CN102166947B - 多模无级变速混合动力驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车混合驱动技术领域的多模无级变速混合动力驱动系统，包括：发动机、离合器、两组电机、四条传动链、二个动力传递切换装置、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，具有多模驱动、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

多模无级变速混合动力驱动系统

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，具体是一种多模无级变速混合动力驱动系统。

背景技术

汽车混联式混合动力驱动系统，相对于串联混合动力驱动系统和并联混合动力系统，具有极大的性能优势。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，提供一种多模无级变速混合动力驱动系统，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、四条传动链、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，第一电机的转子分别与离合装置的输出端与行星齿轮差速装置的第一动力传动端相连接，第二电机的转子与第一传动链的输入端相连，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相连，第二传动链的输入端与行星齿轮差速装置的壳体相连接，第三传动链的输入端与第一传动链的输出端之间为可进行动力传递的活动连接，第一动力传递切换装置与第四传动链的输入端连接并实现第二传动链、第三传动链到第四传动链的动力传递控制，第二传动链的输出端、第三传动链的输出端均与第四传动链的输入端活动连接，第四传动链的输出端与减速差速装置的输入端相连接，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。

所述的行星齿轮差速装置的第一动力传动端与其壳体之间设有第二动力传递切换装置并实现所述的行星齿轮差速装置的第一动力传动端与其壳体的锁止连接或锁止解除的控制。

所述的第一电机的转子与行星齿轮差速装置的第一动力传动端之间设有第五传动链。

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具有常啮合齿轮的结合套、同步器或离合器。

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。

所述的储能装置为动力蓄电池、超级电容、具有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2档自动变速并在各档时的无级变速，结构紧奏、易于模块化设计、改善了其整车搭载性，提高了驾驶的舒适性和降低了驾驶员劳动强度。

2)在任何车速下，控制动力传递切换装置实现第二动力传递链到第三动力传递链的动力传递，通过对第二电机的调速控制，可实现发动机、第一电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二电机的减速增矩、双电机纯电驱动模式、第二动力传动链和第三动力传动链与第四动力传递链的动力传递控制、行星齿轮差速装置的壳体与其第一动力传动端的锁止连接控制，实现了电机小型高速化、总成小型化、2档速比控制以及各档速比下的无级变速，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60％～70％。例如，对于城市客车，采用柴油机作唯一动力源时，车辆的减速差速器的输入转矩可达6000Nm、起步转矩可达3500Nm。满足3500Nm～6000Nm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，利用本发明所述的多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700Nm、第二电机转矩700Nm、发动机转矩650Nm、第一传动链的减速比为1.5、第三传动链的减速比为2.5，即可满足车辆驱动转矩要求。

4)易于产业化实现。取消了变速器和缓速器，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。本发明的系统具有多模驱动能力，不仅包括单电机纯电驱动、双电机纯电驱动、串联混合驱动和并联混合驱动等四种驱动模式，还在各模式下进而具有2档速比切换控制及各档速比下的无级变速，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，提高了系统的驱动效率、制动能量再生效率。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、第二传动链、第三传动链和第四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％，动力性和驾驶平顺性优于现有燃油车辆、驾驶员劳动强度显著降低，性能价格比高于现有技术30％。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图2是实施例1的发动机无级调速原理图。

图3是实施例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基于一个同步换档装置的多模无级变速混合动力驱动系统

如图1所示，本实施例包括：发动机1、离合器2、第一电机3、第二电机4、第一齿轮传动链5、第二齿轮传动链7、第三齿轮传动链9、第四齿轮传动链10、同步换档装置8、行星齿轮差速器6、减速差速装置11、储能装置14和电机控制装置15，其中：发动机1的曲轴输出端与离合器2的输入端相连接，第一电机3的转子31分别与离合器2的输出端与行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61相连接，第二电机4的转子41与第一齿轮传动链5的输入端51相连，第一齿轮传动链5的输出端52与行星齿轮差速器6的第二半轴齿轮63相连，第二齿轮传动链7的输入端71与行星齿轮差速器6的壳体62相连接，第三齿轮传动链9的输入端为与第一齿轮传动链5的输出端52通过齿轮啮合进行动力传递的齿轮，同步换档装置8的传动部件82与第四齿轮传动链10的输入端101连接，并通过控制同步换档装置8的结合套81实现第二齿轮传动链7、第三齿轮传动链9到第四齿轮传动链10的动力传递控制，第二齿轮传动链7的输出端72、第三齿轮传动链9的输出端92均与第四齿轮传动链10的输入端101活动连接，第四齿轮传动链10的输出端102与减速差速装置11的输入端相连接，减速差速装置11的输出端与车轮13相连接，电机控制装置15的输入端与储能装置14相连接并进行电能传递，电机控制装置15的输出端分别与第一电机3和第二电机4相连接并输出控制指令。

所述的行星齿轮差速器6为对称式行星齿轮差速器。

所述的同步换档装置8采用变速箱中的同步换档装置，也可以采用具有常啮合齿轮的结合套。

所述的离合器2为干式离合器。

所述的储能装置14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。

所述的电机控制装置15为对第一电机3和第二电机4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4的驱动控制装置组成。

所述的发动机1的曲轴输出端设有起动马达，该起动马达依次与离合器2和发动机1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1。

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的功率、第一电机3的功率≥车辆运行工况所需的平均功率。第二电机4的功率≥车辆运行工况所需的功率。第一电机3的峰值转矩≥起动发动机1要求的转矩，第二电机4的峰值转矩×第一齿轮传动链5的传动速比×第三齿轮传动链9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，(发动机1的转矩+第一电机3的峰值转矩+第二电机4的峰值转矩×第一齿轮传动链5的传动速比)×第三齿轮传动链9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5、第二齿轮传动链7、第三齿轮传动链9、第四齿轮传动链10的传动速比按车辆最高车速、第二电机4和发动机1的最高允许转速要求来设置。储能装置14的功率≥第一电机3的最大功率+第二电机4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6的第一半轴齿轮61的转速+行星齿轮差速器6的第二半轴齿轮63的转速＝2×行星齿轮差速器6的壳体62的转速，在任意的车速(对应任意的减速差速器11的输入端的转速)下，通过控制第二电机4的转速，即可将行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61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，行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61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4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)多模运行原理：

单电机纯电动模式：移动同步换档装置8的结合套81，将同步换档装置8的传动部件82与第三齿轮传动链9的输出端92相连接后，第二齿轮传动链7的输出端72活动空套在第四齿轮传动链9的输入端92上，行星齿轮差速器6的壳体62处于自由空转状态，行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61及其第二半轴齿轮63之间无动力传递，第二电机4通过第一齿轮传动链5、第三齿轮传动链9、第四齿轮传动链10与减速差速器11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8的结合套81，将同步换档装置8的传动部件82与第二齿轮传动链7的输出端72相连接后，第三齿轮传动链9的输出端92活动空套在第四齿轮传动链9的输入端92上，第一电机3与行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61进行动力传递，第二电机4通过第一齿轮传动链5与行星齿轮差速器6的第二半轴齿轮63进行动力传递，经行星齿轮差速器6耦合到行星齿轮差速器6的壳体62，进而经第四齿轮传动链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8的结合套81到上述单电机纯电动模式时的位置，并使第二电机4按电动模式工作，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8的结合套81到双电机纯电动模式时的位置，发动机1、第一电机3与行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61进行动力传递，第二电机4经过第一传动链5与行星齿轮差速器6的第二半轴齿轮63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4在系统能耗排放最佳点运行。根据第一电机3和第二电机4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4分别通过电路与电机控制装置15、储能装置14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14提供，按发电方式运行时发出的电能由储能装置14接收。第二电机4按电动方式运行时需要的电能由储能装置14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14接收。

(5)在发动机1、第一电机3、第二电机4等全部动力部件与车轮13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，可实现真正的无级调速。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4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8具有2种位置以选择第四齿轮传动链的输入端与第二齿轮传动链7的输出端72或第三齿轮传动链9的输出端92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基于二个同步换档装置的多模无级变速混合动力驱动系统

如图3所示，本实施例中所述的行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61与其壳体62之间设有第二同步换档装置17，并实现行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61与其壳体62的锁止连接或锁止解除的控制。向一个方向移动该结合套则可解除行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61与其壳体62的锁止连接。向另一方向移动第二同步换档装置17的结合套172，使所述的行星齿轮差速器6的第一半轴齿轮61与其壳体62锁止连接，通过控制同步换档装置8可实现以下二种动力传递路径的选择控制：1)当移动同步换档装置8的结合套81使第四齿轮传动链10的输入端101与第二齿轮传动链7的输出端72之间进行动力传递时，动力传递路径为，被第二同步换档装置17锁止的行星齿轮差速器6←→第二齿轮传动链7←→第四齿轮传动链10←→减速差速装置11；2)当移动同步换档装置8的结合套81使第四齿轮传动链10的输入端101与第三齿轮传动链9的输出端92之间进行动力传递时，动力传递路径为，被第二同步换档装置17锁止的行星齿轮差速器6←→第三齿轮传动链9←→第四齿轮传动链10←→减速差速装置11。亦即该实施例，进一步在双电机纯电驱动模式、并联驱动模式中实现了各三种细分的驱动模式，可灵活控制并分别用于满足不同行驶条件下的整车驱动力要求，进一步提高了系统的动力性能和能量效率。表2是该实施例2的多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 (9)

1.一种多模无级变速混合动力驱动系统，包括：发动机、离合装置、两组电机、四条传动链、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，第一电机的转子分别与离合装置的输出端与行星齿轮差速装置的第一动力传动端相连接，第二电机的转子与第一传动链的输入端相连，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相连，第二传动链的输入端与行星齿轮差速装置的壳体相连接，第三传动链的输入端与第一传动链的输出端之间为可进行动力传递的活动连接，第一动力传递切换装置与第四传动链的输入端连接并实现第二传动链、第三传动链到第四传动链的动力传递控制，第二传动链的输出端、第三传动链的输出端均与第四传动链的输入端活动连接，第四传动链的输出端与减速差速装置的输入端相连接，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。

2.根据权利要求1所述的多模无级变速混合动力驱动系统，其特征是，所述的行星齿轮差速装置的第一动力传动端与其壳体之间设有第二动力传递切换装置并实现所述的行星齿轮差速装置的第一动力传动端与其壳体的锁止连接或锁止解除的控制。

3.根据权利要求1所述的多模无级变速混合动力驱动系统，其特征是，所述的第一电机的转子与行星齿轮差速装置的第一动力传动端之间设有第五传动链。

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

5.根据权利要求1或2或3所述的多模无级变速混合动力驱动系统，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或不对称式行星齿轮差速器。

6.根据权利要求1或2或3所述的多模无级变速混合动力驱动系统，其特征是，所述的行星齿轮差速装置为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。

7.根据权利要求1或2所述的多模无级变速混合动力驱动系统，其特征是，所述的动力传递切换装置为具有常啮合齿轮的结合套、同步器或离合器。

8.根据权利要求1所述的多模无级变速混合动力驱动系统，其特征是，所述的储能装置为动力蓄电池、超级电容、具有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。

9.根据权利要求1所述的多模无级变速混合动力驱动系统，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、低温条件下起动发动机。

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