CN102259580B - 混合动力传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力传动系统，其中，行星齿轮机构包括有太阳轮、至少一对行星轮、齿圈以及行星架，太阳轮设置在输入轴上使得太阳轮能够随着输入轴转动，齿圈与输出轴相连接用于输出混合动力传动系统传输出的动力，行星架与第二电机相连接，使得第二电机能够带动行星架转动，第二离合器设置在行星架和太阳轮之间；发动机与第一电机相连接，第一离合器设置在第一电机和太阳轮之间，使得发动机和/或第一电机能够通过第一离合器带动输入轴转动。本发明的有益效果是结构简单，体积小，节能环保，适用于各种汽车。

Description

混合动力传动系统

【技术领域】

本发明涉及一种动力传动系统，尤其地，本发明涉及一种用于混合车辆中的油电混合动力传动系统。

【背景技术】

目前，车辆越来越普遍地融入到普通家庭的生活中。然而，传统采用燃烧汽油或者柴油的内燃机作为动力系统的车辆需要消耗大量的石油能源，并且发动机排放出来的尾气对我们赖以生存的地球环境产生了严重影响。近年来，由于石油能源的日益短缺以及家用车辆的日益普及，这些缺陷愈发明显。正是如此，节能和环保已经成为汽车行业发展的重要方向。世界上主要车辆厂商都正集中精力研发各种可替代能源作为车辆的动力源，例如包括采用氢气、太阳能、风力等能源作为车辆的动力系统。其中，采用油电混合动力作为车辆动力源越来越成为车辆发展的主流趋势。

采用油电混合动力的车辆，通常包括有一个相比于传统发动机具有较小排量的发动机和一个或者二个电机。一般情况下，当在低速状况下行驶(例如城市路面)或者需要频繁起动的情况下，可以仅通过电机来驱动车辆；当需要高速行驶时可以仅采用发动机来驱动车辆，以达到节省能源的目的。在现有技术中，油电混合动力汽车的混合方式主要包括有串联、并联以及混联三种方式。

在串联驱动方式中，发动机驱动发电机进行发电，发电机发电后将电能存储到电池管理单元或者经过变压器后直接供给大功率驱动电机(第二电机)驱动车辆。在这种方式中，发动机并不直接驱动车辆，从而使得发动机可以一直处于稳定的工作状态以达到最佳的燃油经济性。驱动电机相应地通过减速机构减速并提高扭矩后驱动车辆的驱动桥。但是，串联混合动力系统中的能量能经过多次转换，能量不可避免的有所损耗，因此驱动的动力相对较差。当车辆重载需要较大的起动扭矩或者当车辆需要高速行驶时，由于目前驱动电机的最大功率的制约，串联混合传动系统显然不能够满足要求。

在并联驱动方式中，发动机和电动机的动力进行耦合叠加，共同驱动车辆。其中一般情况下，发动机的动力作为主动力，电动机的动力作为辅助动力。这种混合方式通常适合混合电动车辆的轻度混合或中度混合。由于发动机仍作为主动力源，并联方式下的混合动力传动系统不能够较好地执行纯电动驱动的情况。此外，发动机的转速不能够实现与车速的解藕，使得发动机的能源消耗仍比较高。

混联式混合动力系统在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节发动机的功率输出和电机的运转。利用电动机和发动机来驱动车轮，并可用发电机来发电及充电。因此，它具有更多的工作模式，是现代混合电动汽车倾向选择的一种结构型式。丰田公司THS(TOYOTA Hybrid System)混合动力系统和通用汽车的双模式混合动力系统都是典型的混联式混合动力系统，但丰田公司THS混合动力系统发动机的动力一部分直接输出用于驱动，一部分通过带动发电机发电提供给驱动电机实现动力的输出，能量经过两次转化，传动效率低，通用汽车的双模式混合动力系统采用采用多排行星齿轮和多个离合器与制动器实现，使得结构复杂，成本很高，可靠性降低。

混合动力汽车经历了微混合、轻混合、中混合、强混合的发展历程，混合度的不断提高成为发展趋向。多年来，我国积极进行了轻度和中度混合动力的研究，但对特别适合于重度混合的混联式混合动力电驱动系统的研发还较少。

【发明目的】

本发明的一个目的在于提供一种新的混合动力驱动系统，其结构简单并且工作稳定。

本发明的上述目的以及其他目的通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种混合动力传动系统，一种混合动力传动系统，其包括发动机、第一电机、第二电机、行星轮机构、输入轴、第一离合器、第二离合器和输出轴，其中，

所述行星齿轮机构包括有太阳轮、至少一对行星轮、齿圈以及行星架，所述太阳轮设置在所述输入轴上使得所述太阳轮能够随着所述输入轴转动，所述齿圈与所述输出轴相连接用于输出所述混合动力传动系统传输出的动力，所述行星架与所述第二电机相连接，使得所述第二电机能够带动所述行星架转动，所述第二离合器设置在所述行星架和所述太阳轮之间；

所述发动机与所述第一电机相连接，所述第一离合器设置在所述第一电机和所述太阳轮之间，使得所述发动机和/或所述第一电机能够通过所述第一离合器带动所述输入轴转动。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述混合动力传动系统还包括有变速器，所述变速器设置在所述输出轴上。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述行星架与所述第二电机同轴布置。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述行星架与所述第二电机异轴布置。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述行星齿轮机构为单排双行星圆柱斜齿轮机构，所述至少一对行星轮包括有第一行星轮和第二行星轮，所述第一行星轮和所述第二行星轮共用所述行星架，其中，

所述太阳轮与所述输入轴通过花键连接，所述太阳轮与所述第一行星轮外啮合，所述第一行星轮还与所述第二行星轮外啮合，所述第二行星轮还与所述齿圈内啮合。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述第一离合器的离合鼓与所述第一电机的转子相连接，所述第一离合器的离合毂与所述输入轴通过花键相连接，并且所述第一电机和所述第一离合器同轴布置。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述第二离合器的离合鼓与所述输入轴通过花键相连接，所述第二离合器的离合毂与所述行星架相连接。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述发动机为小排量柴油或者汽油发动机。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述发动机、所述第一电机、所述行星齿轮机构、所述第二电机、所述第一离合器和所述第二离合器同轴布置。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述输入轴和所述输出轴同轴布置。

根据本发明提供的混合动力传动系统，优选地，所述行星架与所述第二电机通过齿轮传动、带传动或者链传动方式实现异轴布置。容易理解，上述技术方案的混合动力驱动系统具有发动机和电动机两种动力输出源，通过第一离合器和第二离合器能够控制两种动力输出源的耦合，从而实现发动机、电动机的协同工作或者二者之一单独工作，能够实现串联模式、并联模式和混联模式，从而满足多种路况的行驶要求，使各动力源工作在高效区域，控制方便，改善了混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能。

此外，本发明的技术方案优选地包括有单排行星齿轮传动机构，行星排三个轴的旋转运动给能量的正向和反向流动带来很大灵活性，根据道路工况，通过对第一离合器和第二离合器的控制，可以实现纯电动驱动、发动机单独驱动、电机和发动机联合驱动。发动机动力还可以进一步用于行车发电等多种工作模式。当第一离合器分离时，发动机带动第一电机发电为蓄能装置(如电池组)充电或直接提供给第二电机驱动车辆行驶，使发动机工作在稳定工况，实现发动机工作工况与道路行驶工况的解耦，从而可以实现远距离的行驶；当第一和第二离合器均结合时，可以实现发动机动力、第一电机动力及第二电机动力的叠加，使汽车具有很好的加速性能和爬坡性能；当第一离合器结合，第二离合器分离时，发动机、第一电机和第二电机的动力通过行星轮机构进行动力耦合和分配，利用行星齿轮机构太阳轮到齿圈的动力传递，可以实现无级变速功能。期间，配合调整第一电机和第二电机的转速，可以实现发动机转矩转速与行驶工况解耦、使发动机总是工作在最佳的工作区域。

由此可见，本发明解决了串联混合动力系统不能实现转矩叠加和并联混合动力系统不能实现发动机转速与车速解耦的缺点。此外，由于本发明的混合动力系统具有无极变速特点，因此本发明与齿圈相连接的变速器的档位数目可以减少，从而使得本发明的混合动力系统的结构更加简单。进一步地，通过电机的正向和反向转动可以实现转动方向的切换，因此，本发明的混合动力系统并不需要添加中间轮来改变转动方向，从而使得结构更加紧凑简单。

进一步地，本发明的第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器、行星齿轮机构、变速器优选沿汽车传动轴方向布置，使混合动力电驱动系统结构紧凑、无径向的侧向力、载荷分配均匀，这使在汽车有限的布置空间中易于安装布置，降低动力系统的振动，提高了整车的可靠性。

当第一离合器和第二离合器都处于结合状态时，本发明的行星齿轮结构中太阳轮与行星架相结合，整个行星齿轮系统的传动比为1，这使混合动力电驱动系统的控制更加方便容易，同时发动机的动力可以直接传递，提高了动力源的传递效率。

【附图说明】

下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细或者优选的描述，其中，

图1是本发明的一种优选实施方式下的混合动力驱动系统结构示意图；

图2是本发明的另一种优选实施方式下的混合动力驱动系统结构示意图。

【具体实施方式】

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式。因此以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

图1示出了本发明的一种优选方式下的混合动力传动系统的结构示意图。在该实施例中，该混合动力传动系统可以应用到传统车辆的动力系统和动力变速系统中，能够实现多种不同的驱动方式并能够有效地节省燃油并降低对环境的污染。其中，车辆中的其他结构不是本发明的重点，并且对于本领域的技术人员而言，是可以获知的，因此在这里并不做过多描述。

如图1所示，本发明的混合动力传动系统主要包括有发动机1、第一电机2、第二电机3、行星齿轮机构4、输入轴5、第一离合器6、第二离合器7和输出轴9。其中发动机1、第一电机2和第二电机3构成了本发明的混合动力传动系统的动力源。第一离合器6和第二离合器7用于实现本发明的混合动力传动系统传输动力的结合和中断。行星齿轮机构4和变速箱8用于实现本发明的混合动力传动系统的不同档位的切换以及实现车辆速度和扭矩的变换。当然，如图1所示，本领域的技术人员可以理解，混合动力车辆的动力驱动和传动系还应当进一步包括有诸如实现车轮转弯时不同速度的差速器、驱动车轮的驱动桥以及使车辆行驶的车轮。本发明的混合动力传动系统可以直接与上述系统按照常规连接连接方式连接以实现车辆的运行，这些并不是本发明技术方案的重点，而且对于本领域的技术人员也是熟知的技术，因此在本说明书中并不多赘述。本发明的混合动力传动系统各个元件的具体连接方式以及工作原理将在下文中进行详细并优选的描述。

如图1所示，发动机1与第一电机2相连接，从而使得发动机1能够带动第一电机2的转动，并且进一步地，使得第一电机2能够作为启动电机启动发动机1。其中，发动机1可以采用传统燃烧柴油或者汽油的内燃机。在本发明的一个优选实施方式中，发动机1优选采用小排量的内燃机系统，以利于减小发动机1的尺寸从而便于混合动力传动系统的结构布局并尽可能地减低对燃油的需求，例如发动机1相比于传统常见的4缸或者6缸发动机仅具有2缸或者3缸。第一电机2优选具有发电和驱动两个功能，例如可以为盘式永磁直流无刷电动机等，其结构以及工作原理在多篇相关专利中已经有详细描述，这里不多赘述。

优选地，发动机1的曲轴连接到第一电机2的转子上，第一电机2的定子安装固定在混合动力传动系统的外壳上。第一离合器6设置在第一电机2和输入轴5上，用于结合或者切断发动机1、第一电机2与太阳轮41之间的动力传输。优选地，第一离合器6的离合鼓与第一电机2的转子相连接，第一离合器6的离合毂与输入轴5相连接。进一步优选地，第一离合器6的离合鼓与第一电机的转子的安装支架相连接，第一离合器6的离合毂与输入轴5通过花键相连接，使得当第一离合器6处于结合状态时通过离合毂带动输入轴5以相同转速进行转动。第一离合器6可以为干式离合器也可以为湿式离合器，这可以根据本发明的混合动力变速系统的整体结构进行选择布局。

继续参考图1，第二电机3的定子通过固定机构安装固定在混合动力传动系统的外壳上，其转子固定连接到行星齿轮结构4的行星架45上，第二电机3同样可以为盘式永磁直流无刷电动机等。

行星齿轮机构4设置在输入轴5上，通过行星齿轮机构4将输入轴动力传送出去。在图1所示的优选实施方式中，行星齿轮机构4为单排双行星齿轮圆柱斜齿轮机构，其包括有太阳轮41、第一行星轮42、第二行星轮43、齿圈44以及行星架45。其中，行星齿轮机构4的太阳轮41与输入轴5相连接，优选地，太阳轮41设有内花键，通过花键连接设置在输入轴5上。太阳轮41与第一行星轮42外啮合，并且第一行星轮42还进一步地与第二行星轮43外啮合，第二行星轮43还进一步地与齿圈44内啮合。在图1所示的实施例中，第一行星轮42和第二行星轮43共用行星架45。

如图1所示，本发明中的行星齿轮机构4的太阳轮41和/或行星架45作为主动件，齿圈44作为从动件输出动力。行星架45根据第二离合器7的结合或者断开状态设置为与太阳轮41结合或者与太阳轮41分离。

具体而言，在太阳轮41和行星架45之间设置有第二离合器7。优选地，第二离合器7的离合鼓设置在输入轴5上，第二离合器7的离合毂设置在行星架45的输出轴上。通过第二离合器7的结合和分离，行星架45可以与太阳轮41连为一体或者与之相分离。齿圈44的输出轴连接输出轴9上。

同样地，第二离合器7可以为干式离合器也可以为湿式离合器，这可以根据本发明的混合动力变速系统的整体结构的需要进行选择布局。

进一步优选地，本发明的混合动力系统还包括有变速器8，其优选设置在输出轴9上。优选地，如图中所示，发动机1、第一电机2、第二电机3、第一离合器6、第二离合器7、行星齿轮机构4和变速器8为同轴设置。变速器8可以为机械式自动变速器、无极变速器、双离合器自动变速器、液力自动变速器或其他类型的自动变速机构，用以改变混合车辆的档位以达到最佳行驶效果。

以上是对本发明的图1所示的混合动力传动系统的一种优选实施方式进行的描述。在本发明图1所示的这种优选方式的揭示下，本领域的技术人员在实施本发明时可以根据实际情况对具体连接方式或者结构布局进行调整。

参考图2，在本发明的另一个优选实施方式中，第二电机3可以与行星架45中心轴异轴设置。如图2中所示，优选地，在第二电机3上设有第一齿轮31，并且行星架45上设有第二齿轮32。第一齿轮31和第二齿轮32相互啮合。此时，第二电机3可以为柱状交流异步电动机等。

下面，以图1所示的实施方式为例，结合附图1对本发明的混合动力传动系统的工作模式做出进一步详细的和优选的说明。

本发明的混合动力传动系统可以根据行驶实际情况在不同运行模和运行档位之间进行切换。例如，当车辆处于城市道路行驶中，可以在纯电动模式下运行以便于最大程度地减小燃油需求并节省开销；当车辆在郊区、高速运行时，可以在纯发动机模式下运行以便保证车辆的较高行驶速度并保证发动机运行的平稳性；当车辆处于爬坡时，可以在混合并联驱动模式下运行以便于保证车辆的行驶扭矩；当车辆储能不足的情况下，可以在混合串联驱动模式下运行，以便于保证车辆电池的最低储能量，等。下面，针对不同运行模式的需要，对本发明的混合动力驱动系统的控制方法进行介绍。

当例如汽车在市内工况行驶，汽车常频繁起停，低速小负荷工况，如果电池组SOC值较高，由电池组提供电力给供第二电机3实现纯电动驱动模式，此时第一离合器6分离，第二离合器7结合。第一离合器6分离，发动机动力输出断开，发动机1处于关闭状态；第二离合器7结合，行星轮机构4的太阳轮41与行星轮45架锁为一体，使行星轮机构变为一个整体，行星轮机构的速比为1，第二电机3的动力直接传递到变速器8上，变速变扭后输出到驱动桥驱动汽车行驶。如电池组SOC值较低时，由第一电机2快速起动发动机1，然后第一电机2转为发电机由发动机带动发电供给第二电机3驱动或为电池组充电，第一离合器6仍处于分离状态，第二离合器7处于结合状态，该混合动力驱动系统实现了串联混合动力系统的特点，实现了发动机转速与车速的解耦，同时解决了纯电动汽车不能长距离行驶的问题。由于第一电机2可以快速起动发动机避免了以常规起动方式引起的油耗和排放的恶化。

当例如汽车在市郊或高速公路行驶时，道路工况良好，发动机1处于中高负荷具有良好的燃油经济性，可以采用发动机单独驱动模式。此时第一电机2和第二电机3均处于自由状态，第一离合器6和第二离合器7都结合。第二离合器7结合使行星轮机构锁为一体，发动机1的动力经第一电机2转子、第一离合器、行星轮机构、变速器、驱动桥驱动汽车行驶。电池管理系统BMS根据电池组的SOC值确定是否为其充电，如SOC值较低、且整车负荷也不大，此时第一电机2工作于发电状态为电池组充电，即实现行车发电模式。

当例如汽车处于极限工况时，即在大负荷工况下，如急加速、爬大坡、高速等工况，采用发动机、第一电机2、第二电机3联合驱动模式，此时第一离合器6结合，第二离合器7根据道路工况和整车控制策略结合或分离实现转矩耦合或转速耦合。当第二离合器7结合时，行星轮机构锁为一体，传动比为1，实现发动机动力、第一电机2动力、第二电机3动力的直接线性叠加，使汽车获得很好的动力性能。当第二离合器7分离时，发动机动力、第一电机2动力，第二电机3动力通过行星轮机构实现动力耦合。优选地，通过调整第二电机3的转速使发动机的转速与车速解耦，通过调整第一电机2的转矩实现发动机转矩与车辆所需转矩解耦。根据道路工况，整车控制策略使汽车在转矩耦合和转速耦合模式间切换，保证汽车具有最佳的动力性、经济性和排放性。

汽车减速或制动时，采用再生制动模式，电控液压系统控制第一离合器6分离，第二离合器7结合，整个行星轮机构锁止为一整体。汽车的惯性力带动第二电机3发电，并为电池组充电。

当车辆需要倒车时，可以采用常规模式进行倒车，也就是，在变速器8中设置有倒档机构。此外，还可以通过第二电机3的反转实现倒车。

Claims (13)

1.一种混合动力传动系统，其包括发动机、第一电机、第二电机、行星齿轮机构、输入轴、第一离合器、第二离合器和输出轴，其特征在于，

所述行星齿轮机构包括有太阳轮、至少一对行星轮、齿圈以及行星架，所述太阳轮设置在所述输入轴上使得所述太阳轮能够随着所述输入轴转动，所述齿圈与所述输出轴相连接用于输出所述混合动力传动系统传输出的动力，所述行星架与所述第二电机相连接，使得所述第二电机能够带动所述行星架转动，所述第二离合器设置在所述行星架和所述太阳轮之间；

所述发动机与所述第一电机相连接，所述第一离合器设置在所述第一电机和所述太阳轮之间，使得所述发动机和／或所述第一电机能够通过所述第一离合器带动所述输入轴转动。

2.根据权利要求1中所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述混合动力传动系统还包括有变速器，所述变速器设置在所述输出轴上。

3.根据权利要求1所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述行星架与所述第二电机同轴布置。

4.根据权利要求2所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述行星架与所述第二电机同轴布置。

5.根据权利要求1所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述行星架与所述第二电机异轴布置。

6.根据权利要求2所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述行星架与所述第二电机异轴布置。

7.根据权利要求1-6任一所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述行星齿轮机构为单排双行星圆柱斜齿轮机构，所述至少一对行星轮包括有第一行星轮和第二行星轮，所述第一行星轮和所述第二行星轮共用所述行星架，其中，

所述太阳轮与所述输入轴通过花键连接，所述太阳轮与所述第一行星轮外啮合，所述第一行星轮还与所述第二行星轮外啮合，所述第二行星轮还与所述齿圈内啮合。

8.根据权利要求1-6任一所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述第一离合器的离合鼓与所述第一电机的转子相连接，所述第一离合器的离合毂与所述输入轴通过花键相连接，并且所述第一电机和所述第一离合器同轴布置。

9.根据权利要求1-6任一所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述第二离合器的离合鼓与所述输入轴通过花键相连接，所述第二离合器的离合毂与所述行星架相连接。

10.根据权利要求1-6任一所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述发动机为小排量柴油或者汽油发动机。

11.根据权利要求3或4所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述发动机、所述第一电机、所述行星齿轮机构、所述第二电机、所述第一离合器和所述第二离合器同轴布置。

12.根据权利要求1-6任一所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述输入轴和所述输出轴同轴布置。

13.根据权利要求5或6所述的混合动力传动系统，其特征在于，所述行星架与所述第二电机通过齿轮传动、带传动或者链传动方式实现异轴布置。