CN102358158B - 重型车辆的混合驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种重型车辆的混合驱动系统，其包括：发动机，其包含曲轴；液力变矩器；泵轮离合器，所述曲轴通过所述泵轮离合器连接所述泵轮；泵轮制动器，其被设置成用于制动所述泵轮；行星排，所述行星排的太阳轮连接所述涡轮；行星架离合器，所述行星排的行星架通过所述行星架离合器连接所述行星排的齿圈；行星架制动器，其被设置成用于制动所述行星架；以及驱动电机，所述驱动电机的转子轴连接所述齿圈。该混合驱动系统，在车辆起步加速或者爬坡时提供较大的输出转矩，降低对驱动电机系统和蓄电装置的要求，下长坡制动时液力变矩器工作在反转制动工况下提供较大的制动转矩，避免制动器过热并减小其磨损，满足重型车辆的高动力性要求。

Description

重型车辆的混合驱动系统

技术领域

本发明涉及驱动系统技术领域，特别涉及车辆混合驱动系统技术领域，具体是指一种重型车辆的混合驱动系统。

背景技术

近年来，采用混合驱动系统的城市公交客车等重型车辆已越来越多地投入使用。在主要作为生产工具使用的重型车辆上采用的混合驱动系统必须具有较高的动力性，以提高车辆的生产效能并能够在各种地形上使用，例如，在具有较多坡路，而且坡路较长、坡度较大的山地城市中使用。具体而言，高的起步加速性和爬坡能力(包括最大爬坡度和持续爬坡能力)是对重型车辆混合驱动系统的基本要求。

例如，中国专利200720006546.3公开了一种混合电动车辆，采用的混合驱动系统包括发动机、主离合器、驱动电机、通过皮带轮系与发动机曲轴相连接的发电机、电机控制器和蓄电装置。此外，中国专利200910106080.8公开了一种混合驱动系统，包括发动机、安装在发动机曲轴上的发电机、主离合器、驱动电机、电机控制器和蓄电装置。其工作原理为，车辆由驱动电机启动并加速到主离合器接合车速时，主离合器接合，发动机开始参与驱动车辆。

在上述混合驱动系统中，取消了变速箱，采用主离合器作为发动机和驱动电机之间的动力耦合装置。车辆起步时，主离合器处于分离状态，发动机处于怠速状态，通过皮带轮系或者直接驱动发电机发电，和蓄电装置一起提供电能，而不向驱动轮输出转矩。因此，车速低于主离合器接合车速时，车辆动力性受到驱动电机的最大转矩的限制。特别地，前进或倒车时车辆的最大爬坡度完全取决于驱动电机的最大转矩。另一方面，如果坡路较长而且坡度较大，蓄电装置难以提供持续时间足够长的电功率以支持车辆通过该路段。

此外，在山地城市中，下坡路段也较多而且较长，频繁或长时间制动不仅会加剧制动器磨损，而且会造成制动器过热，导致制动效能降低，给车辆安全带来很大的隐患。上述混合驱动系统，由于取消了变速箱，不能通过变速箱挂低档来充分地利用发动机制动，而驱动电机系统和蓄电装置只能提供短时的再生制动。因此，上述混合驱动系统在车辆下长坡制动时，不能提供有效的发动机制动。

因此，采用主离合器作为动力耦合装置的混合驱动系统具有明显的性能缺陷，对驱动电机系统和蓄电装置也提出了较高的要求。上述混合驱动系统不能满足作为生产工具使用的重型车辆的高动力性要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺点，提供一种重型车辆的混合驱动系统，能够在车辆起步加速或者爬坡时提供较大的输出转矩，降低对驱动电机和蓄电装置的要求，在下长坡制动时提供较大的制动转矩，避免制动器过热并减小其磨损，满足作为生产工具使用的重型车辆的高动力性要求。

本发明提供了一种重型车辆的混合驱动系统，其包括：发动机，其包含曲轴；液力变矩器，所述液力变矩器的涡轮通过所述液力变矩器的闭锁离合器连接所述液力变矩器的泵轮；泵轮离合器，所述曲轴通过所述泵轮离合器连接所述泵轮；泵轮制动器，其被设置成用于制动所述泵轮；行星排，所述行星排的太阳轮连接所述涡轮；行星架离合器，所述行星排的行星架通过所述行星架离合器连接所述行星排的齿圈；行星架制动器，其被设置成用于制动所述行星架；以及驱动电机，所述驱动电机的转子轴连接所述齿圈。

较佳地，所述的重型车辆的混合驱动系统还包括驱动电机控制器和蓄电装置，所述蓄电装置通过所述驱动电机控制器连接所述驱动电机。

较佳地，所述的重型车辆的混合驱动系统还包括混合动力控制器，所述混合动力控制器连接所述驱动电机控制器、所述发动机、所述蓄电装置、所述泵轮离合器、所述泵轮制动器、所述闭锁离合器、所述行星架离合器和所述行星架制动器的控制装置。

根据该混合驱动系统的结构，以太阳轮为主动件，齿圈为从动件，当行星架离合器接合，行星架制动器分离时，行星排为正号机构，传动比为+1；以太阳轮为主动件，齿圈为从动件，当行星架离合器分离，行星架制动器接合时，行星排为负号减速机构，传动比为-K，其中K为行星排特征参数；以齿圈为主动件，太阳轮为从动件，当行星架离合器分离，行星架制动器接合时，行星排为负号增速机构，传动比为-1/K；以及当行星架离合器和行星架制动器同时接合时，行星排锁止，可提供变速器侧的驻车制动功能。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆驻车时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机启动后处于怠速状态，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于接合状态，行星排处于锁止状态，驱动电机处于空转模式。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆倒车时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机工作在某一油门开度下，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器分离，行星架制动器处于接合状态，行星排工作在负号减速机构状态下，驱动电机工作在反转电动模式下，发动机的动力通过液力变矩器传递到行星排，反向后输出到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的动力后驱动车辆倒退。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆空档时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机处于怠速状态，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器处于分离状态，行星架制动器分离，行星排处于空转状态，驱动电机处于空转模式。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆起步时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机工作在某一油门开度下，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器接合，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在正转电动模式下，发动机的动力通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的动力后驱动车辆前进。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆加速到液力变矩器闭锁点对应的车速时，闭锁离合器接合，液力变矩器处于机械传动工况，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在正转电动模式下，发动机的动力通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的动力后驱动车辆前进。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆匀速行驶时，如果液力变矩器处于机械传动工况，发动机工作在某一油门开度下，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在正转发电模式下，发动机的动力通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的发电转矩后驱动车辆前进；以及

当车辆匀速行驶时，如果液力变矩器处于液力传动工况，发动机工作在某一油门开度下，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机处于空转模式，发动机的动力通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴后驱动车辆前进。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆制动时，如果液力变矩器处于机械传动工况，发动机处于减速断油状态，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在回馈发电模式下，发动机的制动力矩通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆，当发动机转速降低到发动机减速断油转速时，闭锁离合器分离，液力变矩器处于液力反传工况，发动机恢复供油点火，发动机的动力通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆；以及

当车辆制动时，如果闭锁离合器处于分离状态，发动机处于减速断油状态，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，驱动电机工作在回馈发电模式下，液力变矩器处于液力反传工况，发动机的制动力矩通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆，当发动机转速降低到发动机减速断油转速时，发动机恢复供油点火，发动机的动力通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆。

根据该混合驱动系统的结构，在混合驱动模式下，当车辆下长坡制动时，在蓄电装置和驱动电机不能提供足够大的再生制动转矩时，泵轮离合器分离，发动机处于怠速状态，泵轮制动器接合，闭锁离合器分离，行星架离合器分离，行星架制动器接合，行星排工作在负号增速机构状态下，驱动电机工作在回馈发电模式下，车辆通过驱动电机转子轴和行星排带动涡轮反转，液力变矩器处于反转制动工况，产生的制动力矩通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆。

因此，根据本发明可以得到一种动力性高的重型车辆的混合驱动系统。

附图说明

图1是本发明的实施例所涉及的混合驱动系统的结构示意图。

图中：1发动机；1a曲轴；67泵轮离合器；68泵轮制动器；20液力变矩器；2泵轮；3涡轮；4导轮；5导轮单向离合器；6闭锁离合器；7行星架离合器；8行星架制动器；30行星排；31太阳轮；32行星架；33齿圈；34行星轮；9驱动电机；9a转子轴；10驱动电机控制器；11蓄电装置。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。应理解，实施例仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。

图1是本发明的实施例所涉及的混合驱动系统的系统框图。参照图1，该混合驱动系统包括：发动机1，其包含曲轴1a；泵轮离合器67；泵轮制动器68；液力变矩器20，其包含泵轮2、涡轮3、导轮4、导轮单向离合器5和闭锁离合器6；行星排30，其包含太阳轮31、行星架32、齿圈33和行星轮34；行星架离合器7；行星架制动器8；驱动电机9，其包含转子轴9a；驱动电机控制器10；蓄电装置11。

常规12m城市公交客车等重型车辆多采用额定功率175kW的6缸涡轮增压柴油发动机。如果采用混合驱动系统，在确保开空调以及车辆满载的条件下发动机可以单独驱动车辆，发动机的额定功率可减小到150kW。一种典型的150kW发动机的配置为，最大输出转矩750Nm(1100～1800rpm)。

泵轮离合器67，其用于控制发动机1和泵轮2之间的动力传递和切断。泵轮离合器67接合时，发动机1的动力可以传递到泵轮2上，或者反向传递；泵轮离合器67分离时，发动机1与泵轮2之间的动力联系被切断。泵轮离合器67可采用机械离合器、液压离合器等方式来实现，优选地，采用液压离合器来实现。

泵轮制动器68，其被设置成用于制动泵轮2。泵轮制动器68分离时，泵轮2可以自由转动；泵轮制动器68接合时，泵轮2被制动。泵轮制动器68可采用带式制动器、离合器式制动器等方式来实现，优选地，采用离合器式制动器来实现。

液力变矩器20包含泵轮2、涡轮3、导轮4、导轮单向离合器5和闭锁离合器6。其中，泵轮2、涡轮3和导轮4是液力变矩器20的三个工作轮，在三个工作轮形成的环状腔体内储有工作液。泵轮2通过泵轮离合器67与发动机曲轴1a连接。涡轮3与行星排30的太阳轮31连接。导轮4安装在导轮单向离合器5上。

泵轮离合器67处于接合状态，发动机曲轴1a带动泵轮2逆时针转动，泵轮叶片间的工作液沿叶片从内缘向外缘甩出，冲击涡轮叶片后推动涡轮3逆时针转动。当涡轮3转速较低时，从涡轮3流出的工作液向后流动，冲击导轮叶片。因为导轮4被导轮单向离合器5限定不能向后转动，所以导轮叶片将向后流动的工作液导向前推动泵轮叶片，促使泵轮2转动。这相当于导轮4、泵轮2都对工作液施加了正向转矩。当输入和输出转速稳定时，两正向力矩之和在大小上等于涡轮3对工作液施加的反向力矩，从而使涡轮3的输出转矩大于泵轮2的输入转矩，此时液力变矩器20处于变矩工况。涡轮3的转速越低，液力变矩器20的增矩效果越明显。当涡轮3转速为零时，液力变矩器20具有最大的变矩比。一种典型的液力变矩器最大变矩比配置为2.14。

随着涡轮3转速增加，从涡轮3中流出的工作液逐渐转为向前流动，当工作液开始流向导轮叶片的背面时，液力变矩器20达到临界点。因为导轮单向离合器5允许导轮4向前转动，在工作液的带动下，导轮4沿泵轮2转动方向自由转动，工作液顺利地回流到泵轮2。当从涡轮3流出的工作液正好与导轮叶片出口方向一致时，自由转动的导轮4对工作液没有反作用力矩，工作液只受到泵轮2和涡轮3的反作用力矩，此时液力变矩器20失去变矩能力，而转变成为液力偶合器。由于涡轮3转速较高，液力变矩器20处于高效率传递转矩的偶合器工况。虽然偶合器工况效率较高，但仍然存在着一定的损失，因此在涡轮3和泵轮2之间安装了闭锁离合器6。当液力变矩器6达到偶合器工况时，闭锁离合器6接合，泵轮2和涡轮3联接成一个整体转动，液力变矩器20处于传动效率为1的机械传动工况。闭锁离合器6接合对应的液力变矩器传动比，称为闭锁点。一种典型的液力变矩器闭锁点配置为0.8。

行星排30，其包含太阳轮31、行星架32、齿圈33和行星轮34。行星排30的特征参数为K，即齿圈33和太阳轮31的齿数比。优选地，K为1.5～3。当行星架32和齿圈33相连接时，行星排30为正号机构，传动比为+1。此时，如果行星架32被制动，则行星排30被锁止。当行星架32被制动时，太阳轮31和齿圈33的转动方向相反，行星排30为负号机构。如果以太阳轮31为主动件，齿圈33为从动件，则可以实现传动比为-K的负号减速机构。如果以齿圈33为主动件，太阳轮31为从动件，则可以实现传动比为-1/K的负号增速机构。

行星架离合器7，其用于控制行星架32和齿圈33之间的动力传递和切断。由于发动机1只能逆时针转动，而驱动电机9既能逆时针转动(正转)，也能顺时针转动(反转)，因此，在车辆倒退时，行星架离合器7必须分离。在车辆前进时，行星架离合器7接合。行星架离合器7可采用机械离合器、液压离合器等方式来实现，优选地，采用液压离合器来实现。

行星架制动器8，其用于制动行星架32。当行星架离合器7和行星架制动器8处于不同的分离和接合状态组合时，行星排30可以实现不同的传动比并改变动力的方向。例如，如果太阳轮31为主动件，齿圈33为从动件，当行星架离合器7接合，行星架制动器8分离时，行星排30为正号机构，传动比为+1；当行星架离合器7分离，行星架制动器8接合时，行星排30为负号减速机构，传动比为-K。

另外，如果以齿圈33为主动件，太阳轮31为从动件，当行星架离合器7分离，行星架制动器8接合时，行星排30为负号增速机构，传动比为-1/K。此外，当行星架离合器7和行星架制动器8同时接合，行星排30处于锁止状态，可提供变速器侧的驻车制动功能。当行星架离合器7和行星架制动器8同时分离，行星排30处于空转状态。行星架制动器8可采用带式制动器、离合器式制动器等方式来实现，优选地，采用离合器式制动器来实现。

驱动电机9，其包含转子轴9a。驱动电机9的主要功能为驱动车辆前进和倒退，以及回馈发电和坡起倒滑工况。驱动电机9可采用三相交流电机来实现，例如，可通过三相交流异步电机或者三相永磁同步电机来实现。与永磁同步电机相比，异步电机具有可靠性较高和成本较低的优势。但是，异步电机和永磁同步电机的高效率区分别在高速段和中低速段，高速段的两种电机效率相当，在中低速段永磁同步电机的效率明显高于异步电机。因此，应根据应用的场合来选择合适类型的电机。对于运行车速较低的城市公交客车，优选地，驱动电机9采用永磁同步电机来实现。一种典型的重型车辆用驱动电机9的配置为额定功率等级75kW，最大输出转矩2500Nm(0～600rpm)。

驱动电机控制器10，其具备四象限驱动能力，以实现驱动电机9的正转或反转的电动和发电模式，以及既不电动也不发电的空转模式。优选地，采用三相全桥逆变电路来实现四象限驱动功能。三相全桥逆变电路可通过功率电子器件MOSFET或者IGBT来实现。与IGBT相比，MOSFET的耐压能力较低，通过并联可实现大容量，成本较低。IGBT的耐压能力高，容量大，但成本较高。因此，应根据应用的场合来选择合适类型的功率电子器件。对于重型车辆用驱动电机9，由于其功率较大，直流母线电压一般在300～600Vdc之间。优选地，驱动电机控制器10采用IGBT三相全桥逆变电路来实现，其输出容量配置为150kVA，以匹配额定功率等级75kW的驱动电机9。

蓄电装置11，其用于提供所需的直流电源。车辆行驶时，驱动电机控制器10将蓄电装置11提供的直流电转换成交流电，提供给驱动电机9；驱动电机9发电或回馈发电时，驱动电机控制器10将驱动电机9产生的交流电转换成直流电，给蓄电装置11充电。此外，蓄电装置11也可接受通过车载充电器或者车外充电装置提供的外部电能。

蓄电装置11采用动力电池、超级电容器或者其它类型的储能元件构成。优选地，储能元件为动力电池，例如，镍氢电池或锂离子电池。蓄电装置11包含多个电源模块和确保储能元件安全工作所需的电子设备，例如，电池管理系统、保险、接触器组和热管理系统等。每个电源模块由储能元件通过并联和串联的方式连接形成，以得到所需的高电压和大容量。其中，蓄电装置11所能提供的电功率比电能更重要。优选地，采用小容量的储能元件并联得到所需的大容量，并能够提供所需的较大的电功率。一种典型的重型车辆用蓄电装置11的电压/容量配置为384Vdc/120Ah。

该混合驱动系统还包括用于控制混合驱动系统的混合动力控制器(未示出)，其通过通讯、模拟或数字接口与发动机、驱动电机、蓄电装置、离合器和制动器的控制装置相连接，以实现行驶工况控制。在本发明的具体实施例中，混合动力控制器连接驱动电机控制器10、发动机1、蓄电装置11、泵轮离合器67、泵轮制动器68、闭锁离合器6、行星架离合器7和行星架制动器8的控制装置(未示出)。

所述的混合驱动系统具有无级变速特性，取消了换挡过程，因此消除了换挡冲击，尤其适用于载有大量站立乘客的城市公交客车。该混合驱动系统采用具有P、R、N和D档的换挡器(未示出)。表1示出本发明的实施例所包含的各部件和操纵元件在换挡器置于P、R、N和D档时的工作状态。以下，只有在车辆下长坡制动时，泵轮离合器67才分离，泵轮制动器68才接合。否则，泵轮离合器67都处于接合状态，泵轮制动器68都处于分离状态。此外，行星排30的特征参数K＝2。

表1本发明的各部件和操纵元件在换挡器置于P、R、N和D档时的工作状态

当换档器置于P档，打开点火开关，发动机1启动后处于怠速状态，闭锁离合器6处于分离状态，液力变矩器20处于液力传动工况，行星架离合器7处于接合状态，行星架制动器8处于接合状态，行星排30处于锁止状态，驱动电机9处于空转模式。特别地，当行星排30处于锁止状态，可提供变速器侧的驻车制动功能，防止溜车发生，确保车辆安全。

当换档器置于R档，发动机1工作在某一油门开度下，闭锁离合器6处于分离状态，液力变矩器20处于液力传动工况，行星架离合器7分离，行星架制动器8处于接合状态，行星排30工作在负号减速机构状态下，驱动电机9工作在反转电动模式下，发动机1的动力通过液力变矩器20传递到行星排30，反向后输出到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的动力后共同驱动车辆倒退。

由于发动机1的转矩经过液力变矩器20和行星排30增大，因此，倒车时驱动轮输出转矩较大。例如，在坡度为30％的坡上倒车时，发动机1工作在最大油门开度下，输出转矩为750Nm，液力变矩器20的变矩比为2.14，涡轮3的输出转矩达到1600Nm，行星排30的传动比为-2，则齿圈33的输出转矩可达到3200Nm，驱动电机9的最大输出转矩为2500Nm，耦合后可提供5700Nm的输出转矩，经过传动比为6.2的主减速比后，驱动轮的输出转矩可达到约35340Nm，足以驱动满载的车辆在30％的坡上倒车。

当换档器置于N档，发动机1处于怠速状态，闭锁离合器6处于分离状态，液力变矩器20处于液力传动工况，行星架离合器7处于分离状态，行星架制动器8分离，行星排30处于空转状态，驱动电机9处于空转模式。行星架离合器7的主动边(行星架32)转速为涡轮3的转速(其略低于发动机1的怠速转速650rpm)的1/(K+1)，即200rpm，从动边(齿圈33)转速为零，因此，换D档时行星架离合器7能够快速平稳接合。

此外，在遇到红灯驻车挂P档时，行星架制动器8(行星架32)转速也约为200rpm，因此，换P档时行星架制动器8也能够快速平稳接合。

当换档器置于D档，发动机1工作在某一油门开度下，闭锁离合器6处于分离状态，液力变矩器20处于液力传动工况，行星架离合器7接合，行星架制动器8处于分离状态，行星排30工作在正号机构状态下，驱动电机9工作在正转电动模式下，发动机1的动力通过液力变矩器20传递到行星排30后正向输出到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的动力后共同驱动车辆。

当遇到坡度较大并且较长的坡路时，例如，在坡度为20％的坡上起步时，油门踏板踩到底，发动机1的输出转矩为750Nm，液力变矩器20的最大变矩比为2.14，涡轮3的输出转矩为1600Nm，行星排30的传动比为+1，驱动电机9的输出转矩为2500Nm，耦合后可提供4100Nm的输出转矩，经过传动比为6.2的主减速比后，驱动轮输出转矩可达到约25420Nm，足以驱动满载的车辆在20％的坡路上起步加速。而且，由于混合驱动系统的输出转矩较大，因此车辆可以快速通过该路段，降低对于蓄电装置11的高功率输出持续时间的要求。

相比之下，如果只采用驱动电机9驱动车辆起步，则驱动轮输出转矩只有15500Nm，比前者少了近10000Nm的输出转矩，其最大爬坡度和坡上通过速度较小。如果要达到同样的驱动轮输出转矩，则驱动电机9的输出转矩要提高到4100Nm，蓄电装置11要提供高一倍的电流，而这对于驱动电机9和蓄电装置11而言，其要求过高。

对于在坡度更大的地形上使用的混合驱动系统，例如，在坡度大于25％的坡路上运行，优选地，采用功率较大的发动机。例如，仍采用175kW发动机，其输出转矩为900Nm，驱动轮输出转矩可达到27440Nm，满足25％的坡路上起步加速的转矩需求。而且，由于混合驱动系统在低速时的输出转矩大，车辆可以快速通过该路段。

当车辆加速到液力变矩器闭锁点对应的车速时，例如40km/h，闭锁离合器6接合，液力变矩器20处于机械传动工况，发动机1的动力直接传递到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的动力后驱动车辆。因此，车辆高速行驶时，混合驱动系统传动效率较高，提高了车辆的经济性。此时，驱动电机9提供较小的动力辅助发动机1加速车辆。

此外，为了平衡车辆的动力性和经济性，可以根据实际地形适时让液力变矩器20参与工作。例如，在较平缓的路段，液力变矩器20可不参与车辆的起步加速，以提高系统的传动效率。对于在固定线路上运行的城市公交客车，由于运行路线的地形是已知的，因此，可将液力变矩器20参与工作的时机设置为根据在运行线路上行驶的里程数，或者利用GPS定位信号自动触发。此外，也可设置一爬坡档，由驾驶员判断后触发。优选地，利用GPS定位信号自动触发液力变矩器20参与车辆起步加速。

在混合驱动模式下，当车辆匀速行驶时，如果液力变矩器20处于机械传动工况，发动机1工作在某一油门开度下，行星架离合器7处于接合状态，行星架制动器8处于分离状态，行星排30工作在正号机构状态下，驱动电机9工作在正转发电模式下，发动机1的动力通过行星排30传递到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的发电转矩后驱动车辆前进。由于车速较高，对应的发动机转速也较高，因此可利用发动机1的高效区进行发电给蓄电装置11充电。而且，驱动电机9的发电功率可以设置得比较大，例如30kW。

在混合驱动模式下，当车辆匀速行驶时，如果液力变矩器20处于液力传动工况，发动机1工作在某一油门开度下，行星架离合器7处于接合状态，行星架制动器8处于分离状态，行星排30工作在正号机构状态下，驱动电机9处于空转模式，发动机1的动力通过液力变矩器20和行星排30传递到驱动电机转子轴9a后驱动车辆前进。由于车速较低，液力变矩器20的效率较低，因此驱动电机9不发电，发动机1的动力通过液力变矩器20和行星排30后直接用于驱动车辆。

在混合驱动模式下，当车辆制动时，如果车速较高，液力变矩器20处于机械传动工况，发动机1处于减速断油状态，行星架离合器7处于接合状态，行星架制动器8处于分离状态，驱动电机9工作在回馈发电模式下，发动机1的制动力矩传递到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的再生制动转矩后制动车辆，当发动机转速降低到发动机减速断油转速时，闭锁离合器6分离，液力变矩器20处于液力反传工况，发动机1恢复供油点火，发动机1的动力传递到驱动电机转子轴9a后，耦合驱动电机9a的再生制动转矩后制动车辆。

重型车辆的电控柴油发动机均具有减速断油功能，变速箱挂档滑行比空档滑行更节油。当发动机1的转速低于发动机减速断油转速，例如900rpm时，恢复供油，此时挂档滑行就不再省油。因此，在车速较高，特别是液力变矩器20处于机械传动工况时，闭锁离合器6不应分离。但当车速降低到发动机减速断油转速对应的车速时，例如25km/h时，发动机1恢复供油点火。此时，闭锁离合器6分离，液力变矩器20处于液力反传工况。因为液力变矩器20的叶片系统一般都是根据在牵引工况下获得良好性能的原则来进行设计的，在反传工况下，叶片的工作性能很差。此时，发动机1处于怠速状态，其动力很小，通过液力变矩器20传递到驱动电机转子轴9a时，对车辆制动基本不起作用。车辆制动主要依靠驱动电机9的再生制动转矩和制动器的机械制动力矩。

在混合驱动模式下，当车辆制动时，如果车速还低于液力变矩器闭锁点对应的车速时，例如40km/h，闭锁离合器6还处于分离状态，发动机1处于减速断油状态，行星架离合器7处于接合状态，行星架制动器8处于分离状态，驱动电机9工作在回馈发电模式下，液力变矩器20处于液力反传工况，发动机1的制动力矩通过液力变矩器20传递到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的再生制动转矩后制动车辆，当发动机转速降低到发动机减速断油转速时，发动机1恢复供油点火，发动机1的动力传递到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的再生制动转矩后制动车辆。

驱动电机9提供的再生制动的特点是，低速段恒转矩，高速段恒功率。高速段时，制动功率可达到150kW；低速段时(0～600rpm)，制动转矩可达到2500Nm，通过传动比为6.2的主减速比后传递到驱动轮上的制动转矩为15500Nm。驱动电机9的再生制动转矩根据踩下的制动踏板深度进行设置，以保证车辆的制动感觉。对于384V/120Ah的蓄电装置11，其脉冲充电电流不应超过3C，即360A。优选地，驱动电机9的最大再生制动功率设置为120kW，以平衡能量回收效能和蓄电装置11的寿命。

在混合驱动模式下，当车辆下长坡制动时，在蓄电装置11和驱动电机9不能提供足够大的再生制动转矩时，泵轮离合器67分离，发动机1处于怠速状态，泵轮制动器68接合，闭锁离合器5分离，行星架离合器7分离，行星架制动器8接合，行星排30工作在负号增速机构状态下，驱动电机9工作在回馈发电模式下，车辆通过驱动电机转子轴9a和行星排30带动涡轮3反转，液力变矩器20处于反转制动工况，产生的制动力矩通过行星排30传递到驱动电机转子轴9a，耦合驱动电机9的再生制动转矩后制动车辆。

蓄电装置11的脉冲充电电流受到SOC(荷电状态，State of Charge)和温度等因素的限制。当SOC和温度较高时，蓄电装置11的脉冲充电电流较小；当SOC和温度较低时，蓄电装置11的脉冲充电电流较高。因此，在下长坡制动时，如果蓄电装置11的SOC较高，或者在持续制动一段时间后，蓄电装置11被充电到较高的SOC时，驱动电机9的再生制动转矩将被减小，以避免蓄电装置11产生过充而影响其安全性和寿命。

此时，泵轮离合器67分离，泵轮制动器68接合，泵轮2被锁止，行星排30工作在负号增速机构状态下，涡轮3在车辆带动下反向高速转动，工作液冲击泵轮2后产生较大的减速力矩，液力变矩器20转换成为液力减速器。只要工作液的温度能够得到有效的控制，例如，利用发动机冷却系统(发动机怠速时，冷却系统的温度一般不超过140℃)进行冷却，则液力变矩器20提供的减速力矩不会随油温的增加而降低，仍会保持稳定的减速能力。例如，当下坡车速为30km/h时，转子轴9a(齿圈33)的转速为1100rpm，行星排30的传动比为-1/2，涡轮3(太阳轮31)的转速为2200rpm，液力变矩器20可提供近1000Nm的减速力矩，传递到驱动轮上约为12400Nm。因此，可以避免制动器过热并减小其磨损，提供稳定的制动效能，确保车辆的安全性。

如上所述，本发明实施例的重型车辆的混合驱动系统，在车辆起步加速或者爬坡时提供较大的输出转矩，降低对驱动电机系统和蓄电装置的要求，在下长坡制动时液力变矩器工作在反转制动工况下提供较大的制动转矩，避免制动器过热并减小其磨损，满足作为生产工具使用的重型车辆的高动力性要求。

本发明并不局限于上述实施例，而是覆盖在不脱离本发明的精神和范围的情况下所进行的所有改变和修改。这些改变和修改不应被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且所有诸如对于本领域技术人员来说显而易见的修改均应被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种重型车辆的混合驱动系统，其包括：

发动机，其包含曲轴；

液力变矩器，所述液力变矩器的涡轮通过所述液力变矩器的闭锁离合器连接所述液力变矩器的泵轮；

行星排；

驱动电机；

其特征在于，

泵轮离合器，所述曲轴通过所述泵轮离合器连接所述泵轮；

泵轮制动器，其被设置成用于制动所述泵轮；

所述行星排的太阳轮连接所述涡轮；

行星架离合器，所述行星排的行星架通过所述行星架离合器连接所述行星排的齿圈；

行星架制动器，其被设置成用于制动所述行星架；以及

所述驱动电机的转子轴连接所述齿圈。

2.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，所述的重型车辆的混合驱动系统还包括驱动电机控制器和蓄电装置，所述蓄电装置通过所述驱动电机控制器连接所述驱动电机。

3.根据权利要求2所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，所述的重型车辆的混合驱动系统还包括混合动力控制器，所述混合动力控制器连接所述驱动电机控制器、所述发动机、所述蓄电装置、所述泵轮离合器、所述泵轮制动器、所述闭锁离合器、所述行星架离合器和所述行星架制动器的控制装置。

4.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

以太阳轮为主动件，齿圈为从动件，当行星架离合器接合，行星架制动器分离时，行星排为正号机构，传动比为+1；

以太阳轮为主动件，齿圈为从动件，当行星架离合器分离，行星架制动器接合时，行星排为负号减速机构，传动比为-K，其中K为行星排特征参数；

以齿圈为主动件，太阳轮为从动件，当行星架离合器分离，行星架制动器接合时，行星排为负号增速机构，传动比为-1/K；以及

当行星架离合器和行星架制动器同时接合时，行星排锁止，可提供变速器侧的驻车制动功能。

5.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆驻车时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机启动后处于怠速状态，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于接合状态，行星排处于锁止状态，驱动电机处于空转模式。

6.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆倒车时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机工作在某一油门开度下，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器分离，行星架制动器处于接合状态，行星排工作在负号减速机构状态下，驱动电机工作在反转电动模式下，发动机的动力通过液力变矩器传递到行星排，反向后输出到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的动力后驱动车辆倒退。

7.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆空档时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机处于怠速状态，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器处于分离状态，行星架制动器分离，行星排处于空转状态，驱动电机处于空转模式。

8.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆起步时，泵轮离合器处于接合状态，泵轮制动器处于分离状态，发动机工作在某一油门开度下，闭锁离合器处于分离状态，液力变矩器处于液力传动工况，行星架离合器接合，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在正转电动模式下，发动机的动力通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的动力后驱动车辆前进。

9.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆加速到液力变矩器闭锁点对应的车速时，闭锁离合器接合，液力变矩器处于机械传动工况，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在正转电动模式下，发动机的动力通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的动力后驱动车辆前进。

10.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆匀速行驶时，如果液力变矩器处于机械传动工况，发动机工作在某一油门开度下，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在正转发电模式下，发动机的动力通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的发电转矩后驱动车辆前进；以及

当车辆匀速行驶时，如果液力变矩器处于液力传动工况，发动机工作在某一油门开度下，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机处于空转模式，发动机的动力通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴后驱动车辆前进。

11.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆制动时，如果液力变矩器处于机械传动工况，发动机处于减速断油状态，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，行星排工作在正号机构状态下，驱动电机工作在回馈发电模式下，发动机的制动力矩通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆，当发动机转速降低到发动机减速断油转速时，闭锁离合器分离，液力变矩器处于液力反传工况，发动机恢复供油点火，发动机的动力通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆；以及

当车辆制动时，如果闭锁离合器处于分离状态，发动机处于减速断油状态，行星架离合器处于接合状态，行星架制动器处于分离状态，驱动电机工作在回馈发电模式下，液力变矩器处于液力反传工况，发动机的制动力矩通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆，当发动机转速降低到发动机减速断油转速时，发动机恢复供油点火，发动机的动力通过液力变矩器和行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆。

12.根据权利要求1所述的重型车辆的混合驱动系统，其特征在于，

在混合驱动模式下，当车辆下长坡制动时，在蓄电装置和驱动电机不能提供足够大的再生制动转矩时，泵轮离合器分离，发动机处于怠速状态，泵轮制动器接合，闭锁离合器分离，行星架离合器分离，行星架制动器接合，行星排工作在负号增速机构状态下，驱动电机工作在回馈发电模式下，车辆通过驱动电机转子轴和行星排带动涡轮反转，液力变矩器处于反转制动工况，产生的制动力矩通过行星排传递到驱动电机转子轴，耦合驱动电机的再生制动转矩后制动车辆。

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