动力传动装置的各种工作模式进行说明：

模式1

在第一模式状态下，当综合控制器13判定驾驶员期望车辆从静止状态进入前进状态时，离合器6、离合器11松开，制动器7、制动器10接合，主离合器3接合，发动机2的动力输出至第一行星排4。由于初始时刻车辆处于静止状态，所以第三行星排输出齿轮30转速为0，同时，由于第三行星排太阳轮25被制动器10制动，所以第三行星排齿圈27转速为0；第二行星排齿圈24被制动器7制动，第二行星排行星齿轮组23转速为0，所以第二行星排太阳轮22转速为0；由此可知，第一行星排太阳轮18转速为0。由于主离合器输出轴17转速不为0，所以该模式初始时刻：电机A转速不为0，与主离合器输出轴17同向旋转，电机B转速为0。

由于电机A经第一行星排4按比例地承受发动机2的输出转矩，且电机A与主离合器输出轴17旋向相同，所以电机A处于发电状态。电机A所发出的电功率经由线缆34、综合控制器13输出至电机B，电机B处于电动状态，电机B将电功率以转矩形式叠加至连接轴28。

由于第三行星排输出齿轮30向外输出驱动转矩，车辆逐步加速。第三行星排太阳轮25被制动器10制动，随第三行星排输出齿轮30转速的增加，第三行星排齿圈27转速也增加，同理，第二行星排太阳轮22转速增加，第一行星排太阳轮18转速增加，电机B转速增加。为稳定发动机2转速，电机A转速下降。

当电机A转速降至0时，电机A不再发电，若无蓄电池组14供电，则系统内无电力功率，该状态点对应图3标示序号36。由于仅存在机械功率，所以该状态点被称为“机械点”。此时，离合器6主/被动端转速均为0，继而，制动器7松开，离合器6接合，系统进入下一模式。

发动机2、电机A、电机B、第三行星排输出齿轮30在本模式阶段的转速变化形式可参照图3所示“模式1”。

模式2

在该模式初始时刻，电机A转速为0，电机B转速大于0，其旋向与主离合器输出轴17相同。由于制动器7松开、离合器6接合，所以第一行星排齿圈20、电机B、第二行星排齿圈24转速相同，为继续提高第三行星排输出齿轮30的转速，电机B向连接轴28施加负载转矩，电机B由电动状态变为发电状态，第一行星排太阳轮18、第二行星排太阳轮22转速下降。电机12所发出的电功率经由线缆34、综合控制器13输出至电机A，电机A处于电动状态，电机A将电功率以转矩形式叠加至套轴21。

为稳定发动机2转速，电机A驱动第一行星排齿圈20、第二行星排齿圈24 增速，继而经第二行星排驱动第三行星排齿圈27增速，由于第三行星排太阳轮25被制动器10制动，所以，最终驱动第三行星排输出齿轮30增速。

由于第三行星排输出齿轮30向外输出驱动转矩，车辆逐步加速。第三行星排太阳轮25被制动器10制动，随第三行星排输出齿轮30转速的增加，第三行星排齿圈27转速也增加，同时，电机B、第二行星排太阳轮22、第一行星排太阳轮18转速下降。为稳定发动机2转速，电机A连同第一行星排齿圈20、第二行星排齿圈24转速增加。

当电机B转速降至0时，电机12不再发电，若无蓄电池组14供电，则系统内无电力功率，该状态点对应图3标示序号37。此时，离合器11主/被动端转速均为0，继而，制动器10松开，离合器11接合，系统进入下一模式。

发动机2、电机A、电机B、第三行星排输出齿轮30在本模式阶段的转速变化形式可参照图3所示“模式2”。

模式3

在该模式初始时刻，电机B转速为0，电机A转速大于0，其旋向与主离合器输出轴17相同。由于制动器10松开、离合器11接合，所以第三行星排太阳轮25、电机B、第一行星排太阳轮18、第二行星排太阳轮22转速相同，为继续提高第三行星排输出齿轮30的转速，电机A向套轴21施加负载转矩，电机A由电动状态变为发电状态。电机A所发出的电功率经由线缆34、综合控制器13输出至电机B，电机B处于电动状态，电机B将电功率以转矩形式叠加至连接轴28，驱动第一行星排太阳轮18、第二行星排太阳轮22、第三行星排太阳轮25增速。

在第一行星排太阳轮18增速的同时，电机A使第一行星排齿圈20降速，从而稳定发动机2转速。虽然第二行星排齿圈24受电机A的影响而降速，但第二行星排太阳轮22、第三行星排太阳轮25受电机B的影响而增速，所以，最终驱动第三行星排输出齿轮30增速。

由于第三行星排输出齿轮30向外输出驱动转矩，车辆逐步加速。电机B转速随车速增加而增加，电机A转速随车速增加而下降。当电机A转速降至0时，电机A不再发电，若无蓄电池组14供电，则系统内无电力功率，该状态点对应图3标示序号38。

发动机2、电机A、电机B、第三行星排输出齿轮30在本模式阶段的转速变化形式可参照图3所示“模式3”。

倒车

当综合控制器13判定驾驶员期望车辆从静止状态进入倒车状态时，离合器 6、离合器11松开，制动器7、制动器10接合，主离合器3接合，发动机2的动力输出至第一行星排4。由于初始时刻车辆处于静止状态，所以第三行星排输出齿轮30转速为0，同时，由于第三行星排太阳轮25被制动器10制动，所以第三行星排齿圈27转速为0；第二行星排齿圈24被制动器7制动，第二行星排行星齿轮组23转速为0，所以第二行星排太阳轮22转速为0；由此可知，第一行星排太阳轮18转速为0。由于主离合器输出轴17转速不为0，所以该模式初始时刻：电机5转速不为0，与主离合器输出轴17同向旋转，电机B转速为0。

由于在倒车初始时刻，电机A已达到最大转速，所以在倒车过程中，为了不超过电机A的最大转速，综合控制器13控制发动机2转速下降，从而第一行星排太阳轮18由静止开始反转。由于连接轴28的连接，第二行星排太阳轮22、电机B也开始反转。

由于电机A经第一行星排4按比例地承受发动机2的输出转矩，且电机A与主离合器输出轴17旋向相同，所以电机A处于发电状态。电机A所发出的电功率经由线缆34、综合控制器13输出至电机B，电机B处于电动状态，电机B将电功率以转矩形式叠加至连接轴28，驱动第一行星排太阳轮18、第二行星排太阳轮22反转。

由于第二行星排齿圈24被制动器7制动，所以第二行星排行星轮组23在第二行星排太阳轮22的驱动下，带动第三行星排齿圈27反转，由于第三行星排太阳轮25被制动器10制动，从而最终驱动第三行星排输出齿轮30反转。

由于第三行星排输出齿轮30向外输出驱动转矩，车辆向后逐步加速。随第一行星排太阳轮18转速的增加，为了不超过电机A最大转速，综合控制器13控制发动机2降速。

发动机2、电机A、电机B、第三行星排输出齿轮30在本模式阶段的转速变化形式可参照图3所示“倒车”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于混合动力车辆的三模式动力传动装置，其特征在于，包括：

用于从发动机接受功率的输入部件(3)；

用于从传动装置传出功率的输出部件(15)；

两个具有“电动/发电”工作状态的第一电机(5)、第二电机(12)；

用于储存发电机电功率、提供电动机电功率的能量存储装置(14)；

用于控制、调整两台电机及能量存储装置工作状态的综合控制器(13)；

三个同轴布置的第一行星排(4)、第二行星排(8)、第三行星排(9)，所述每个行星排各自均包括一个太阳轮、一个齿圈、一个行星架及行星轮组；

第一制动器(7)、第二制动器(10)以及第一离合器(6)、第二离合器(11)；

其中，所述第一电机(5)与所述三个行星排同轴地安装于第一行星排(4)、第二行星排(8)之间，第二电机(12)同轴地安装于传动装置末端；

所述第一行星排的齿圈(20)与所述第一电机(5)相联，所述第一电机(5)经套轴(21)、第二电机(12)经连接轴(28)与所述第一行星排(4)、第二行星排(8)、第三行星排(9)同轴布置，所述第一电机(5)、第二电机(12)可相对所述输入部件(3)正转、反转，在任意旋向可对其所连构件输出驱动转矩，也可提供负载转矩；

所述第一行星排的太阳轮(18)、第二行星排的太阳轮(22)与所述第二电机(12)相联；

所述第一行星排的行星架(18)与所述输入部件(3)的输出端(17)相连；

所述第三行星排的行星架(30)与所述输出部件(15)的输入端(31)相连；

第一行星排的太阳轮(18)与所述第二行星排的太阳轮(22)相连，所述第二行星排的行星架(23)与所述第三行星的排齿圈(27)相连； 

第一制动器(7)用于将所述第二行星排的齿圈(24)制动；

第二制动器(10)用于将所述第三行星排的太阳轮(25)制动；

第一离合器(6)可将所述第一行星排的齿圈(20)与所述第二行星排的齿圈(24)相连；

第二离合器(11)可将所述第三行星排的太阳轮(25)与所述第二电机(12)相连。

2.根据权利要求1所述的三模式动力传动装置，其特征在于：所述第一电机(5)、第二电机(12)均为交流永磁同步电机。

3.根据权利要求1所述的三模式动力传动装置，其特征在于：所述综合控制器(13)包含接受油门踏板、制动踏板等驾驶员信息的处理单元，能量存储装置(14)向电机传输电能的逆变器，电机向能量存储装置(14)传输电能的整流器，检测能量存储装置(14)荷电水平、控制电机发电量的能量管理模块。

4.根据权利要求1所述的三模式动力传动装置，其特征在于：在传动装置(1)工作的过程中，所述第一制动器(7)、第一离合器(6)仅能且必须有一件处于接合状态，所述第二制动器(10)、第二离合器(11)仅能且必须有一件处于接合状态。

5.根据权利要求1-4之一所述的三模式动力传动装置，其特征在于：所述的第一制动器(7)、第二制动器(10)为湿式摩擦片式制动器。

6.根据权利要求1-5之一所述的三模式动力传动装置，其特征在于：所述的第一离合器(6)、第二离合器(11)为湿式摩擦片式离合器。 

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