CN102310755A - 动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统 - Google Patents

动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统。该动力耦合装置包括前行星轮系和动力传动机构，前行星轮系的行星架上设置有与发动机连接的第一离合器，前行星轮系的小太阳轮和大太阳轮的动力轴上分别连接有第一电机和第二电机；动力传动机构包括与第二电机连接的第一传动机构，以及与前行星轮系连接的第二传动机构，第一传动机构和第二传动机构分别连接有第二离合器和第三离合器，第一离合器和第二离合器同轴设置在离合轴上，离合轴上设置有与汽车上的动力输入机构连接的动力输出机构。本发明技术方案可实现混合动力汽车多种工作模式及在各模式下对发动机和电机输出动力的合理分配，从而提高了混合动力汽车的燃油经济性。

Description

动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力技术，尤其涉及一种动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统。
背景技术
随着人们环保意识的提高，以及能源的枯竭，清洁能源的利用越来越广泛，特别是在汽车领域，利用电能为汽车提供动力已成为一种发展趋势。由于技术条件的限制，纯电动汽车的应用受到一定的抑制，而混合电动汽车则由于可利用电能和传统能源提供动力，使得混合动力汽车成为目前汽车领域研究和开发的重点。
目前，混合动力汽车的动力系统一般包括发动机、电机、动力电池、变速器和电控离合器，其可利用电控离合器实现动力耦合，通过发动机和电机为汽车提供行驶所需的动力。此外，现有技术中也有通过采用行星齿轮来传递动力的混合动力系统，其主要是通过将发动机和电机与行星齿轮系连接，用于将发动机和/或电机提供的动力，输出至汽车的车轮上，其中，电机可以电动方式或者发电方式工作。
但是，现有的混合动力系统中，未充分考虑作为动力源的发动机和电机的动力分配，使得混合动力汽车的混合度较差，动力系统的输出功率低，能耗高。
发明内容
本发明提供一种动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统，可有效实现混合动力系统中动力源的分配，提高混合动力系统的输出功率，降低能耗。
本发明提供一种动力耦合装置，包括前行星轮系和动力传动机构，所述前行星轮系的行星架上设置有与发动机连接的第一离合器，所述前行星轮系的小太阳轮和大太阳轮的动力轴上分别连接有第一电机和第二电机，所述小太阳轮和大太阳轮分别与所述行星架连接，所述小太阳轮、大太阳轮、行星架的动力轴不同轴；
所述动力传动机构包括与所述第二电机连接的第一传动机构，以及与所述前行星轮系连接的第二传动机构，所述第一传动机构和第二传动机构分别连接有第二离合器和第三离合器，所述第二离合器和第三离合器同轴设置在离合轴上，所述离合轴上设置有与汽车上的动力输入机构连接的动力输出机构；
所述第一传动机构为链轮传动机构；所述第二传动机构为齿轮传动机构。
上述的动力耦合装置中，所述链轮传动机构包括第一链轮和第二链轮，所述第一链轮和第二链轮之间连接有链条；所述第一链轮的动力轴与所述第二电机连接，且所述第一链轮与所述大太阳轮同轴设置；所述第二链轮的动力轴连接所述第二离合器。
上述的动力耦合装置中，所述前行星轮系的行星架上设置有小行星轮和大行星轮，所述小行星轮和大行星轮啮合连接，所述大行星轮与齿圈的内齿啮合连接；所述小太阳轮与所述小行星轮啮合连接，所述大太阳轮与所述大行星轮啮合连接。
上述的动力耦合装置中，所述齿轮传动机构包括传动齿轮，所述传动齿轮与所述齿圈的外齿啮合连接；所述传动齿轮的动力轴连接所述第三离合器。
本发明提供一种上述动力耦合装置的控制装置，包括：
纯电动模式控制模块，用于控制第一离合器和第三离合器分离，控制第二离合器结合，并控制第二电机处于电动工作状态；
边走边充模式控制模块，用于控制第一离合器和第三离合器结合，控制第二离合器分离，控制发动机工作，并控制所述第一电机和/或第二电机处于发电工作状态；
助力模式控制模块，用于控制第一离合器、第二离合器和第三离合器结合，并控制所述发动机工作，以及控制所述第一电机和第二电机处于电动工作状态。
能量回收模式控制模块，用于控制第一离合器、第三离合器分离，控制第二离合器结合，并控制所述第二电机处于发电工作状态。
所述边走边充模式控制模块可包括：
模式识别单元，用于识别动力耦合装置的工作模式；
边走边充模式控制单元，用于所述动力耦合装置工作在纯电动模式时，将所述第一离合器结合以开启发动机，并在发动机开启后，控制第三离合器结合，控制第二离合器分离。
本发明提供一种混合动力系统，包括上述的动力耦合装置，以及控制装置。
本发明提供的动力耦合装置及其控制装置、混合动力系统，通过设置与前行星轮系连接的第一电机，以及与前行星轮系和动力传动机构的链轮传动机构均连接的第二电机，使得动力耦合装置可运行于不同的工作模式，可有效实现动力源的分配，提高混合动力的混合度，从而降低了混合动力汽车的能耗，提高动力汽车的输出功率。同时，本发明技术方案的动力耦合装置结构简单、紧凑，实现方便，可通过前行星轮系和动力传动机构实现动力的传递，且可实现混合动力汽车的无级变速，提高了混合动力汽车运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明动力耦合装置实施例的结构示意图；
图2为本发明控制装置实施例的结构示意图；
图3为本发明控制装置实施例中边走边充模式控制模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明动力耦合装置实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例动力耦合装置包括前行星轮系1和动力传动机构，其中，前行星轮系1的行星架11上设置有与发动机41连接的第一离合器31，前行星轮系1的小太阳轮12的动力轴和大太阳轮16的动力轴分别连接有第一电机42和第二电机43，小太阳轮12和大太阳轮16分别与行星架11连接，且小太阳轮12、大太阳轮16和行星架11的动力轴不同轴；动力传动机构包括与第二电机43连接的第一传动机构，且该第一传动机构具体为链轮传动机构2，以及与前行星轮系1连接的第二传动机构，且第二传动机构具体为齿轮传动机构3；该第一传动机构和第二传动机构分别连接有第二离合器32和第三离合器33，第二离合器32和第三离合器33同轴设置在离合轴5上，离合轴5上设置有动力输出机构6，该动力输出机构6与汽车上的动力输入机构72连接，该动力输出机构6和动力输入机构72为齿轮机构。
本实施例中，发动机41工作时，可通过第一离合器31带动行星架11转动，而行星架11的转动又可带动小太阳轮12和大太阳轮16，以及与前行星轮系1连接的齿轮传动机构3转动；同时，由于链轮传动机构2和大太阳轮16均与第二电机43连接，因此，大太阳轮16转动时也会带动链轮传动机构2一起运动。因此，分别与链轮传动机构2和齿轮传动机构3连接的第二离合器32和第三离合器33就可以将传动的力通过动力输出机构6传递给汽车上的动力输入机构72，实现动力的传输。实际应用中，可根据实际的需要，通过控制各离合器来实现动力的传输，例如，可将汽车上动力输入机构72的动力，通过离合器传递到前行星轮系1上，实现电机的充电等，具体将在后面进行说明。
本实施例中，前行星轮系1可采用拓展的拉维娜行星齿轮机构，具体地，如图1所示，前行星轮系1的行星架11上设置有小行星轮13和大行星轮14，该小行星轮13和大行星轮14啮合连接，大行星轮14与齿圈15的内齿啮合连接；小太阳轮12与小行星轮13啮合连接，大太阳轮16与大行星轮14啮合连接，通过采用拓展的拉维娜行星齿轮机构，可使得前行星轮系1结构紧凑，并可有效保证动力传输的精度。
本实施例中，如图1所示，作为第一传动机构的链轮传动机构2可包括第一链轮81和第二链轮82，第一链轮81和第二链轮82之间连接有链条83，该第一链轮81的动力轴与第二电机43连接，且该第一链轮81与大太阳轮16同轴设置，第二链轮82的动力轴连接第二离合器32。通过采用链轮传动机构2，不但可使得第一传动机构可实现较大中心距的动力的传输，而且链轮传动机构2的加工简单，组装便利，可有效简化动力耦合装置制造和加工成本。
本实施例中，如图1所示，作为第二传动机构的齿轮传动机构3可包括第二齿轮22，该第二齿轮22的动力轴连接第三离合器33，且第二齿轮22与齿圈15外啮合连接，用于与前行星轮系1之间进行动力的传输。本领域技术人员可以理解的是，齿轮传动机构3也可设置两个或两个以上的齿轮，以进行动力的传输，可根据实际的需要而设置合适数量的齿轮。
本实施例中，发动机41或第一电机42工作时，可通过前行星轮系1将动力传递给动力传动机构，并由动力传动机构的齿轮传动机构3和/或链轮传动机构2传递到动力输出机构6，并由动力输出机构6传递给汽车的车轮轴71上的动力输入机构72，并最终带动车轮73转动。具体地，如图1所示，前行星轮系1的齿圈15与大行星轮14内啮合连接，齿圈15与第二齿轮22外啮合连接，从而可将发动机41或第一电机42提供的动力，通过前行星轮系1传递到动力传动机构的齿轮传动机构3和链轮传动机构2，并最终通过动力输出机构6传递到车轮73上，驱动车轮73工作；或者，车轮73转动时的动力也可通过动力输出机构6传递到动力传动机构的链轮传动机构2和齿轮传动机构3，并通过前行星轮系1的小太阳轮12传递给第一电机42，驱动第一电机42发电，或者通过链轮传动机构2传递给第二电机43，驱动第二电机43发电。
本实施例中，通过设置与前行星齿轮系1的小太阳轮12连接的第一电机42，以及与前行星齿轮系1的大太阳轮16和动力传动机构的链轮传动机构2连接的第二电机43，使得利用该动力耦合装置的混合动力系统可在多种工作模式下工作。具体地，本实施例动力耦合装置可应用于混合动力汽车的混合动力系统中，实现纯电动模式、边走边充模式、助力模式以及能量回收模式的工作，其具体实现过程说明如下：
(1)纯电动模式
汽车在启动以及中速以下行驶时，发动机的效率将非常低，此时，可控制第一离合器31和第三离合器33分离，控制第二离合器32结合，并启动第二电机43工作，利用蓄电池为第二电机43供电，使得第二电机43处于电动工作状态下工作，为汽车行驶提供动力，而发动机41则不工作。其中，第二电机43提供的动力可通过动力传动机构的链轮传动机构2和第二离合器32传递到动力输出机构6，并由动力输出机构6将动力输出到与其连接的车轮轴71上的动力输入机构72，并最终由动力输入机构72带动车轮73转动。
(2)边走边充模式
汽车运行过程中需要启动发动机41时，可在纯电动模式下启动发动机41，具体地，首先可控制第一离合器31结合，使得动力可通过第二电机43、前行星轮系1的大太阳轮16、大行星轮14和行星架11传递到发动机41，从而启动发动机41，使发动机41处于工作状态；其次，当发动机41启动后，可控制第三离合器33结合，并可控制第二离合器32分离，使得发动机41作为动力源，为汽车行驶提供动力。
其中，发动机41提供的动力一部分可用于驱动汽车行驶，一部分可用于带动第一电机42或第二电机43发电，或者带动第一电机42和第二电机43的组合进行发电，第一电机42和第二电机43处于发电工作状态，此时可将电机发出的电力存储在蓄电池中，从而可使得第一电机42和第二电机43均能高功效的发电，同时，可使得发动机41始终工作在最少耗油的经济区。
(3)助力模式
当汽车运行过程中需要大转矩加速时，可将发动机41、第一电机42和第二电机43作为动力源，提供较大转矩的动力。具体地，可控制第一离合器31、第二离合器32和第三离合器33结合，利用蓄电池为第一电机42和第二电机43供电，使得第一电机42和第二电机43均以电动方式工作。其中，第一电机42和发动机41的动力经过前行星轮系1整合后，可由其上的齿圈15传递到动力传动机构的齿轮传动机构3上，并由齿轮传动机构3通过第三离合器33传递到动力输出机构6；第二电机43提供的动力可通过动力传动机构的链轮传动机构2以及第二离合器32传递到动力输出机构6，从而两路动力可在动力输出机构6上叠加，为车轮轴71上的动力输入机构72提供足够大的动力，带动车轮73转动。
(4)能量回收模式
当汽车制动时，可控制汽车的混合动力系统处于能量回收模式下工作。具体地，可控制第一离合器31和第三离合器33分离，控制第二离合器32结合，此时，动力耦合装置中动力传递路线与纯电动模式下是一样的，只是动力传递的方向相反，此时，第二电机43可在车轮73通过动力输入机构72、动力输出机构6、以及链轮传动机构2传递过来的动力作用下发电，第二电机43处于发电状态，并可将电力存储在蓄电池中，可以看出，通过分离第一离合器31，可使得在无发动机倒拖的情况下，更好的回收汽车制动时产生的能量。
需要说明的是，上述仅是本发明动力耦合装置实际应用时的工作和控制时的一种方式，实际应用中，可根据需要对发动机、第一离合器、第一电机、第二电机、第二离合器和第三离合器进行控制，以使得整个混合动力系统可运行于所需的模式。
本实施例中，动力耦合装置具体工作于何种模式，可根据实际的控制指令而进行，例如，应用于混合动力汽车时，汽车行驶中，可根据用户指令，或更具汽车控制中心的指令，并在该指令作用下运行于纯电动模式、边走边充模式、助力模式或能量回收模式等。
本实施例中，采用的前行星轮系和动力传动机构可共同实现动力的传输，使得整个混合动力系统不需要加装变速器即可实现连续的变速，可有效提高整个混合动力系统的动力传递效果。
综上，本实施例动力耦合装置通过设置与前行星轮系连接的第一电机，以及与前行星轮系和链轮传动机构均连接的第二电机，使得动力耦合装置可运行于不同的工作模式，可有效实现动力源的分配，提高混合动力的混合度，从而降低了混合动力汽车的能耗，提高动力汽车的输出功率。同时，本实施例动力耦合装置结构简单、紧凑，实现方便，可通过前行星轮系和动力传动机构实现动力的传递，并可实现混合动力汽车的无级变速，从而提高整个汽车运行的稳定性和可靠性。
图2为本发明控制装置实施例的结构示意图。本实施例可用于对上述本发明动力耦合装置进行控制，以便使得利用该动力耦合装置的混合动力系统可工作于不同的模式下，具体地，如图2所示，本实施例控制装置可包括纯电动模式控制模块10、边走边充模式控制模块20、助力模式控制模块30和能量回收模式控制模块40，且上述各控制模块可与动力耦合装置50连接，以控制其内的发动机、第一离合器、第二离合器、第三离合器、第一电机和第二电机，以使得整个混合动力系统可工作在不同的工作模式，其中：
纯电动模式控制模块10，用于控制第一离合器和第三离合器分离，控制第二离合器结合，并控制第二电机处于电动工作状态；
边走边充模式控制模块20，用于控制第一离合器和第三离合器结合，控制第二离合器分离，控制发动机工作，并控制所述第一电机和/或第二电机处于发电工作状态；
助力模式控制模块30，用于控制第一离合器、第二离合器和第三离合器结合，并控制所述发动机工作，以及控制所述第一电机和第二电机处于电动工作状态；和/或
能量回收模式控制模块40，用于控制第一离合器、第三离合器分离，控制第二离合器结合，并控制所述第二电机处于发电工作状态。
图3为本发明控制装置实施例中边走边充模式控制模块的结构示意图。具体地，如图3所示，上述的边走边充模式控制模块20具体可包括模式识别单元201和边走边充模式控制单元202，其中：
模式识别单元201，用于识别动力耦合装置的工作模式；
边走边充模式控制单元202，用于动力耦合装置工作在纯电动模式时，将第一离合器结合以开启发动机，并在发动机开启后，控制第三离合器结合，控制第二离合器分离。
可以看出，通过在纯电动模式下开启发动机，可有效提高整个混合动力系统运行的连续性和稳定性。
本实施例控制装置可通过对动力耦合装置中的发动机、第一离合器、第一电机、第二电机、第二离合器和第三离合器进行控制，可使得利用该动力耦合装置的混合动力系统处于不同的工作模式，可有效提高混合动力系统运行时的混合度，提高混合动力系统的输出功率，降低能耗。
本实施例中，上述的纯电动模式控制模块10、边走边充模式控制模块20、助力模式控制模块30和能量回收模式控制模块40可根据相应的指令而实现相应的控制功能，例如，在应用于混合动力汽车时，可根据用户指令，或者汽车行驶过程中的自动控制程序，来触发相应的控制模块，以使得混合动力汽车可运行于纯电动模式、边走边充模式、助力模式或能量回收模式等。
本发明实施例还提供了一种混合动力系统，该混合动力系统可包括动力耦合装置和控制装置，其中，动力耦合装置的具体结构可参考上述本发明动力耦合装置实施例，控制装置的具体结构可参考上述本发明控制装置实施例，在此不再赘述。
本实施例混合动力系统可应用于混合动力汽车中，通过对混合动力系统进行控制，可有效提高混合动力汽车运行过程中动力的分配，提高混合动力汽车运行效率，减少混合动力汽车运行的能耗。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种动力耦合装置，其特征在于，包括前行星轮系和动力传动机构，所述前行星轮系的行星架上设置有与发动机连接的第一离合器，所述前行星轮系的小太阳轮和大太阳轮的动力轴上分别连接有第一电机和第二电机，所述小太阳轮和大太阳轮分别与所述行星架连接，所述小太阳轮、大太阳轮、行星架的动力轴不同轴；
所述动力传动机构包括与所述第二电机连接的第一传动机构，以及与所述前行星轮系连接的第二传动机构，所述第一传动机构和第二传动机构分别连接有第二离合器和第三离合器，所述第二离合器和第三离合器同轴设置在离合轴上，所述离合轴上设置有与汽车上的动力输入机构连接的动力输出机构；
所述第一传动机构为链轮传动机构；所述第二传动机构为齿轮传动机构。
2.根据权利要求1所述的动力耦合装置，其特征在于，所述链轮传动机构包括第一链轮和第二链轮，所述第一链轮和第二链轮之间连接有链条；所述第一链轮的动力轴与所述第二电机连接，且所述第一链轮与所述大太阳轮同轴设置；所述第二链轮的动力轴连接所述第二离合器。
3.根据权利要求1或2所述的动力耦合装置，其特征在于，所述前行星轮系的行星架上设置有小行星轮和大行星轮，所述小行星轮和大行星轮啮合连接，所述大行星轮与齿圈的内齿啮合连接；所述小太阳轮与所述小行星轮啮合连接，所述大太阳轮与所述大行星轮啮合连接。
4.根据权利要求3所述的动力耦合装置，其特征在于，所述齿轮传动机构包括传动齿轮，所述传动齿轮与所述齿圈的外齿啮合连接；所述传动齿轮的动力轴连接所述第三离合器。
5.一种权利要求1～4任一所述的动力耦合装置的控制装置，其特征在于，包括：
纯电动模式控制模块，用于控制第一离合器和第三离合器分离，控制第二离合器结合，并控制第二电机处于电动工作状态；
边走边充模式控制模块，用于控制第一离合器和第三离合器结合，控制第二离合器分离，控制发动机工作，并控制所述第一电机和/或第二电机处于发电工作状态；
助力模式控制模块，用于控制第一离合器、第二离合器和第三离合器结合，并控制所述发动机工作，以及控制所述第一电机和第二电机处于电动工作状态；和/或
能量回收模式控制模块，用于控制第一离合器、第三离合器分离，控制第二离合器结合，并控制所述第二电机处于发电工作状态。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述边走边充模式控制模块包括：
模式识别单元，用于识别动力耦合装置的工作模式；
边走边充模式控制单元，用于所述动力耦合装置工作在纯电动模式时，将所述第一离合器结合以开启发动机，并在发动机开启后，控制第三离合器结合，控制第二离合器分离。
7.一种混合动力系统，其特征在于，包括权利要求1～4任一所述的动力耦合装置，以及权利要求5或6所述的控制装置。
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